基础。2007年太田成男等发表在《Nature Medicine》上的研究证实了氢气选择性地与羟基自由基、亚硝酸阴离子和次氯酸根等产生氧化还原反应，因此具有选择性抗氧化作用[1，2，3 ]。
氢分子抗氧化具有巨大的优势。由于氢分子结构简单，与自由基反应的产物无害，例如与羟自由基反应生成水，不会有任何残留，对身体无毒副作用；由于氢的分子量低，可以通过各种生物屏障，可自由扩散到细胞的任何位置，包括细胞核和线粒体，作用广泛；氢气抗氧化所需的量少，业已证实，氢气在2% ～4%浓度内就能发挥其抗氧化、抗凋亡的作用[1]。
氢分子选择性抗氧化的研究不仅在细胞实验和动物模型中获得成功，在疾病的治疗上也取得了大量成就。目前为止已经有多种疾病进入氢分子生物学方面的临床研究，包括二型糖尿病、代谢综合症、血液透析、炎症、线粒体肌肉病、脑干梗死和肝癌放射治疗副作用防治等；同时，在上述疾病临床研究中，均没有发现氢分子的任何毒副作用[3]。
因此氢气作为一种有选择性、高效、无毒、无残留、价格便宜的抗氧化物质，具有良好的临床应用前景。关于氢分子的研究现在正引起越来越多的关注，在世界上掀起氢气抗氧化的热潮[1]。
二、设计依据
由于细胞在代谢过程中会持续产生大量的活性氧及自由基，如果利用氢气来选择性地清除那些含量少、活性强、对机体有害的活性氧及自由基，就必须持续性地提供氢气才能起到抗氧化和防治疾病的作用[1，2 ]。
孙学军等在《氢分子生物学》中明确指出，在氢气的利用方面最需要解决的问题是人体如何持续利用氢气来中和在健康或疾病状态下持续产生的具有强氧化活性的羟基自由基、亚硝酸阴离子和次氯酸根等自由基[1]。
国内外正在研究外源性补充氢气的方法，如饮用含氢气的水、吸入含氢气的气体、注射含有氢气的液体、口服金属镁在胃部产生氢气等，由于这些利用氢气的方法使用不便且无法持续为人体提供氢气，限制了氢气的广泛应用。
由于氢气在水中的溶解度非常低，仅为15ml/L；最重要的是由于氢气分子量最小，非常容易从包装材料和微小的缝隙中扩散和泄漏，难以储存和运输，严重影响了含氢气的水的作用和效果[1 ]；饮用含氢气的水到胃后在胃酸的作用下容易释放出氢气，部分经过呼吸迅速排出；由于饱和氢气水携带氢气的量非常有限（1.5ml/100ml），饮用后被胃液稀释，无法达到2% ～4%抗氧化浓度；氢气容易扩散，作用部位也仅限于胃部，对肠道及全身的抗氧化作用不大，因此通过饮用含氢气的水为人体提供氢气的方式几乎都是失败的，市场上也未见到真正有作用的氢气水。
吸入含氢气的气体补充氢气是目前最常采用的方法，但需要专门的吸入设备，使用不便，无法持续吸入，限制了吸入氢气的推广和使用。
注射含氢气的液体，由于无法做到持续或反复注射，因此这种方式的使用亦不可能接受和应用。
有研究用口服金属镁在胃部与水反应生成氢气的方法为人体补充氢气，由于胃腔内大量水分存在，口服镁后会迅速产生氢气，不易控制氢气产生的速度，且氢气易从呼吸道排出，作用部位也仅限于胃部，因此通过口服镁在胃部产生氢气的方法亦难以获得成功。
综上所述，利用氢气选择性抗氧化具有广阔的前景和巨大的优势，但目前最重要的是解决如何持续性地为人体提供氢气的难题，也就是探寻为人体供氢的方法和途径问题。
三、构造设计的目标和内容
针对如何持续为人体供氢的问题，设计一种可以产生和存贮氢气的装置持续性地为人体提供氢气，达到预防和治疗疾病的目的。
氢化镁等金属化合物具有非常活泼的化学性质，与水接触，会迅速发生化学反应产生大量的氢气，可以作为氢气的来源[1]。
在新能源的开发热潮中，对氢气储存材料的研究较多，碳相关的贮氢材料研究最充分，纳米碳纤维是一种优良的储氢材料。由于纳米碳纤维具有独特的孔腔结构（如图所示），因此比表面积极大，可以作为多种气体的快速吸附介质。由于纳米碳纤维独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的储氢系统。纳米碳纤维层与层间距为0.343nm，还能产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0.337nm。而氢分子的动力学直径为0.289nm，所以，纳米碳纤维能用来吸附和存贮氢气[4，5 ]。
由于纳米碳纤维颗粒比较小，结构可控，而且表面经过一定的处理，使得许多催化剂、金属及金属化合物能很好地负载到纳米碳纤维表面，并很好地结合[4，5，6 ]。
因此，可以用纳米碳纤维负载氢化镁作为氢气的来源，由于氢化镁可以分散到纳米碳纤维巨大的表面积上，调节参与反应的水的量即可控制产生氢气的速度，避免一次性产生大量的氢气，同时纳米碳纤维可以吸附局部产生的氢气并暂时储存起来，再缓慢释放出氢气供机体利用，达到持续提供氢气的目的。
现代医药技术的迅猛发展，开发出肠道缓释胶囊，是在囊壳中加入了特殊的药用高分子材料或经特殊处理，使其在胃液中不溶解，仅在肠液碱性条件下释放胶囊内的药物。现已经开发出了定时、定位、定量的缓释胶囊，即通过对胶囊进行改造可以准确控制胶囊在肠道释放的时间、部位和剂量等。
将上述材料学及生物医药技术结合起来，设计一种可以持续为肠道及人体提供氢气的装置，即将氢化镁负载到纳米碳纤维上，再被覆以肠道缓释囊壳制成纳米碳纤维氢气胶囊。负载有氢化镁的纳米纤维作为产生和吸附氢气的载体，被覆肠溶胶囊是为了确保在肠道生成和释放氢气。释放氢气后的纳米碳纤维，由于表面积巨大，可以吸附肠道有害气体、毒素、微生物及其它的有害物质，通过肠蠕动作用，纳米碳纤维及所吸附的肠道有害物质一并排出。
业已证实，在慢性肠道疾病、肠道恶性肿瘤及慢性肝脏疾病的发生一方面与活性氧自由基的氧化损伤有关；另一方面也与肠道毒素、有害微生物、过多的垃圾在肠道堆积相关；这些有害物质在肠道的堆积与过氧化损伤互为因果，恶性循环，导致上述消化系统疾病的发生和发展。临床医学实践已经证实，积极补充膳食纤维对预防肠道恶性肿瘤具有重要的临床意义，人体摄入的膳食纤维如同肠道里的“清洁工”，可以吸附毒素及有害物质，通过肠道蠕动并将其排出，减轻肠道内有害物质的贮留和吸收，从而降低大肠癌等肠道疾病的发病率。因此选择性清除过多的活性氧自由基、及时排出肠道毒素及肠道有害物质在预防和治疗上述消化系统疾病更为合理。
因此，定时吞服这种纳米碳纤维氢气胶囊即可达到缓慢持久地为人体提供氢气的目的，同时释放氢气后的纳米碳纤维胶囊可以吸附肠道有害物质，达到持续抗氧化排毒物的双重作用。
四、设计方法和实验设计
1.设计方法
为了缓慢持续地向肠道、肝脏及全身提供氢气选择性抗氧化，促进肠道毒素及有害物质的持续排出，打破肠道有害物质和肠道过氧化损伤的恶性循环，拟制作一种纳米碳纤维氢气胶囊，设计原理如下：
在纳米碳纤维上负载氢化镁，包被以肠溶囊壳制作成纳米碳纤维氢气胶囊，胶囊到达肠道后在碱性肠液的作用下缓慢形成小的孔道，肠道中的水逐渐进入胶囊内，与纳米碳纤维上的氢化镁反应生成氢气，借助纳米碳纤维强大的吸附能力将局部产生的氢气吸附存贮于纳米碳纤维中，随着胶囊内外的浓度梯度，氢气再缓慢释放到胶囊外肠道中，经过肠道壁或进入肠道血流，清除肠道、肝脏甚至全身的活性氧自由基。另一方面，释放氢气后的纳米碳纤维，可以吸附肠道有害物质并通过肠蠕动一并排出。因此，定时吞服这种纳米碳纤维氢气胶囊可以缓慢持久地释放氢气，吸附肠道有害物质，达到抗氧化排毒物的双重协同作用。
2.实验设计
（1）纳米碳纤维的制备：用气相流动催化法，较为成熟，可制备出直径为50～200 nm的纳米碳纤维。目前已经可以工业化生产，单位时间内产量大，成本低[4]。
（2）纳米碳纤维负载氢化镁：由于纳米碳纤维颗粒比较小，结构可控，使得许多金属、金属化合物及催化剂等均能很好地负载到纳米碳纤维表面，并能很好地结合及分散。
材料科学家对纳米碳纤维做金属化合物载体的研究发现，金属化合物颗粒非常小且成六边形，它们在碳纤维表面分布均匀。这可能是由于金属化合物与载体之间非常强的作用力而使其在载体表面得以均匀地负载[4，6 ]。
（3）负载氢化镁的纳米碳纤维制作成肠溶胶囊：由于现代医药技术的巨大进步，业已开发出定时、定位、定量释放的肠道缓释胶囊。因此，在负载有氢化镁的碳纤维外包裹肠溶胶囊，并确保胶囊在肠道时水才能进入胶囊内，与纳米碳纤维上的氢化镁发生化学反应生成氢气。这一步骤较为简单。
3.安全性问题：
（1）由于人体不吸收纤维，但仍然需要尽量减少人体对纳米碳纤维的吸收，可以调整胶囊的材质和构架，控制肠溶胶囊穿孔的孔径让氢气、水及腸道毒素等可自由进出，释放氢气后胶囊整体构架不变形，纳米碳纤维保存在胶囊内，整个胶囊排出至体外；生产纳米碳纤维时可以适当延长碳纤维的长度亦可以减少人体对碳纤维的吸收。
（2）镁盐及镁离子吸收方面：由于氢化镁与水发生化学反应是在胶囊内的纳米碳纤维上，且纳米碳纤维巨大的比表面积，可吸附大量的镁，再同纳米碳纤维一起排出体外；另外，人体吸收镁后可以经过尿排出；因此纳米碳纤维氢气胶囊中的镁对人体危害不大。
4.可行性分析
由于胶囊的结构特点，在肠道的碱性环境下逐渐穿孔，水缓慢进入胶囊内，与氢化镁发生化学反应生成氢气。由于纳米碳纤维巨大的比表面积，对金属化合物、氢气、毒素良好的吸附作用，达到为人体缓慢供氢并排除毒素的作用效果。当然，这些设想都需要在动物实验中进一步验证，不断探索。
5.创新点
由于氢化镁预先分散于纳米碳纤维巨大的表面积上，在肠道内胶囊溶解慢，逐渐形成小孔，水缓慢进入，因此氢化镁与水反应生成氢气的速度较慢，避免了一次性产生大量的氢气；由于纳米碳纤维对氢气巨大的吸附作用，可以快速吸附局部产生的氢气并暂时储存起来，再缓慢释放出氢气；另外，将胶囊分层或者分隔，也可以避免一次性大量产生氢气。
这种胶囊最重要最核心的特点是在肠道缓慢产生氢气，缓慢释放氢气，持续地为肠道、肝脏及全身提供氢气，优于口服含氢气的水、口服镁剂、吸入氢气、注射氢气水等不可持续供氢的方式；另外，释放氢气后的纳米碳纤维可以吸附清除肠道有害物质，经过肠道蠕动一并排出，从而达到抗氧化排毒物的双重作用。
五、预期结果和意义
由于氢气可以选择性中和羟自由基、亚硝酸阴离子及次氯酸根等具有强氧化活性的活性氧自由基，具有高效、无毒、无残留的巨大优势，在疾病的预防和治疗方面具有重要的意义和非常广阔的应用前景。
由于人体在健康或疾病状态下都会持续产生少量具有强氧化活性的活性氧自由基，因此目前最需要解决的问题是采用何种方法持续地为人体提供氢气。
为针对性地解决上述难题设计出的纳米碳纤维氢气胶囊，人体吞服后在肠道碱性条件下，胶囊内的氢化镁与水反应生成氢气，通过其独特的设计和结构，可以缓慢持续地为肠道、肝脏及全身提供氢气，选择性地清除有害的活性氧自由基；释放氢气后的纳米碳纤维可以吸附肠道有害物质并通过肠蠕动排出，从而达到抗氧化排毒物的双重协同作用。
因此，这种纳米碳纤维氢气胶囊在慢性肠道疾病、肠道恶性肿瘤、慢性肝脏疾病的防治方面具有突出的优势，潜在的经济效益和社会效益巨大，值得进一步探索。
参考文献
[1].孙学军，氢分子生物学.上海：第二军医大学出版社，2013.
[2].范燕宾，杨巍.氢分子的生物医学研究进展.医学综述，2016：837-840.
[3].陈印忠，宋国华，贾庆卫等.新型抗氧化气体分子氢的临床应用研究及其可能的作用机制.中华老年心脑血管病杂志，2016：97-99.
[4].赵立，吴强，韩若冰等.纳米碳纖维及其应用的研究进展.材料导报，2013：54-59.
[5].魏薇，黄宝铨，钱庆荣，等.碳复合纳米材料储氢性能研究进展.精细石油化工进展，2014：39-41.
[6].朱林英，陈建，胥会等.纳米碳纤维、纳米碳管的储氢性能研究现状.材料导报.2015： 23-25.