自21世纪初，纳米技术及其衍生的工程纳米材料始终处于技术革新的前沿。面对复杂的环境污染问题，纳米技术提供了众多新颖高效的治理方案。然而，纳米材料可能带来的未知健康风险也引发了对其广泛应用的担忧。因此，为了更好地理解纳米材料的两面性（即功能和毒性），本论文从纳米材料的物理化学性质出发，探讨了其结构与性能，功能与毒性之间的关系，旨在寻找应用与影响之间的平衡（图1）。论文进一步总结了纳米材料在安全设计（Safer-by-Design）和可持续设计（Sustainable-by-Design）方面的研究进展，并对人工智能（AI）在推动以环境健康与安全（Environmental Health and Safety, EHS）为导向的纳米材料发展中所面临的挑战和未来前景进行了展望。
同济大学环境科学与工程学院林思劼教授团队在Eco-Environment & Health期刊上发表题为“Let the two sides of the same coin meet – Environmental health and safety-oriented development of functional nanomaterials for environmental remediations”的综述论文。
纳米材料在环境修复领域丰富的研究文献和有限的应用案例之间的反差提醒我们对于纳米毒理学的关注。迄今为止，关于纳米材料的功能和毒性的研究往往互不相干，同一枚硬币的两面难以相遇。这种情况将加剧公众对纳米技术的恐惧或不信任，进而阻碍纳米材料的实际应用。
纳米材料的尺寸、官能团、暴露晶面和能带结构的可调性决定了其功能的多样化。论文系统归纳了纳米材料结构特性与相应功能之间的关系，为纳米材料研发提供一系列设计策略，以实现各种功能来适应各种环境修复要求（图2）。
其实，纳米材料的毒理学分析也与其功能探索密切相关。纳米材料的物理化学特性，包括尺寸、形状、表面官能团、疏水性、表面电荷、暴露晶面、能带结构和化学成分决定其表面特性，影响着纳米-生物界面的相互作用，进而决定其毒性效应（图3）。通过调控这些物理化学特性，我们可以提高纳米材料的生物相容性，使其更加安全、环保，为环境修复和人体健康提供更加可靠的纳米技术解决方案。
图3. 纳米材料的结构-性质-毒性关系
目前，Safer-by-Design主要关注材料合成阶段的安全性，而结合全生命周期内的生产、使用、废弃和资源利用效率等方面的考虑将为纳米技术的可持续发展提供更全面的策略，即Sustainable-by-Design。生命周期评估（LCA）和风险评估（RA）等评估方法，以及机器学习（ML）等工具，正在促进更具可持续性的纳米材料的开发。LCA可用于评价纳米材料在其整个生命周期内的投入、产出和潜在的环境影响。RA可以量化各种释放情景下与纳米材料相关的潜在暴露和危害，填补LCA生态毒性数据的缺失。当与LCA或RA相结合时，ML可以提高效率并获得更有效的数据，从而加速实现纳米材料的Sustainable-by-Design（图4）。
图4. 纳米材料的可持续设计之路
论文最后讨论了人工智能在促进纳米技术的绿色和可持续发展的潜力。未来期望通过跨学科研究，推动科学创新，实现以环境健康为导向的纳米材料及其技术发展。
该论文第一作者为同济大学环境科学与工程学院的博士生吴双玉，通讯作者为林思劼教授。该研究得到国家自然科学基金，上海市基础研究特区项目和中央高校基础研究基金等项目资助。
Shuangyu Wu, Jian Peng, Stephanie Ling Jie Lee, Xiaoqing Niu, Yue Jiang, Sijie Lin*. Let the two sides of the same coin meet—Environmental health and safety-oriented development of functional nanomaterials for environmental remediations, Eco-Environment & Health (Eco-Environ. Health), 2024
吴双玉，博士研究生，现就读于同济大学环境科学与工程学院，主要从事环境功能材料研究。
林思劼，博士，同济大学环境科学与工程学院教授、博士生导师，国家海外青年高层次人才，现任同济大学研究生院副院长，长江水环境教育部重点实验室副主任。重点围绕纳米环境化学和毒理健康效应，环境功能材料的绿色合成与安全利用，人工智能赋能的高通量毒性分析方法开展基础研究工作，以通讯作者在PNAS，Nature Communications，EST等期刊发表学术论文百余篇，总引13000余次，H因子53，入选全球Elsevier“中国高被引学者”。任杂志Frontiers in Toxicology，Nano LIFE副主编，NanoImpact，The Innovation，Chinese Chemical Letters青年编委。
