MXene‑Graphene Composites: A Perspective on Biomedical Potentials

Ebrahim Mostafavi*, Siavash Iravani*

Nano-Micro Letters (2022)14: 130

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00880-y

1. MXene/石墨烯复合材料在未来的生物医学领域有很大的应用潜力。

3.讨论了MXene/石墨烯复合材料的合成方法、性能、潜在毒性以及未来的发展前景。

具有高导电性、光热转换、光催化活性和亲水性的MXene基(纳米)结构已被广泛研究，用于制造具有多功能性的纳米结构。石墨烯基(纳米)结构表现出独特的物理化学性质，如pH敏感性、刚度、高电导率、大比表面积和机械强度。这些材料具有较大的表面积、较高的热导率/电导率、光学透过率、电子迁移率和杨氏模量值，在生物医学领域均有相应的应用。由于MXene纳米片被证明是石墨烯上的高效杂化基质，因此设计了多种MXene/石墨烯杂化复合材料，具有优异的结构稳健性、导电性和柔韧性，以及独特的电气/电化学和机械特性(图1)。当将这些复合材料应用于聚乙二醇基质时，改善了其穿透平面热导率。设计的复合材料具有很好的电磁干扰(EMI)屏蔽效能，厚度为2.5 mm时，屏蔽效能为36 dB。结果表明，以磁性镍纳米链为锚定的磁性MXene(Ti₃C₂Tₓ)还原石墨烯氧化物气凝胶，具有合适的多功能性、疏水性和隔热活性。此外，通过冷冻干燥和还原热处理技术制备了MXene(Ti₃C₂Tₓ)-氧化石墨烯杂化泡沫，导电性增强，电磁干扰性能优异，是用于智能和下一代器件的优异候选材料。

MXenes通常通过酸蚀刻从其最大或非最大相母体中选择性去除“A”层来制备，其中A通常是周期表中的第13族或第14族元素。此外，介绍了几种自顶向下和自下而上的合成MXenes的技术，包括尿素玻璃法、化学气相沉积、熔盐蚀刻、水热制造和电化学制备。化学气相沉积和湿法刻蚀技术已广泛用于制备MXenes。可通过采用不同的湿法蚀刻方法制备具有端接的高质量MXenes，从而生产出具有基本亲水性的MXenes。另一方面，通过化学气相沉积、石墨的机械剥离和通过加热还原石墨烯氧化物，已制备出具有所需尺寸、纯度和结晶度的石墨烯结构。

已报道多种物理和化学方法来合成MXene/石墨烯复合材料，如机械混合、自组装方法、水热技术、热处理和试剂还原处理。其中，水热技术被广泛应用于制备复合材料。例如，在低温(65℃)下制备MXene(Ti₃C₂Tₓ)/还原石墨烯氧化物结构，随后进行冷冻干燥。在水热反应中，利用抗坏血酸防止MXene结构被氧化(图2)。此外，在95℃的温度下，通过水热技术合成了3D多孔MXene(Ti₃C₂Tₓ)/还原氧化石墨烯气凝胶。由这些混合气凝胶设计的电极具有良好的面积容量，表现出较高的电化学活性，显著的容量、循环寿命延长(约500个循环)、容量衰减率低(每个循环约0.07%)。

MXene和基于MXene的(纳米)结构表面具有丰富的官能团，提供了灵活的修饰/功能化机会。高稳定性和亲水性和有着完整的金属原子层和可调成分，使其在临床和生物医学领域潜力很大。如通过应用具有癌症治疗/诊断和药物递送潜力的MXenes和石墨烯结构，构建智能纳米系统。另一方面，除了生产抗病毒/抗菌表面涂层和医疗设备外，石墨烯和MXene基(纳米)结构还被用于构建抗病毒或抗菌药物的智能输送系统。生长动力学研究表明，边缘锋利的MXene纳米片可以直接与细菌细胞的表面膜发生物理相互作用，导致细胞材料从细胞中释放。研究表明氧化石墨烯衍生物可以成功阻断HSV-1的感染，模拟细胞表面受体硫酸乙酰肝素。然而，针对检测或抑制致病性病毒的基于MXene的结构的研究有限。

不同类型的MXene和石墨烯基(纳米)复合材料已用于组织工程和再生医学，具有多功能性和良好的生物相容性。有文献介绍了使用MXene(Ti₃C₂)结构修复骨缺损的3D打印组织工程骨支架；通过挤出3D打印将MXene结构纳入羟基磷灰石和海藻酸钠构建的复合支架中，用于骨再生。这些具有均匀结构和大孔形态的支架具有显著的机械强度，碱性磷酸酶性能得到改善，成骨基因表达上调，具有合适的生物相容性，并刺激矿化结节生成/细胞增殖。MXene(Ti₃C₂)量子点具有免疫调节作用，已被探索用于改善损伤后的组织修复。此外，还研究了不同的MXenes和石墨烯复合材料对活性氧胁迫和活性氮物种可能的自由基清除应用。它们具有适当的抗氧化性能，可以保护细胞免受氧化损伤。

MXene-石墨烯杂化物可应用在(生物)传感中。例如，MXene石墨烯场效应晶体管传感器被设计用于检测流感病毒和冠状病毒，通过抗体-抗原结合具有显著的化学敏感性，以在病毒沉积到病毒传感转导材料表面后获得电化学信号转导。此外，将MXenes和石墨烯结构结合，可以提供合适的多孔材料，具有较高的酶结合能力，亲和力和稳定性提高。此外，通过真空过滤和预聚合制备的MXene(Ti₃C₂Tₓ)/石墨烯/聚二甲基硅氧烷层状结构主要包含两层MXene(上层)和柔性石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料(底层)。这些复合膜可用于设计可穿戴式应变传感器(特别是用于精确监测全范围人体运动)，具有大范围的线性响应，以及高灵敏度(检测下限约为0.025%)、线性(R2>0.98)和循环稳定性(超过5000个循环)。

具有柔性、导电性和循环稳定性优势的层结构均匀MXene(Ti₃C₂Tₓ)-石墨烯氧化物薄膜传感器也备受关注，如使用石墨烯和MXene(Ti₃C₂Tₓ)复合材料的气溶胶喷射打印柔性双峰传感器。在设计智能执行器以及传感和生物/保健设备(例如呼吸监测传感器)时，应进一步探索具有对湿度线性敏感响应和高生物相容性的独特特性的材料。此外，使用MXene还原氧化石墨烯气凝胶设计了具有极好的线性灵敏度和高导电性的基于三维气凝胶的压阻传感器。除了快速响应时间和低检测极限外，这些传感器还表现出高性能和稳定性。可对其进一步评估，以设计具有实时检测人体心跳、呼吸和发声能力的传感器，显示出其在柔性可穿戴电子设备中的未来适用性。

IV 生物相容性和毒性问题

石墨烯基材料已广泛应用于生物医学领域，如生物成像、生物传感、治疗学、药物/基因传递、抗菌/抗病毒药物和组织工程应用。因此，为了使其成为商业化产品，有必要评估这些材料对人体细胞的生物相容性和细胞毒性。石墨烯基材料对人体细胞的潜在细胞毒性作用主要取决于其物理化学特性、与细胞的相互作用及其在特定组织/器官中的积累。石墨烯MXene复合材料的毒理学效应预计也会受到石墨烯存在的影响，为了进一步阐述这些效应，需要深入了解其与人体细胞/组织/器官的细胞和分子相互作用。图5显示了潜在的作用机制，包括暴露于石墨烯基材料时，细胞中发生的分级事件。

图5. 石墨烯材料对人体细胞毒性的潜在机制。

Siavash Iravani

本文通讯作者

Isfahan University of Medical Sciences

▍主要研究领域

纳米材料和绿色纳米技术、分析化学、绿色合成、绿色化学、纳米粒子合成、癌症纳米技术和药物输送系统。

▍个人主页

https://www.researchgate.net/profile/Siavash-Iravani

▍Email：siavashira@gmail.com

Ebrahim Mostafavi

本文通讯作者

Stanford University School of Medicine

▍主要研究领域

纳米(生物)技术，生物工程/生物材料，组织工程/再生医学心血管医学，药物递送。

▍个人主页

https://profiles.stanford.edu/ebrahim-mostafavi?tab=publications

▍Email：ebimsv@stanford.edu

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部