斯坦福大学医学院Ebrahim Mostafavi亮点评述:MXene-石墨烯复合材料在生物医学的应用潜力

MXenes是一种具有类石墨烯结构的过渡金属碳化物和氮化物,自首次发现以来受到了广泛关注。石墨烯已广泛应用于生物医学和医药领域。由于独特的物理化学性质,如优越的导电性、高生物相容性、大比表面积、光学和磁性特征以及非凡的热和机械性能,MXene和石墨烯作为有前途的二维材料候选者,在未来的生物医学应用中具有很高的潜力。这些特殊的结构、功能和生物学特性表明,MXene和石墨烯的杂化/复合结构将能够满足不同领域中许多未满足的需求;特别是需要高性能的机械、电气、热、磁和光学要求的医学和生物医学工程中。然而,应进一步探索杂交和表面功能化,以获得具有独特理化性质、高稳定性和多功能性的生物相容性复合材料/平台。此外,毒理学和长期生物安全评估以及临床转化评估应在研究中给予高度重视。应该进一步对MXene/石墨烯进行研究和分析,以优化其性能并提高其功能性,使其具有临床和工业前景。

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

本文亮点

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。

2. 为提高MXene-石墨烯复合材料的生物相容性、高稳定性和多功能性,应进一步探索其杂化和表面功能化

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

内容简介

斯坦福大学医学院Ebrahim Mostafavi等讨论了MXene/石墨烯复合材料的不同合成/制备方法和性能,以期应用在生物医学领域;介绍了这些复合材料对人体细胞和组织的潜在毒理学效应,并展望了未来临床转化的应用前景;详细讨论了MXene-石墨烯复合材料应用方面的最新生物技术进展,以及它们的发展挑战和未来前景。由于MXene-石墨烯复合材料的优越性能和多功能性,这些杂化结构可以在未来的医疗保健和医学领域广泛应用。
图文导读

MXene/石墨烯杂化复合材料

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。

MXene-石墨烯杂化物具有高导电性、热稳定性和优异的电磁干扰性能,在设计新型超级电容器和多功能传感器中得到了应用。通过水热组装,定向冷冻和冷冻干燥过程,制备了具有细胞微观结构的3D MXene(Ti₃C₂Tₓ)-石墨烯杂化气凝胶。这些具有显著导电结构(高达1085 S m⁻¹)的多孔材料表现出极好的导电性(695.9 S m⁻¹)和电磁干扰屏蔽效能(在X波段,低MXene含量为0.74 vol%时超过50 dB)。此外,自愈能力是基于可持续技术制造智能长寿命多功能设备时应考虑的重要特性之一。有关MXene-石墨烯杂化物的生物医学应用的研究非常有限,其仍需进一步的优化和功能化。
图1. MXene-石墨烯杂化物具有很好的物理化学性质/特征,在生物医学领域应用潜力大。
II 合成方法

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%)。

此外,已报道多种基于绿色化学原理合成MXenes和石墨烯的方法,以避免使用有毒/有害试剂和繁杂工序。然而,更绿色的合成和功能化方法仍处于初级阶段,用于合成这些结构的低成本、简单、可升级和环境友好的技术有待开发。如可使用电化学方法合成MXene纳米片,无需使用危险的酸碱蚀刻剂,以及通过水电解氧化石墨制备氧化石墨烯片的更绿色方法(图3)。石墨的预插层可以成功地抑制水在高压下的阳极电催化析氧反应,从而在几秒钟内实现石墨烯晶格的超快氧化。此外,通过柠檬酸钠处理、水热还原和冻干工艺相结合,合成了环保的多孔石墨烯。这些石墨烯结构用于设计具有高灵敏度和高选择性的生物传感器(检测下限约为83.0 nmol L⁻¹)。
图2. 通过GO辅助水热组装技术以及定向冷冻和冷冻干燥过程,制备了MXene还原氧化石墨烯(RGO)杂化气凝胶。
图3. 通过水电解氧化工艺制备氧化石墨烯(GO)。
III 生物医学前景

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。

图4. 研究了用于葡萄糖生物传感应用的酶固定化用A) MXene纳米片和B) MXene-石墨烯杂化膜的制备工艺。

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。

作者简介

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
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2021JCR影响因子为 23.655,学科排名Q1区前5%,中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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