思路来源—

由感染、炎症等疾病引发的组织损伤或缺陷的再生工程，是临床医学面临的关键挑战之一，组织再生治疗是现代医学的前沿热点之一。创新性组织工程策略的发展，为克服受损组织再生过程中的局限性提供了巨大潜力。MXene作为一种新兴二维纳米结构的代表，具有多功能特性，尤其在独特的水分散性、优异的导电性和丰富的表面终止基团方面表现突出，因此在生物医学领域的多模态纳米平台中受到了广泛关注和研究。在本综述中，我们系统探究了MXene的卓越性能，以及复合了MXene的新型多功能水凝胶在组织再生治疗中的研究进展，内容涵盖从皮肤的再生与治疗，到生物组织的诊疗等多个方面。首先，总结了 MXene 的合成方法与表面修饰技术，并着重强调了其优势。关于MXene与水凝胶的复合，本文介绍了两种MXene基水凝胶的制备方法，深入解析了MXene在其中的作用，以及MXene赋予水凝胶的新性能或增强性能，包括水凝胶的多模态响应性。重要的是，本文详细探讨了 MXene基水凝胶在组织工程领域的最新进展，旨在为其在生物医学应用中的进一步探索提供参考。此外，还重点分析了MXene基水凝胶在再生治疗中面临的挑战与未来前景，力求为组织再生治疗提供具有重要基础意义的研究方向和富有洞察力的启示。

近日，四川大学机械学院何亮教授团队联合四川大学华西医院殷鸿波教授、唐新教授和华西基础医学与法医学院姜楠教授，全面概述了MXene多功能集成水凝胶在组织再生治疗中的作用，涵盖这一体系的构建、作用机制及生物医学应用，以“Roles of MXene-integrated multifunctional hydrogels in tissue regeneration therapy: construction, mechanisms, and biomedical applications”为题于2025年8月7日发表在《Materials Today》上。论文第一作者为四川大学在读博士生王文武和马泽宇，通讯作者为殷鸿波、唐新、何亮、姜楠教授。

— 主要内容 —

1.MXenes的合成与表面改性

为了深入阐明基于功能性MXene的水凝胶在组织再生治疗中的潜力，综述首先全面总结了二维MXene纳米片的合成方法，从组织再生的角度突出其优缺点的具体比较。包括湿刻蚀工艺（氢氟酸刻蚀、原位氢氟酸刻蚀、温和路线、碱辅助水热路线以及极性溶剂热路线），其优点是操作简便、适用于多种MAX相、产物稳定，或反应温和安全，缺点是使用腐蚀性试剂、产生有害废液、产率较低或可能产生杂质相。此外，干刻蚀路线（氟化物熔盐刻蚀、无氟熔盐刻蚀、路易斯酸扩展蚀刻和碘辅助刻蚀），优点是可制备多种MXene、表面终止基团可调、无氟工艺适合大规模合成，缺点是对温度和设备要求高、操作复杂。最后，新兴的新型刻蚀技术（如电化学刻蚀、化学气相沉积路线等），优点是绿色环保、无氟参与、可制备高质量MXene，缺点是设备要求高、反应时间长或产率低。

然而，由于MXene的一些局限性使其并不完美，例如在生理环境下会发生自发氧化和自聚集，这可能导致暴露的活性面积减少、结构破坏，甚至使MXene在组织再生工程中发生功能失效。因此，MXene所存在的局限性使其需要通过表面杂化与其它功能物质或纳米结构进行改性，从而增强MXene纳米片的性能，甚至获得新的性能。表面改性方法包括杂交改性和有机功能化，杂交改性与金属纳米粒子等形成异质结构，优点是提升光热转换效率等、增强稳定性，缺点是过程复杂可能引入杂质。有机功能化与聚合物结合，优点是提升生物相容性等、增强抗氧化性，缺点是可能影响本征性能、效率受反应条件影响大。功能化表面改性的总结将启发制备具有所需结构和性能的MXene，以应对组织工程中的不同需求，拓展 MXene在组织再生治疗中的潜力。

2.MXene 掺杂水凝胶的合成

作为二维结构的代表，MXene因其具有独特的功能组合而脱颖而出，包括导电性、光热转换和抗菌性能等，这使其在组织再生治疗应用中具有吸引力。目前，根据MXene与单体/聚合物的相互作用，已有多种制备MXene基水凝胶的方法被报道，其中MXene在凝胶化过程中发挥着不同的作用。在这里，MXene复合水凝胶的合成主要被分为物理填充凝胶化和化学促进凝胶化两类。物理填充凝胶化中，MXene作为纳米增强剂或功能结构混入凝胶体系，通过温度、pH、光等外部刺激引发凝胶化，如琼脂糖、PNIPAM等温度敏感聚合物与MXene 复合，经冷却或温度变化形成水凝胶，DNA水凝胶负载MXene可实现温度诱导的可逆溶胶-凝胶转变；pH响应聚合物在不同pH条件下结构改变，触发快速可逆的凝胶-溶胶转变；冷冻-解冻循环使PVA等聚合物形成水凝胶，MXene均匀分散其中并使复合结构的性能增强；光或热辐射也能诱导丙烯酰胺等单体溶液在引发剂作用下与MXene通过氢键结合形成水凝胶。不过，该方法中MXene的稳定分散存在局限，常需添加化学小分子或无机离子调节相互作用。相对应地，化学促进凝胶化中，MXene参与凝胶化过程，可作为功能异质结构催化剂，通过产生羟基自由基促进单体聚合，还能作为多功能交联剂或引发剂，无需外部加热、紫外照射等，在常温下快速引发溶胶-凝胶转变，如Ti₃C₂基PAM水凝胶在极低MXene含量下即可形成，且力学性能优于传统有机交联剂体系。MXene基异质结构相比纯MXene能加速自由基聚合，提升水凝胶稳定性与性能。

3.具有新性能/增强性能的MXene功能化水凝胶

MXenes可以增强水凝胶的性能，当将其引入水凝胶网络时，甚至能赋予水凝胶新功能，包括可调节的机械性能、增强的导电性、出色的光热转换和抗菌性能、智能载药能力以及活性氧清除能力。基于MXene的功能化水凝胶在组织再生治疗中具有出色的通用性和潜力，为创新生物医学治疗方法的开发提供了新的机遇和可能性。其力学性能可通过MXene与聚合物网络的物理连接（如氢键、离子相互作用）调控，能匹配不同组织的力学需求，例如神经修复需较软基质，骨修复则需较高弹性模量，且合适的黏弹性利于3D打印个性化支架。而电子电导率的显著提升，得益于MXene的高本征电导率，可维持损伤组织内源性电场，促进电活性组织修复，配合电刺激还能加速细胞增殖、分化及信号传导。显著地，MXene的加入，其复合水凝胶展现出优异的光热转换效率，能吸收近红外光转化为热能，实现肿瘤消融、感染伤口杀菌等，且温度可通过MXene浓度、激光参数调控。同时，其抗菌性能突出，通过二维“纳米刀”效应、光热作用及催化产生活性氧等机制抑制细菌，减少感染风险。此外，基于MXene的功能化水凝胶还具备智能载药能力，依托大比表面积和表面基团实现药物可控释放，以及活性氧清除能力，可缓解氧化应激，为组织再生创造适宜微环境。

4.基于 MXene 的水凝胶在组织工程中的应用

近年来，得益于类似细胞外基质的三维微环境，各种具有高生物相容性和组织适应性的水凝胶在组织修复与再生领域受到了广泛关注并取得了显著发展，例如用于构建神经、皮肤、骨骼和心脏组织工程支架。其中，基于MXene的导电水凝胶因其独特的二维特性，能够按需调控物理化学性能，包括导电性、光热转换和抗菌能力等，而被广泛应用于综合再生治疗。在此，总结了基于MXene的水凝胶在组织工程和再生医学中的各种应用，根据不同组织分为六项：皮肤再生与治疗、神经修复与治疗、心脏组织工程、骨骼再生与治疗、肿瘤消融与治疗以及生物组织的诊疗。

在皮肤再生方面，其具备导电、抗菌、光热及ROS清除等性能，能维持内源性电场，促进皮肤细胞增殖分化，配合电刺激可加速伤口愈合；对多重耐药菌感染的慢性伤口，可通过光热作用杀菌，同时调节氧化应激，促进血管生成与胶原沉积，还能构建智能给药系统，实现抗菌药物的可控释放。在神经修复中，多孔结构的MXene基水凝胶可模拟神经组织的细胞外基质，支持神经干细胞黏附、增殖和分化，其导电性有助于恢复受损神经的电信号传导，结合电刺激能进一步促进轴突再生和突触形成，特殊微观结构还能引导神经元定向生长。在心脏组织工程中，该水凝胶可作为心肌补丁，弥补梗死心肌与正常组织的电导率差异，促进电信号传递和同步收缩，同时清除过量ROS，减轻氧化应激损伤，其组织黏附性和力学性能可匹配心脏跳动需求，微观结构能引导心肌细胞有序排列。在骨再生治疗中，MXene基水凝胶为成骨细胞提供适宜微环境，促进其增殖分化和矿化，导电性结合电刺激可激活相关信号通路，加速骨再生，对肿瘤切除后的骨缺损，还能通过光热作用抑制肿瘤复发并抗菌。在肿瘤治疗方面，依托光热转换性能实现肿瘤消融，结合载药功能可实现光热-化疗协同治疗，精准杀伤肿瘤细胞。此外，其还可作为生物传感器，监测组织修复过程中的生理指标，为个性化治疗提供依据。

— 挑战与展望 —

综上所述，MXene基导电水凝胶在组织再生治疗中展现出显著优势，在生物医学领域的应用前景广阔，但其商业化应用仍面临多重挑战。首先，大规模绿色合成MXene需突破现有技术局限，需开发可精准控制尺寸、结构和表面终止基团的方法，减少有害化学试剂使用，同时拓展更多MXene种类并解决长期储存稳定性问题。其次，MXene的改性与功能化是关键，需通过表面工程增强其抗氧化性和生物安全性，避免氧化导致的性能失效，同时实现性能的精准调控。此外，性能相关机制需深入研究，如抗菌和光热转换的具体机制，以及不同合成工艺对结构与性能关系的影响，需结合实验与理论计算推动研究。同时，需设计稳定的高性能MXene基水凝胶，明确MXene与水凝胶成分的相互作用机制，开发规模化制备工艺。最后，需系统评估其体内外安全性，包括长期生物相容性、生物降解性和潜在毒性，在高等动物模型中验证，为临床转化奠定基础。

— 论文信息 —

论文信息：

Roles of MXene-integrated multifunctional hydrogels in tissue regeneration therapy: construction, mechanisms, and biomedical applications, Materials Today, 2025, DOI: 10.1016/j.mattod.2025.07.031.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125003372

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125003372