MXene 衍生多功能生物材料：开启伤口愈合新征程

本文全面综述了 MXene 在伤口愈合领域的研究进展。MXene 具有独特性质，可通过抗菌、抗炎、促血管生成等机制促进伤口愈合。其与多种材料复合能提升疗效，但也面临挑战。该研究为伤口愈合策略制定提供指导，助力相关领域发展。

　　

引言

在全球健康领域，皮肤受伤后的伤口愈合问题备受关注。伤口处常因细菌感染、氧化应激和缺血等因素导致代谢失衡，阻碍愈合进程。二维（2D）多功能生物活性纳米材料展现出在伤口愈合方面的潜力，MXene 作为其中一员，具有超薄厚度、大比表面积、优异机械强度，还具备良好导电性、亲水性和独特光热转换能力，在伤口愈合应用中前景广阔。尽管 MXene 存在易氧化、难适配复杂伤口形状等问题，但与其他纳米材料复合可有效解决。目前对 MXene 在伤口愈合方面的研究存在不足，本文旨在深入探讨其促进伤口愈合的机制，并对相关复合生物材料进行分析，为伤口愈合治疗提供新思路。

MXene 的设计策略

1. 合成策略：MXene 由 MAX 相制备而来，MAX 相具有三元层状结构（M_n+1AX_n），通过选择性蚀刻其中的 “A” 原子层，再进行多层剥离，可得到 MXene（M_n+1X_nT_x）。合成方法多样，各有利弊，选择时需综合考虑多种因素。
2. MXene 的性质
   • 亲水性：MXene 表面的功能基团使其具有亲水性，与水分子形成氢键。功能基团的类型和分布、表面空位等因素都会影响其亲水性，通过调控这些因素可定制满足生物医学需求的材料。
   • 生物相容性：良好的生物相容性是 MXene 用于伤口愈合的前提，其受尺寸、剂量和表面修饰等因素影响。研究表明，控制尺寸和采用复合策略可提高其生物安全性。
   • 生物降解性：生物材料的良好降解性可避免体内残留引发不良反应。如 Mo₂C-PVA 纳米片在碱性条件下快速降解，在酸性条件下相对稳定，且过氧化氢可加速其分解。
   • 导电性：MXene 的层状结构赋予其导电性，可用于电刺激（ES）疗法促进伤口愈合。通过表面修饰、离子插层和形态控制可调节其导电性，但引入大体积阳离子可能会改变其电学行为。

MXene 促进伤口愈合的潜在机制

伤口愈合是一个复杂的过程，包括止血、炎症、增殖和重塑等阶段，任何一个阶段出现问题都可能影响愈合效果。MXene 凭借其多功能生物活性，通过多种生物学途径促进伤口愈合。

1. 抗菌活性
   • 物理接触：MXene 具有亲水性和尖锐边缘，与细菌接触时可破坏细菌细胞壁和细胞膜，导致细胞内容物释放而死亡。研究表明，MXene 对革兰氏阳性菌（G⁺）的抗菌效果优于革兰氏阴性菌（G^?）。
   • 光动力疗法（PDT）：激光照射下，MXene 产生电子 - 空穴对，进而生成活性氧（ROS），ROS 可直接破坏细菌细胞壁和细胞膜，还能通过一系列反应间接诱导细菌凋亡或坏死。
   • 光热疗法（PTT）：MXene 的结构使其具有出色的光热转换能力，近红外（NIR）光照射下可产生热量，破坏细菌代谢平衡，抑制其耐药性发展。且 MXene 的尺寸会影响其光热抗菌效果，小尺寸的 MXene 光热响应更强。
   • MXene 异质结增强 PTT 和 PDT 效果：MXene 与其他光敏剂形成异质结，可增强 PTT 和 PDT 效果，有效杀灭细菌。但部分含重金属的异质结存在毒性和稳定性问题，有机光敏剂与 MXene 结合则具有更好的生物相容性和治疗潜力。
2. 抗炎特性
   • 清除过量 ROS：伤口处感染或高血糖等情况会导致 ROS 过量产生，引发氧化应激。MXene 可通过电子或氢原子转移清除过量 ROS，还能模拟内源性抗氧化酶的功能，将超氧化物和 H₂O₂转化为 O₂，缓解伤口缺氧。
   • 促进 M₁向 M₂巨噬细胞极化：巨噬细胞在伤口炎症环境中可极化为 M₁和 M₂两种表型，M₁型促进炎症，M₂型则有助于伤口愈合。研究发现，MXene 可抑制 M₁巨噬细胞中促炎细胞因子的表达，促进其向 M₂型极化，但具体机制尚待深入研究。
3. 血管生成
   • 电刺激：ES 可调节细胞内信号通路，促进细胞增殖、迁移和分化，在伤口愈合中发挥重要作用。MXene 的分层结构使其成为 ES 诱导血管生成的有效平台，与 ES 协同作用可促进伤口愈合，但 ES 的电压水平会影响细胞增殖。
   • 低温 PTT：40 - 43°C 的低温 PTT 可刺激血管内皮细胞增殖，增加肉芽组织中的血管密度。研究表明，MXene 在 NIR 激光照射下产生的温和 PTT 效应可上调血管内皮生长因子（VEGF）和 CD31 的表达，促进伤口愈合。

基于 MXene 的多功能生物活性复合材料在伤口愈合中的研究现状

MXene 在伤口愈合方面虽有潜力，但存在层状结构易氧化、难适配伤口形状等问题。与其他生物活性材料复合是解决这些问题的有效策略。

1. MXene - 水凝胶复合材料：水凝胶的三维多孔网络结构使其具有良好的吸水和保水能力，与 MXene 复合后，不仅能增强水凝胶的机械强度和传输效率，还能防止 MXene 聚集，提高其在伤口处的稳定性和适应性。复合水凝胶还可通过光刺激实现药物释放，促进伤口愈合。
2. MXene - 微针（MN）复合材料：MN 是一种有潜力的药物递送平台，但存在溶解动力学和机械完整性等问题。MXene 与 MN 复合可增强其机械性能，同时保留 MXene 的生物活性。复合 MN 在 NIR 照射下具有光热杀菌作用，还能通过清除 ROS 促进伤口愈合。此外，在复合 MN 中加入其他生物活性成分可进一步提升伤口愈合效果，且通过 3D 打印技术制备的 MN 支架具有光热响应药物释放和自愈合等特性。
3. MXene - 止血海绵复合材料：止血海绵在伤口愈合中用于快速止血，具有良好的生物相容性。MXene 可增强止血海绵的抗菌和止血能力，如表面修饰的 Ti₃C₂MXene 与铜离子、壳聚糖复合制备的多功能海绵，在 NIR 照射下抗菌效果显著提升，且在止血和促进伤口愈合方面表现出色。
4. MXene - 纳米纤维膜复合材料：纳米纤维膜（NFMs）具有大比表面积、高孔隙率等优点，但在抗菌、抗炎和促进组织再生方面存在不足。MXene 与 NFMs 复合可弥补这些缺陷，如含有 MXene 的复合 NFMs 具有光动力和光热效应，还能调节 ROS 水平，促进伤口愈合；同时，利用 MXene 的导电性制备的复合 NFM 可响应生理电信号，加速伤口愈合。

结论、挑战与未来展望

本文全面阐述了 MXene 在伤口愈合中的治疗机制及其相关复合材料的研究进展。MXene 与其他材料复合可克服自身局限性，提高治疗效果，为伤口护理和愈合疗法开辟了新途径。然而，目前仍面临诸多挑战。一方面，MXene 的研究主要集中在钛基碳化物，应拓展对其他类型 MXene 的研究；另一方面，MXene 的 PTT 效应可能对健康细胞和组织造成损伤，且其可能促进巨噬细胞向促炎表型极化，此外，提高 MXene 基复合材料的药物递送效率也是关键问题。未来，MXene 的研究将聚焦于开发高效低成本的合成技术、评估体内生物相容性和降解性、提高材料稳定性、增强细菌选择性、深入研究作用机制以及开发智能个性化治疗策略，以期为伤口愈合领域提供更安全有效的治疗方案。