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本文聚焦抗菌 MXenes 在骨科和牙科植入物表面工程的应用。阐述其作为非抗生素涂层添加剂的优势，介绍 MXenes 抗菌机制、合成及修饰策略，分析应用效果与挑战。对推动该领域发展、改善植入物性能意义重大，值得相关研究者阅读。
1. 引言
在 21 世纪，随着老年人口增多和现代生活方式的选择，医疗植入和基台手术愈发频繁，对骨科和牙科植入物的需求达到历史新高。然而，浮游细菌易在植入物表面定植形成生物膜，引发植入物相关感染（IAIs），如骨髓炎、囊性纤维化和种植体周围炎等，不仅限制植入物寿命，还导致高昂治疗费用和高死亡率。
目前控制细菌感染面临诸多难题。尽管抗生素治疗、预防性药物和无菌操作有所发展，但部分植入物仍易受感染，且生物膜的胞外基质（ECM）阻碍抗菌药物作用，促使细菌产生多药耐药性（MDR）。因此，设计多功能非抗生素表面工程策略至关重要。
二维（2D）纳米材料，尤其是新一代 MXenes，因其抗菌、抗炎、组织工程和牙周再生潜力，在生物医学研究中备受关注。相较于其他 2D 纳米材料，MXenes 更适合用于构建复杂的界面植入工程，为 IAIs 防护提供新途径。本文将重点阐述抗菌 MXene 集成植入物表面涂层策略的前沿进展。
2. MXenes：一种新兴的多模式抗菌纳米材料
MXenes 是具有层状结构、亲水性和可调节成分的二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，化学式为 Mn+1XnTx（n=1-3）。通过选择性蚀刻 MAX 相中的 “A” 层并进行 Tx表面官能团置换，可获得多种 MXene 结构。目前已理论预测出 70 多种 MXenes，通过成熟方法制备出约 30 种，它们具有优良的电学、机械、摩擦学和光治疗性能。
MXenes 的大比表面积、形状、亲水性、光吸收和生物相容性，使其在生物传感、药物递送、组织工程、再生医学和诊疗等领域具有广阔应用前景。基于其活性官能团和内在抗菌特性，可设计多种功能添加剂用于杀菌。MXene 的抗菌机制主要包括物理膜破坏、光热 / 活性氧（ROS）介导的细菌杀伤和类酶活性。
2.1. 物理膜破坏
MXenes 通过尖锐边缘与细菌细胞膜强烈相互作用，像纳米刀一样切割细胞膜，导致细胞内容物泄漏。较小尺寸的 MXenes 更易穿透细菌胞质，影响其 DNA。同时，MXenes 的亲水性使其能通过直接接触杀伤机制抑制细菌生长，其与细胞膜的氢键作用可阻碍细菌营养摄入。但目前关于 MXene 与细菌细胞膜相互作用的研究较少，优化 MXenes 的尺寸、原子结构和浓度对发挥其抗菌作用至关重要。
2.2. 光热 / ROS 介导的细菌杀伤
MXenes 的光热效应为抗菌治疗提供了新方法，其在近红外（NIR）区域的强吸收和高光热转换效率（PCE），可通过产生热量物理破坏细菌细胞膜，穿透抗生素耐药生物膜。MXenes 的尺寸影响光吸收和 PCE，较小尺寸的 MXenes 杀菌效果更佳。此外，MXenes 还可通过产生 ROS 诱导细菌死亡，其产生 ROS 的途径包括光激发电子转移和局域表面等离子体共振（LSPR）效应。
通过构建 MXene 异质结（HJs）可增强 ROS 生成，抑制电子 - 空穴复合，提高光催化杀菌性能。MXene 基协同抗菌策略如光动力疗法（PDT）/ 化疗、光热疗法（PTT）/PDT 等也在不断探索中，这些策略能有效对抗耐药和非耐药病原体。此外，MXene 异质结构作为低强度超声（US）或声敏剂，可通过声动力疗法（SDT）去除细菌病变，促进骨再生。
2.3. 类酶活性
MXene 纳米结构单独或与人工酶（纳米酶）结合，具有多种类酶活性，如过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）模拟活性。在过氧化氢（H2O2）存在下，MXene 复合材料可通过 POD 样活性分解 H2O2产生?OH，破坏细菌细胞壁和代谢功能。V2C MXene 可在无 H2O2条件下发挥抗菌作用。
基于类酶活性，可制备具有抗菌和抗粘附性能的 MXene 修饰材料，如 V2C 修饰的隐形眼镜。通过优化 MXene 纳米平台，如 Pt@V2C，可提高其光热和类酶活性，增强对生物膜的清除能力，为医疗植入物提供保护。
3. 抗菌二维 MXenes 的合成
目前，研究者致力于开发简单、环保、可重复的技术来制备 MXenes 及其复合材料。MXenes 的合成方法主要有自上而下和自下而上两种。自上而下的蚀刻方法通过破坏 MAX 相中的弱相互作用去除 A 层原子，常用的蚀刻剂包括酸、碱、熔盐、四甲基氢氧化铵（TMAOH）和电化学方法等。超声辅助液相剥离法可制备不同层数的 MXenes，还可通过控制超声参数调节其尺寸。自下而上的方法如化学气相沉积（CVD）、盐模板生长和脉冲激光沉积等也可用于制备抗菌 MXenes。
在制备 MXene 基复合材料时，可采用硅烷化、添加活性成分等方法。同时，绿色合成方法备受关注，如贻贝启发的仿生方法，利用多巴胺（DA）辅助超声剥离制备稳定的 MXene@PDA 复合材料，该材料具有良好的生物相容性，可用于制备多功能支架，且能成功锚定在植入物表面。但目前生物启发的抗菌 MXene 研究尚处于初期，在规模化和可重复性方面仍面临挑战。
4. MXenes 在植入物表面的沉积策略
由于 MXenes 优良的理化、机械和抗菌性能，可用于修饰植入物表面。常用的沉积技术包括滴铸、旋涂 / 浸泡 / 浸涂、层层组装（LbL）、电泳沉积和 3D 打印等。
滴铸法操作简单，适用于大样本，但涂层的形状、均匀性和厚度受多种因素影响。旋涂 / 浸泡 / 浸涂技术可快速制备均匀涂层，通过优化工艺参数和添加聚合物填料可提高涂层质量。LbL 组装可构建多层涂层，增强涂层稳定性和功能。电泳沉积可通过调节电压和喷雾距离形成特定结构的涂层。3D 打印技术为设计多功能植入物提供了新途径，MXene 修饰的生物墨水可控制打印结构的孔径，促进细胞粘附和骨生成。
5. MXenes 修饰表面的机械和功能性能
许多研究表明，MXenes 纳米复合涂层可改善植入物的机械性能，如机械强度、化学惰性、耐磨性、耐腐蚀性和剪切稀化等。同时，还能赋予植入物更好的表面粗糙度、润湿性、高机械、摩擦学和光响应性能。
5.1. MXenes 修饰表面的特征
MXenes 修饰植入物表面可增强其生物功能特性，如防污、亲水性、自愈合性和导电性。静态水接触角（WCA）测量表明，增加 MXene 在 Ti 表面的沉积可提高其亲水性。MXene 修饰的植入物表面具有适度亲水性，有利于细胞粘附、增殖和分化。此外，MXene 修饰还可提高植入物的耐腐蚀性，促进骨诱导和传导。
5.2. 机械和摩擦学特性
MXene 修饰的植入物在弹性模量、划痕抗性、摩擦学和压痕等关键特征上有显著改善。其机械性能的提升归因于 MXene 官能团与填料的氢键作用。通过优化 MXene 和填料的比例，可获得更好的表面涂层添加剂和膜生物材料，用于骨科和引导骨再生应用。
同时，MXene 基复合涂层可降低摩擦系数，提高耐磨性，如氨基官能化 MXene 与互穿聚合物网络形成的涂层，以及 ATSP 基质增强的 Ti3C2Tx复合材料等。但 MXene 添加量过高可能导致团聚，降低耐磨性。
5.3. MXenes 涂层智能表面的光热性能
MXene 基智能植入物表面可通过内部或外部刺激进行可逆或不可逆修饰，其光吸收能力可用于构建具有抗菌杀菌效果的光响应植入物表面。MXene 修饰植入物的光热转换效率（PCE）与 MXene 浓度成正比，通过控制 MXene 剂量可在不损害正常细胞的情况下消除表面细菌病原体。
MXene 修饰的植入物在多次激光照射后仍能保持良好的光热性能，如 Nb2C 增强的 Ti 板。此外，MXene 基异质结涂层还具有增强的近红外吸收和光催化活性，可促进活性成分的持续释放，增强抗菌和骨生成活性。
6. MXenes 在骨科和牙科植入物中的抗菌 / 抗生物膜预防作用
6.1. 表面工程：减轻种植体周围炎
种植体周围感染是植入物的严重并发症，可导致炎症、骨丢失和植入物失败。骨科植入物易受金黄色葡萄球菌（S. aureus）和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）感染，牙科植入物则面临复杂的口腔微生物挑战。口腔种植体周围疾病分为种植体周围黏膜炎和种植体周围炎，前者是可逆的，后者若不治疗会导致不可逆的骨丢失。
微生物生物膜的形成是一个复杂的多阶段过程，包括蛋白质吸附、微生物粘附、共聚集、成熟和分散。目前抗菌表面的策略主要包括静态（接触杀伤和抗粘附）、动态（释放抗菌剂）和主动（响应外部 / 内部刺激）机制。
6.2. MXenes 抗菌屏蔽植入物：最新进展
虽然 MXenes 在抗菌生物材料方面潜力巨大，但在骨科和牙科植入物中的应用研究较少。通过系统检索相关数据库，发现仅有 14 项研究评估了 MXene 涂层在植入物表面修饰中的应用。这些研究表明，MXene 涂层具有多功能性，可增强植入物的抗菌活性和生物活性，促进细胞粘附、增殖和分化，提高骨再生能力。
与其他纳米材料涂层相比，MXene 涂层具有多模式杀菌特性、导电性、类酶活性和机械稳健性等优势。例如，Ti3C2Tx涂层可通过静电排斥抑制细菌粘附，降低 ROS 水平保护周围组织。同时，MXene 涂层可通过光热疗法（PTT）、光动力疗法（PDT）等多种方式有效对抗感染和生物膜，且添加抗生素或其他活性成分可增强其抗菌性能。
6.3. 释放 MXene 抗菌涂层的临床潜力：应对生物相容性和转化挑战
确保 MXene 涂层的生物相容性是其临床转化的关键。现有研究表明，MXene 涂层与成骨细胞系具有良好的细胞相容性，可增强细胞粘附、促进骨再生。但 MXene 合成过程中使用的氢氟酸（HF）具有毒性，可能留下氧化残留物，对细胞造成损害。因此，研究人员正在探索低浓度 HF 或替代合成方法，如使用 LiF 和 HCl 的混合物。
动物实验是临床前研究的重要环节，现有研究表明，MXene 涂层在动物模型中具有良好的生物安全性和骨再生效果。但目前的体内研究存在局限性，如研究目标不一致、实验模型不能反映临床实际情况等。因此，需要开发更合适的动物模型，以准确评估 MXene 涂层的临床潜力。
7. MXene 修饰植入物的挑战：关键考虑因素
尽管 MXenes 在骨科和牙科植入物的抗感染涂层方面具有显著优势，但仍面临一些挑战。首先，高浓度氟基蚀刻法制备 MXenes 存在毒理学和环境危害，需要开发无氟绿色技术。其次，MXene 基涂层的大规模生产面临成本、可重复性和适应性等问题，需要开发高效、可扩展的制备方法。
此外，MXenes 在生理环境中的低溶解性、生物降解性和稳定性限制了其应用，需要通过选择合适的聚合物和交联剂来改善。MXene 功能化可能导致其固有性能下降，需要开发新型光活性和压电表面。同时，MXene 修饰植入物的毒理学影响尚不清楚，需要深入研究其体内外毒理学参数。最后，MXene 在体内的成骨性能研究较少，且缺乏模拟复杂人类病理条件的临床前研究，需要加强这方面的工作以推动其临床应用。
8. 结论和未来展望
本文综述了 MXene 基材料在对抗与医疗植入物相关的细菌感染方面的重要进展。MXenes 具有多种抗菌机制，可有效预防细菌定植和生物膜形成。通过不同的合成和修饰策略，可将 MXenes 应用于植入物表面工程，提高植入物的性能。然而，MXene 修饰植入物在临床应用中仍面临诸多挑战，未来研究应注重标准化方法、长期研究和临床转化，以开发更有效的下一代植入物和医疗设备，为临床应用提供更好的解决方案。
