综述：基于MXene的纳米结构用于神经生物传感：综述

《Materials Today Sustainability》：MXene based Nanostructures for NeuroBiosensing: A Review

　　

MXene衍生的纳米复合材料已成为一种新兴的二维（2D）材料，在神经生物传感领域展现出卓越潜力。其微小界面阻抗（<10 kΩ）、极高电导率（10,000 S·cm^-1）和可控表面特性，使研究人员能够实现稳定且精确的神经信号采集。生物相容性分析一致显示>95%的神经元存活率，以及炎症标志物（包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）表达降低40%）的显著衰减，强调了其在终身神经接口中的安全性。机械鲁棒性（拉伸性超过30%应变且信号无衰减）增强了其与自适应神经系统的集成。在电化学生物传感中，MXene平台对血清素和多巴胺等神经递质的灵敏度阈值低至10^-9 M，实现了对精确靶向突触活动的实时监测。总之，这些进展将MXene确立为用于先进神经生物传感的柔性且临床相关的材料，将基础神经科学与脑机接口、治疗和诊断中的临床应用相结合。本综述整合了当前趋势，并强调了MXene纳米复合材料在革新神经记录与调控未来方面的变革潜力。

**1. 引言**
神经生物传感技术的动态演变已改变了神经系统疾病的治疗、诊断和监测方法。传统材料如导电聚合物、碳纳米管（CNTs）、石墨烯、铂和金等虽有一定优势，但存在生物相容性不足、信号噪声比低、机械刚性差等局限。MXene作为一类新兴的二维碳氮化物、氮化物和金属碳化物，兼具高信号转导、易生物分子固定、可调表面化学、大比表面积、亲水性和金属导电性，为神经生物传感提供了理想平台。例如，Ag/MXene纳米结构压力传感器在0–51%应变下灵敏度因子（GF）>153，可检测0.02%微小应变，稳定性超过5000次循环；MXene涂层微针脑电图（EEG）电极实现低阻抗皮肤插入和高分辨率EEG记录。MXene还可与纳米材料形成杂化复合物，结合机器学习/人工智能（AI）方法，实现机械强度超过500 MPa、热导率高达60 W/m·K、电导率超过15,000 S/cm的性能。此外，MXene可嵌入可穿戴柔性设备，用于非侵入式实时神经监测。尽管进展显著，但MXene表面化学、结构、长期可靠性、可扩展制备、生理环境适应性及临床集成等问题仍需深入探讨。本综述系统研究了MXene纳米结构在神经生物传感中的新兴技术，涵盖制备、表面功能化、神经化学检测机制、几何与神经元界面应用、生物性能及稳定治疗传感技术所需解决的问题。

**2. MXene二维材料背景**
MXene是由碳氮化物、氮化物或金属碳化物组成的新型二维材料，通常从MAX相（M为III-V族金属，X为氮/碳，A为13-16族元素）通过选择性刻蚀A层获得。表面官能团（T_x，如–OH、–F、–O）赋予其化学活性、亲水性和可调电子性质。近年来，MXene因其优异的生物相容性、导电性和与神经组织接口能力，在神经生物传感器领域展现出巨大潜力。

**3. 神经相容性架构的MXene合成路线**
传统合成使用强酸和氟化物盐原位生成氢氟酸（HF）刻蚀A层，但残留刻蚀剂和副产物需优化。研究人员探索了温和刻蚀方法，如氟化氢铵（NH₄HF₂）和有机酸体系，以降低毒性并保持结构完整性。
- **3.1 优化天然磷酸、氟化氢铵刻蚀及等离子体处理**：利用天然磷酸（如植酸）插层Ti₃C₂T_x，通过真空抽滤制备MXene膜。NH₄HF₂刻蚀得到宽层间距的MXene，能量效率提升25.5%（60×10^-3 A/cm²）。等离子体或热退火处理可优化表面官能团，调控细胞黏附和免疫反应。
- **3.2 热处理的羧甲基纤维素/海藻酸钠/炭黑/碳纳米管（CSCCMT）及协同等离子体催化机制**：通过一步组装制备CSCCMT处理的MXene海绵状压敏聚合物复合材料，实现快速响应（100 ms）、抗疲劳（24,500次循环）、灵敏度（GF=39）和强度（146 kPa）。Ti₃C₂T_x/Cu MXene催化剂与等离子体协同作用，CO₂转化率33.1%，CO产率31.9%，通过Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal机制实现高效催化。
- **3.3 真空驱动过滤和水热法**：13微米厚的Ti₃C₂T_x薄膜实现60 dB电磁屏蔽（EMI），5微米退火膜达71 dB，比屏蔽效能72,300 dB cm² g^-1。MXene/CuS杂化结构通过水热法合成，首次比容量1.89 Ah·g^-1（1 A·g^-1），500次循环后容量保持90%。
- **3.4 剪切应力诱导剥离法**：利用剪切应力（如盘磨）制备少层/单层MXene纳米片，保持大尺寸和高结构完整性，优于传统剥离方法。改良的HCl/HF刻蚀结合LiCl剥离，电导率超过21,000 S/cm，产率38%。
- **3.5 电化学刻蚀和熔盐法**：FeCl₃金属交换反应刻蚀Ti₃AlC₂，获得褶皱Ti₃C₂，比容量213 F/g（6 M KOH）。熔盐电化学刻蚀（LiCl-KCl）从Ti₂AlC制备Ti₂CT_x，Li⁺存储容量达857 C·g^-1。这些方法实现了对信号转导、生物相容性、导电性和长期可靠性的精确控制。

**4. MXene衍生可拉伸柔性神经电极**
MXene（如Ti₃C₂T_x、Nb₂C、Mo₂C、V₂C）因其高电导率、机械柔性和表面功能化能力，成为可拉伸神经电极的理想材料。表面基团（–F、–O、–OH）可与导电聚合物（如PSS:PEDOT）强相互作用，提升电化学性能和生物相容性。
- **4.1 柔性薄膜电极和PEDOT-PSS微尺度纤维电极**：POSS/MXene杂化薄膜使质量比电容提升400%，10,000次循环后容量保持91%。MXene屏蔽尼龙微纤维（电阻<10 Ω）可制成自支撑纤维，适用于生理系统（肌肉、细胞、脑组织）。
- **4.2 水凝胶杂化电极和弹性体可拉伸神经阵列**：3D PVA/MXene冷冻凝胶增强脑组织工程支架，降低细胞内活性氧（ROS）水平。PDMS/MXene/甘油复合电极阻抗111–280 Ω，电导率1.533–0.462 mS/cm，机械模量2.18–2.61 MPa。
- **4.3 金纳米颗粒电极和导电水凝胶微电极阵列**：可植入MXene/丝素（SF）导电水凝胶作为干细胞支架，体内电刺激使新神经元厚度增加290%，轴突长度增加320%。AgNWs耦合MXene电极体积电容287 F·cm^-3，5000次循环后保持92%，50%拉伸下电荷保持96.3%。Ti₃C₂T_x的光热效应可非遗传远程调控神经电信号（单层薄片下2.3–3.3 K温升）。
- **4.4 3D打印神经电极**：MXene薄膜光热激活背根神经节（DRG）神经元（能量2–18 μJ，635 nm），实现亚细胞定位。熔融电纺沉积3D聚己内酯（PCL）支架后涂覆MXene，增强电导率、细胞黏附和光电容神经刺激。

**5. MXene衍生电化学传感器用于神经递质检测**
MXene传感器的电化学检测机制包括神经递质扩散、表面结合、表面氧化还原反应和电荷转移。其大有效表面积、丰富活性位点和金属导电性促进电子转移，实现高灵敏度检测。
- **5.1 多巴胺与血清素检测**：Nb₄C₃T_x/MOF复合材料对多巴胺检测限0.2 nM（线性范围1–100 nM）。FeVO₄@Ti₃C₂ MXene对血清素检测限5.8 nM，灵敏度3 μA·μM^-1·cm^-2。
- **5.2 酪氨酸与乙酰胆碱检测**：CuMOF/CNTs/MXene传感器对酪氨酸检测限0.19 μM（线性0.5–232 μM）。酶修饰MXene电极（如乙酰胆碱酯酶/Nb₂CT）实现乙酰胆碱检测。
- **5.3 去甲肾上腺素与肾上腺素检测**：GO/PVA/MXene/TiO₂水凝胶传感器对尿中去甲肾上腺素检测限6 nM（线性0.01–60 μM）。分子印迹聚合物（MIP）/MXene传感器对肾上腺素检测限0.3 nM（线性1 nM–60 μM）。
- **5.4 电子舌**：基于Mo₂Ti₂C₃、Mo₂C、Nb₄C₃和Nb₂C MXene的阻抗型电子舌结合主成分分析（PCA），可区分多种神经递质（酪氨酸、组胺、谷氨酸、甘氨酸、多巴胺、乙酰胆碱），检测限低至1 nmol·L^-1。
- **5.5 优化策略**：聚合物/MXene（如聚吡咯、聚苯胺）、金属/MXene（Au、Pt）、碳/MXene（CNTs、石墨烯）杂化可提升选择性、稳定性和电催化活性，实现秒级响应和抗干扰能力。
- **5.6 挑战**：MXene界面氧化导致神经递质氧化产物聚集、信号漂移和性能退化，需通过表面功能化、杂化或保护涂层抑制氧化。大规模制备和长期稳定性仍是挑战。

**6. MXene衍生神经接口用于体内治疗与生物传感**
与六方氮化硼（h-BN）、二硫化钼（MoS₂）和石墨烯相比，MXene在电荷注入容量、电容、导电性、机械柔性和表面工程方面达到最佳平衡。
- **6.1 电生理监测**：MXene电极将生物离子电流（Cl^-、Ca²⁺、Na⁺、K⁺）转换为电信号，用于局部场电位和单神经元活动记录。Ti₃C₂T_x微电极阵列（MXtrodes）在EEG监测中实现低阻抗和高信噪比。
- **6.2 体内神经化学生物传感**：MXene传感器通过酶固定或氧化还原介体，实时检测脑内多巴胺、谷氨酸、血清素等。MXene-bpV在脑缺血再灌注（I/R）损伤模型中减少梗死体积（TTC染色）。
- **6.3 治疗干预：神经刺激与药物递送**：MXene电极用于深部脑刺激（DBS）和周围神经再生，低功耗减少组织加热。多层结构作为药物储库，实现电/化学调控的局部释放。
- **6.4 体内稳定性、表面性质、神经元黏附与组织/电极界面**：–OH和–O基团促进细胞外基质（ECM）蛋白吸附和细胞铺展，但需精确调控以避免电化学环境改变。长期植入中，氧化、蛋白质吸附和机械应力影响界面，聚合物包覆、碳基杂化或水凝胶封装可增强耐久性。
- **6.5 与可穿戴柔性神经设备集成**：MXene柔性薄膜用于表皮传感器（EEG、EMG），可植入探针顺应神经组织，减少慢性炎症。
- **6.6 长期鲁棒性、柔性封装与临床集成**：氧化导致Ti-C导电骨架破坏，阻抗升高，信噪比下降。需柔性封装保护，与CNTs、石墨烯等材料进行基准比较（阻抗、电荷注入、信号质量）。临床转化需可扩展制备、灭菌兼容性、毒理学评估。
- **6.7 关键挑战与新兴机遇**：MXene的氧化态、缺陷密度、片层尺寸和表面功能化共同影响性能。需建立结构-性能-功能关系，统一测试条件，开发无线通信、实时数据处理等多功能系统。

**7. 结论**
MXene纳米复合材料以其生物相容性、机械柔性、可调表面化学和高导电性，成为神经生物传感的多功能平台，实现高分辨率电生理监测、超灵敏神经递质检测和多功能神经接口。尽管面临长期可靠性、大规模合成和临床转化的挑战，MXene有望推动个性化、微创脑机接口和生物电子医学的发展。