可喷涂MXene水凝胶：组成驱动的界面稳定化与皮肤原位凝胶化用于术后适形光热治疗

《Small》：Sprayable MXene Hydrogels With Composition-Driven Interfacial Stabilization and on-Skin Gelation for Conformal Postsurgical Photothermal Therapy

　　

Ti₃C₂T_x MXene在水性和生物环境中的氧化降解仍然是其在生物医学应用中长期使用的一个持续障碍，然而周围聚合物基质在控制这一过程中的作用却很少受到系统性的关注。在此，研究人员表明，PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的丙交酯与乙交酯比例直接控制MXene表面的界面相互作用，并通过这一机制决定所封装的纳米片随时间推移抵抗氧化的能力。结合计算和实验分析揭示，富含乙交酯的链段在MXene界面形成密集的氢键网络，尽管加速了本体水解，却提供了有效的表面保护。这种竞争性相互作用定义了一个组成窗口，在该窗口中MXene稳定性和水凝胶降解性可同时得到优化，研究人员通过密度泛函理论（DFT）、分子动力学和实验表征相结合验证了这一平衡。基于这一设计原则，研究人员配制了一种可喷涂的复合材料，该材料在接触组织时原位凝胶化，无需手动铺展即可适形覆盖不规则的伤口表面。优化后的水凝胶在生理条件下表现出稳健的光热性能，并在术后黑色素瘤模型中有效抑制肿瘤生长。这些发现强调了界面设计在动态聚合物系统中稳定氧化敏感纳米材料的重要性，并为开发耐用的基于MXene的生物医学平台提供了实用指南。

**可喷涂MXene水凝胶用于术后光热治疗：组成驱动的界面稳定化研究解读**

**研究背景与目的**：癌症术后治疗至关重要，因为手术切除后残留的微小肿瘤细胞常导致复发，尤其在皮肤癌如黑色素瘤中。传统化疗和放疗虽可靶向残留细胞，但伴随严重全身毒性和生活质量下降。光热治疗（PTT）利用近红外（NIR）光热剂实现局部微创消融，MXene（二维过渡金属碳/氮化物）如Ti₃C₂T_x具有强NIR吸收、高光热转换效率和良好亲水性，适合构建可喷涂平台。然而MXene在水中和生物环境中易氧化降解，聚合物基质可提供保护，但聚合物组成如何调控界面氧化机制尚未被系统阐明。本研究旨在通过调控PLGA-PEG-PLGA三嵌段共聚物的丙交酯与乙交酯（LA:GL）比例，建立组成驱动的界面屏蔽策略，同时优化MXene抗氧化性、水凝胶降解动力学和溶胶-凝胶转变行为，并开发可喷涂复合水凝胶用于术后黑色素瘤PTT。研究表明，乙交酯富集段通过形成致密氢键网络保护MXene表面，尽管加速了本体水解，但存在最优组成窗口。基于此设计原理，可喷涂复合物在接触组织时快速凝胶化，适形覆盖不规则伤口，在生理条件下保持光热性能，并在术后黑色素瘤模型中有效抑制肿瘤复发。该工作不仅揭示了聚合物-纳米材料界面相互作用对氧化敏感材料稳定性的关键作用，也为开发耐用MXene生物医学平台提供了实用设计准则。论文发表在《Small》。

**关键技术方法**：研究人员采用MILD法刻蚀Ti₃AlC₂ MAX相制备Ti₃C₂T_x MXene，通过有机催化开环聚合合成LA:GL比例可调的PLGA-PEG-PLGA共聚物。运用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟分析界面吸附能、氢键网络和结合能。实验表征包括X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、透射电镜（TEM）、扫描电镜（SEM）、紫外-可见光谱（UV-vis）、拉曼光谱等。体外细胞实验使用B16F10（鼠黑色素瘤，来源于Korean Cell Line Bank）和4T1（鼠乳腺癌，来源于ATCC）细胞系；体内实验采用雌性C57BL/6小鼠建立术后残留黑色素瘤模型。

**研究结果**：

**2.1 合成与表征及光热效应**：通过MILD法成功合成高质量Ti₃C₂T_x MXene，TEM和SAED确认单层六方结构，XPS显示初始氧化可忽略。UV-vis显示在808 nm处有显著吸收，NIR照射下表现出浓度依赖的温度升高，证实有效光热响应。

**2.2 PLGA-PEG-PLGA水凝胶的合成与表征**：通过DBU催化的开环聚合合成三种不同LA:GL比例的共聚物（CP1、CP2、CP3），1H NMR和GPC确认组成接近目标且分子量分布窄。所有共聚物在20 w/v%浓度下显示温度依赖的溶胶-凝胶转变，凝胶温度随LA含量增加而降低。水解降解速率随GL含量增加而加快，符合亲水性酯键水解特性。

**2.3 含MXene温敏水凝胶的喷涂性能**：将MXene负载到三种共聚物中形成MXCP1、MXCP2、MXCP3。单次喷涂量和覆盖面积趋势为MXCP1>MXCP2>MXCP3，但MXCP1因凝胶温度高（35°C）在倾斜皮肤上流挂，MXCP3因喷嘴处过早凝胶而堵塞。MXCP2在喷涂量、覆盖面积和生理温度下快速凝胶化之间达到最佳平衡，无流挂和堵塞。

**2.4 含MXene水凝胶的结构稳定性**：室温储存14天后，MXCP1因聚合物快速降解发生相分离释放MXene；MXCP3出现宏观白色变色，拉曼光谱和UV-vis证实MXene部分氧化为TiO₂；MXCP2保持凝胶形态且无氧化。DFT计算显示MXene与水吸附时界面电荷转移远大于PGA和PLA，表明其更易氧化。MD模拟表明PGA（代表乙交酯富集段）在MXene表面形成更紧密的氢键网络和更强结合能，比PLA提供更有效的界面屏蔽。完整的共聚物模拟验证了该趋势。因此CP2组成（中间比例）同时优化了MXene稳定性和水凝胶降解性。

**2.5 优化水凝胶-MXene复合物的表征**：MXCP2在808 nm照射下快速升温，温度随MXene浓度和激光功率增加，5次循环光热性能稳定。流变学测试显示在约33°C发生溶胶-凝胶转变，G′>G″表明固体样行为。SEM显示多孔网络结构，EDS确认Ti均匀分布。对猪皮的搭接剪切粘附强度为18.3 ± 5.3 kPa，与纯CP2相当。

**2.6 体外抗肿瘤效率**：在B16F10和4T1细胞中，单纯MXCP2或NIR照射均无明显细胞毒性，但MXCP2+NIR处理显著降低细胞活力至59.8%和44.9%。免疫荧光显示F-actin碎裂、细胞皱缩和核浓缩，表明激光触发光热导致细胞骨架破坏和凋亡相关形态变化。

**2.7 抗菌和活性氧清除活性**：对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，MXene+NIR处理后细菌存活率降至1.58%和7.73%，SEM显示细菌膜破裂，结晶紫染色证实生物膜量减少。DPPH实验和细胞内ROS染色表明MXene具有浓度依赖的活性氧（ROS）清除能力。

**2.8 体内抑制肿瘤复发**：在术后残留黑色素瘤模型中，MXCP2+NIR组治疗位点温度在5分钟内升至50-55°C，肿瘤体积和重量分别降至对照组的22.4%和41.1%，而单纯水凝胶+NIR组无抑制效果。H&E染色显示肿瘤组织坏死和细胞密度降低，Ki67增殖指数显著下降。主要器官和周围皮肤无明显损伤，HSP70表达极低，表明局部安全性良好。

**讨论与结论**：研究人员通过计算和实验一致证明，乙交酯富集段虽加速本体水解，却在MXene表面形成更强氢键网络和界面结合，提供有效抗氧化屏蔽；丙交酯富集段虽增强凝胶持久性，但界面保护较弱。这种竞争关系决定了最佳组成窗口（CP2）。同时，MXene的抗菌和ROS清除特性可改善术后感染和氧化应激微环境。研究结论指出，LA:GL比例不仅是配方参数，而是同时控制MXene抗氧化性、水凝胶降解和凝胶化行为的手段。有意识调控聚合物-纳米材料界面相互作用，是开发稳定、功能性MXene基术后癌症治疗平台的一种可行且尚待深入探索的策略。