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从0维到三维，纳米材料的出现，重新解锁了人类对微观世界下维度的认知体系。
在二维材料研究领域，继石墨烯之后，科学家们终于将魔幻的“二向箔之手”伸向了一个崭新的材料家族，它包括过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，被称为MXene。
MXene一般化学式为Mn+1XnTx，M代表早期过渡金属(如Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr和Mo等), n = 1～6, X是碳和/或氮位点, Tx是表面官能团 (如-O、-OH和-F等)。由于MXene材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性。
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2011年，Ti3C2Tx是从Ti3AlC的MAX相发展而来的最早合成的MXene材料。MXene的2D纳米平面结构使它们富含锚点，在生物医学领域具有巨大的应用潜力，包括PTT、诊断成像和生物感应。因此，它们是优良的携带靶向癌症药物分子或其他蛋白质的药物输送剂。此外，MXene表现出强大的近红外（NIR）吸收、电子穿透性和X射线衰减能力。它们有可调节的策略来合成MAX相的原始结构。MXene还可以通过表面修饰来降低细胞毒性，提高生物稳定性和相容性，这就提供了医学转化的可能性。
▲ 图1 MAX相Mn+1AXn的元素组成[1]
MXene独特的物理化学性能, 使之可作为医学材料，适用于多种材料医学领域。
❶ MXene表面具有丰富的官能团(如-O、-OH和-F等), 呈现亲水性,为客体分子表面接枝提供了位点；
❷ 高负电性( -30 ~ -80 mV)使MXene易于形成稳定的胶体分散液；
❸ 与其他2D材料不同, MXene在含氧的水体系中不稳定, 有良好的生物可降解性；
❹ MXene中的自由电子使得 MXene 具有金属导电性；
❺ MXene的主体元素C、N、H、O是生物体的基本元素, 过渡金属如Ti, V和Mo在生理过程中起着重要作用, 使之具有良好的生物相容性;
❻ MXene在近红外第一和第二生物窗口有很强的光吸收和光热转换能力, 在光热治疗和光声成像方面显示出巨大的发展潜力；
❼ MXene尺寸分布范围从纳米级到微米级，单层MXene的厚度通常约为1nm。平面结构和巨大的表面积使MXene成为药物、基因和纳米材料等各种客体分子的载体；
❽ 基于高原子序数Z和独特的质量衰减系数, 早期过渡金属(如Ta和W)基MXene可以用作CT成像的造影剂;
❾ 与传统2D材料类似, 可调节的小尺寸和量子限域效应使MXene量子点具有发光特性, 在生物成像方面具有可观的应用前景。
▲ 图2 MXene结构和组成的示意图[2]
自上而下法是将较大尺寸的MAX材料选择性刻蚀掉A层制备成MXene, 从 MAX相到MXene相主要经历2个阶段: 蚀刻和分层。蚀刻就是利用HF、碱和熔融盐等蚀刻剂进行选择性蚀刻, 获得多层手风琴状块状MXene。蚀刻条件与MAX 相有关。
MAX相的选择性蚀刻是获得单层或几层MXene的第一步，目前包括HF蚀刻、含HF蚀刻、HF形成、碱蚀刻和熔盐蚀刻。HF蚀刻作为第一个提出的策略，它有效的选择性蚀刻MAX相，并使已制备的MXene具有手风琴状形态。蚀刻成功的验证应该通过X射线衍射（XRD）模式而不是扫描电子显微镜（SEM）图像来确定，因为选择性蚀刻后的多层MXene可能不会显示手风琴状结构。
选择性蚀刻后，去除的原子层通常被不同的端子取代，合成的多层MXene通过范德华相互作用或氢键结合在一起。因此，MXene成功分层的关键是削弱相邻层之间的相互作用力。插入大分子、离子或超声处理是合成稳定的单层或少层MXene胶体溶液的可行方法。
与典型的自上而下的合成策略相比，MXene已经进行了一些成功的自下而上制造，这可能归因于它们的多元素成分和复杂的晶格。重点是，自下而上的合成方法为精确操纵MXene的形态、尺寸分布、成分和表面终止提供了优点。它们通常从小的无机/有机分子/原子开始，然后是可以组装成二维有序结构的晶体。
由于其独特的物理化学特征和生物效应，MXene及其复合材料已被广泛开发，可用于许多疾病治疗的多功能应用，如癌症、脑部疾病、炎症、肾损伤、心血管疾病和病毒感染。
高导电性、大比表面积和水分散性的MXene已被证实在生物传感器领域具有价值。特别是，MXene的片状结构有利于通过各种表面终止进行修改，作为外界各种刺激的高响应生物感官平台，它提供了丰富的表面活性位点。此外，MXene优异的导电性有利于在生物感官响应中实现低噪声。综上来说，这些特性使MXene成为极具潜力的替代生物传感器材料，以实现生物传感器应用中极低的检测极限和高选择性。
例如，Rasool等人首先介绍了MXene作为一种新兴的抗菌生物材料，并验证了它们对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性枯草芽孢杆菌的优良的抗菌特性，Ti3C2Tx MXene的抗菌机制归因于电子转移导致的氧化应激和锋利边缘诱导的膜破裂之间的协同效应[3]。最近，为了克服抗生素耐药性增强的问题，Li等人开发了一种环保光电材料，（见图3）由Bi2S3/Ti3C2Tx纳米复合材料的界面肖特基结组成，因为Bi2S3和Ti3C2Tx之间的接触潜力不同。具有出色光催化活性的Bi2S3/Ti3C2Tx纳米复合材料在808纳米激光照射下密集提高了ROS的产生。几乎所有金黄色葡萄球菌（99.86%）和大肠杆菌（99.92%）都在10分钟内被Bi2S3/Ti3C2Tx纳米复合材料在近红外照下杀死，活/死荧光染色、涂布法和扫描电镜观察证明了这一点。
▲ 图3:基于MXene的纳米系统的抗菌活性[4]
除了生物感应和抗菌特性外，MXene还能够作为生物成像的理想造影剂。MXene开发了良好的生物成像模式包括PA成像、荧光成像、CT成像和MR成像等。
到目前为止，基于MXene的纳米复合材料已被探索用于各种治疗应用，包括典型的药物输送、光热疗法、光动力疗法和协同疗法。
作为新型的2D生物材料，基于MXene的生物材料在构建药物输送平台方面具有多种优势。
（i）由于其独特的层状结构，基于MXene的生物材料具有较大的比表面积，能够提供丰富的锚定点和大型储层，以高效负载和输送治疗分子。
（ii）在癌症治疗期间静脉注射后，纳米尺度大小的MXene相关生物材料很容易在肿瘤部位内分布和积累。
（iii）利用基于MXene的生物材料的显著特征（如物理化学、电子和光学特性）将药物输送平台与其他生物成像（如荧光、MR、PA、CT成像等）集成。
与大多数经典光热剂相比，MXene表现出相对较高的光热转换效率，因为在近红外光谱范围内具有强大的吸收，这表明了MXene作为高效光热剂的巨大潜力。到目前为止，已经实验开发了丰富的MXene组合，如Ti3C2、Ti2C、Ta4C3、Nb2C、Mo2C和V2C，并研究了它们的光热效应，然后在肿瘤治疗的基础上进行了体内动物研究，最后表明，MXene在光热疗法中可高效的抑制肿瘤。
MXene还具有出色的表面功能、生物相容性、生物降解性、机械阻力和可塑性，这使得它们成为应用于组织工程和再生医学的有利替代品。
▲ 表1:用于组织工程和再生医学的MXenes，以及相应的合成策略和表面修饰[5]
总而言之，MXene在生物和纳米医学领域引起了一股热潮，但它们在药物输送、癌症治疗和热疗中的应用仍然不确定其生物相容性和毒性、缺乏临床评估以及足够的特异性或选择性。尽管如此，它强大的功能仍值得未来生物医学去继续探索与挖掘。
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特别鸣谢：黄丽
参考文献：
1. Lu, B., Zhu, Z., Ma, B., Wang, W., Zhu, R., Zhang 2100946, J., 2D MXene Nanomaterials for Versatile Biomedical Applications: Current Trends and Future Prospects. Small 2021, 17, 2100946.
2. Huang H, Dong C, Feng W, Wang Y, Huang B, Chen Y. Biomedical engineering of two-dimensional MXene. Adv Drug Deliv Rev. 2022 May;184:114178.
3. Rasool, K., et al. "Antibacterial Activity of Ti3C2Tx MXene." Acs Nano 2016，10(3): 3674-3684.
4. Li J, Li Z, Liu X, Li C, Zheng Y, Yeung KWK, Cui Z, Liang Y, Zhu S, Hu W, Qi Y, Zhang T, Wang X, Wu S. Interfacial engineering of Bi2S3/Ti3C2Tx MXene based on work function for rapid photo-excited bacteria-killing. Nat Commun. 2021 Feb 22;12(1):1224.
5. Hui Huang, Caihong Dong, Wei Feng, Ying Wang, Bingcang Huang, YuChen,Biomedical engineering of two-dimensional MXenes,Advanced Drug Delivery Reviews,2022,184,114178.
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