二維納米材料在航空航天、柔性電子、生物醫(yī)學中具有廣泛的應用前景但連續(xù)化組裝工藝成為了制約發(fā)展的“絆腳石”。

近日，北航在這一領域取得創(chuàng)新性成果北京航空航天大學化學學院程群峰教授課題組與合作者在二維納米復合材料連續(xù)化制備及骨再生應用研究領域取得了最新進展相關成果發(fā)表于《Nature》雜志。

文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-08067-8

北京時間2024年10月31日，《Nature》雜志報道了北京航空航天大學化學學院程群峰教授課題組和北京大學口腔醫(yī)學院鄧旭亮教授課題組在二維納米復合材料連續(xù)化制備及骨再生應用研究領域取得的最新進展：《Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis》，基于此，北京航空航天大學程群峰教授、北京大學口腔醫(yī)學院鄧旭亮教授（共同通訊作者）等人報道了一種可擴展的策略，即通過集成順序橋接工藝和卷對卷輔助葉片涂層（RBC）工藝來制備高性能MXene薄膜，其在近紅外照射下提供良好的光熱轉(zhuǎn)換和成骨效率。

（1）首先MXene薄片通過氫鍵與絲膠橋接，然后使用連續(xù)RBC工藝以20 cm min-1的速度組裝成宏觀薄膜，最后通過與鋅離子（Zn2+）橋接以凍結其排列結構。

（2）所制備的MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和致密的特性，具有較高的抗拉強度（755 MPa）、韌性（17.4 MJ m-3）和電磁干擾（EMI）屏蔽能力（78000 dB cm2 g-1），以及良好的環(huán)境穩(wěn)定性、光熱轉(zhuǎn)換和骨再生性能。該策略不僅為實現(xiàn)MXene在柔性EMI屏蔽材料和骨組織工程領域的實際應用鋪平了可行的道路，而且為其他二維（2D）薄片的高性能和可擴展組裝提供了途徑。

發(fā)展具有骨再生微環(huán)境調(diào)控作用的高強度自支撐新型材料是實現(xiàn)高效、安全促成骨的關鍵策略，具有重要的臨床意義和經(jīng)濟價值。目前，臨床應用的骨再生引導膜材料雖然具備一定的機械強度，但是不具備調(diào)控成骨微環(huán)境作用，包括清除活性氧/活性氮（ROS/RNS）等促炎相關分子，限制了其成骨效果。因此，亟待開發(fā)兼具骨再生微環(huán)境調(diào)控作用和力學自支撐的新型材料。碳化鈦MXene納米片具有優(yōu)異的力學、納米酶活性、光熱轉(zhuǎn)換和生物相容性，是制備高性能納米復合材料的理想基元。如何將MXene納米片連續(xù)化組裝成宏觀高性能納米復合材料，并深入探究其骨再生機制，是實現(xiàn)骨再生應用亟需解決的關鍵科學問題。

圖1 卷對卷輔助刮涂結合有序界面交聯(lián)策略實現(xiàn)高性能MXene薄膜的連續(xù)化制備

為了實現(xiàn)高性能二維納米復合薄膜材料的連續(xù)化制備，該工作創(chuàng)新性地開發(fā)了卷對卷輔助刮涂結合有序界面交聯(lián)的新策略（圖1）。規(guī)?；苽溆行蚪宦?lián)的MXene（S-SBM）薄膜具有高拉伸強度（755 MPa）和韌性（17.4 MJ m-3）,強力學自支撐性有利于維持成骨所需空間。此外，該S-SBM薄膜具有高效清除ROS/RNS和促進巨噬細胞M2極化等成骨微環(huán)境調(diào)控作用。最終，相比商用引導骨再生（GBR），S-SBM薄膜具有更高的體內(nèi)成骨效率（8周新生骨體積分數(shù)高達77.4%），在臨床骨修復領域具有重要應用前景。

綜上所述，這項開創(chuàng)性研究成果對骨再生修復研究領域的發(fā)展具有里程碑的意義，其核心是發(fā)展了具有成骨微環(huán)境調(diào)控作用的高強度力學自支撐新型材料，解析了二維納米復合材料引導骨再生的級聯(lián)生物學過程，解決了實現(xiàn)安全、高效促進骨再生面臨的瓶頸問題，不僅為新型臨床骨再生材料的研發(fā)開辟了新方向，也為其他二維納米材料的高性能規(guī)?；M裝及應用研究提供了新思路。首次證實了有序界面交聯(lián)作用可以大幅抑制二維納米復合材料內(nèi)的裂紋擴展。

圖2 S-SBM薄膜的結構以及力學和電學性能表征

圖3 S-SBM薄膜的抗氧化和光熱轉(zhuǎn)換性能

圖4 S-SBM薄膜的生物相容性和體內(nèi)骨再生性能

圖5 S-SBM薄膜的成骨機制