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北京航空航天大學、北京大學--?可擴展的超強MXene薄膜及其優異的成骨性能
本研究創新性地結合卷對卷輔助刮刀涂布(RBC)與順序橋接工藝,開發出可規模化制備的高性能MXene薄膜(S-SBM),在機械性能、功能集成及生物醫學應用領域取得突破性進展。
1. 高性能制備策略
通過氫鍵(絲膠蛋白橋接)與離子橋協同作用,實現MXene納米片高度有序排列和致密層間結構,顯著提升力學性能(拉伸強度755 MPa、韌性17.4 MJ m?³、楊氏模量32.9 GPa)和功能性(電導率8,458 S cm?¹,電磁屏蔽效能78,000 dB cm² g?¹),性能遠超石墨烯等材料,為航空航天輕量化材料及柔性電子器件提供新選擇。
2. 環境穩定性與光熱功能
致密結構有效阻隔水氧滲透,提升薄膜抗氧化穩定性。其近紅外光熱轉換效率達85%,10秒內可升溫至80℃,兼具快速響應和精準控溫特性,為光熱治療和動態骨修復奠定技術基礎。
3. 生物醫學驗證
· 生物活性:體外實驗顯示,S-SBM薄膜顯著促進骨髓間充質干細胞(BMSCs)黏附、增殖及成骨分化(堿性磷酸酶活性提升3倍,鈣結節形成增加2.5倍)。
· 骨再生效能:大鼠顱骨缺損模型中,S-SBM組8周后骨體積占比(BV/TV)達78.3%,骨密度(BMD)1.32 g/cm³,較對照組提高約2倍,新生骨力學強度接近天然骨。
· 作用機制:通過清除活性氧/氮(ROS/RNS)、促進M2型巨噬細胞極化及抑制炎癥因子釋放,協同激活BMP-2/Smad和Wnt/β-catenin成骨通路,構建促修復微環境。
4. 技術普適性與應用前景
“順序橋接-RBC”策略可擴展至石墨烯、二硫化鉬等二維材料,為高性能材料規模化生產提供通用技術框架。S-SBM薄膜在生物醫學(智能骨修復支架)、柔性電子(高強可穿戴傳感器)及航天防護(輕量化抗氧化涂層)等領域具有廣泛應用潛力。
5. 未來方向
需進一步研究:①長期植入的生物安全性與降解行為;②光熱參數與成骨效應定量關系;③抗菌性能優化;④連續化生產工藝開發。
本研究突破MXene材料性能瓶頸,通過跨學科策略推動多功能材料開發,兼具科學創新與產業化價值。
圖1 | S-SBM薄膜的制備流程、結構模型與性能。a. MXene-SS溶膠經連續組裝形成S-HBM薄膜,隨后通過Zn²?滲透獲得S-SBM薄膜。b. 展示連續制備S-HBM薄膜的卷對卷輔助刮刀涂布(RBC)裝置。比例尺:20厘米。c. 寬度為25厘米的S-SBM薄膜卷實物圖。比例尺:10厘米。d. S-SBM薄膜制備過程中結構演化的示意圖。e. S-SBM薄膜(紅星)的拉伸強度、韌性及表面比屏蔽效能(SE)均超越已報道的純MXene薄膜(綠色三角)及其他MXene基材料。
圖2 | S-MXene與S-SBM薄膜的結構表征及力學與電學性能。a,b. 通過聚焦離子束切割的橫截面掃描電鏡圖像(左)及基于納米CT三維重建的孔隙結構(右):(a) S-MXene薄膜與(b) S-SBM薄膜。比例尺:1微米(a,b)。c. S-MXene與S-SBM薄膜的孔隙率對比(n=3個獨立樣本)。d. 濕態與干態下S-MXene和S-SBM薄膜的Herman取向因子(n=3個獨立樣本)。e. S-MXene與S-SBM薄膜的代表性拉伸應力-應變曲線。f. 雷達圖對比S-SBM薄膜的拉伸強度、楊氏模量、韌性、應變及表面比屏蔽效能(SE)與文獻中MXene基材料的性能極限。
圖3 | S-MXene與S-SBM薄膜的氧化穩定性與光熱轉換性能。a. 在100%相對濕度的潮濕空氣中,S-MXene與S-SBM薄膜的電導率保持率隨時間的變化。S-SBM薄膜的電導穩定性顯著優于S-MXene(10天后保持率>90%),表明其抗濕氧化能力更強。b. 2–18 GHz頻段內薄膜的平均電磁干擾屏蔽效能(EMI SE)對比(n=3獨立樣本):原始S-SBM薄膜的SE為78 dB,10天后僅下降2.3%,而S-MXene薄膜下降達15.7%。c. 近紅外(NIR)光照強度200 mW cm?²下,薄膜溫度隨時間的變化:S-SBM薄膜在10天后仍能快速升溫至112°C(與初始狀態相差<5°C),光熱穩定性優于S-MXene(升溫能力下降22%)。d. 不同NIR光強度(50–200 mW cm?²)下S-SBM薄膜的溫度響應曲線及15秒時的紅外熱像圖(標尺1 cm):光強度與溫升呈線性關系(200 mW cm?²時15秒達85°C),驗證其光熱轉換效率可控性。e. 200 mW cm?²循環開關輻照下,S-SBM薄膜溫度響應曲線顯示:經過5次循環后,峰值溫度波動<3%,表明材料具有優異的光熱循環穩定性。
圖4 | S-MXene與S-SBM薄膜的生物相容性及體內骨再生性能。a. 對照組、S-MXene組與S-SBM組中骨髓間充質干細胞(BMSCs)培養1天后的細胞骨架熒光圖像(紅色:F-actin;藍色:細胞核)。比例尺:50微米。實驗獨立重復3次,結果一致。b. BMSCs在對照組、S-MXene組與S-SBM組中培養1天和3天后的細胞存活率(n=4個生物學獨立樣本)。c. 大鼠顱骨缺損區域修復8周后的三維重建微型計算機斷層掃描(micro-CT)圖像:S-SBM組顯示更完整的骨橋接(箭頭)與礦化結構。d. 骨體積分數(BV/TV)與骨密度(BMD)定量分析(n=3個生物學獨立樣本):S-SBM組的BV/TV較對照組提高2.1倍(p<0.01),BMD達到0.32 g/cm³(接近天然骨水平)。e. 蘇木精-伊紅(H&E)染色顯示:SBM組缺損區新生骨組織(NB)占比達82%±3%,且無顯著炎癥反應;S-MXene組可見局部纖維包裹(黃色虛線)。
圖5 | S-MXene與S-SBM薄膜對巨噬細胞的抗炎免疫調控作用及其介導BMSCs體外成骨效應。a. 對照組、S-MXene組與S-SBM組中巨噬細胞活性氧(ROS)的2′,7′-二氯二氫熒光素二乙酸酯(DCFH-DA)染色圖像(綠色:ROS;藍色:細胞核)。比例尺:50微米。定量結果:S-SBM組ROS熒光強度較對照組降低68%±5%(*p<0.01),顯著優于S-MXene組(降低32%±4%,*p<0.05)。b. 流式細胞術檢測巨噬細胞M2型標志物CD206與M1型標志物CD86的表達:S-SBM組M2/M1表型比值為3.7±0.2,較對照組(1.0±0.1)和S-MXene組(1.5±0.1)顯著提升(**p<0.001),表明其促進巨噬細胞向抗炎M2型極化。c. 酶聯免疫吸附試驗(ELISA)測定巨噬細胞分泌的細胞因子水平:抗炎因子:S-SBM組IL-10與IL-4濃度分別為285±12 pg/mL和167±9 pg/mL,較對照組提高2.8倍和3.1倍;促炎因子:TNF-α與IL-1β濃度較對照組下降82%±6%和75%±5%(##p<0.001),且顯著低于S-MXene組(下降45%±7%和38%±6%)。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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