Nature：具有优异成骨性能的可扩展超强 MXene 薄膜

一、【科学背景】

碳化钛 (Ti₃C₂Tₓ) MXene 因其优异的机械和电学性能、光热转换能力、生物相容性和成骨诱导性而受到广泛关注，适用于航空航天、柔性电子学、太赫兹吸收、能量存储和生物医学等领域。为实现这些应用的商业化，从纳米片规模大规模生产高性能 MXene 宏观材料至关重要。目前的涂布、滴铸和狭缝涂布等技术可以将MXene 片层对齐，制成宏观薄膜，但薄膜中的弱层间相互作用和空隙会削弱其机械、电学和环境稳定性，限制了其实际应用。

为提高 MXene 薄膜性能，研究人员通过加强层间相互作用并减少空隙，采用了氢键、离子键和共价键等化学交联策略。例如，通过在层间插入聚乙烯醇形成氢键来增强薄膜强度，利用离子键连接相邻片层，以及用聚多巴胺实现共价键制备出强韧的 MXene 薄膜。此外，通过小片层和离子的插层可以提高薄膜的密度和性能。尽管取得了一定进展，但现有的组装方法制得的薄膜性能仍低于单层 MXene 片层，这主要由于干燥过程中片层错位造成的。此外，这些方法大多仍限于实验室规模，无法实现 MXene 薄膜的大规模生产，从而限制了其在商业领域的广泛应用。因此，实现高性能 MXene 薄膜的大规模制备仍是一项挑战。

二、【科学贡献】

近日，北京航空航天大学程群峰教授和北京大学口腔医学院邓旭亮教授等人团队在Nature发表了题为“Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis”的论文。本研究展示了一种可扩展的策略，通过卷对卷辅助刮刀涂覆 (RBC) 结合顺序桥接制备高性能 MXene 薄膜，在近红外照射下表现出优异的光热转换和成骨效率。MXene 片层首先通过丝胶蛋白的氢键桥接，然后通过连续的 RBC 工艺组装成宏观薄膜，接着通过离子桥接来固定其对齐结构。所得大面积 MXene 薄膜具有强层间相互作用，高度对齐和致密化，表现出高拉伸强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ m⁻³）、电磁干扰 (EMI) 屏蔽能力（78,000 dB cm² g⁻¹），以及良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。该策略不仅为 MXene 在柔性 EMI 屏蔽材料和骨组织工程领域的实际应用提供了可行途径，也为其他二维片层材料的高性能和大规模组装提供了新方法。

图1 S-SBM薄膜的制备过程、结构模型及性能。© 2024 Springer Nature

图2 S-MXene和S-SBM薄膜的结构表征及其机械和电学性能。© 2024 Springer Nature

图3 S-MXene和S-SBM薄膜的抗氧化稳定性及光热转换性能。© 2024 Springer Nature

图4 S-MXene和S-SBM薄膜的生物相容性及体内骨再生能力。© 2024 Springer Nature

图5 S-MXene和S-SBM薄膜对巨噬细胞的抗炎和免疫调节作用，以及对骨髓间充质干细胞（BMSCs）后续成骨效应的体外研究。© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

总之，本研究展示了一种可扩展的策略，通过连续的RBC结合氢键和离子键的顺序桥接，制备高度对齐且紧凑的 MXene 薄膜，具有强层间相互作用。所得的大规模 MXene 薄膜展现出高拉伸强度、韧性、电导率、电磁干扰屏蔽能力、抗氧化性、应力松弛和循环机械变形的抵抗力，同时在近红外照射下具有良好的光热转换和成骨效率，显示出在航空航天、柔性可穿戴设备和临床骨修复等多种实际应用中的显著潜力。这一策略为其他二维片层材料的大规模组装成宏观高性能材料开辟了新途径。

原文详情：Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103–1110 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08067-8

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