二維納米材料在航空航天、柔性電子、生物醫(yī)學(xué)中具有廣泛的應(yīng)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(lǐng)域取得創(chuàng)新性成果北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院程群峰教授課題組與合作者在二維納米復(fù)合材料連續(xù)化制備及骨再生應(yīng)用研究領(lǐng)域取得了最新進展相關(guān)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(xué)化學(xué)學(xué)院程群峰教授課題組和北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院鄧旭亮教授課題組在二維納米復(fù)合材料連續(xù)化制備及骨再生應(yīng)用研究領(lǐng)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(xué)程群峰教授、北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)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(jié)其排列結(jié)構(gòu)。

（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(lǐng)域的實際應(yīng)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(guān)鍵策略，具有重要的臨床意義和經(jīng)濟價值。目前，臨床應(yīng)用的骨再生引導(dǎo)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(guān)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(xué)自支撐的新型材料。碳化鈦MXene納米片具有優(yōu)異的力學(xué)、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(fù)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(fù)合材料，并深入探究其骨再生機制，是實現(xiàn)骨再生應(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

圖1 卷對卷輔助刮涂結(jié)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(fù)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(jié)合有序界面交聯(lián)的新策略（圖1）。規(guī)模化制備有序交聯(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(xué)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(dǎo)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?jǐn)?shù)高達77.4%），在臨床骨修復(fù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

綜上所述，這項開創(chuàng)性研究成果對骨再生修復(fù)研究領(lǐng)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(xué)自支撐新型材料，解析了二維納米復(fù)合材料引導(dǎo)骨再生的級聯(lián)生物學(xué)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)模化組裝及應(yīng)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(fù)合材料內(nèi)的裂紋擴展。

圖2 S-SBM薄膜的結(jié)構(gòu)以及力學(xué)和電學(xué)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