新型MXene薄膜：高性能柔性屏蔽与骨修复材料!

【研究背景】

钛碳化物MXene（Ti3C2Tx）是一种新型二维材料，因其优越的机械性能、电导率以及良好的光热转换、生物相容性和成骨诱导能力而成为了研究热点。然而，如何将MXene薄片以可扩展的方式组装成高性能的宏观材料仍然面临诸多挑战，如弱层间相互作用和孔隙问题，这会显著降低其机械性能和环境稳定性，从而限制了其在航空航天、柔性电子设备及生物医学等领域的应用潜力。

有鉴于此，研究人员开始探索通过增强层间相互作用和去除孔隙的方法来提升MXene薄膜的性能。近期，程群峰教授和北京大学口腔医学院邓旭亮教授合作提出了一种新颖的制造策略，结合了滚涂辅助刀涂（RBC）工艺和顺序桥接工艺，以实现高性能MXene薄膜的可扩展制造。

具体而言，MXene薄片首先通过氢键与丝素胶进行桥接，然后利用RBC过程以高速度组装成宏观薄膜，最后通过锌离子桥接来冻结薄膜的排列结构。实验结果表明，所得的顺序桥接MXene薄膜在机械强度、环境稳定性和光热转换等方面表现优异，展现出在柔性电磁干扰屏蔽材料和骨组织工程中的广阔应用前景。

【表征解读】

本文通过多种表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉伸试验机和电导率测试仪，深入分析了MXene薄膜的微观结构和宏观性能，从而揭示了其优异的机械强度和电导性能。SEM图像显示，制备的MXene薄膜表面光滑且层间排列紧密，表明通过滚涂辅助刀涂（RBC）工艺及顺序桥接的策略有效改善了薄膜的层间相互作用。这种紧密的层间结构不仅提高了薄膜的抗拉强度，还增强了其耐环境变化的能力。

针对MXene薄膜在电导性和光热转换方面的表现，本文通过四探针电导率测试和光热响应实验进行了系统的表征。结果显示，制备的MXene薄膜具有显著的电导率，能够在近红外照射下快速升温，表明其在光热转换应用中的潜力。为探讨这一现象的微观机理，我们采用了透射电子显微镜（TEM）对薄膜的晶体结构进行了分析，发现MXene薄片在热处理过程中保持了良好的层状结构，这为其高电导性和优良的光热性能提供了基础。

此外，本文还通过拉伸试验对MXene薄膜的力学性能进行了评估，结果显示其拉伸强度高达755 MPa，韧性达到17.4 MJ/m³。这一性能表明，MXene薄膜不仅具有良好的力学性能，还具备在复杂环境下的稳定性。通过对薄膜的应力松弛和循环机械变形实验，进一步验证了其在反复加载下的可靠性，展示了其在实际应用中的长期耐用性。

在此基础上，针对MXene薄膜的成骨诱导能力，我们进行了细胞培养实验，评估了其在生物医学领域的应用潜力。通过细胞活力测定和成骨相关基因表达分析，结果显示，MXene薄膜能够有效促进骨细胞的增殖与分化，具有良好的生物相容性和成骨能力。

总之，经过一系列的表征手段，深入分析了MXene薄膜的微观结构、宏观性能以及生物医学应用潜力，最终成功制备出一种新型的MXene基材料。这一研究不仅推动了MXene材料的理解与应用，也为其在航空航天、柔性电子设备及临床骨修复等领域的实际应用提供了新的思路和理论基础，为材料科学的进步做出了贡献。通过将这一策略应用于其他二维材料的制备，预示着未来在高性能材料的研发上将会有更多的创新和突破。

【图文速递】

图1: S-SBM薄膜的制备过程、结构模型和性能。

图2: S-MXene 和 S-SBM 薄膜的结构表征以及机械和电气性能

图3: S-MXene和S-SBM薄膜的氧化稳定性和光热转换性能。

图4: S-MXene 和 S-SBM 薄膜的体内生物相容性和骨再生。

图5: S-MXene 和 S-SBM 膜对巨噬细胞的抗炎和免疫调节作用以及随后对 BMSC 的体外成骨作用。

【科学启迪】

本文展示了一种可扩展的策略，通过连续的滚涂辅助刀涂（RBC）结合氢键和离子键的顺序桥接，成功制备了高度对齐和致密的MXene薄膜，并具有强的层间相互作用。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（EMI）屏蔽能力，以及对氧化、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，展现出在航空航天、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。该策略为其他二维薄片的大规模组装成高性能宏观材料开辟了新的途径。

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