MXene-石墨烯复合材料: 生物医学潜力展望

作者:admin   发布时间:2022-07-04 16:24   浏览:
正文

MXene/石墨烯复合材料在未来的生物医学应用中具有很高的潜力。

为了提高生物相容性、高稳定性和多功能性,应进一步探索MXene-石墨烯复合材料的杂化和表面功能化。

讨论了MXene/石墨烯复合材料的合成方法、性能、潜在毒性以及未来的发展前景。

摘要

MXenes是一种具有类石墨烯结构的过渡金属碳化物和氮化物,自首次发现以来受到了广泛关注。另一方面,石墨烯已广泛应用于生物医学和医药领域。MXene和石墨烯都是有前途的二维材料候选者,由于其独特的物理化学性质,例如优越的导电性、高生物相容性、大比表面积、光学和磁性特征以及非凡的热和机械性能,在未来的生物医学应用中具有很高的潜力。这些特殊的结构、功能和生物学特性表明,MXene和石墨烯的杂化/复合结构能够满足不同领域中许多未满足的需求;特别是在医学和生物医学工程中,需要高性能的机械、电气、热、磁和光学要求。然而,应进一步探索杂交和表面功能化,以获得具有独特理化性质、高稳定性和多功能性的生物相容性复合材料/平台。此外,毒理学和长期生物安全评估以及临床翻译评估应在研究中给予高度重视。虽然有限的研究表明MXene/graphene在生物医学方面具有良好的潜力,但下一步应该进行广泛的研究和详细的分析,以优化其性能并提高其功能性,具有临床和工业前景。本文讨论了MXene/石墨烯复合材料的不同合成/制备方法和性能,以期在生物医学领域有潜在的应用。本文还介绍了这些复合材料对人体细胞和组织的潜在毒理学效应,并展望了未来更成功的翻译应用前景。还讨论了MXene-Graphene复合材料使用方面的最新生物技术进展,以及它们的发展挑战和未来前景。由于MXene-graphene复合材料的优越性能和多功能性,这些杂化结构可以在未来的医疗保健和医学领域开辟相当多的新天地。

介绍

如今,随着智能(纳米)结构设计的广泛进步,以高精度和高效的靶向递送/治疗和诊断为目的,材料的杂交一直是研究人员关注的焦点。例如,Tu等人介绍了由MXene/硼-碳氮化物混合物构建的三维(3D)微花,用于具有高功率密度和大可扩展性的可穿戴全固态柔性微型超级电容器。MXenes可以杂交以改善其特性或获得新的特性和多种功能。MXene基复合材料在高性能能源相关设备和柔性生物电子学方面具有良好的适用性。具有高导电性、光热转换、光催化活性和亲水性的MXene基(纳米)结构已被广泛研究,用于制造具有适当多功能性的纳米结构[7,8,9]。相反,石墨烯基(纳米)结构表现出独特的物理化学性质,如pH敏感性、刚度、高电导率、大比表面积和机械强度;这些材料具有较大的表面积、较高的热导率/电导率、光学透过率、电子迁移率和杨氏模量值,已在各种生物医学领域找到了一席之地。由于MXene纳米片被证明是石墨烯上的高效杂化基质,因此设计了几种MXene/石墨烯杂化复合材料,具有优异的结构稳健性、导电性和柔韧性以及独特的电气/电化学和机械特性(图1)。当将这些复合材料应用于聚乙二醇基质时,它们表现出改善的穿透平面热导率。设计的复合材料达到了先进的电磁干扰(EMI)屏蔽效能∼厚度为2.5 mm时为36 dB。结果表明,磁性MXene(Ti3C2TX)还原的石墨烯氧化物气凝胶锚定在磁性镍纳米链上,具有合适的多功能性、疏水性和隔热活性。此外,通过冷冻干燥和还原热处理技术制备了MXene(Ti3C2TX)-氧化石墨烯杂化泡沫,其导电性增强,电磁干扰性能优异,是用于智能和下一代器件的优秀候选材料。

图1

MXene-graphene杂化物具有迷人的物理化学性质/特征,可被视为生物医学探索的有希望的候选者

图2

经Ref.许可复制。。2018美国化学学会版权所有

通过GO辅助水热组装技术以及定向冷冻和冷冻干燥过程,制备了MXene还原氧化石墨烯(RGO)杂化气凝胶。

图3

通过水电解氧化工艺制备氧化石墨烯(GO)。

图4

研究了用于葡萄糖生物传感应用的酶固定化用MXene纳米片和MXene-graphene杂化膜的制备工艺。氟化锂;二甲基亚砜;GC玻碳;GOx葡萄糖氧化酶。

图5

石墨烯材料对人体细胞毒性的潜在机制

MXene-graphene杂化物因其迷人的物理化学性质而被探索,这使其成为未来生物医学探索的诱人候选物。虽然MXenes石墨烯纳米材料在生物和纳米医学中引起了广泛关注,但其在药物传递、癌症治疗和治疗方面的可能应用仍然不确定,因为它们的生物相容性和毒性、缺乏临床评估和足够的特异性/选择性。它们的生物传感和成像特性通常受到非特异性吸附的限制。层间距较大的MXenes具有较高的比表面积和额外的暴露活性位点。在这种情况下,杂交或表面修饰可以显著提高多功能性并降低这些结构的可能毒性。天然聚合物(例如纤维素或壳聚糖纳米纤维)可以与MXenes和石墨烯结构结合,以提高其生物医学适用性。此外,应全面探索这些结构的商业化和环保制造,以找到具有更高安全性的廉价且可升级的策略。反应条件的优化、环境稳定性、表面化学特征、纳米毒理学研究、系统的生物相容性分析(体外和体内)以及临床前评估仍然需要解决。单层、缺陷少、尺寸大的MXene结构具有更高的电导率,说明合成条件及其性能会显著影响其质量和未来的应用;通过控制反应混合物条件(例如pH值和温度)、表面官能团/端接和层间间距,可以改善MXenes和石墨烯的固有特性。

本文仅用于学术交流,不得用于商业用途。

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