1 摘要
伤口难以愈合和组织修复是生物医学领域的重要挑战之一，创面溃烂、细菌感染造成患者全身炎症反应或疤痕增生严重影响生活质量，带来巨大的经济压力。智能生物医学材料给伤口管理和监测带来了新的治疗策略，成为伤口修复量身定制的选择。
本综述详细介绍了MXene基材料在组织修复领域中的优势及解决不同伤口面临的关键难题，体现了优异生物活性和机体适从性。与之不同的是，MXene还能够作为智能传代设备为伤口监测和护理做出精准的判断，开启了无创监测愈合周期的新时代。
然而，MXene基材料的再生组织工程策略面临一些挑战和困难，如保证长期的生物活性功能、开发新型材料种类和满足临床个性化需求。最后，简要讨论了基于 MXene 的材料在伤口管理方面的未来研究方向和技术发展。
2 内容简介
现有的伤口愈合治疗手段给医疗保健系统带来了沉重的负担。此外，慢性伤口愈合疗法在仿生皮肤功能、渗出物管理和增殖增强方面存在缺陷。生物活性材料因其多功能性和可调性在伤口修复领域引起了极大的兴趣。
在组织再生领域，MXene具备独特的优势和潜在的价值：（1）MXene展现出优异的血液相容性和组织相容性;（2）MXene展现出优异的抗氧化性能，从而降低炎症反应的发生并重塑免疫细胞功能;（3）MXene具备模拟天然酶的催化活性和特异性，展现出过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等活性。其以高催化效率、易于修饰和高灵敏度等独特优势在伤口修复领域占有一席之地。同时，这也是MXene区别于其他材料的最大优势;（4）MXene能作为药物递送的载体;（5）MXene基生物活性材料的特性衍生出许多新型治疗手段，如光热治疗（PTT）和化学动力（CDT）等，避免单一功能的避短造成组织损伤或降低愈合效果。协同增强的效果还体现在MXene优化其他敷料的结构和材料属性，达到“1+1＞2”的效果。（6）借助于MXene的韧性、导电性的特点，研究人员研制出智能穿戴传感器完成对伤口不同阶段的监测，并根据愈合状态及时调整治疗方案。
1. 伤口愈合的修复机制和治疗策略
1.1 伤口愈合的过程和机制
止血（凝血）、炎症、增殖和组织重塑/再上皮化是正常伤口愈合过程的四个阶段。止血是受伤后的首要重点，其复杂的生物过程可能会持续数小时甚至数天。
炎症是损伤和感染的第一反应器，也是组织再生和修复的关键。各种免疫细胞群引发先天性和适应性免疫反应，同时释放细胞因子和生长因子促进组织结构的再生。中性粒细胞的缺失和巨噬细胞的减少表明炎症阶段已经结束，标志着增殖阶段的开始。
增殖期的特点是血管生成进展迅速，胶原蛋白大量沉积。与此同时，成纤维细胞会分化成肌成纤维细胞，这有助于伤口收缩、闭合以及随后疤痕组织的形成。随后，上皮细胞或角质细胞从伤口外围迁移并增殖，使创面重新上皮化。
伤口修复的最终阶段以 ECM 重塑为特征，在肉芽组织形成达到顶峰时开始，并受伤口内蛋白水解酶活性调节的支配。
1.2 伤口愈合过程中的障碍
慢性伤口的特点是无法系统地、循序渐进地执行修复过程，因此无法完全恢复受损屏障的功能和结构完整性。特别是，糖尿病伤口环境的特点是高血糖、炎症加剧、缺氧、pH 值波动、基质金属蛋白酶表达增加、氧化应激和微生物定植。
因此，这些持续存在的因素使得伤口更容易受到感染，并有可能诱发更多并发症。需要强调的是，与糖尿病和外周血管疾病相关的神经病变会导致血液循环紊乱和血流通过动静脉吻合口的异常重定向。
相互影响的病理紊乱形成了一个自我循环，最终导致伤口环境出现严重的生理紊乱。血管损伤会导致损伤部位组织供氧不足。单核细胞的募集随之受损，而高血糖会促进细菌定植和生物膜的形成，从而加剧炎症。功能失调的巨噬细胞活动阻碍了中性粒细胞、细胞碎片和凋亡细胞残余的有效清除。
葡萄糖水平升高会诱导血管内皮细胞产生大量活性氧（ROS）。此外，高血糖还会引起蛋白质的非酶糖基化，使炎症长期存在。同时，晚期糖化终产物（AGEs）的积累对角质形成细胞和成纤维细胞产生有害影响。中和氧源性自由基、减轻炎症反应、促进血管生成过程以及消除细菌定植是管理慢性糖尿病伤口的基本治疗策略。
1.3 伤口治疗策略
医疗设备、临床医学和新型生物敷料不断涌现，包括清创、高压氧疗法（HBOT）、负压伤口疗法（NPWT）、真皮替代品、各种生物医学材料和术后护理。迄今为止，已经出现了一系列治疗慢性伤口的方法，包括清创、标准敷料、抗菌肽、促血管生成细胞因子、抗炎和抗氧化药物、表皮和真皮细胞移植、干细胞干预、外泌体疗法和生物材料应用。
然而，这些方法在仿生皮肤功能、渗出物管理和增殖增强方面存在缺陷，限制了伤口闭合率。药物释放、保留、免疫反应和快速降解等问题降低了它们在体内应用的生物利用度和安全性。
2. MXene的结构和性质
2.1 MXene的结构
2011年，Yury Gogotsi教授及Michel W. Barsoum教授等报道了从三元层状陶瓷MAX相中选择性刻蚀去除A层原子得到的新型二维材料，被称为“MXene”的材料。MAX相是合成的前驱体，可以看作由Mn+1AXn组成的三元层状化合物。
其中M代表前金属过渡元素（如, Ti, V, Sc, Zr, Nb等），A代表Ⅲ A~Ⅵ A族元素（Al, Ga等），X代表碳或/和氮元素。根据n值的变化，MAX相主要可分为211相（M2AX）、312相（M3AX2）、413相（M4AX3）。MXene已经成为二维过渡金属碳化物、氮化物的和碳氮化物这一类材料的总称，其结构组成为Mn+1XnTx。
2.2 MXene的制备方法
MXene的合成方法可分为两类：含氟蚀刻法和无氟蚀刻法。含氟蚀刻法通常是一种基于大晶体直接剥离的自上而下的方法，这种方法的工艺相对成熟。然而，含氟蚀刻工艺中的氟元素对环境有害且危险，因此有必要寻找一种安全、经济的蚀刻方法来稳定产品的性能。
事实证明，路易斯酸熔盐刻蚀法（LAMS）和自下而上的直接合成法等非传统方法，能有效合成均匀含有卤化物表面端的 MXenes，为不同的卤化物端盖和其他取代反应提供了可能。
此外，根据 MXene 材料制备的不同物理和化学性质，如横向尺寸、活性位点和表面官能团等，选择合适的反应参数至关重要，这使得它们在光学、电子学、气体传感和生物医学等研究领域有着广泛的应用。
3. MXene应用于伤口愈合的优势
生物相容性：自2011年问世以来，已有不少研究表明MXene具备良好的生物相容性，在生物医学领域具备广阔的应用前景。
可降解性：MXene表面的官能团有助于增强水溶性，使得在水环境中容易降解，并实现了治疗剂的控制释放。
多样性：MXene的组成具有多样性，包括3至6族过渡金属（M）、碳或氮（X）以及各种表面端基（T），包括氧、氟和羟基。
光电特性：二维结构减少了电荷载流子向反应界面迁移的路径，从而抑制了电荷重组，提高了光催化效率。
光热特性：利用局部表面等离子体共振（LSPR）吸收第一（650-1000 nm）和第二（1000-1350 nm）生物透明窗口内的近红外光。
功能化：MXene的表面可随时进行功能化处理，以引入特定基团，实现定向给药、增强生物相容性和机械强度。此外，MXene还可与金属、碳点和MOFs等各种材料杂化，以增强其属性和功能。MXene的聚集倾向会影响其治疗效果，损害光热效应、抗菌作用和药物输送。这凸显了通过表面改性提高MXene性能的必要性。
抗菌性：MXene的杀菌作用可归因于锋利的边缘和其强大的还原电位及反应性表面特性。最小的纳米片可以通过直接渗透或内吞作用破坏细胞的完整性并导致微生物死亡。
抗炎：MXene可作为一种抗氧化剂，通过内吞作用中和ROS引起的细胞损伤。
促进血管生成： MXene可通过抗炎和抗氧化机制调节细胞微环境，从而对内皮细胞的增殖、迁移和血管形成产生积极影响。要全面阐明MXene的血管生成潜力，还需要进一步的研究。
防止疤痕形成：MXene通过各种机制，包括抑制过度血管化、调节炎症反应、促进成纤维细胞迁移和调整伤口部位的免疫微环境，在促进无疤痕伤口愈合方面具有巨大潜力。
药物输送能力：MXene正在成为有效的给药剂，能够调节药物释放速度并增强治疗效果。它们的表面化学特性是带负电荷的-OH或-F基团，由于比表面积大，有利于阳离子药物分子的负载。
4. MXene在伤口愈合中的应用
由于MXene具备良好的亲水性和生物相容性、极高的生理分散性和生物安全性、可降解性、良好的光热性能、电化学性质及界面功能修饰，使其在肿瘤治疗、药物递送、生物成像和疾病诊断等生物医学领域具备广阔的应用前景，为未来的研究和临床应用提供了极大地可能性。
4.1 MXene在急性伤口中的应用
急性伤口愈合初期的止血、炎症和纤维细胞的过度增殖是研究学者需要重点关注的问题。由于难以控制生长因子的释放，一些疗法会导致血管过度增生和胶原蛋白过度沉积，从而导致组织过度生长。
因此，设计可以满足程序化调控或药物释的多功能生物材料是非常必要的。根据MXene的特性和伤口愈合特征，采用响应性给药的方式能够满足急性伤口和瘢痕修复的生理需求，实现主动传递信号并调控相关细胞因子的表达。
4.2 MXene在慢性伤口愈合中的应用
糖尿病伤口是糖尿病常见的慢性病并发症，高血糖环境造成细菌滋生形成物理屏障，减缓了愈合的进程。MXene具备独特结构，能结合其他材料作为新型复合功能材料，满足动态复杂环境中的自修复。
其优异的导电性和化学稳定性、可调节的表面化学性质、生物相容性及高催化活性等物理化学性质促使联合疗法广泛应用，解决慢性伤口愈合巨噬细胞功能障碍，氧气和营养物质供给不足及细菌生物膜定植等问题。
特别地是，而MXene作为多功能纳米酶，应对体内氧化还原平衡和细胞代谢等行为。利用MXene的抗氧化性有效清除创伤部位的过多的ROS，减轻持续的炎症反应，维持正常细胞的线粒体功能，保持免疫细胞发挥正常作用。
4.3 MXene在细菌感染性伤口中的应用
被生物膜细菌感染的伤口会出现延迟愈合再复发、慢性炎症、肉芽易碎等症状，这些都将引发全身的炎症反应。MXene具备“纳米刀”效应、光热抗菌性能及药物载体等优点，能解决细菌炎症导致的创面溃烂甚至局部功能障碍问题，阻断细菌代谢途径，实现生物膜药物渗透和对病原菌的清除。
与此同时，由于时空性和可控性等特点，复合材料既能满足机体适应性还能实现组织重塑，且不会造成器官损伤或炎症反应。除了之外，控制创面渗液、改善创面边缘生长、增强组织氧气的产生等因素是在不同愈合时期也需要额外注意的重要事项。
4.4 MXene在骨修复中的应用
临床上常见的治疗手段包括清创、软骨组织移植和再生治疗，尽管有些设备技术已经成熟，但很难确保所有患者的适从性，存在免疫排斥、二次感染等风险。因此，MXene作为生物相容性极好且能够实现体内生物降解的二维生物材料，已经成为骨组织修复的候选者。
MXene不仅可以作为响应性纳米药物，还可以作为功能性支架。具备良好的力学性能、生物降解性和生物相容性、微孔结构及成骨能力的新型组织生物材料是解决骨损伤不可或缺的一部分。
4.5 在退行性神经疾病中的应用
过度的ROS会引发全身的炎症反应，影响正常细胞代谢功能，造成行为障碍，因此控制炎症反应的发生是非常必要的。具备6种酶活性的V2C MXene纳米酶生物材料由于尺寸可调节性、能够穿透血脑屏障（BBB）等优势为靶向神经病变部位提供了有利的机遇。
4.6伤口监测
柔性传感器能够监测人体的生理信号或状态，甚至结合人工智能预测疾病发生的可能性。现有的柔性传感器受到材料的限制，主要体现在灵敏度不高、稳定性差且对环境的适应性不高。MXene由于内在的片状结构和导电率，对外部刺激或机械压力进行响应改变内部的层间距或促进电荷转移等，从而实时反馈监测数据。
不仅如此，MXene基生物传感器与人体皮肤具备高度的相似性，材料的亲水性和表面官能团促使对伤口部位血液的吸收，在多重湿度范围内仍保持稳定的监测性能和高灵敏度。这种智能传感器的持续监测与实时反馈为临床精准调整治疗方案和伤口护理策略提供了可靠的平台。
3 展望与总结
1.寻求新的合成前体方案来制备MXene，并找到适合工业化大规模生产的方法。希望采用调制合成方法探索表面末端基团的行为和调控机制。
2.精确管理MXene的层间距和实现特定分子的嵌入仍然是有待解决的问题。控制 MXene 的合成机理和纳米尺度，开发新颖的模拟方法来筛选合适的性能参数，构建动态理论来优化纳米片在反应过程中的结构变化和力学性能，可以实现对 MXene 结构组成的合理预测和分子动力学的改进等。
3.建立一个具有成本效益的MXene标准化合成方案，以尽可能减少批次间的差异并降低制造成本。
4.开发一个全面的理论模型库，并结合深度机器学习方法，将有助于探索MXene在不同合成环境（如高温、高湿等）下的氧化行为。这将提高催化活性，改善特定配位键的结合能。
5.MXene 采用的尺寸调整策略可增强材料特性，实现从零维（0D）到三维（3D）形态的调制。
6.在全球健康挑战升级的情况下，MXene具有抗病毒特性并能调节免疫反应，其生物相容性、抑制单核细胞活性和减轻促炎细胞因子分泌的特性使其成为缓解此类复杂问题的潜在解决方案。
7.MXene在骨再生疾病治疗、皮肤再生-癌症治疗、心脏再生-炎症治疗和神经再生-炎症治疗等综合再生疗法中展现出了广阔的应用前景。
MXene在体内环境中亲水性分布有限和生物降解速率延迟的局限。因此，MXene的多面性、研究途径的广泛性以及不同应用环境下与具体情况相关的合成要求，都强调了根据特定病理条件的细微差别定制材料的必要性。
参考文献：Jiahao Guo, Xiaodong Zhu, Beibei Liang, Xuelian Gu, Cong Wu, Ang Li, Wei Li, Application and recent progress of MXene-based bioactive materials in wound management, Nano TransMed, Volume 4, 2025, 100079, ISSN 2790-6760.
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