北航&北大《Nature》:连续化制备高性能纳米复合薄膜材料的新突破-电子发烧友网

二维纳米材料在航空航天、柔性电子、生物医学中具有广泛的应用前景但连续化组装工艺成为了制约发展的“绊脚石”。

近日，北航在这一领域取得创新性成果北京航空航天大学化学学院程群峰教授课题组与合作者在二维纳米复合材料连续化制备及骨再生应用研究领域取得了最新进展相关成果发表于《Nature》杂志。

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-08067-8

北京时间2024年10月31日，《Nature》杂志报道了北京航空航天大学化学学院程群峰教授课题组和北京大学口腔医学院邓旭亮教授课题组在二维纳米复合材料连续化制备及骨再生应用研究领域取得的最新进展：《Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis》，基于此，北京航空航天大学程群峰教授、北京大学口腔医学院邓旭亮教授（共同通讯作者）等人报道了一种可扩展的策略，即通过集成顺序桥接工艺和卷对卷辅助叶片涂层（RBC）工艺来制备高性能MXene薄膜，其在近红外照射下提供良好的光热转换和成骨效率。

（1）首先MXene薄片通过氢键与丝胶桥接，然后使用连续RBC工艺以20 cm min-1的速度组装成宏观薄膜，最后通过与锌离子（Zn2+）桥接以冻结其排列结构。

（2）所制备的MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和致密的特性，具有较高的抗拉强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ m-3）和电磁干扰（EMI）屏蔽能力（78000 dB cm2 g-1），以及良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。该策略不仅为实现MXene在柔性EMI屏蔽材料和骨组织工程领域的实际应用铺平了可行的道路，而且为其他二维（2D）薄片的高性能和可扩展组装提供了途径。

发展具有骨再生微环境调控作用的高强度自支撑新型材料是实现高效、安全促成骨的关键策略，具有重要的临床意义和经济价值。目前，临床应用的骨再生引导膜材料虽然具备一定的机械强度，但是不具备调控成骨微环境作用，包括清除活性氧/活性氮（ROS/RNS）等促炎相关分子，限制了其成骨效果。因此，亟待开发兼具骨再生微环境调控作用和力学自支撑的新型材料。碳化钛MXene纳米片具有优异的力学、纳米酶活性、光热转换和生物相容性，是制备高性能纳米复合材料的理想基元。如何将MXene纳米片连续化组装成宏观高性能纳米复合材料，并深入探究其骨再生机制，是实现骨再生应用亟需解决的关键科学问题。

图1 卷对卷辅助刮涂结合有序界面交联策略实现高性能MXene薄膜的连续化制备

为了实现高性能二维纳米复合薄膜材料的连续化制备，该工作创新性地开发了卷对卷辅助刮涂结合有序界面交联的新策略（图1）。规模化制备有序交联的MXene（S-SBM）薄膜具有高拉伸强度（755 MPa）和韧性（17.4 MJ m-3）,强力学自支撑性有利于维持成骨所需空间。此外，该S-SBM薄膜具有高效清除ROS/RNS和促进巨噬细胞M2极化等成骨微环境调控作用。最终，相比商用引导骨再生（GBR），S-SBM薄膜具有更高的体内成骨效率（8周新生骨体积分数高达77.4%），在临床骨修复领域具有重要应用前景。

综上所述，这项开创性研究成果对骨再生修复研究领域的发展具有里程碑的意义，其核心是发展了具有成骨微环境调控作用的高强度力学自支撑新型材料，解析了二维纳米复合材料引导骨再生的级联生物学过程，解决了实现安全、高效促进骨再生面临的瓶颈问题，不仅为新型临床骨再生材料的研发开辟了新方向，也为其他二维纳米材料的高性能规模化组装及应用研究提供了新思路。首次证实了有序界面交联作用可以大幅抑制二维纳米复合材料内的裂纹扩展。