综述：MXenes材料的生物相容性与免疫调节作用：用于生物活性剂和药物的靶向递送

《Bioactive Carbohydrates and Dietary Fibre》：Biocompatibility and immunomodulation of MXenes for targeted delivery of bioactive agents and drugs

　　MXenes因高比表面积、可调控表面化学和优异生物相容性，成为生物医学领域的多功能载体，在药物递送（如pH/NIR响应释放）、免疫调节（如抑制炎症因子、促进M2型巨噬细胞极化）和生物传感中展现潜力，但需解决长期稳定性、毒性评估及规模化生产等问题。

　　
MXene作为二维过渡金属碳/氮化合物的代表材料，凭借其独特的物理化学性质和可调控的表面功能，近年来在生物医学领域展现出广阔的应用前景。本文系统梳理了MXene与生物系统相互作用的关键机制、潜在应用及现存挑战，为后续研究提供理论框架。

### 一、MXene的生物学特性与作用机制
1. **表面化学与生物相容性**
MXene表面官能团（如-O、-OH、-F等）直接影响其与生物分子的相互作用。例如，Ti3C2Tx MXene通过表面羟基与蛋白质形成氢键，而氟化终止的MXene因表面负电荷增强与带电生物分子的静电吸附。这种可调控的表面特性使其在药物负载（最高达796.3%载药率）、蛋白质结合（如BSA吸附率随浓度变化呈现双相调节）及核酸递送方面具有显著优势。

2. **蛋白相互作用与细胞摄取**
蛋白层形成（corona formation）是MXene进入生物系统的重要过程。研究表明，血清蛋白在pH 7.4环境中以"软层-硬层"动态交替方式包覆MXene表面，这种动态过程影响细胞摄取途径。例如，经聚乙二醇（PEG）修饰的MXene通过减少蛋白非特异性吸附，将细胞摄取效率从clathrin介导的30%提升至20%，同时降低机械损伤导致的细胞膜破裂风险。

3. **细胞毒性与安全窗口**
尽管高载药量带来潜在毒性，但优化后的MXene体系（如Ti3C2O2修饰）在100 μg/mL浓度下仍保持细胞存活率>90%。值得注意的是，MXene的毒性具有显著的浓度依赖性和时间依赖性：急性毒性（ROS爆发）在48小时处理时达峰值，而长期暴露（>72小时）显示氧化损伤后的DNA修复能力。这种特性使得MXene在可控释放系统中成为理想的载体材料。

### 二、MXene在精准医疗中的创新应用
1. **肿瘤靶向递送系统**
通过表面功能化（如叶酸受体靶向修饰）和智能响应设计（pH/NIR双响应），MXene实现药物递送的精准调控。例如，负载阿霉素的Ti3C2T4纳米片在近红外照射下，通过光热效应（升温至45℃）激活pH响应开关，使药物释放效率提升3倍。临床前数据显示，这种系统在抑制人源HeLa癌细胞生长时，协同效应使肿瘤抑制率达到92.7%。

2. **免疫调节与治疗协同**
MXene的免疫调节功能体现在三个方面：
- **免疫原性调控**：V4C3 MXene通过抑制TLR4信号通路，将巨噬细胞炎症因子TNF-α分泌量降低58%
- **免疫激活**：经光热处理后的Ti3C2O2可释放胞质ROS，激活抗原呈递细胞（APC）的MHC-II分子表达，使树突状细胞成熟效率提升40%
- **免疫逃逸**：红细胞膜包覆技术使MXene在血液循环中停留时间延长至8小时，肿瘤部位的逃逸率降低至12%

3. **组织工程与再生医学**
MXene复合水凝胶（如MXene/SF）在骨修复实验中显示独特优势：
- 机械强度提升3倍（压缩模量达120 kPa）
- 神经前体细胞（NPCs）分化效率提高65%
- 抗菌活性使细菌感染率降低99%
这种多功能的生物相容性材料在糖尿病伤口修复中已实现临床前成功，创面愈合速度提升2.3倍。

### 三、技术挑战与优化路径
1. **稳定性与降解控制**
- 氧化降解速率与表面氧含量呈正相关（Q=0.12t+0.85，R2=0.93）
- 提出四阶段稳定化策略：氟化终止→表面钝化（如NaAscorbate处理）→复合封装（MOFs/COFs）→体内环境调控（pH/GSH响应）
- 新型Nb2CTx MXene在模拟体内环境中降解周期延长至28天（传统Ti3C2Tx为5-7天）

2. **精准递送技术优化**
- 开发多模态刺激响应系统（如NIR/pH/GSH三响应）
- 建立动态载药模型：载药率与表面π-π相互作用能呈指数关系（E= -0.89D + 34.2，D为药物分子疏水性）
- 靶向效率提升方案：纳米线阵列结构（载药率提升40%）+外泌体封装（靶向性提高2.1倍）

3. **安全评估体系构建**
- 建立三级毒性评估模型：细胞系（CCK-8）→动物模型（BALB/c裸鼠）→体外-体内关联分析
- 发现MXene在10 μg/mL浓度下即可激活Nrf2抗氧化通路，使ROS水平降低至对照组的35%
- 提出"表面指纹"理论：通过FTIR光谱特征（如-OH峰强度与细胞毒性负相关）实现安全材料筛选

### 四、未来发展方向
1. **材料创新方向**
- 高熵MXene（如Fe3C2O2-Ti3C2Tx异质结构）
- 零带隙MXene（通过掺杂实现光催化/免疫调节双功能）
- 双面功能化Janus MXene（如Ti3C2O2/F-Ti3C2Tx异质结）

2. **技术整合策略**
- 构建"智能皮肤"系统：MXene/PEDOT:PSS复合柔性电极实现连续血糖监测（检测限0.1 μM）
- 开发纳米机器人平台：MXene@脂质体系统可承载200 nm以下药物颗粒，实现血管内精准递送
- 智能诊疗一体化：将诊断探针（CEA检测）与治疗单元（紫杉醇缓释）集成于单层MXene纳米片

3. **产业化关键路径**
- 建立标准化制备流程：电流密度控制在2 mA/cm2以下以减少金属污染
- 开发连续化生产设备：采用电化学剥离技术，实现5 g/h产能
- 制定临床转化标准：包括生物相容性认证（ISO 10993-5）、降解产物谱分析（需满足FDA限值）

### 五、研究展望
未来研究需重点关注三个交叉领域：
1. **免疫-肿瘤微环境互作机制**：解析MXene如何通过调控TME免疫细胞（如M2型巨噬细胞占比）实现治疗协同
2. **多组学联合分析平台**：开发MXene载药系统，集成CRISPR/Cas9编辑与荧光原位杂交（FISH）检测
3. **闭环治疗系统**：构建MXene基智能诊疗系统，实现肿瘤负荷动态监测与自适应药物释放

该综述通过系统分析MXene的生物医学特性，不仅揭示了材料-细胞互作的分子机制（如蛋白层动态重构影响细胞摄取路径），更提出了从基础研究到临床转化的完整技术路线。研究显示，通过表面工程优化（载药率提升至82%±5%）和智能响应系统设计（药物释放效率达95%），MXene有望在5年内实现三类医疗器械认证，特别在肿瘤免疫治疗和神经再生领域具有突破性潜力。