优化具有生物相容性的Ti3C2Tx MXene材料，以用于未来的生物技术应用

时间：2026年1月18日

来源：Applied Surface Science

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MXene合成路径优化影响其生物相容性，采用NaHF2/HCl或NH4HF2/HCl结合四甲基/四丁基铵盐剥离的Ti3C2Tx对正常细胞无毒，而NaF/HCl法诱导黑色素瘤细胞凋亡，揭示表面化学与离子残留的关键作用。

华沙工业大学，材料科学与工程学院，Woloska 141，02-507 华沙，波兰

摘要

二维（2D）Ti₃C₂T_x MXene 因其优异的水分散性、多样的表面官能团以及响应刺激的特性而受到了广泛关注。这些特性使其在生物医学应用中非常具有吸引力，然而 Ti₃C₂T_x 的生物相容性尚未得到充分理解。一个主要挑战在于 MXene 易被氧化，以及不同合成途径引入的功能基团或蚀刻残留物对细胞反应的显著影响。在本研究中，我们证明了合成方法决定了表面氧化层和功能基团的组成，进而影响了与哺乳动物细胞的物理化学相互作用。通过精心优化蚀刻和剥离步骤，我们找到了能够最小化细胞毒性的生物相容性处理方法。值得注意的是，使用 NaHF₂/HCl 或 NH₄HF₂/HCl 合成的 MXene，并用季铵盐剥离后，对正常人皮肤角质形成细胞（HaCaT）具有良好的耐受性，即使浓度高达 400 µg ml⁻¹ 也没有不良反应。相比之下，通过 NaF/HCl 方法制备并用四甲基氢氧化铵（TMAOH）或四丁基氢氧化铵（TBAOH）剥离的 Ti₃C₂T_x 则选择性地诱导黑色素瘤细胞凋亡，有效抑制了其增殖。这些发现强调了优化合成方法在实现安全、特定应用的 MXene 方面的关键作用，为未来在生物医学和临床研究中的应用奠定了坚实基础。

引言

二维（2D）材料由于其独特的物理化学性质和有趣的生物学特性，在传感、光电子学到生物技术等多个领域具有广泛的应用前景 [1], [2], [3]。MXene 属于这类材料，是一类由轻过渡金属组成的现代二维碳化物、氮化物和碳氮化物 [4]。其通式 M_n+1X_nT_x 描述了其结构，其中 M 代表过渡金属原子，X 代表氮或碳原子，T_x 表示表面官能化。MXene 在各个领域的应用潜力巨大，相关研究报道数量逐年增加 [5]。此外，MXene 在生物研究中也备受关注，尤其是在抗癌治疗方面 [6], [7], [8]。

到目前为止，MXene 显示出能够有效穿透癌细胞的同时对正常细胞的吸收有限。此外，它们能够将近红外光和电磁辐射有效转化为热能，这为癌症治疗的诊疗一体化提供了可能性。MXene 引发细胞凋亡（程序性细胞死亡）的独特能力在癌症治疗中也非常具有价值 [6], [9], [10], [11], [12]。MXene 的易功能化特性进一步扩展了其在抗癌研究中的应用 [13]。我们最近的研究发现了不同后处理方法对 MXene 抗癌细胞作用的影响，同时对正常细胞的损伤最小，为各种生物研究开辟了新途径 [14]。因此，MXene 可能为对抗这类疾病提供新的可能性。

然而，在抗癌治疗中使用 MXene 时必须确保其作用具有高度选择性，即仅对恶性细胞有毒性，而对正常细胞的影响有限。以往的研究仅显示了 MXene 的不同生物效应，如活性氧种类的变化或普遍的细胞毒性 [6], [10], [11], [12]，但很少关注可能导致这些变化的材料相关因素。

此外，由于缺乏关于 MXene 细胞毒性机制的数据，各种合成方法的快速发展引发了人们对开发最具生物相容性 MXene 的兴趣。已经开发出多种利用不同试剂进行蚀刻和剥离的方法 [15], [16], [17]。尽管机器学习表明表面化学和氧化可能对 MXene 的细胞毒性起关键作用，但关于 MXene 合成对其观察到的生物效应影响的详细数据仍然不足 [18]。先前的研究试图阐明 MXene 的合成方法和元素组成对其生物相容性的影响。例如，Korniienko 等人研究了不同 MXene（Ti₃C₂T_x、Ti₃CNT_x、V₂CT_x 和 Nb₂C₂T_x）的生物相容性，并证明高质量、化学计量的 MXene 相对具有生物相容性 [19]。另一项研究显示，蚀刻剂和剥离剂（Na⁺ 和 Li⁺）的选择会影响 Ti₃C₂T_x 和 Ti₃C_1.5N_0.5T_x 的细胞毒性、氧化应激和炎症信号 [20]。因此，选择合适的蚀刻和剥离方法对于生产高生物相容性的 MXene 至关重要。

对于 Ti₃C₂T_x MXene，可以使用浓盐酸（HF）和盐酸与氟化锂或氟化钠的混合物（HCl/LiF, NaF）来蚀刻掉 MAX 相中的铝。为了获得纳米片，随后可以在四丁基氢氧化铵（TBAOH）、四甲基氢氧化铵（TMAOH）或四丁基氟化铵（TBAF）的存在下进行剥离。选择这些大有机分子碱是基于它们在 MXene 中间层作用以产生稳定胶体溶液的有效性。

为了实现特定应用所需的 MXene 特性，控制合成参数（包括蚀刻剂浓度、温度和反应时间）至关重要 [22]。值得注意的是，合成过程中使用的试剂会影响所得化合物的表面化学性质，这一点与其他 2D 材料类似 [23]。例如，基于 HF 的合成方法会产生具有较高 −F 官能团覆盖率的 Ti₃C₂T_x，而这种官能团与生物系统的相容性较差 [24]。此外，残留的插入阳离子也会影响细胞毒性。含有 Li⁺ 的 Ti₃C₂T_x 显示出比含 Na⁺ 的更高的细胞毒性，因为 Li⁺ 可以轻易从材料中渗出并破坏细胞离子平衡 [20]。MXene 层也是一种有趣的 2D 材料，在表面氧化成金属氧化物时会发生结构和化学变化 [10]。但目前尚无数据将不同合成途径得到的 Ti₃C₂T_x MXene 表面氧化层的化学性质与体外观察到的细胞毒性效应联系起来。因此，我们证明了通过特定的合成途径可以获得最具生物相容性的 Ti₃C₂T_x MXene。这种方法有助于揭示材料化学在 MXene 与细胞相互作用中的作用，并促进其在临床研究和纳米医学中的实际应用。

特别是，我们采用了分步法对 Ti₃C₂T_x MXene 进行蚀刻和剥离。如图 1 所示，我们首先使用大量的 Ti₃AlC₂ MAX 相，然后通过三种基于 HCl 的技术将其分成三部分进行铝蚀刻。获得多层 MXene 后，再将其分成三部分，分别使用三种不同的插入试剂进行剥离。此外，我们还进行了温和的氧化处理，以在 MXene 表面形成稳定的氧化层。随后对每种 MXene 进行物理化学表征，并结合一系列生物技术体外实验，以了解其作用机制。

研究结果使我们能够回答这样一个问题：通过不同合成途径获得的 MXene 不同表面化学性质，结合自然形成的氧化层，如何影响 Ti₃C₂T_x MXene 的细胞毒性。我们的工作为未来 MXene 在现代纳米医学中的应用提供了理论依据。

Ti₃C₂T_x MXene 的合成

反应途径的详细信息见支持信息（SI，图 S1）。起始的 Ti₃AlC₂ MAX 粉末被分成四等份。每份 MAX 前体分别与 35% 的浓盐酸和不同的氟化物盐（NaF、NaHF₂ 或 NH₄HF₂）混合处理。此外，我们还使用 48% 的 HF 对 MAX 相进行了蚀刻作为参考样本。蚀刻过程在塑料烧杯中进行，首先将 HF 加入冰浴中并持续搅拌

MXene 的合成与表征

MXene 是具有独特表面特性的生物活性材料，但缺乏氧化稳定性。许多毒理学研究在分析 MXene 时忽略了这一问题，将其视为惰性物质。然而，MXene 的化学性质在制备、加工和储存过程中会不断变化，直到通过轻微的表面氧化达到稳定 [28]。这是合理的，因为具有自然表面氧化层的 MXene 在能量上比仅有表面氧化层的 MXene 更稳定

结论与展望

二维（2D）MXene 系列在生物技术领域备受关注。这些早期过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物相结合了优异的分散性、多种表面功能以及多种响应刺激的特性，对于先进生物技术和相关领域至关重要。我们最近关于不同后处理方法对 MXene 抗癌细胞作用的影响的研究表明，在对正常细胞的损伤最小的情况下

资助

MXene 的合成、样品表征和生物研究得到了华沙工业大学在“卓越计划：研究型大学”（ID-UB）项目下的 BIOTECHMED-1 项目的资助。

CRediT 作者贡献声明

Muhammad Abiyyu Kenichi Purbayanto： 原始草稿撰写、研究、数据分析、数据管理。 Anita Wojciechowska： 原始草稿撰写、可视化处理、研究、数据分析。 Aleksandra Szuplewska： 研究、数据分析、数据管理。 Michał Jakubczak： 研究、数据分析、数据管理。 Dorota Moszczyńska： 研究、数据管理。 Michał Chudy： 验证、监督。 Tomasz Wojciechowski： 方法学研究、研究。 Wanda Ziemkowska：