微生物诱导腐蚀（Microbial-induced corrosion, MIC）作为金属材料失效的主要原因之一，在工业设备和基础设施领域已造成严重的经济损失。近年来，MXene主要通过结构特性、光热效应以及活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）的产生来实现灭菌。通过MXene的表面功能化及其与多种抗菌材料的复合，可以有效增强MXene水凝胶的抗菌性能，从而在微生物腐蚀防护领域具有应用潜力。此外，MXene凭借其独特的层状结构和表面化学性质，可通过物理混合、化学交联和原位聚合等方法与水凝胶结合，显著改善水凝胶的性能。基于MXene的抗菌水凝胶作为一种新型材料，在微生物腐蚀防护领域展现出巨大潜力。本文系统综述了MXene及其复合水凝胶的基本特性、抗菌机制以及在抗菌领域的应用。与以往对MXene的一般性综述不同，研究人员特别聚焦于面向机制的分析，将MXene的物理化学性质（超薄结构、光热效应、ROS生成）与微生物腐蚀中生物膜的发展阶段联系起来，并进一步总结了涂层屏障性能和电化学评估，为MIC防护提供了针对性的框架。总体而言，MXene在抗菌水凝胶领域的研究和应用前景广阔。其独特的物理化学性质和多样化的抗菌机制为其在多个领域提供了新的解决方案。
本文对基于MXene的水凝胶/涂层在微生物腐蚀防护中的应用进行了系统分析。首先，在引言部分，研究人员指出金属材料的降解是工业生产、基础设施建设和民用领域的普遍问题，其中微生物腐蚀（Microbial-induced corrosion, MIC）是重要因素，而开发有效的抗菌策略是关键解决方案之一。近年来，具有抑菌性能的新型水凝胶材料为解决微生物腐蚀问题提供了创新途径。MXene基材料及复合水凝胶因其可调化学组成、优异导电性和丰富表面功能基团而受到关注，可通过物理接触和光热转换等多种机制实现高效微生物抑制。引入MXene的水凝胶可赋予复合材料增强的性能和新功能。本文从以下四个方面进行系统分析：（1）微生物腐蚀中生物膜的形成机制和电子传递路径；（2）MXene的结构特征及其对生物膜的物理损伤作用；（3）MXene的光热效应和活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）生成机制对微生物的化学灭活作用；（4）MXene基涂层的屏障功能及其对腐蚀电化学行为的调控作用。与既往综述不同，本文专门将MXene的每个抗菌机制与生物膜特定发展阶段联系起来，并比较了合成方法（物理混合、化学交联、原位聚合）在涂层屏障性能方面的差异，同时总结了MIC相关条件下的电化学腐蚀数据（腐蚀电流密度icorr、电化学阻抗谱EIS）。
在第二节中，介绍了MXene的基本性质。2.1节超薄结构：物理破坏生物膜。MXene的超薄层状结构（厚度<1 nm，横向尺寸可达微米级）可穿透细胞外聚合物（Extracellular Polymeric Substances, EPS）基质并物理穿刺细菌细胞膜，导致细胞质泄漏。该机制对已形成的生物膜特别有效。当掺入水凝胶涂层时，高纵横比的MXene纳米片形成曲折路径，阻碍腐蚀性介质（水、Cl⁻、O₂）向金属表面的扩散。抗菌效果具有尺寸依赖性，较小的纳米片具有更高的接触概率但可能更易聚集。表面官能团（-OH、-F、-O）影响亲水性，从而影响与细菌膜的相互作用。2011年Naguib团队通过选择性刻蚀MAX相成功制备MXene，其超薄结构厚度通常小于1 nm，横向尺寸可达数十微米。M-X键具有混合共价/金属/离子特征，而M-A键主要为金属性。亲水性官能团可增强与细菌细胞的相互作用。2.2节机械性能：涂层的结构稳定性和耐久性。MXene因其内部强化学键展现出优异的机械性能，体现在硬度和抗压强度上。将其掺入水凝胶涂层可显著增强复合涂层的机械稳定性，改善耐磨和耐刮擦性能。在MIC环境中，涂层长期稳定性至关重要。可通过控制前驱体元素组成、优化合成参数和调节后处理条件来精确调控MXene的机械性能。层状结构赋予材料良好的弹性和柔韧性。不同表面官能团（如-O₂端基）导致更高的二维刚度。对于骨植入等生物医学应用，涂层弹性模量应匹配皮质骨（10-30 GPa），MXene-聚合物复合材料的模量可调。2.3节导电性：光催化抗菌活性的电子转移调控。MXene具有高导电性，主要归因于金属元素与碳、氮原子之间的共价键。高导电性有利于光生载流子的高效分离和传输，从而提升光催化抗菌效率。通过化学组成、层间距、表面修饰基团和二维堆叠方式等因素可调控电性能。Ti₃C₂Tₓ型MXene具有自发离子插层特性，其体电容超过300 F/cm³。表面官能团改性和熔盐化学处理可改变表面终端，从而调控电子性质。2.4节光学特性：光热抗菌活性的机制基础。MXene的光热效应源于其高光吸收能力和优异导热性，在近红外或可见光照射下可快速将光能转化为热能，导致局部温度显著升高。该特性可用于光热疗法（Photothermal Therapy, PTT）。例如，超薄Nb₂C纳米片在NIR-I（36.4%）和NIR-II（45.65%）窗口具有高光热转换效率。Ti₃C₂Tₓ纳米材料在全光调制器件中也表现出优异的光学调制性能。表面官能团和层数显著影响电子结构，从而决定光学行为。2.5节抗菌性能：多维机制的协同作用。MXene的抗菌机制包括超薄结构、光热效应和活性氧（ROS）生成。2016年Rasool等人揭示Ti₃C₂Tₓ通过物理和化学机制破坏细菌细胞膜，其抗菌效果优于氧化石墨烯。抗菌活性呈浓度依赖性，在200 μg/mL浓度下对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的细胞活力降至2%以下。新鲜制备的Ti₃C₂Tₓ膜对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抗菌活性分别超过73%和67%，而老化膜在相同条件下抑制率超过99%。扫描电子显微镜和原子力显微镜观察到细菌裂解死亡。
第三节详细阐述了MXene的抗菌机制。3.1节通过超薄层状结构抗菌。MXene纳米片的锋利边缘可物理穿透细菌细胞壁，导致细胞内容物泄漏。抗菌效果具有尺寸和暴露时间依赖性，较小尺寸的纳米片活性更强。分子动力学模拟表明，MXene纳米片吸附在膜表面可诱导局部相变，形成高密度和更薄的磷脂双分子层区域，从而产生相边界缺陷，促进细胞内分子泄漏。物理破坏机制在早期附着和微菌落阶段最有效。3.2节通过光热效应抗菌。MXene在光热转换领域具有潜力，可在光照下快速升温，破坏细菌细胞结构。Ti₃C₂在808 nm激光照射下20分钟内显著减少包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA）和耐万古霉素肠球菌（Vancomycin-resistant enterococci, VRE）在内的15种细菌。聚多巴胺改性可增强光热转换效率。MXene本身无光催化活性，但可通过与其它光催化材料形成异质结来增强性能，例如0D/2D肖特基异质结Ag₂S/Ti₃C₂在20分钟内实现99.99%的灭菌效率。光热机制对成熟生物膜特别有效，局部加热（>50°C）可使EPS蛋白变性，破坏三维生物膜结构。3.3节通过生成ROS抗菌。MXene在光照（特别是紫外光）下可激发电子-空穴对，分离的电子还原分子氧形成超氧阴离子（O₂⁻），空穴与水分子反应生成羟基自由基（•OH）。这些ROS具有强氧化性，可破坏细菌细胞膜，引起脂质过氧化，导致细胞死亡。少层MXene纳米片产生的羟基自由基比多层MXene高四倍，归因于更高的TiO₂活性位点含量。ROS生成提供持续保护，可穿透EPS到达嵌入的细胞，在所有生物膜发展阶段均有效。
第四节介绍了MXene水凝胶的合成方法。4.1节物理混合法。通过将MXene片层直接分散在水凝胶前驱体溶液中，搅拌混合后进行聚合反应。例如，将Ti₃C₂Tₓ与“水晶粘土”物理复合获得新型M-水凝胶；通过物理冻融法将MXene与聚乙烯醇（PVA）网络整合，获得高强度、超韧且可回收的MXene复合有机水凝胶，拉伸强度达3.55 MPa，韧性达9.93 MJ/m³。物理混合法可显著增强机械性能和光热转换能力。4.2节化学交联法。在MXene表面引入官能团，使其与前驱体反应。MXene作为交联剂，通过氢键和螯合反应等分子间相互作用加速凝胶化，增强机械性能、粘附性和自修复能力。但MXene纳米片不可避免的聚集可能限制性能。4.3节原位聚合法。在水凝胶网络形成过程中同步进行聚合反应，使MXene均匀分散，避免聚集。例如将MXene掺入纤维素水凝胶中，对Pb²⁺的吸附容量达410.57 mg/g。该方法可提供均匀分散和强界面相互作用，特别有利于实现MIC防护中的长期屏障性能。
第五节讨论了增强MXene水凝胶抗菌性能的策略。5.1节MXene表面功能化。通过化学修饰将抗菌剂固定在MXene表面，如利用3,3'-二硒二丙酸（DSeDPA）修饰后共价连接阿霉素（DOX），增强ROS和pH响应性。锚定氧化亚铜（Cu₂O）纳米颗粒可增强光电子传输能力，加速细菌抑制。偶联超小金纳米簇（AuNCs）可形成MXene-AuNCs复合物，对革兰氏阳性和阴性菌均表现出优异抗菌活性，最低半抑制浓度（IC₅₀）分别为11.7 μg mL⁻¹（MXene）和0.04 μM（AuNCs）。5.2节MXene复合抗菌材料。将MXene与固有抗菌材料复合后掺入水凝胶体系中。5.2.1节MXene/无机抗菌材料：铜离子（Cu²⁺）复合可增强光热转换效率；CuS与MXene形成生物异质结构协同光热和光动力效应；银（Ag）复合实现光热抗菌；锌离子（Zn²⁺）复合实现光热与化学协同。5.2.2节MXene/纳米抗菌材料：银纳米颗粒（AgNPs）固定在MXene表面，利用导电性和抗菌性增强效果；碳纳米纤维（CNFs）与Ti₃C₂Tₓ复合形成三维互联网络，对大肠杆菌灭活效率达99.89%。5.2.3节MXene/聚合物：将Ti₃C₂ MXene与聚（丙烯酸-共-甲基丙烯酰胺多巴胺）（PAAM）共聚，形成的SM-水凝胶对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的活性分别降至14%和25%，归因于TiO₂@C异质结构产生活性氧自由基。聚多巴胺（PDA）涂层增强抗菌和抗氧化能力，并通过物理吸附和π-π堆积促进交联。
第六节介绍了MXene负载水凝胶/涂层在微生物腐蚀防护中的应用。首先总结了标准评估方法，包括Tafel极化曲线分析、电化学阻抗谱（EIS）、长期浸泡测试、盐雾试验和MIC特定生物膜反应器。Ti₃C₂ MXene/聚丙烯酸酯涂层在光照下对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的抑制率分别达到75%和80%，并将海水吸水率降低58.2%。Ti₃C₂Tₓ MXene/聚乳酸涂层在模拟体液中腐蚀电流密度仅为0.085×10⁻⁶ A/cm²，显著低于未涂层或不含MXene的涂层。Ti₃C₂Tₓ/聚苯胺（PANI）@Zn-环氧涂层在0.5 M H₂SO₄酸性溶液中浸泡10天后表现出显著抗菌性能，表面腐蚀产物明显减少。Pun-MoS₂/MXene涂层利用MXene的光热效应实现优异抗菌和耐腐蚀性能。总体而言，MXene负载涂层在微生物腐蚀防护中具有巨大潜力。
第七节讨论了挑战与前景。7.1节MXene在腐蚀环境中的稳定性。Ti₃C₂Tₓ在含水和离子强度高的环境中易氧化，转化为TiO₂和碳，影响抗菌活性和屏障性能。影响因素包括表面官能团、溶解氧浓度、pH和温度。未来应系统研究降解动力学，并采用表面钝化、末端工程和疏水聚合物基质等策略增强稳定性。7.2节生物相容性和环境安全性考虑。铜和银等添加剂的潜在细胞毒性和环境影响需要评估，包括浸出研究、生态毒性评估、监管影响和人体暴露途径。建议优先开展长期浸泡测试、合成方法比较、自愈合功能开发以及生命周期评估。7.3节长期性能评估。目前大多数研究仅报告短期效果，实际应用需要数月到数年的耐久性。应开展扩展浸泡测试、循环暴露测试、长期离子释放曲线和暴露后表征。7.4节展望：理想MXene基MIC涂层应整合物理破坏、光热效应和屏障功能。目前尚无单一研究结合所有三种特性，建议未来采用标准化MIC测试协议，包括受控菌株（如Desulfovibrio vulgaris）、定义营养培养基和设计用于厌氧生物膜生长的电化学池。
第八节总结。本文通过整合生物膜生理学、MIC电化学、涂层屏障功能和MXene物理化学性质的分析框架，系统综述了基于MXene的水凝胶/涂层在MIC防护中的应用。关键分析发现包括：（1）结构-功能映射：超薄结构实现物理生物膜破坏，光热效应（效率高达45.65%）提供快速光控灭菌，导电性促进电子转移干扰和ROS生成，机械性能增强涂层耐久性。（2）机制-生物膜关联：三种抗菌机制作用于生物膜发展的不同阶段。（3）合成-屏障相关性：MXene掺入通过曲折路径效应和改善机械性能增强水凝胶屏障功能，但水环境中氧化可能损害长期性能。（4）电化学保护：MXene涂层实现低至0.085×10⁻⁶ A/cm²的腐蚀电流密度，主要保护机制是通过抗菌活性消除生物腐蚀驱动因素，而不仅仅是物理屏障效应。该分析框架为下一代MIC防护涂层的理性设计提供了基础。
