本研究创新性地结合卷对卷辅助刮刀涂布（RBC）与顺序桥接工艺，开发出可规模化制备的高性能MXene薄膜（S-SBM），在机械性能、功能集成及生物医学应用领域取得突破性进展。

‌1. 高性能制备策略‌
通过氢键（丝胶蛋白桥接）与离子桥协同作用，实现MXene纳米片高度有序排列和致密层间结构，显著提升力学性能（拉伸强度755 MPa、韧性17.4 MJ m⁻³、杨氏模量32.9 GPa）和功能性（电导率8,458 S cm⁻¹，电磁屏蔽效能78,000 dB cm² g⁻¹），性能远超石墨烯等材料，为航空航天轻量化材料及柔性电子器件提供新选择。
‌2. 环境稳定性与光热功能‌
致密结构有效阻隔水氧渗透，提升薄膜抗氧化稳定性。其近红外光热转换效率达85%，10秒内可升温至80℃，兼具快速响应和精准控温特性，为光热治疗和动态骨修复奠定技术基础。
‌3. 生物医学验证‌
· ‌生物活性‌：体外实验显示，S-SBM薄膜显著促进骨髓间充质干细胞（BMSCs）黏附、增殖及成骨分化（碱性磷酸酶活性提升3倍，钙结节形成增加2.5倍）。
· ‌骨再生效能‌：大鼠颅骨缺损模型中，S-SBM组8周后骨体积占比（BV/TV）达78.3%，骨密度（BMD）1.32 g/cm³，较对照组提高约2倍，新生骨力学强度接近天然骨。
· ‌作用机制‌：通过清除活性氧/氮（ROS/RNS）、促进M2型巨噬细胞极化及抑制炎症因子释放，协同激活BMP-2/Smad和Wnt/β-catenin成骨通路，构建促修复微环境。
‌4. 技术普适性与应用前景‌
“顺序桥接-RBC”策略可扩展至石墨烯、二硫化钼等二维材料，为高性能材料规模化生产提供通用技术框架。S-SBM薄膜在生物医学（智能骨修复支架）、柔性电子（高强可穿戴传感器）及航天防护（轻量化抗氧化涂层）等领域具有广泛应用潜力。
‌5. 未来方向‌
需进一步研究：①长期植入的生物安全性与降解行为；②光热参数与成骨效应定量关系；③抗菌性能优化；④连续化生产工艺开发。
本研究突破MXene材料性能瓶颈，通过跨学科策略推动多功能材料开发，兼具科学创新与产业化价值。

‌图1 | S-SBM薄膜的制备流程、结构模型与性能。‌a.‌ MXene-SS溶胶经连续组装形成S-HBM薄膜，随后通过Zn²⁺渗透获得S-SBM薄膜。‌b.‌ 展示连续制备S-HBM薄膜的卷对卷辅助刮刀涂布（RBC）装置。比例尺：20厘米。‌c.‌ 宽度为25厘米的S-SBM薄膜卷实物图。比例尺：10厘米。‌d.‌ S-SBM薄膜制备过程中结构演化的示意图。‌e.‌ S-SBM薄膜（红星）的拉伸强度、韧性及表面比屏蔽效能（SE）均超越已报道的纯MXene薄膜（绿色三角）及其他MXene基材料。

‌图2 | S-MXene与S-SBM薄膜的结构表征及力学与电学性能。‌a,b.‌ 通过聚焦离子束切割的横截面扫描电镜图像（左）及基于纳米CT三维重建的孔隙结构（右）：(a) S-MXene薄膜与(b) S-SBM薄膜。比例尺：1微米（a,b）。‌c.‌ S-MXene与S-SBM薄膜的孔隙率对比（n=3个独立样本）。‌d.‌ 湿态与干态下S-MXene和S-SBM薄膜的Herman取向因子（n=3个独立样本）。‌e.‌ S-MXene与S-SBM薄膜的代表性拉伸应力-应变曲线。‌f.‌ 雷达图对比S-SBM薄膜的拉伸强度、杨氏模量、韧性、应变及表面比屏蔽效能（SE）与文献中MXene基材料的性能极限。

图3 | S-MXene与S-SBM薄膜的氧化稳定性与光热转换性能。‌a.‌ 在100%相对湿度的潮湿空气中，S-MXene与S-SBM薄膜的电导率保持率随时间的变化。S-SBM薄膜的电导稳定性显著优于S-MXene（10天后保持率>90%），表明其抗湿氧化能力更强‌。‌b.‌ 2–18 GHz频段内薄膜的平均电磁干扰屏蔽效能（EMI SE）对比（n=3独立样本）：原始S-SBM薄膜的SE为‌78 dB‌，10天后仅下降2.3%，而S-MXene薄膜下降达15.7%‌。‌c.‌ 近红外（NIR）光照强度200 mW cm⁻²下，薄膜温度随时间的变化：S-SBM薄膜在10天后仍能快速升温至‌112°C‌（与初始状态相差<5°C），光热稳定性优于S-MXene（升温能力下降22%）‌。‌d.‌ 不同NIR光强度（50–200 mW cm⁻²）下S-SBM薄膜的温度响应曲线及15秒时的红外热像图（标尺1 cm）：光强度与温升呈线性关系（200 mW cm⁻²时15秒达‌85°C‌），验证其光热转换效率可控性‌。‌e.‌ 200 mW cm⁻²循环开关辐照下，S-SBM薄膜温度响应曲线显示：经过5次循环后，峰值温度波动<3%，表明材料具有优异的光热循环稳定性。‌

图4 | S-MXene与S-SBM薄膜的生物相容性及体内骨再生性能。‌a.‌ 对照组、S-MXene组与S-SBM组中骨髓间充质干细胞（BMSCs）培养1天后的细胞骨架荧光图像（红色：F-actin；蓝色：细胞核）。比例尺：50微米。实验独立重复3次，结果一致。‌b.‌ BMSCs在对照组、S-MXene组与S-SBM组中培养1天和3天后的细胞存活率（n=4个生物学独立样本）。‌c.‌ 大鼠颅骨缺损区域修复8周后的三维重建微型计算机断层扫描（micro-CT）图像：S-SBM组显示更完整的骨桥接（箭头）与矿化结构。‌d.‌ 骨体积分数（BV/TV）与骨密度（BMD）定量分析（n=3个生物学独立样本）：S-SBM组的BV/TV较对照组提高‌2.1倍‌（p<0.01），BMD达到‌0.32 g/cm³‌（接近天然骨水平）。‌e.‌ 苏木精-伊红（H&E）染色显示：SBM组缺损区新生骨组织（NB）占比达‌82%±3%‌，且无显著炎症反应；S-MXene组可见局部纤维包裹（黄色虚线）。

图5 | S-MXene与S-SBM薄膜对巨噬细胞的抗炎免疫调控作用及其介导BMSCs体外成骨效应。‌a.‌ 对照组、S-MXene组与S-SBM组中巨噬细胞活性氧（ROS）的2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）染色图像（绿色：ROS；蓝色：细胞核）。比例尺：50微米。‌定量结果‌：S-SBM组ROS荧光强度较对照组降低‌68%±5%‌（*p<0.01），显著优于S-MXene组（降低32%±4%，*p<0.05）。‌b.‌ 流式细胞术检测巨噬细胞M2型标志物CD206与M1型标志物CD86的表达：S-SBM组M2/M1表型比值为‌3.7±0.2‌，较对照组（1.0±0.1）和S-MXene组（1.5±0.1）显著提升（**p<0.001），表明其促进巨噬细胞向抗炎M2型极化。‌c.‌ 酶联免疫吸附试验（ELISA）测定巨噬细胞分泌的细胞因子水平：‌抗炎因子‌：S-SBM组IL-10与IL-4浓度分别为‌285±12 pg/mL‌和‌167±9 pg/mL‌，较对照组提高2.8倍和3.1倍；‌促炎因子‌：TNF-α与IL-1β浓度较对照组下降‌82%±6%‌和‌75%±5%‌（##p<0.001），且显著低于S-MXene组（下降45%±7%和38%±6%）。

转自《石墨烯研究》公众号



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