二维过渡金属碳氮化合物的生物医学应用

李光强，巩 飞，王咸文，肖志东，程 亮

(1. 华中农业大学理学院，湖北 武汉 430070)(2. 苏州大学 功能纳米与软物质研究院 苏州纳米协同创新中心，江苏 苏州 215123)

1 前 言

二维材料是指材料在一个维度上的尺寸减小到原子层的厚度，而在另外两个维度上相对较大，是一大类材料的总称。自2004年石墨烯经典二维纳米材料被报道以来，以石墨烯为代表的一类二维纳米材料受到了广泛的关注，并得到了快速的发展[1]。迄今为止，大量的二维纳米材料已被报道，如石墨烯、过渡金属硫化物、过渡金属碳氮化合物、黑磷、双金属氢氧化物等[2-4]。由于二维纳米材料在光、电、磁、热等方面良好的性质[5, 6]，其在能源[7]、环境[8]、催化[9]等领域得到了快速的发展。

过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化合物(MXenes)是一类新兴的二维纳米材料，于2011年首次被Gogotsi等报道[10]。其结构可用一结构通式Mn+1Xn(n=1～3)表示，其中M代表过渡金属(如钛、钼、铪、锆、钒等)，X代表碳或氮。MXenes的结构为类似于“三明治”的层状结构，层与层之间通过较弱的范德华力连接，可通过破坏其间的范德华力来制备MXenes纳米材料。MXenes材料的结构特性使其制备的纳米材料具有二维的层结构、大的比表面积、丰富的元素组成等独特的优势，在能源储备[7]、环境监测[8]、化学催化[9]、电池制造[11]等方面应用广泛。强的近红外吸收和组分可调的特点使其也应用在生物医学领域[12]，并在最近几年得到了快速的发展。本文简要综述了MXenes二维纳米材料在生物医学领域近年来的研究进展，主要集中在二维纳米材料的制备及表面修饰方法、生物检测、生物成像、肿瘤治疗及生物安全性等方面。

2 MXenes纳米材料的制备与表面修饰

2.1 制备方法

适合纳米材料的制备方法是其后续研究与应用的基础。与其它二维纳米材料类似，二维MXenes材料的制备方法主要可以分为两大类：自上而下法(top-down)和自下而上法(bottom-up)。自上而下法主要是基于MXenes二维材料的“三明治”层结构，通过选择性刻蚀的方式，刻蚀掉三维层状晶体中特定的原子层，留下目标二维纳米片层结构。自下而上法则主要利用化学气相沉积法(CVD)，通过外延生长的方式控制二维材料形貌结构。

2.1.1 自上而下法

自上而下的制备方式是一个从大到小的过程，主要是从块状结构到微米结构再到纳米结构的制备过程。由于MXenes二维材料具有夹心结构，且层与层之间是由较弱的范德华力相连接，所以通过选择性刻蚀的方式刻蚀掉中间的原子层，就可得到目标二维结构。常见的刻蚀剂主要是含氟离子或者反应能产生氟离子的刻蚀剂，用其进行选择性刻蚀。作为一种经典的MXenes材料，碳化钛(Ti3C2)是由Ti3AlC2经过氢氟酸刻蚀Al层得到(图1a)[10]，整个过程反应如下：

Ti3AlC2(s)+3HF(aq)=Ti3C2(s)+AlF3(aq)+3/2H2(g)

(1)

Ti3C2(s)+2HF(aq)=Ti3C2F2(s)+H2(g)

(2)

Ti3C2(s)+2H2O(aq)=Ti3C2(OH)2(s)+H2(g)

(3)

反应(1)主要为产生Ti3C2的过程，而反应(2)和(3)则表示Al层被刻蚀掉后，Ti3C2在富含羟基和氟离子的溶液中继续反应，Ti3C2中裸露的钛原子容易继续被羟基和氟离子修饰，也就是常被报道的表面终止基团。由于层与层之间的微弱相互作用，可以通过超声促进Ti3C2分层。如Mo2C纳米片可对Mo2Ga2C原材料通过此方法进行处理得到(图1b)[13]，V2C、Nb2C等材料也可以通过此类方法得到相应的MXenes材料。

考虑到HF使用过程中的危险性，研究人员发展了较为温和的LiF/HCl混合液作为刻蚀剂[14]。通俗地说，就是将Ti3AlC2粉末与LiF/HCl混合液混合，以LiF/HCl混合液产生的HF作为刻蚀剂与Ti3AlC2反应。HF含量的多少可以通过调节LiF与HCl的比例来控制。

在最近的研究中，Yu等报道了一种无氟制备MXenes材料的方法，MAX相在插入剂四丁基氢氧化铵(TBAOH)存在的情况下，以超声为辅助手段，最终得到相应的MXenes材料(图1c)[16]。此方法安全、简单、绿色，为MXenes材料的制备提供了新的思路。Zada等[17]报道了一种更为绿色、高效的制备方法。使用藻类进行对V2AlC的插层和分层，制备的V2C纳米片产率可高达90%(图1d)，且具有良好的光热转换效率(48%)。Li等[18]在高温条件下，利用路易斯酸熔融盐与MAX相，通过刻蚀与置换反应制备了一系列MXenes纳米材料。MXenes纳米材料在制备过程中易被氧化，而Li等利用N2，通过微爆法制备了具有类芬顿效果的无氧化Ti3C2纳米材料[19]。总之，自上而下法制备MXenes纳米材料是其主要的制备方式，并逐步向着安全、高效、简单、绿色的方向发展。

2.1.2 自下而上法

自下而上的制备方式是一个从小到大的过程，是从原子到团簇再到纳米颗粒的过程。通过自下而上方式制备MXenes材料的报道相对较少。2015年，Xu等利用化学气相沉积法(CVD)，合成了纳米厚度、片层尺寸超过100 mm的Mo2C二维晶体[20]，合成的Mo2C二维晶体表现出超导跃迁特征、各向异性与磁场取向。超导特性依赖于材料厚度，利用同样的方法，制备了更高质量的超薄WC和TaC晶体，进一步扩展了MXenes家族。自下而上制备纳米级的MXenes材料还存在一定的困难，但随着材料科学的发展，自下而上的合成方法将逐步推进。

2.2 表面修饰

一般制备的MXenes二维纳米材料表面都含有羟基、氟离子等官能团，使其具有较好的生物相容性，但在生理环境中容易发生团聚，不能满足在生物医学方面的应用需求，如强有力的组织渗透性、稳定的血液循环和良好的靶向富集性等。因此，需要对MXenes材料进行修饰，修饰方式主要有非共价键连接和共价键连接两大类。

图1 MXenes二维纳米材料合成示意图：(a)Ti3C2合成过程示意图和相对应的TEM照片(a1～a3)[10]；(b)Mo2CTx合成与分层的示意图，对应Mxene纳米片的TEM照片(b1，b2)和HRTEM照片(b3)[13]；(c)MXene QDs 的制备过程示意图，对应的TEM照片(c1)和HRTEM照片(c2)[16]；(d)通过藻类提取物合成V2C纳米片的示意图，藻类提取物处理V2AlC 24h和48h的TEM照片(d1，d2)[17]Fig.1 Synthesis of two-dimensional MXenes:(a) schematic diagram of the synthesis process for Ti3C2,and the corresponding TEM images(a1～a3)[10]; (b) schematic diagram of the synthesis and delamination of Mo2CTx , and the corresponding TEM images(b1, b2) and HRTEM images (b3) of MXene nanosheets[13]; (c) schematic diagram of the preparation of MXene QDs,and their TEM (c1) and HRTEM (c2)images[16]; (d) synthesis process of V2C NSs by algae extraction,and the TEM images of V2AlC treated for 24h, 48h, respectively with algae extraction(d1，d2)[17]

2.2.1 非共价键连接

非共价键连接主要是通过一些物理吸附、静电吸附或亲水大分子包附等方式进行的修饰。例如：天然聚合物大豆磷脂(SP)，可通过物理吸附的方式修饰到MXenes材料的表面。经过大豆磷脂改性后的MXenes二维材料具有良好的生物相容性，通过尾静脉注入小鼠体内后，表现出较长的血液循环时间[21]。此外，聚乙二醇(PEG)作为一种经济有效的改性分子，也被广泛应用于表面修饰。聚乙二醇可通过静电吸附的方式修饰于材料表面，从而提高MXenes材料的亲水性[22]。Lin等通过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)亲水大分子对MXenes表面进行包裹，成功实现了MXenes材料的改性，使其具有良好的水溶性和生物相容性[23]。非共价连接的改性方式虽然简单、快捷、无化学键的形成，但结合力度太小，不够稳定，还需要发展更加稳定的连接方式提高纳米材料的生物相容性。

2.2.2 共价键连接

共价键连接主要是通过化学键的形成来实现改性分子与MXenes材料之间的连接。共价键连接可以使修饰过的MXenes材料更加稳定，并且可以控制在特定的条件下实现键的断裂和组合。Han等将3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为桥梁，实现了MXenes材料与聚乙二醇的成功连接[24]。APTES水解可以形成二氧化硅，且表面带有大量的氨基，MXenes材料表面的羟基和聚乙二醇中的羟基均可以与氨基进行羟氨基化反应形成稳定的化学键，从而实现对MXenes材料的表面改性。通过透射电子显微镜(TEM)可以看出Nb2C纳米片生长二氧化硅壳前后的形貌变化。共价键连接主要利用了MXenes材料表面官能团与修饰物质之间的基团反应，该连接方式更加稳定，有利于其在生物医学上的应用。

3 MXenes纳米材料的生物医学应用

3.1 生物检测

生物检测作为一种重要的检测手段，在环境[25]、食品[26]、医学[27]等方面发挥着不可替代的作用。MXenes二维纳米材料具有大的比表面积，且表面具有丰富的官能团，有利于检测物质的修饰。以MXenes二维纳米材料为基底的生物检测被广泛用于小分子、金属离子、疾病标志物等物质的检测。Zhang等通过荧光能量共振转移(FRET)，实现了标志物-外泌体的检测，对疾病监测具有重要意义(图2a)[28]。首先，二维纳米材料MXenes与Cy3-CD63 aptamer通过羟基与金属键之间的螯合作用结合在一起，此时Cy3-CD63 aptamer上的荧光被猝灭。当待检测液中含有外泌体时，Cy3-CD63 aptamer会与外泌体进行特异性结合，从而会从MXenes二维纳米片上脱落下来，此时Cy3-CD63 aptamer上的荧光重新恢复。此方法可以检测出外泌体的个数为1.4×103mL-1，比传统的酶联免疫反应(ELISA)灵敏度高3个数量级(图2b)。利用表面等离子共振原理，在二维纳米材料MXenes上修饰金纳米颗粒等物质(图2c)，可以实现对肿瘤标志物癌胚抗原(CEA)的高灵敏检测(图2d)[29]。MXenes二维材料除了在医学方面的生物检测之外，还广泛应用于小分子和金属离子的检测。例如，MXenes二维纳米材料对葡萄糖、亚硝酸盐等小分子的检测[30, 31]。Rakhi等设计了将葡萄糖氧化酶(GOx)固定在Au/MXenes纳米材料上的功能复合材料，实现了葡萄糖的高灵敏检测[31]。另外，Zhu等利用金属离子掺杂MXenes纳米材料，并研究了金属离子掺杂MXenes纳米材料对共存Cd2+、Pb2+、Cu2+、Hg2+的电化学响应，发现其灵敏度优于以往的大多数报道[32]。以MXenes纳米材料为基础的生物检测正逐步应用于生活的各个方面，并且在当今社会发挥着重要作用。

图2 MXenes二维纳米材料用于生物检测：(a)通过能量共振转移(FRET)检测外泌体原理示意图[28]，(b)Cy3-CD63 aptamer + MXenes在不同浓度外泌体中的荧光强度，(c)表面增强拉曼传感器检测过程示意图，(d)CEA浓度为10-15 ～×10-9mol/L时所对应的SPR谱图[29]Fig.2 Two-dimensional MXenesused in biomedicine detection:(a) schematic diagram of detection exosomes by fluorescence resonance energy transfer(FRET), (b) FL intensities of Cy3-CD63 aptamer + MXenes in the different concentrations of exosomes[28], (c) schematic of detection procedure of the prepared SPR biosensor, (d) SPR patterns with the CEA concentrations ranging from 10-15 to ×10-9mol/L[29]

3.2 生物成像

3.2.1 荧光成像

荧光成像是生物成像的一种重要方式，在生物医学领域中应用非常广泛。近年来，基于二维纳米材料的荧光成像发展非常迅速，如二硫化钼量子点、氮化硼量子点、石墨烯量子点等[33-35]。MXenes二维纳米材料的荧光成像发展却较为缓慢，其主要受到荧光MXenes纳米材料制备技术的限制。Xue等利用单层的MXenes纳米片，通过水热法一步制造了MXenes量子点(MQDs)[36]，并且可以通过调节反应温度控制MQDs的尺寸(图3a)。制备的MQDs分散良好、尺寸均一、形貌均匀，生物相容性好且能进行良好的细胞荧光成像。Zhou等成功研制了一种两亲性MXenes量子点的制备方法[37]，利用二甲基甲酰胺(DMF)对MXenes纳米材料进行溶剂热处理，所得材料在细胞中展现了良好的荧光成像效果。此外，Wang等研发了一种基于超细MXenes薄片的Ti3C2新型发光纳米材料制备方法[38]，此方法主要通过在四甲基氢氧化铵(TMAOH)水溶液中温和反应的同时利用层内切割法来制备MXenes量子点。目前得到的荧光量子点材料主要集中在绿光段，将来可以优化工艺，开发出更多不同颜色的MXenes发光纳米材料应用于生物成像。

3.2.2 光声成像

光声成像(PAI)是近些年发展起来的一种新型非入侵式成像方式，主要是将光信号转换为超声信号进行传输。光声成像较光学成像具有更多优势，如组织穿透深、损伤程度小、使用简单便捷等。高效的光声成像试剂应具有强的光学吸收，与周围组织相比显示出更突出的光声信号。MXenes二维纳米材料在近红外区具有良好的光吸收性能和优越的光热转换效率，是一种理想的光声试剂。Dai等利用MnOx/Ti3C2-SP纳米材料进行光声成像实时导航，并指导肿瘤的光热治疗(图3b)[39]。

3.2.3 X射线计算机断层扫描成像

X射线计算机断层扫描成像(CT)是一种非常实用的诊断成像技术，具有高分辨、无创、能生成三维图像便于观察诊断等优势，现已被广泛应用于临床诊断中。高原子序数无机材料对X射线有较强的吸收，可进行CT成像，利用MXenes纳米材料金属组成成分丰富这一特点，MXenes纳米材料可独自作为一种理想的CT造影剂(图3c)[40]。

图3 MXenes二维纳米材料用于生物成像：(a)MQDs的制备原理图[36]，(b)MnOx/Ti3C2-SP的体外光声成像[39]，(C)肿瘤组织静脉注射MnOx/Ta4C3-SP复合纳米片前后的CT成像[40]Fig.3 Two-dimensional MXenes used in bioimaging:(a)schematic diagram for the preparation of MQDs[36], (b) PA imaging by MnOx/Ti3C2-SP[39], (c) CT contrasts of tumor tissue before and after intravenous injection administration of MnOx/Ta4C3-SP composite nanosheets[40]

3.2.4 多模态成像

单一的成像方式远远不能满足生物医学的应用，因此近年来研究者开发了两种或两种以上的成像方式，即多模态成像。多模态成像在前期诊断和后期治疗中都可进行更好的监测并提供丰富的影像学信息，从而指导肿瘤治疗。随着生物技术的发展，基于MXenes二维纳米材料的多模态成像技术得到了快速的发展。Tang等通过原位生长的方法，在Ti3C2纳米片上得到了Ti3C2@Au复合材料[41]，实现了光声成像与CT成像的双重成像(图4a和4b)，并且光声成像的灵敏度将随着金壳层的增加大大提高。利用Ti3C2纳米片负载MnOx或Fe3O4纳米颗粒，也成功实现了PAI和磁共振成像(MRI)的双重成像，用于肿瘤治疗过程的监测。相比于单一的光声成像，PAI与MRI的双重成像更清晰、更准确，并且能更好地用于肿瘤的诊疗[39]。另外，将Ta4C3纳米片负载MnOx，实现了光声成像、CT成像和磁共振成像的三模态成像，提供了更加丰富的影像学信息，可以更准确地指导肿瘤的诊断与治疗，如图4c所示[40]。

图4 MXenes二维纳米材料用于多模态成像：(a)肿瘤部位不同时间点的光声成像，(b)Ti3C2@Au在体内外的CT成像[41]，(c)MR/CT/PA 成像指导的光热治疗[40]Fig.4 Two-dimensional MXenes used in multimodal imaging: (a) PAI images of the different time in tumor, (b) CT images of Ti3C2@Au in vitro and vivo[41], (c) MR/CT/PA imaging-guided efficient PTT ablation of cancer[40]

3.3 肿瘤治疗

3.3.1 药物载体

因为MXenes二维纳米材料具有独特的片层结构，其也是一种理想的药物载体，可以携载抗肿瘤治疗药物到达肿瘤部位，从而在影像指导下实现精准的肿瘤药物治疗。Liu等利用Ti3C2纳米片与阿霉素(DOX)表面电荷的差异，通过静电吸附实现了肿瘤治疗药物DOX的附载(图5a和5b)，装载率达到84.2%，从而通过Ti3C2纳米片的携载运输作用到达肿瘤部位。通过肿瘤内部酸性的微环境实现敏感药物DOX的释放，达到肿瘤药物治疗的目的[42]。Han等利用类似的方法将抗肿瘤药物DOX装载到经大豆磷脂修饰的Ti3C2纳米片表面，装载率可达211.8%，大大提高了抗肿瘤药物到达肿瘤部位的富集量，实现了肿瘤的药物治疗(图5c和5d)[43]。Liu等通过构建Ti3C2-Co功能纳米材料来装载DOX,实现了纳米材料的磁靶向和微酸响应与热响应控制的药物精准释放[44]。目前大部分的药物附载都是通过静电吸附或物理吸附等非共价键连接的方式，药物容易脱落、药物释放不可控等问题严重限制了MXenes纳米材料作为药物载体在肿瘤治疗这一方面的应用，因此药物的可控释放与共价连接等方面还需要进一步研究。

3.3.2 光热治疗

光热治疗(PTT)作为一种新型的微创或无创治疗方式，对癌症治疗具有重要意义。其主要是利用光吸收性较强的物质，使之在激光照射下将光能转化成热能，从而利用过高热杀死肿瘤细胞。随着材料科学的发展，各种新型光热试剂逐渐被用到光热治疗中。MXenes二维纳米材料具有强的近红外吸收性能，是一种理想的光热试剂。Lin等制备了粒径约为150 nm的Ti3C2纳米片，经大豆磷脂修饰之后，具有良好的水溶性和生物相容性。将其经过尾静脉注射到小鼠体内，经血液循环到达肿瘤部位，然后使用近红外激光(波长808 nm)照射进行光热治疗[21]。治疗结果显示，注射Ti3C2纳米片并进行激光照射的小鼠肿瘤消失，而未注射Ti3C2纳米片的小鼠肿瘤没有明显改变(图6a～6c)。Lin等利用另一种MXenes碳化铌纳米材料实现了在不同的近红外激光下对肿瘤的光热治疗(图6d)[23]。近红外Ⅱ(NIRⅡ，激光波长1000～1300 nm)相比于近红外Ⅰ(NIRⅠ，激光波长700～1000 nm)具有更深的组织穿透深度。将MXenes碳化铌纳米材料经尾静脉注射到小鼠体内，使用NIRⅠ(808 nm)和NIRⅡ(1064 nm)两个不同波长的激光对肿瘤进行光热治疗，结果发现，经NIRⅡ照射的小鼠肿瘤治疗情况比NIRⅠ的更加有效。这主要是由于在同样的肿瘤富集量情况下，NIRⅡ具有更深的组织穿透能力(图6e)。Shao等制备的TiN纳米材料在NIRⅠ和NIRⅡ下具备同样优良的吸收性，在肿瘤治疗中，利用NIRⅠ和NIRⅡ激光照射均得到了良好的治疗效果[45]。

图5 MXenes二维纳米材料用于药物载体研究：(a)Ti3C2 、DOX和Ti3C2-DOX的紫外吸收图谱，(b)Ti3C2 、Ti3C2@DOX和Ti3C2@DOX@HA(Ti3C2-DOX)的电位电势图[42]，(c)Ti3C2 纳米片的表面修饰及药物释放，(d)以Ti3C2为基础的药物释放系统在体内光热与化学治疗的示意图[43]Fig.5 Two-dimensional MXenes used in drug delivery: (a) the UV-vis absorption spectra of Ti3C2, DOX and Ti3C2-DOX, (b) zeta potentials of Ti3C2, Ti3C2@DOX, and Ti3C2@DOX@HA(Ti3C2-DOX)[42], (c) scheme of surface modification and drug releasing of Ti3C2 nanosheets, (d) schematic diagram of Ti3C2-based drug delivery system[43]

图6 MXenes二维纳米材料用于光热治疗研究：(a)Ti3C2 纳米片用于肿瘤的光热治疗，(b)不同治疗的肿瘤部位图像，(c)不同切片染色的光学显微照片[21]，(d)Nb2C在NIR-I 和 NIR-II 窗口的光热治疗示意图，(e)不同治疗16天后肿瘤部位的光学照片[23]Fig.6 Two-dimensional MXenes used in PTT ablation:(a) schematic of Ti3C2 nanosheets for PTT of the tumor, (b) photographs of the tumor region in different therapy, (c) different section staining[21], (d) schematic diagram of Nb2C for photothermal therapy in different biowindows, (e) photographs of the tumor regions in 16 days after different treatments[23]

3.3.3 光动力治疗

光动力治疗方式是通过光敏剂在激光的照射下使之产生活性氧(ROS)从而杀死肿瘤细胞[46]。二维纳米材料中，石墨烯量子点、黑磷纳米材料等都可用于光动力治疗，而MXenes二维纳米材料近期也逐渐被用于光动力治疗。Liu等用激光照射Ti3C2纳米片，并用1,3-二苯基异苯并呋喃(DPBF)检测ROS的产生情况，结果显示，Ti3C2纳米片在激光的照射下产生了活性氧[42]。单线态氧(1O2)的产生主要是电子从Ti3C2到三线态氧(3O2)的能量转移，其原理与黑磷、石墨烯量子点的光动力作用类似。注射Ti3C2纳米片并在激光照射下的实验组，肿瘤治疗效果较其他组有明显的效果。

3.3.4 联合治疗

同成像方式一样，单一的肿瘤治疗方式一般很难满足治疗的需要，因此多种治疗方式的联合治疗给肿瘤治疗带来了更大的希望。基于MXenes二维纳米材料的联合治疗有多种。首先，以光热与化疗药物的结合。化疗在临床应用中使用较为普遍，但化疗药物有较大的副作用，且肿瘤部位吸收较为缓慢。在MXenes二维纳米材料的携载与光照的作用下，可以减少其副作用并提高肿瘤部位细胞对化疗药物的摄取。Han等利用Ti3C2纳米片携载抗肿瘤药物DOX对肿瘤进行治疗，结果显示，DOX@Ti3C2-SP+Laser组肿瘤治疗效果最佳[43]。通过电离辐射来诱导细胞DNA损伤从而使细胞凋亡的放疗也可以与光热治疗结合。肿瘤部位氧含量低，这大大限制了放疗的结果，而光热治疗可以促进血液的循环，增加氧含量，从而促进了放疗的治疗疗效。Tang等构建了Ti3C2@Au功能纳米材料[41]，实现了光热治疗与放射治疗(RT)的联合治疗，并且Ti3C2@Au+PTT+RT的治疗效果相较于其他治疗组最为优异(图7a和7b)。最后，利用MXenes二维纳米材料实现两种以上的联合治疗方式，提高肿瘤治疗的效率,并降低药物自身的毒副作用。Liu等通过静电作用在Ti3C2纳米片上吸附治疗药物阿霉素(DOX)，实现光热-光动力-化疗的联合治疗方式(图7c)[42]，治疗组治疗效果非常明显(图7d)。联合治疗的方式可以避免单一治疗方式的劣势，提高肿瘤的治疗效果。

4 MXenes纳米材料的生物安全性研究

纳米材料的生物毒性、生物降解性、生物代谢等安全性问题，都是决定其能否应用于纳米生物医学的前提。MXenes是一种新型的二维纳米材料，实验研究表明，大部分MXenes纳米材料的毒性低、生物降解性好，并且可以代谢排出体外。Feng等通过酸刻蚀的方法制备了Mo2C纳米片，并研究了不同的pH值(3.4～11.4)下Mo2C纳米片在磷酸缓冲盐溶液(PBS)中的降解程度[47]。从图8a可以看出，在碱性条件下Mo2C纳米片分解得最快，而在人体正常pH值下(～7.4)基本上经过24 h就降解完全。透射电镜(TEM)更加直观地证实了Mo2C纳米片的分解过程(图8b)。此外，将Mo2C纳米片置于含有10%FBS的1640培养基溶液中，同样发现Mo2C纳米片具有良好的生物降解性。Mo2C纳米片的生物毒性通过小鼠的体重、饮食、排泄、精神状态以及后续的组织切片、血生化及血常规等进行观察，没有发现明显异常，进一步证实了所合成的可降解Mo2C纳米片具有良好的生物安全性。此外，对于Nb2C二维纳米材料，细胞水平与活体水平都很好地证实了Nb2C纳米材料没有明显的毒性[23]。因此，部分MXenes纳米材料毒性低、可降解，是一类十分有潜力的生物纳米材料。

图8 MXenes二维纳米材料的生物安全性[47]：(a) Mo2C-PVA 纳米片在不同pH值(3.4～11.4)的PBS中不同时间点的紫外吸收图谱和相应的光学照片，(b) Mo2C-PVA 纳米片在PBS(pH=7.4)中不同时间的TEM照片Fig.8 The biosafety of two-dimensional MXenes: (a)degradation process of Mo2C-PVA nanoflakes dispersed in PBS with different pH values ranging from 3.4 to 11.4, as observed by UV-vis-NIR absorption spectra and corresponding digital photographs at a series of designed time points, (b)TEM images of the degradation product of Mo2C-PVA incubated in PBS (pH 7.4) at various time points

5 结 语

综上所述，MXenes纳米材料作为二维纳米材料家族中的一位新秀，在纳米生物医学方面得到了快速发展。本文简要介绍了MXenes纳米材料包括过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化合物在生物医学方面的应用。与传统的二维材料类似，这些MXenes纳米材料有着比表面积大、近红外吸收强等优点，所不同的是其组成成分可调，并且部分可以被氧化从而实现生物降解，在肿瘤高效治疗方面发挥了重要作用。

虽然近年来大量的研究表明MXenes纳米材料具有重要的应用前景，但是目前还存在诸多的问题。如应着力发展更加安全、高效、简单、绿色的制备方式，摒弃危险低效的含氟制备方式；在表面修饰问题上应更加注重共价连接的修饰方法，避免通过静电吸附和物理吸附的非共价连接方式，这样在药物运载方面也可以实现药物释放的可控性，减小副作用；在肿瘤治疗方面应实现多模态成像与联合治疗方式的结合，避免单一成像与单一治疗的短板。此外，材料的生物安全性仍然是非常重要的一部分。虽然大部分实验显示MXenes纳米材料毒性低、可降解，但是降解产物的毒性仍然需要进一步研究。在未来的研究中应更加注重这些现实的问题。相信随着科技发展和人们的不懈努力，MXenes二维纳米材料在生物医学方面将发挥它独特的优势，为癌症的早期诊断与治疗提供新的可能。