MXene是一种新兴的二维纳米材料，于2011年首次被报道，具有多个原子层，由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成[1]。其特点是以MAX相陶瓷从层状结构中提取A族元素获得二维纳米薄片，从其MAX相前驱体中合成了Ti2C、Ta4C3和其他MXenes, 展示了三种可能的结构(M2X、M3X2和M4X3)。一般化学式为Mn+1XnTx,“M”是过渡金属原子，“A”代表元素周期表中的A族元素，而“X”是碳或氮[2]。它具有良好的电化学性能[3]、亲水性、机械性能和一些生物学性能如生物相容性[4]、生物降解性[5]、光热性能[6]、抗菌活性等[7],因此越来越多地被应用于生物医学领域。近年来已有诸多研究将MXene应用于骨组织工程，但对MXene促进成骨的机制研究较少且尚不明确。因此本文主要总结以往研究中MXene纳米材料在骨缺损修复中的相关机制，就这一研究领域的最新进展进行综述。

1 MXene的制备与生物医学应用

1.1 MXene的制备

合成MXene材料的方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两种[8]。

“自上而下”法是目前常用的MXene制备方法，分为刻蚀和分层2个阶段。①刻蚀：使用强腐蚀剂(通常是HF[9])来刻蚀3D MAX相以获得多层堆叠的MXene, M—A键一般比M—X键弱，会选择性地刻蚀M—A键[10]。然而使用HF制造MXene会对人体和环境造成损害，且会在材料表面引入大量F-基团，使其难以与生物分子偶联[11]。因此无氟的制备方法更有利于制备表面端基可控的MXene材料[12]。2019年，Li等[13]使用熔融状态下的ZnCl2刻蚀Ti3AlC2制备MXene, 首次制备出表面为Cl终端基团的MXene材料。之后，该团队进一步提出了一种Lewis酸熔盐(如FeCl2、CuCl2、AgCl等)刻蚀MAX相(如Ti2AlC、Ti3AlC2、Nb2AlC等)合成MXene的通用策略[14]。②分层：刻蚀后形成的多层MXene, 其层间为较弱的范德华力或者氢键，需要进一步利用有机溶剂(如二甲基亚砜[15]、四丁基氢氧化铵[16]等)插层或机械振荡(如超声波)[17],增加MXene薄膜之间的距离，从而获得少层或单层MXene纳米片[18]。

“自下而上”法是在原子水平上控制晶体生长，形成2D MXene材料，常采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)[19],即以甲烷气体(CH4)为碳源，以铜钼箔为衬底，在1 085 ℃以上的温度用化学气相沉积法合成超薄碳化钼(MoC2)。但是该方法制备的MXene材料尺寸太大，且缺乏表面官能团，不利于其在生物医学领域的应用。

此外，研究者们还报道了模板法[20]和等离子体增强脉冲激光沉积法(plasma enhanced pulsed laser deposition, PEPLD)[21]来合成MXene。

1.2 MXene的性能

近年来，MXene材料的独特生物医学特性受到研究者们的重视：①MXene具有良好的抗菌性能，它可以通过氧化应激反应、吸附聚集细菌、锐边损伤细胞膜、内吞或渗漏进入微生物、化学破坏细胞结构等方式实现抗菌效应[7];②部分MXene在适合波长的光照射下，可以产生氧自由基(reactive oxygen species, ROS),有利于其在光动力治疗中的应用[22];③在近红外光(near infrared ray, NIR)的第一和第二生物窗口具有高的光吸收和光热转换能力[5],可用于深层组织的光热治疗(photothermal therapy, PTT)和光声(photoacoustic, PA)成像[23,24];④MXene量子点(MXene quantum dots, MQDs)利用材料表面缺陷诱导发光或尺寸效应诱导量子限制实现发光特性[25],可作为潜在的放射标记点；⑤MXene具有良好的生物相容性，相对较低的细胞毒性和体内毒性[26];⑥MXene的尺寸大小范围在纳米级到微米级[2],超薄2D平面结构和高表面积体积比使其成为良好的药物载体[27,28];⑦部分MXene材料具有良好的生物可降解性[5,29];⑧部分MXene(如Ta4C3等)具有良好的CT成像效果[30,31]。因此，MXene在生物传感、生物成像、肿瘤治疗、组织再生、抗菌等生物医学领域已有较为深入的研究成果。

1.3 MXene的应用

1.3.1 MXene在皮肤组织工程中的应用

Liu等[32]的实验证实，MXene能够增强分子间氢键，并通过近红外效应提供抗菌能力，促进伤口愈合。此外，MXene所具备的光电和光热效应亦有利于其在皮肤组织工程中应用[1]。

1.3.2 MXene在神经组织工程和神经组织再生中的应用

Guo等[33]制备了Ti3C2Tx MXene纳米材料，在离体实验中证实其对初级小鼠神经干细胞有促黏附、促分化作用，表明其在神经再生与组织工程中具备应用价值。

1.3.3 MXene在心肌组织工程中的应用

电生理是心肌组织工程的关键环节。2023年，Lee等[34]设计制作了Ti3C2Tx MXene黏性水凝胶，并证实其具有高导电性、弹性、高组织黏附性等理化特性，并可诱导体外心肌细胞成熟，在心肌组织工程中具备可靠前景。

1.3.4 MXene在骨组织工程和骨再生中的应用

MXene具备优良的理化生物学性质，可以通过支架、膜、涂层等多种方式介导体内外骨生成[1]。

1.3.5 其他

MXene在血管生成等领域的应用亦有报道[35]。

2 MXene纳米材料促进骨生成的研究及机制

MXene已被用于多种组织缺损的研究，如心血管、皮肤、神经组织等[36]。近年来已有研究聚焦于MXene骨组织工程应用。MXene纳米材料可以通过增强基底材料的理化性质促进细胞增殖改建、在基因以及分子水平提高成骨相关细胞的活力，并且有利于血管组织再生，加速成骨进程[1]。

2.1 MXene纳米材料对成骨相关细胞的影响

2.1.1 促进细胞增殖和黏附

骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells, BMSCs)能够在特定环境中分化为成骨细胞，促进BMSCs的增殖与黏附，进而促进骨缺损的修复。Jang等[37]将2D片层状Ti3C2 MXene纳米微粒应用于离体的人类间充质干细胞(human mesenchymal stem cells, hMSC),显示短时低剂量的Ti3C2 MXene(<20 μg/mL)可以促进体外干细胞的增殖。此外Huang等在激光共聚焦显微镜下观察hMSC在有MXene存在的情况下，细胞伸出伪足增加，向周围扩展趋势提高，从而对材料拥有更大的黏附性，细胞密度提升，增殖更加活跃[37]。

血管在骨骼塑造和稳态中起着至关重要的作用[38]。血管内皮细胞还具有信号传导能力，调节骨再生[39]。Yin等[26]在人类脐内皮静脉细胞(human umbilical endothelial vein cells, HUVECs)离体实验中报道，Nb2C MXene功能化支架能够加速HUEVC的迁移能力，促进血管内皮细胞生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)-B和碱性成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor 2,FGF2)的表达，诱导具有血管生成潜力的管状结构生成。在体实验也证实了其优异的促血管生成能力。除此之外，MXene还能通过传递生理神经电信号增加血管生成[40]。Wang等[41]将VEGF纳入MXene进行可控输送，证实MXene可以促进血管生成效应。

2.1.2 促进细胞分化

碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)的活性用于代表早期成骨细胞的分化能力，即活性越高，分化能力越强[42]。Jang等通过检测ALP,观察到与在盖玻片上生长的细胞相比，低浓度Ti3C2 MXene纳米玻璃材料显著提高了hMSC的ALP活性，证明了MXene存在会使hMSC的分化活性增加。随着时间的推移，第7天时生长培养基中的MXene薄膜上生长的细胞ALP 活性与在盖玻片上培养的细胞的ALP活性趋向一致[37]。同样，Zhang等[43]通过检测小鼠前成骨细胞系MC3T3E1 ALP含量，也观察到在第4天以及第7天，使用碳化钛MXene纳米材料组明显具有较高的分化活性。

2.1.3 促进细胞椭球体形成

近年来有研究发现，细胞在特定的情况下可以呈现类似液滴形的球状体或椭球状体，可以增加细胞存活和活性[44]。Jang等发现MXene颗粒可以作为粘合剂附着在细胞质上，并在细胞迁移过程中随细胞移动，从而促进hMSC形成细胞椭球体。这种现象可能是由于MXene颗粒的亲水性和生物相容性使细胞黏附相关蛋白具有良好的相容性[45]。

2.1.4 促进细胞矿物质沉积

羟基磷灰石在间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)的增殖和成骨分化中起重要作用。研究表明，MXene也可以促进细胞外矿物质如羟基磷灰石沉积，从而提高成骨速度。Awasthi等采用体外生物矿化实验检测PCL-MXene复合纤维的羟基磷灰石成核性能，发现PCL-MXene上面羟基磷灰石的沉积显著多于单纯的PCL。在羟基磷灰石晶体中，钙、磷沉积与PCL-MXene电纺丝纤维表面的适当物质的量的比(≈1.6)与羟基磷灰石晶体的标准值基本一致，证明了PCL-MXene复合纤维的羟基磷灰石成核性能[46]。

2.2 MXene纳米材料促成骨的材料学机制研究

2.2.1 亲水性

材料表面的亲水性可以大幅度提高细胞生物学功能，如细胞黏附性及增殖活性。Awasthi等通过测量水接触角，发现MXene的含量越高，水接触角越小，材料的润湿性越大。增加润湿性可以增加PCL-MXene复合电纺纤维中的细胞黏附和增殖[46]。随着MXene重量百分比的增加，复合物的润湿性增强，这可能与MXene末端羟基或含氧基团的亲水性有关。MXene修饰的材料表面存在极佳的亲水性以及粗糙度，能够大幅度提高细胞黏附，吸引间充质干细胞定植[47]。

2.2.2 吸附蛋白质

在对MXene结构相似的石墨烯进行分子化学研究时，Kumar团队[48]发现蛋白质中的RGD序列被空位缺陷的石墨烯表面所吸引，其中单空位对酯基有吸引力，从而促进蛋白质的吸附，增加材料表面的亲水性，而蛋白质的RGD序列可以和整合素结合。与石墨烯相似，MXene材料也含有带负电的含氧官能团[49]。也就是说，这种性质使其一方面可以增加材料表面的亲水性，另一方面，蛋白质的RGD序列可以作为配体和细胞丝状伪足上的整合素结合，促进细胞与材料表面的黏附[48]。

2.2.3 电生理作用

天然骨的生物电已被报道为调节代谢活动的关键因素之一[50],可以通过压电、热电和铁电等电效应[51,52]影响成骨细胞、骨细胞和破骨细胞[53],进而影响骨愈合、骨生长和骨重塑等生理过程[54,55,56]。Hu等[57]制备了MXene/丝蛋白(silk fibroin, RSF)水凝胶，证实其可通过Ca2+/CALM信号传导通路促进间充质干细胞离体增殖、迁移及成骨分化及血管新生，并在小鼠离体模型中观测到MXene/RSF促进小鼠颅骨模型骨缺损修复，表明电生理亦可能是MXene促进骨组织再生的重要途径。

2.3 MXene纳米材料促成骨的分子学机制研究

2.3.1 调控成骨细胞基因表达

前期许多MXene研究关注到了MXene对细胞基因表达的影响。Runx2 与成骨细胞中ALP、骨钙素(osteocalcin, OCN)、Ⅰ型胶原蛋白(collagen Ⅰ,COL-Ⅰ)、骨唾液酸蛋白(bone sialoprotein, BSP)及骨桥蛋白(osteopontin, OPN)等主要成骨分化相关基因的表达密切相关，这是因为以上基因的启动子序列中都存在成骨特异性顺式元件(osteogenic specific cis element, OSE),Runx2能与之结合，从而激活这些相关基因的表达[58]。Jang等使用MXene微粒体外处理间充质干细胞后，各成骨相关基因表达均有所上升。这不仅包括Runt相关转录因子2,早期成骨相关基因OPN基因、中期成骨相关基因OCN基因，还有晚期成骨相关基因BSP基因[37]。MXene快速诱导早期标志物的表达在超过1周时下降；中晚期成骨标志物的表达在2周内更加活跃。

2.3.2 调控成骨信号通路

骨骼生成受多种合成代谢信号通路的调节，包括Wnt/β-catenin、BMP/Smad信号通路、Hedgehog、FAK、ERK、PI3K/AKT等相关信号通路。这些信号通路通过调控 Runx2 的表达影响骨形成。Runx2及Osterix被认为是调控成骨分化的重要节点，参与组成该成骨分化网络的信号通路都直接或间接作用于该节点并最终调控其下游靶基因的表达，从而调节成骨细胞分化及骨形成[59]。

Wnt/β-catenin信号通路：Wnt/β-catenin信号通路是调控BMSCs分化为成骨细胞较为重要的一条信号通路。Cui等[60]研究发现，Ti3C2Tx MXene纳米薄片通过调控HIF-1α/Wnt信号通路促进人牙周膜细胞(human periodontal ligament cells, hPDLC)成骨分化，加速牙周组织的再生。研究显示，在Ti3C2Tx(60 mg/L)存在下，β-catenin显著上调。此外，Axin2(一种Wnt信号负调节因子)的表达增强。

BMP/Smads信号通路：BMP/Smads 信号通路是激活成骨细胞分化及骨形成十分重要的一条通路。研究表明，BMPs通过结合细胞膜外特异性受体进而激活BMP/Smads信号通路，使下游的Smads蛋白(如Smad1、5)发生磷酸化，可将TGF-β信号由细胞膜传至胞核，然后进一步启动成骨细胞特异性转录因子基因(如Runx2、Osterix等)转录，Runx2、Osterix继续促进成骨分化相关基因ALP、OCN、COL-Ⅰ、BSP及OPN等的表达[61]。Du使用三维打印的MXene复合支架刺激体外BMSCs的成骨分化，检测rBMSCs中成骨分化相关基因ALP、COL-Ⅰ、BMP-2和Runx2的mRNA水平，发现纳米片修饰材料上成骨分化相关基因的表达量高于未修饰组[62]。这些发现证明了MXene3D复合支架可通过BMP/Smads信号通路进行骨诱导。

3 结 语

本文聚焦于新兴二维纳米材料MXene在骨组织再生中促成骨的作用机制，介绍了MXene的基本信息和制备方法，分析其理化生物学性质，展示其在生物医学领域的应用情况及应用前景，并从细胞学、材料学、分子学汇总报道了MXene成骨相关机制。

MXene材料本身具备独特的理化生物学性质，能够通过多种机制调控骨组织再生重建，在骨组织再生中具备良好应用前景。对促骨组织修复再生具有良好临床应用前景。但是MXene材料在临床应用中仍存在很大的挑战：①应明确复合材料支架在体内的生物降解途径及其潜在的长期毒性，尤其是其生物分布和代谢途径仍需进行进一步的研究。②应进一步明确复合支架材料表面与组织作用情况，研究高效的表面改性方法和环境友好的材料制备手段，提高临床应用效率。③进一步明确不同尺寸、成分、形态的复合支架材料在体内环境下的性能变化，尤其是生理环境下的稳定性、氧化性等。目前，用于组织再生的MXene纳米材料还处于临床前阶段，仍有待于进一步的研究来推广其临床应用。