北航&北大再发《Nature》：高性能纳米复合薄膜材料的连续化制备取得重要突破
北航&北大再发《Nature》：高性能纳米复合薄膜材料的连续化制备取得重要突破
北京航空航天大学和北京大学在高性能纳米复合薄膜材料连续化制备方面取得重要突破，相关研究成果发表在国际顶级期刊《Nature》上。研究团队开发了一种创新的卷对卷辅助刮涂结合有序界面交联策略，成功制备出具有优异力学性能和生物相容性的MXene薄膜，为骨再生修复领域的发展开辟了新方向。
膜技术前沿
二维纳米材料在航空航天、柔性电子、生物医学等领域具有广泛的应用前景，但连续化组装工艺一直是制约其发展的关键难题。近日，北京航空航天大学化学学院程群峰教授课题组与北京大学口腔医学院邓旭亮教授课题组在这一领域取得重要进展，相关成果于2024年10月31日发表于《Nature》杂志。
北京时间2024年10月31日，《Nature》杂志报道了北京航空航天大学化学学院程群峰教授课题组和北京大学口腔医学院邓旭亮教授课题组在二维纳米复合材料连续化制备及骨再生应用研究领域取得的最新进展：《Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis》。研究团队基于此，开发了一种可扩展的策略，通过集成顺序桥接工艺和卷对卷辅助叶片涂层（RBC）工艺来制备高性能MXene薄膜，该薄膜在近红外照射下具有良好的光热转换和成骨效率。
研究团队采用以下创新性方法：
- 首先，MXene薄片通过氢键与丝胶桥接，然后使用连续RBC工艺以20 cm/min的速度组装成宏观薄膜，最后通过与锌离子（Zn2+）桥接以冻结其排列结构。
- 所制备的MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和致密的特性，展现出优异的力学性能，包括较高的抗拉强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ/m3）和电磁干扰（EMI）屏蔽能力（78000 dB cm2/g-1），同时具有良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。
这一策略不仅为MXene在柔性EMI屏蔽材料和骨组织工程领域的实际应用铺平了道路，也为其他二维（2D）薄片的高性能和可扩展组装提供了新思路。
图1 卷对卷辅助刮涂结合有序界面交联策略实现高性能MXene薄膜的连续化制备
为了实现高性能二维纳米复合薄膜材料的连续化制备，该工作创新性地开发了卷对卷辅助刮涂结合有序界面交联的新策略（图1）。规模化制备的有序交联MXene（S-SBM）薄膜具有高拉伸强度（755 MPa）和韧性（17.4 MJ/m3），强力学自支撑性有利于维持成骨所需空间。此外，该S-SBM薄膜具有高效清除ROS/RNS和促进巨噬细胞M2极化等成骨微环境调控作用。最终，相比商用引导骨再生（GBR），S-SBM薄膜具有更高的体内成骨效率（8周新生骨体积分数高达77.4%），在临床骨修复领域具有重要应用前景。
综上所述，这项开创性研究成果对骨再生修复研究领域的发展具有里程碑的意义，其核心是发展了具有成骨微环境调控作用的高强度力学自支撑新型材料，解析了二维纳米复合材料引导骨再生的级联生物学过程，解决了实现安全、高效促进骨再生面临的瓶颈问题，不仅为新型临床骨再生材料的研发开辟了新方向，也为其他二维纳米材料的高性能规模化组装及应用研究提供了新思路。首次证实了有序界面交联作用可以大幅抑制二维纳米复合材料内的裂纹扩展。
图2 S-SBM薄膜的结构以及力学和电学性能表征
图3 S-SBM薄膜的抗氧化和光热转换性能
图4 S-SBM薄膜的生物相容性和体内骨再生性能
图5 S-SBM薄膜的成骨机制