Research progress on antibacterial textiles of MXene and its composite materials
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摘要: MXene材料是一类具有二维层状结构的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的二维纳米材料，因其优异的物理、化学性能在生物传感、癌症光热疗法、抗菌等方面已经得到广泛应用。基于MXene抗菌性的研究现状，探究了MXene及其复合材料的抗菌机制，阐述了MXene及其复合材料的抗菌性能及其抗菌整理织物、抗菌纤维和抗菌敷料的研究进展，最后提出了基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品未来研究方向。Abstract: MXene materials are two-dimensional transition metal carbides, nitrides or carbonitride nanomaterials with two-dimensional layered structures. Due to their excellent physical and chemical properties, MXene materials have been widely used in biosensing, cancer photothermal therapy, antibacterial and other aspects. Based on the research status of antibacterial properties of MXene, the antibacterial mechanism of MXene and its composite materials was explored, the antibacterial properties of MXene and its composite materials and the research progress of antibacterial finishing fabrics, antibacterial fibers and antibacterial dressings were described, and the future research direction of antibacterial textiles based on MXene and its composite materials was proposed.
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当今世界各地有许多人死于传染病，如痢疾、肺结核和新冠肺炎等，针对这种情况，运用抗菌剂来控制或减少微生物的生长至关重要。纺织品具有极大的表面积和保持水分的能力，在一定温、湿度条件下，微生物极易在纺织品上生长，并造成污染、降低纺织品机械强度、使变色或者发出难闻的气味，穿着有细菌的纺织品易使皮肤伤口发生感染还会阻碍伤口愈合，由此可见，使纺织品具备抗菌性尤为重要[1-2]。防止微生物滋生的抗菌纺织品主要用于医院医疗防护、病人创伤恢复、日常卫生保健等，也可以用于运动服装、水的净化、食品工业等方面[3]。抗菌纺织品主要通过在纤维中添加抗菌化合物以及对纤维或织物表面进行改性获得[4]。
常用的抗菌剂主要有季铵化合物[5]、三氯生[6-7]、金属盐[8]、聚(六亚甲基双胍)(PHMB)[9]、卤素元素[10]、壳聚糖[11]、纳米粒子[12- 13]和一些天然聚合物[14-16]。很多抗生素通过干扰新陈代谢、抑制细胞壁合成和核酸转录等方式起到杀菌作用，但随着时间的推移细菌逐渐产生抗药性，这一事实使卫生医疗界不得不研究开发出新的抗菌剂[17-18]。近10年，许多二维纳米材料如氧化石墨烯(GO)、MXene和六方氮化硼(HBN)等二维材料在表面改性方面表现出抗菌性能，为制备高效的抗菌剂提供了极好的机会[19]。研究发现，MXene材料是典型的高潜力抗菌剂，具有高稳定性和长生命周期，这类材料具有比较大的表面积、化学活性和功能化的可行性，并且能够负载不同抗菌官能团，是抑制细菌和真菌生长的候选材料。MXene材料在生物医学领域显示出巨大的应用潜力[20]。
MXene材料是一类具有二维层状结构的过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物的二维纳米材料，MXene材料于2011年被美国德雷塞尔(Drexel)大学Yury Gogotsi教授和Michel Barsoum教授共同发现，最早被实验制备也是目前研究最多的一类MXene就是Ti3C2Tx[21]。这类二维材料结构通式为Mn+1Xn(n=1~3)，其中M是过渡金属(如Sc、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Nb、Cr、Mo等)，见图1(a)。到目前为止，已经合成了70多种形式的MXene，其中大多数是通过对其对应的最大相(即Mn+1AXn)进行湿法化学刻蚀而制备的，其中A主要属于周期表中的第13和14族，X表示碳或氮，n的范围为1~3，分别产生M2X、M3X2和M4X3形式的MXene[22-23]，见图1(b)。通过这种方法，A层被含F的腐蚀剂(如HF)选择性地刻蚀出来，导致A元素被其他表面端基(如—OH、—F和/或—O)所取代，产生通式为Mn+1XnTx的层状材料，Tx对应于端接的官能团，Tx由所使用的刻蚀剂决定[24-25]。MXene产物具有层状结构，边缘有连续的晶格条纹，并且过渡金属和碳的层排列均匀且交替排列[26]。MXene具有各向异性晶体结构，常见的MXene材料有Ti2C、Ti3C2、Ti2N、Nb2C、V2C、Mo2C、Ti3C2、Ti3CN、Ti4N3或Nb4C3，由Ti3AlC2衍生而来的2D碳化钛(Ti3C2)是MXene的先驱[27]。
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MXene材料拥有优异的晶体结构、丰富的化学组成成分、高的金属导电率、优异的热/机械性能、独特的形貌、亲水性、尺寸可调性、近红外吸收、载药能力、生物相容性和生物的无毒性质[25]，已被广泛应用于晶体管、储能设备[29]、海水淡化[30-31]、电催化剂[32]、电磁干扰屏蔽[33-34]、电磁屏蔽织物[35]、电化学超级电容器[36-37]、锂离子电池[38]、钾离子电池[39]、锌离子电池[40]、导电薄膜[41]等领域。随着MXene材料的广泛关注，其在生物医学领域亦得到了应用，如生物传感[42]、癌症光热疗法[43]、疾病诊断学[44]、神经电极、诊断成像[45]、抗菌材料[46]、药物传送和骨再生[47]等。MXene材料在生物医学领域能够获得理想应用主要得益于MXene材料结构中含有丰富的含氧基团[23]，无毒并拥有生物降解能力[48-49]。MXene及其复合材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌具有显著的抗菌活性[50]。
另外，单纯的MXene抗菌性能不高，进行适当的表面改性[51]和复合可以提高MXene的抗菌性、生物相容性、靶向性、负载性等生物医学性能。改性分子可以通过物理吸附或静电吸附在MXene表面，物理吸附方面如大豆磷脂[52-53]、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)聚合物[25]已被证实可以吸附在MXene表面；正电荷药物阿霉素可以通过静电吸附在MXene表面[54]。
目前，基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品的抗菌效果和应用潜力受到多方重视，相关研究逐渐增多。本文旨在通过总结MXene材料的抗菌机制，综述MXene及其抗菌复合材料的抗菌性，归纳基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品研究进展，探讨该类抗菌纺织品研究的机遇和挑战，为后续相关研究提供参考。
1. MXene的抗菌性及抗菌机制
2D纳米材料的抗菌活性可能受到几个因素的影响，如纳米片形状、分层程度、横向尺寸、层数、表面化学(修饰)、表面缺陷数量和团聚等[55-57]。MXene在抗菌方面起到关键性作用的因素是其在原子尺度上的元素组成和结构，其抗菌作用归因于纳米片与细菌细胞表面间的物理和化学相互作用[58]。与石墨烯类似，MXene的生物活性也可能受到堆叠中片层数量的影响[59]。
1.1 MXene的抗菌性
目前研究的抗菌性的MXene材料主要集中于对MXene分层(单层、少层、多层)和插层薄片下的抗菌效果[60]。
Jastrzebska等[61]报道了Ti2CTx对肉球菌、金黄色葡萄球菌和芽孢杆菌缺乏杀菌性能。只有当细菌细胞吞噬到膨胀层中并置于膨胀的Ti2CTx的各个片层之间时，芽孢杆菌才会发生轻微的凋亡。Jastrzebska等[62]后来比较了两种MXene相Ti2C和Ti3C2对大肠杆菌的抗菌性能，发现Ti2C相对细菌的生存能力没有影响，而Ti3C2相具有抗菌活性。通过以上研究，得出MXene的化学计量比(构型)在确定它们对细菌细胞的毒性和生物活性方面起着关键作用。
Rasool等[63]对单层和少层MXene薄片对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性枯草杆菌的抗菌活性进行了研究，通过对比MAX相(Ti3AlC2)、未剥离的(多层Ti3C2Tx)和剥离的(单层Ti3C2Tx) MXene薄片对大肠杆菌和枯草杆菌的抑制作用，发现单层Ti3C2Tx比多层Ti3C2Tx抑制作用强，与氧化石墨烯相比，Ti3C2Tx表现出更高的抗菌活性。Rajavel等[60]也发现分层(水、二甲基亚砜和异丙胺)和插层(一水合肼、氢氧化钠和氢氧化钾)方法均可以提高Ti3C2Tx悬浮液的胶体稳定性和杀菌效果。
Ti2CTx和Ti3C2Tx MXene都表现出一定的抗菌活性，但是Ti2CTx的抗菌效果极差，用于抗菌材料的MXene还是需要聚焦于Ti3C2Tx MXene，并且单层Ti3C2Tx MXene比多层Ti3C2Tx MXene抗菌活性更强，采用分层和插层方法也能提高Ti3C2Tx的抗菌效果。
1.2 MXene的抗菌机制
MXene材料和氧化石墨烯类似，都可以通过物理和化学作用对细菌产生抑制作用，其抗菌机制主要包括物理捕获理论、物理切割理论、氧化应激理论和膜成分提取理论[24]。
(1) 物理捕获理论
物理捕获理论指的是MXene表面的亲水性和阴离子性质增强了细菌细胞膜的相互作用，MXene可以黏附细菌，细菌会被MXene纳米薄片捕获或包裹形成团聚，限制细菌细胞内营养物质的交换与增殖，使细菌细胞数量减少或者由于营养物质的缺乏造成细菌死亡[55]。
(2) 物理切割理论
物理切割理论主要是MXene表面具有尖锐边缘，在与细菌细胞接触时可以划破细胞膜，使细胞膜造成损伤导致细菌内营养物质流出，造成细菌死亡[63-64]。
Shamsabadi等[65]对Ti3C2Tx MXene的抗菌机制进行了研究，通过研究胶体Ti3C2Tx MXene纳米片对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抗菌性能，发现Ti3C2Tx MXene纳米片的抗菌性能取决于其大小和暴露时间；首次使用肉汤微量稀释法确定MXene纳米片与细菌细胞之间的物理作用是否对Ti3C2Tx抗菌性能有影响；研究表明，MXene纳米片具有锋利边缘，可以通过切割细菌细胞壁进入细胞质区域，导致细菌DNA的释放，最终导致细菌的解体，如图2所示是胶体纳米片的抗菌机制(Mode-of-action简写为MOA)示意图。
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图 2 MXene纳米片抗菌机制(MOA)的示意图[65]：(a) 纳米片与细菌细胞的相互作用导致细菌DNA的释放，最终导致细菌的解体；(b) MXene纳米片通过切割细菌细胞壁进入细菌细胞质区域Figure 2. Schematic representation of our proposed antibacterial mode-of-action (MOA) of MXene nanosheets[65]: (a) Interactions of the nanosheets with bacteria cells result in the release of bacteria DNA and eventually bacteria dispersion; (b) MXene sharp nanosheets get into the bacteria cytoplasmic region by cutting the bacteria cell wallPM—Peptidoglycan mesh; CM—Cytoplasmic membrane(3) 氧化应激理论
氧化应激理论主要是MXene纳米片的含氧基团与细胞膜脂多糖链之间的氢键可通过阻止营养物质的摄入，诱导细菌产生活性氧成分而导致细胞失活，从而抑制细菌的生长[66-67]。
Pandey等[68]研究了原子结构和尺寸对碳化铌化合物Nb-MXenes抗菌活性的影响，Nb-MXenes的抗菌机制是在物理切割损伤和氧化应激之间具有协同作用，MXene表面的尖锐边缘可以破坏细菌细胞壁并且MXene表面的含氧基团可以诱导细菌细胞死亡。图3展示了Nb-MXenes的制备及抗菌策略；通过菌落计数、流式细胞仪和形态观察表明Nb2CTx和Nb4C3Tx对大肠杆菌和金黄色葡萄菌的杀菌性能与两种MXenes的片层尺寸和原子结构有关，较小片层的两种MXenes显示出更强的抗菌活性；将Nb2CTx和Nb4C3Tx MXenes与Ti3C2Tx和Ti2CTx MXenes的抗菌活性进行对比，证实分层(DL)-Nb4C3Tx在100℃温度下是最稳定的形式，DL-Nb2CTx和DL-Nb4C3Tx MXenes具有更好的抗菌活性。
(4) 膜成分反应理论
MXene纳米片还能与微生物细胞壁和细胞质中的一些分子发生反应，破坏细胞结构，导致细菌死亡，如细菌细胞通过在脂质双层上形成导电桥，将反应性电子转移到外部环境，使细胞凋亡[63]。
Lee等[69]运用分子动力学模拟研究纳米片与细菌细胞膜模型之间的相互作用，探究纳米片的抗菌机制，发现吸附在膜表面的MXene在一个区域内诱导了局部相变，此区域内，磷脂在室温下的流动性与凝胶相当，此结构域表现出更致密和更薄的磷脂膜结构，局部相变中两相之间的线张力在细胞边界处造成的缺陷会降低膜的阻力并导致胞间分子泄露，且结构域也会损害细菌的生存能力；经过细胞毒性实验表明，细胞壁和膜损伤与添加MXene片剂的浓度成正比，最终导致膜破裂是主要的杀菌原因。故得出结论，MXene在相边界缺陷处的胞间分子泄露是MXene导致细胞溶解的一种杀菌机制。
2. MXene抗菌复合材料的抗菌性
MXene材料具有大的表面积、优异的抗菌性能、强的载药能力，将MXene与其他抗菌材料复合，可以达到协同抗菌的效果，增强单一材料的抗菌能力。与MXene复合的材料主要有金属、金属氧化物、有机物或抗生素，这些MXene抗菌复合材料可应用于水污染、生物医学等领域。以下具体阐述几种MXene抗菌复合材料的抗菌性、抗菌机制和具体应用等。
2.1 MXene与金属或金属氧化物复合
金属型抗菌剂主要是具有抗菌活性的银、铜、锌等金属离子及其氧化物。金属型抗菌剂的抗菌机制主要是带正电荷的金属离子能够与细菌细胞中蛋白质发生作用，进而破坏细菌结构，使其丧失功能，达到杀菌效果。金属氧化物抗菌材料主要是通过光催化作用达到抗菌的目的[70-72]。在外界光作用下，ZnO、ZrO2、TiO2等金属氧化物会产生活性自由基导致细菌细胞内蛋白酶失去活性，达到杀菌效果[73]。MXene材料已经与Cu2O、Ag、银纳米粒子等物质复合进行协同抗菌。
Wang等[74]合成了基于Cu2O的MXene纳米片，如图4所示为Cu2O/MXene的合成过程示意图；对MXene和Cu2O/MXene纳米片的抗菌性能研究结果表明，与MXene、Cu2O和混合物(MXene和Cu2O混合物)相比，Cu2O/MXene纳米片对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌均表现出良好的抑菌活性，抑菌率分别提高到97.04%和95.59%。Cu2O/MXene还表现出MXene加速光电子传递、Cu2O抗菌和光催化、提高活性氧(ROS)生成能力及表面等离子体共振(SPR)等协同抗菌作用，图5显示了Cu2O/MXene协同抗菌机制示意图：(a) MXene可以提高Cu2O电子对的分离效率，从而产生更多的ROS来杀菌；(b) Cu2O/MXene纳米片局部也存在SPR现象，能增强电场产生ROS；(c) Cu2O/MXene中释放的铜离子可有效破坏细菌细胞壁，增加对细菌繁殖的抑制；(d) Cu2O/MXene的边缘为刀片状边缘[65]，同其他2D纳米材料一样，可以破坏细菌细胞，使铜离子与细胞质反应，从而灭活细菌。
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光热和抗菌药物的结合是增强抗细菌感染的抗菌效果的有效方法。Zhu等[75]发现Ti3C2Tx和Ag/Ti3C2Tx在近红外光照射下的抗菌效果显著增强，揭示了光热和本构活性的协同抗菌模式，证实了Ti3C2Tx MXene是一种优良的近红外光介导的纳米抗菌平台，如图6所示；研究人员将Ag/Ti3C2Tx包埋水凝胶作为创面敷料并进行创面模型实验，测试其实际应用中的抗菌效果，结果表明，在近红外光照射下，Ag/Ti3C2Tx具有良好的细菌抑制和伤口愈合效果。Ag具有良好的抗菌活性，通过制备层状Ag/MXene复合材料，进一步提高了MXene膜的抗污染性能。Ag/MXene复合膜对大肠杆菌有明显的抗生物污染作用，其抗菌效果优于纯Ti3C2Tx MXene[76]。
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Lv等[77]设计开发了一种光动力协同抗菌平台M-HAS，采用亲水性聚合物聚乙二醇修饰少层Ti3C2Tx，以提高材料在水溶液中的稳定性，利用微波水热法将这种片材组装上较小直径的银纳米粒子(Ag NPs)，提高了该复合材料的杀菌效果，抗菌平台M-HAS研制过程如图7所示。这种杂化体系和光动力疗法结合起来表现出优异的动力协同抗菌效果。
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2.2 MXene与有机物复合
有机抗菌剂发展历程长，种类很丰富，季铵盐类、卤胺类及聚六亚甲基双胍盐酸盐(PHMB)是常见的有机抗菌剂。有机抗菌剂的抗菌机制是通过与细菌或真菌细胞膜表面的阴离子结合，破坏蛋白质和细胞膜，从而达到抑菌作用。其抗菌作用机制一般包括破坏细胞膜、蛋白质变性和抑制DNA生产以避免繁殖[78]。MXene材料已经与聚偏氟乙烯(PVDF)、聚赖氨酸(PLL)、SiO2等材料复合，使抗菌效果更显著。
Rasool等[79]于2017年报道过PVDF负载Ti3C2Tx的抗菌活性，通过在PVDF膜上涂敷Ti3C2Tx提高了膜的亲水性并减轻了膜中大孔的存在，约73%的大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和67%的枯草杆菌(革兰氏阳性菌)的活性下降。对此两种细菌产生抗菌性差异的原因是细胞壁的结构和环境条件。其抗菌机制主要是物理切割理论和氧化应激理论，并且Ti3C2Tx和TiO2材料之间的协同作用可能提高了膜抗菌活性[80]。
Rozmyslowska-Wojciechowska等[81]提出将一种具有抑菌功效的多肽PLL与Ti3C2 MXene薄片进行结合，形成混合2D Ti3C2/PLL系统，进而观察此系统的抗菌性能和其他生物性能；由于MXene表面具有负电荷，通过静电作用，可以合成具有特定功能和生物特性的混合2D Ti3C2/PLL；对2D Ti3C2 MXene薄片的初始粉末以及经PLL修饰的2D Ti3C2薄片进行了研究；结果显示，Ti3C2/PLL混合物比未修饰的MXene薄片对革兰氏阴性大肠杆菌有更高的杀菌效果，且两者都没有表现出细胞毒性。
Nie等[82]成功在金属表面制备了具有自清洁、防腐和抗菌性能的多功能复合表面涂层，这是一种“三明治”结构，其底部为化学腐蚀表面，中间为SiO2杂化硅烷层，顶部为Ti3C2杂化硅烷层，如图8所示；这种将二氧化硅纳米颗粒与MXene纳米片杂化的方法，可以提高薄膜的致密性、机械强度、耐磨性、防腐效率和抗菌性；在抗菌方面，采用平板菌落计数法研究了缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPS)/SiO2、全氟辛基三甲氧基硅烷(Fas)和Fas/Ti3C2薄膜对大肠杆菌的抗菌效果，认为抗菌效果主要来自于Ti3C2纳米片，抗菌机制是MXene产生的ROS诱导氧化应激破坏细胞膜并导致细菌死亡。
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2.3 MXene与抗生素复合
抗生素环丙沙星为合成的第三代喹诺酮类抗菌药物，具有广谱抗菌活性，杀菌效果好。Ti3C2Tx MXene具有优异的光热转换效率，也可以通过光热疗法诱导细菌细胞膜的破坏[83-85]。不少学者考虑将MXene与光热治疗(PTT)[85]、光动力疗法(PDT)[86]结合，以达到更优异的抑菌效果。Zheng等[87]针对治疗局部细菌感染制备了一种MXene杂化水凝胶；将阳离子抗生素环丙沙星(Cip)与Ti3C2Tx MXene结合，再将该复合材料引入到负载Cip的水凝胶网络结构中，该杂化水凝胶能够有效捕集和杀灭细菌，对金黄色葡萄球菌的体外杀菌力达99.99%，灭菌性能高效并且有长期的抑制作用，其和光热治疗结合时，可避免细菌反弹，达到更好的治疗效果，图9展示了这种杂化水凝胶的杀菌和抑制效果。
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3. 基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品
鉴于MXene及其复合材料优异的抗菌性能，很多学者将MXene与其他材料进行复合制备抗菌纤维、敷料等，或以其为抗菌剂对纺织品进行抗菌整理。
3.1 基于MXene及其复合材料的织物抗菌整理
与MXene相似的二维材料氧化石墨烯复合材料的织物抗菌整理方法包括静电纺丝法、浸渍法、涂层法、静电层层自组装法、化学接枝法、原位还原法等[88]。而基于MXene及其复合材料的织物整理方法中，多数采用浸渍、涂层、静电层层自组装等方法。如制备MXene改性织物时，先将MXene溶液喷涂在织物一侧，干燥后，再喷涂另一侧，然后再进行干燥[89]；或将织物放入稀释后的MXene溶液中进行浸泡，之后进行真空干燥[90]；亦或将织物置于MXene溶液中浸泡后，再用压辊处理后得到MXene/棉织物复合材料[91]等，都是学者们采用过的整理方法。
目前，MXene材料在抗菌整理织物方面，已经与棉织物、纤维素纤维非织造布、真丝等面料进行结合，并负载其他材料达到更好的抗菌效果。
Yan等[92]采用静电自组装法将壳聚糖季铵盐(HACC)与MXene纳米片结合，制成具有樟树皮微结构呼吸检测和快速光热抗菌能力的智能穿戴棉织物，图10所示为该织物的制备与应用示意图。MXene和HACC静电作用比较强，能够相互吸引使MXene排列有序，可有效调节MXene在棉织物上的沉积涂层，处理后的织物能保持棉织物的透气性和柔软性，该织物可以根据水分子在MXene多层结构的吸附和释放原理监测使用者的生理健康活动[93]；在抗菌性能方面，该织物对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌抑菌率可分别达到99.975%和99.98%，其表现出优异的抗菌性；该织物在智能可穿戴微呼吸传感和细菌感染防护方面均具有广阔的应用前景。
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Zhao等[94]开发出一种智能织物，通过浸渍工序将Ti3C2Tx纳米片沉积在纤维素纤维的非织造布上，构建了一种基于MXene的多功能织物，它可以进行呼吸检测，也可以作为低压热疗平台，在抗菌方面，还可杀死细菌促进伤口愈合，这种面料在医疗领域有很大的发展空间，图11展示了这种面料在移动保健和医疗领域的潜在应用。
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采用浸渍、喷涂等方法制备的MXene整理织物，MXene与织物间缺乏有效结合，经过长时间的使用，MXene材料会逐渐脱落，织物的抗菌性能也会逐渐降低，针对这一情况，学者们提出了利用共价键结合方式来制备MXene抗菌复合材料的方法。赵兵等[95]发明了一种MXene和Ag NPs协同的抗菌棉织物专利，Ag NPs可以通过共价结合均匀负载在MXene纳米片表面，形成MXene-Ag NPs抗菌复合材料。该复合材料的制备主要是将Ag NPs进行γ-(2, 3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷改性和MXene纳米片氨基化处理再混合，此时的Ag NPs和MXene主要靠氢键和范德华力结合，提高了MXene和Ag NPs的结合牢度，使经MXene-Ag NPs处理的棉织物抗菌作用更持久。为了使MXene与真丝面料的结合更牢固，研究者将真丝面料与氯化亚砜混合制备酰氯化真丝面料，再采用氨基化的MXene通过酰胺键结合，使MXene牢固的附着在真丝面料的表面，从而制备出具有抗菌、抗紫外线、抗电磁辐射的多功能真丝面料[96]。
3.2 MXene及其复合材料的抗菌纤维和敷料
MXene材料在生物医学领域常与其他抗菌材料进行复合制备成抗菌纤维或抗菌敷料，用于受伤部位，防止细菌感染，促进伤口愈合。
王小英等[97]发明出一种壳聚糖/MXene复合的抗菌海绵，它是通过将壳聚糖作为原料，N-(2-羟乙基)丙烯酰胺作为单体，Ti3C2Tx作为增强剂，再经过真空冷冻干燥制备得到的；这种海绵的优势是柔韧性高、多孔、短时间能够快速吸水膨胀，吸血能力强，可以对周围组织产生物理压迫，促进创面止血愈合，具有很好的医学应用前景。马贵平等[98]发明出一种具有近红外光响应的抗菌止血敷料，通过将壳聚糖与MXene混合，将壳聚糖包覆嵌入MXene的片层之间，利用静电作用形成复合材料，兼具MXene和壳聚糖的生物相容性、抗菌活性和止血功能，并且MXene还有光热效应特性，在一定频率的光照射下可以增强伤口敷料的抗菌能力；另外，设法将聚乙烯醇(PVA)、MXene和多巴胺结合，制备具有自黏附、自愈合、光响应和抗菌性能优异的运动胶体敷料。Mayerberger等[99]采用电纺技术将MXene (Ti3C2Tx)掺入壳聚糖(CS)制备纳米纤维，MXene纳米片被包裹在纳米纤维中，拥有抗菌性能并可生物降解，如图12所示；此纳米纤维膜具有高孔隙率、渗透性、吸附性和大比表面积等特性，可以成为MXene固化的载体介质；Ti3C2Tx/CS与其他电纺金属氧化物纳米颗粒和2D材料相比，无毒且较低剂量也可表现出高效的抗菌性能，使用Ti3C2Tx/CS纳米纤维制成的敷料是一种优良的抗菌创面敷料材料。
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图 12 (a) Ti3AlC2中去除铝层以产生ML-Ti3C2Tx的原理图(经过洗涤、超声处理，Ti3C2Tx薄片分离成单层)；(b) Ti3C2Tx薄片在壳聚糖(CS)纳米纤维中的取向[99]Figure 12. (a) Schematic detailing the removal of the Al layers from the Ti3AlC2 to yield ML-Ti3C2Tx that washing, and sonication then separate into individual Ti3C2Tx flakes; (b) Schematic diagram illustrating the observed orientations of Ti3C2Tx flakes within the chitosan (CS) nanofibers[99]曹美文等[100]通过将MXene和卟啉进行结合加入到海藻酸钠中制成抗菌敷料，达到伤口的抗菌功能；卟啉的光动力疗法(PDT)是用光敏药物和激光活化治疗肿瘤疾病的一种新方法，将MXene与其复合可以利用各自优点，能达到更好的抗菌效果。
Zou等[101]以姜黄素和Ti3C2Tx MXenes为载体，制备了一种新型的环氧基网络生物医用贴片，运用细菌计数法研究其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌能力；结果表明，此医用贴片对两种细菌均具有比较高的抗菌活性，这种混合生物医学贴片适用于皮肤伤口和各种溃疡的治疗。
Mao等[102]开发出基于再生细菌纤维素(RBC)和MXene(Ti3C2Tx)的多功能水凝胶创面敷料，在体外经过电刺激(ES)作用促进皮肤创面的主动愈合，如图13所示；RBC/MXene-2%(2wt% MXene)水凝胶导电率高，生物相容性、力学性能、柔韧性、生物降解性和吸水性均较好；与ES偶联的水凝胶相比，RBC/MXene水凝胶能显著增强小鼠胚胎成纤维细胞(NIH3T3)的增殖活性，加速创面愈合过程；故认为，RBC/MXene水凝胶是一种很有潜力的皮肤创面敷料，同时通过ES与水凝胶敷料的偶联，也为加速创面修复提供了一种有效的协同治疗策略。
为了增强聚合物纳米纤维的抗菌性，也可将抗菌剂与纺丝液共混，进而纺丝得到载药纳米纤维[103-105]。Xu等[106]开发出一种能够促进创面吸湿平衡和创面愈合的敷料，采用静电纺丝的方法，将阿莫西林(AMX)、MXene和PVA混合，电纺成抗菌MXene-AMX-PVA (MAP)纳米纤维膜；有研究表明，PVA纳米纤维的大比表面积可以为抗生素的负载提供更多的活性位点[107-108]；该纳米纤维膜中PVA可以控制AMX的释放，MXene可以将红外激光转化为热，导致局部热疗促进AMX的释放，这种热疗可以破坏细胞的非细胞成分，导致细菌失活；研究者还通过建立一种感染金黄色葡萄球菌的小鼠皮肤模型，验证了复合纳米纤维膜具有良好的抗菌和创面愈合能力，如图14所示为静电纺丝和抗菌治疗制备MAP纳米纤维膜的示意图。
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4. 结 论
MXene的抗菌机制主要包括物理捕获理论、物理切割理论、氧化应激理论和膜成分提取理论。其中被广泛接受的是物理切割理论和氧化应激理论，主要与MXene可以增强细胞膜的通透性、促进细胞膜破裂、降低代谢活性、尖锐边缘引起的细胞膜应力等有关。研究表明Ti3C2Tx MXene纳米片具有锋利边缘，通过物理切割损伤细菌细胞壁，导致细菌DNA的释放，Nb-MXenes的抗菌机制是物理切割损伤和氧化应激之间具有协同作用。
MXene纳米片已被证明具有一定的抗菌性，同时具有一定的生物相容性，在体内具有降解能力，不过都是基于细胞实验或短期血液检测。单纯的MXene抗菌性能并非特别优异，负载抑菌多肽、金属离子、抗菌剂、抗菌药物等材料的MXene复合材料具有更强的抗菌性。MXene材料的抗菌性可以应用于水污染处理、生物医学治疗、抗菌材料整理等，MXene复合材料还可以与其他方法如光热疗法、光动力疗法、光催化等方法进行协同抗菌治疗或水处理，达到更好的抗菌效果。
基于MXene的抗菌纺织品主要包括抗菌纤维、抗菌敷料、抗菌织物等；基于MXene及其复合材料的抗菌纺织品整理方法主要包括浸渍法、涂层法、层层自组装法等，不过若织物与抗菌剂之间缺乏牢固的价键结合，将会影响抗菌织物的耐洗牢度，因此一般可使抗菌剂与织物间产生共价键结合，以达到提高织物耐洗牢度的目的。在医疗领域，MXene常与其他抗菌材料(如壳聚糖、再生细菌纤维素、姜黄素、药物阿莫西林等)进行复合制备抗菌纤维或抗菌敷料，用于创面修复、皮肤溃疡等，防止细菌感染、促进伤口愈合等。
作为新型二维层状纳米材料，MXene自发现就备受重视，其研究与应用已涉及电学、储能、医疗卫生等领域。随着人们对身体健康和生活品质的日益重视，MXene及其复合材料在医疗卫生领域，特别是抗菌纺织材料领域的应用必将掀起研究热潮。未来对基于MXene及其复合材料抗菌纺织品的研究方向在于：(1) 采用特殊的织物功能整理方法、制备新型MXene抗菌复合材料、引入特种偶联剂等手段，提高抗菌纺织品的耐洗牢度，使其达到相关标准质量要求；(2) 探究MXene材料与其他抗菌材料的协同抗菌作用，从而不断开发出新的抗菌复合材料以达到更好的抗菌效果；(3) 研究MXene及其抗菌复合材料的生物安全性，确保其抗菌纺织品的使用安全性。
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图 2 MXene纳米片抗菌机制(MOA)的示意图[65]：(a) 纳米片与细菌细胞的相互作用导致细菌DNA的释放，最终导致细菌的解体；(b) MXene纳米片通过切割细菌细胞壁进入细菌细胞质区域
Figure 2. Schematic representation of our proposed antibacterial mode-of-action (MOA) of MXene nanosheets[65]: (a) Interactions of the nanosheets with bacteria cells result in the release of bacteria DNA and eventually bacteria dispersion; (b) MXene sharp nanosheets get into the bacteria cytoplasmic region by cutting the bacteria cell wall
PM—Peptidoglycan mesh; CM—Cytoplasmic membrane
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图 12 (a) Ti3AlC2中去除铝层以产生ML-Ti3C2Tx的原理图(经过洗涤、超声处理，Ti3C2Tx薄片分离成单层)；(b) Ti3C2Tx薄片在壳聚糖(CS)纳米纤维中的取向[99]
Figure 12. (a) Schematic detailing the removal of the Al layers from the Ti3AlC2 to yield ML-Ti3C2Tx that washing, and sonication then separate into individual Ti3C2Tx flakes; (b) Schematic diagram illustrating the observed orientations of Ti3C2Tx flakes within the chitosan (CS) nanofibers[99]
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