The Innovation | 二维单元素纳米片与水凝胶将擦出怎样的火花？

导 读

二维单元素纳米片（Xenes）具有高比表面积、优良的生物安全性、金属导电性以及可调谐的电化学性质。水凝胶在组织工程、柔性储能、传感器以及生物医学领域具有广阔的应用前景。将二维单元素纳米片和水凝胶结合起来，对制备高性能的多功能水凝胶具有重要意义。本文从多个角度综述了二维单元素纳米片水凝胶的合成、性能及应用。

图1 二维单元素水凝胶的优越特性及应用

水凝胶通常是由亲水性聚合物和水组成的三维网络，具有膨胀性、透光性、柔软性、生物相容性和易改性等特点（图2左上）。水凝胶在日常生活和生物医学领域中具有极大的实用价值。然而，水凝胶聚合物之间的相互作用较弱，无法保持延展性和稳定性。水凝胶可以为其他材料提供附着点，作为很好的载体。为了进一步提升水凝胶性能，通常将不同的材料加入到水凝胶基质中。

由于二维平面内载流子的受限迁移和热扩散，二维材料的介入是改善水凝胶性能和扩大其应用范围的有效方法。一方面，由于Xenes具有的原子级厚度，显示出优异的物理和化学反应活性，如电学、光学、磁学和催化性质（图2左下）；另一方面，从其单元素组成来看，Xenes与其他二维材料相比具有优异的性能和广泛的应用前景。

首先，Xenes中X原子的杂化形式是sp2或sp3，使Xenes结构简单，可预测、可控制和可感知；其次，Xenes还可以通过改变其结构来调整其性质。此外，Xenes组分简单，降解只产生有限或无害的产物，有助于保护环境和实现高生物兼容性。但Xenes在反应中受限、在嵌入3D基质中缺乏稳定性等问题限制了其应用范围，因此，学界尝试将新兴的Xenes引入水凝胶网络中，即利用三维水凝胶作为二维Xenes的支架，提高水凝胶的性能，拓展其应用空间。如图2右侧所示，Xenes和水凝胶的结合能够有效提升其性质。

图2 水凝胶、单元素纳米片和单元素纳米片水凝胶的主要特性

本文综述了基于Xenes材料的凝胶的成胶机理、性能及应用进展，重点展望了Xenes水凝胶在不同领域的发展前景。值得一提的是，由于Xenes水凝胶具有可调节的机械性能、出众的电学和光学特性、生物相容性和生物可降解性，被广泛应用于生物医学领域，包括癌症治疗、组织工程和伤口愈合等（图3）。在Xenes水凝胶中，Xenes是功能组分，水凝胶则是支架。Xenes水凝胶因其出色的装载能力和可控释放，可作为药物递送系统。由于其良好的生物相容性、柔软的结构和适当的机械强度，Xenes水凝胶可调整为各种剂型，通过鼻给药、口服给药、经皮和皮下注射等方式进行药物递送和控制释放。

图3 单元素纳米片水凝胶在医学领域的主要应用

总结与展望

近年来，各种Xenes水凝胶迅速涌现，为搭建复杂、强大的多功能平台提供了可能。本文对Xenes水凝胶的合成方法、性能及应用进行详细的综述。总结了各种合成方法的一般特点和优缺点，供研究人员根据不同的需要进行选择。详细介绍新兴Xenes水凝胶的一般和特殊性质，并与传统水凝胶进行比较，阐明它们的优势和面临的挑战。作为一种新型功能材料，期待更多的学者们参与进来，拓宽该类型材料的应用范围，推动其发展。

责任编辑

张维敏  北京大学肿瘤医院

于伟利  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00123-0

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第六期以Review发表的“The marriage of Xenes and Hydrogels: Fundamentals, Applications, and Outlook” (投稿: 2022-06-14；接收: 2022-08-22；在线刊出: 2022-09-22)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100327

引用格式：Kang Y., Zhang H., Chen L., et al. (2022). The marriage of Xenes and Hydrogels: Fundamentals, Applications, and Outlook. The Innovation. 3(6),100327.

作者简介

冯 婵，浙江大学医学院附属邵逸夫医院呼吸内科医师。近五年在Adv. Mater.，Matter（Cell Press），Bioact. Mater.等期刊发表论文27篇，其中第一/通讯作者SCI论文9篇。主持国家自然科学基金青年科学基金项目1项，浙江省卫健委青年创新项目1项。

姬晓元，天津大学教授、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，天津市“海河英才”计划入选者，天津大学北洋英才计划入选者。智能材料与生物制造实验室负责人。在Nat. Commun.、Sci. Transl. Med.、PNAS等学术期刊发表论文60余篇。主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目、青年科学基金项目、省市科技项目等10余项。

陶 伟，哈佛大学附属布莱根妇女医院Farokhzad Family杰出讲席教授（Endowed Chair）、哈佛大学医学院助理教授，科睿唯安全球“高被引科学家”（2021年起）。近四年来以最后通信作者身份在Nature Rev. Mater., Nature Med., Nature Nanotechnol.等期刊上发表论文60余篇，多数论文入选封面论文、Web of Science高被引论文或热点论文。

https://scholar.harvard.edu/wtao/bio

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球48个国家/地区；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被108个国家/地区作者引用。目前有195位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，33位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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