基于MXene的纳米酶因其潜在的环境和生物医学应用而受到了广泛关注。这些材料具有易于调节的催化性能和物理化学特性，使其适合作为具有高选择性/灵敏度和效率的(生物)传感器。具有合适导电性、生物相容性、大表面积、光学/磁性和热/机械特性的MXene基结构，可用于设计具有面积依赖性电催化性能的创新纳米酶。尽管取得了一定的进展，但基于MXene的纳米酶还有待研究，尤其是在医疗和保健应用中，过氧化物酶的活性、敏感性、选择性可能限制了原始MXenes的进一步实际应用。因此，仍需开发有效的表面工程策略来制备具有优异活性的多功能MXene基纳米酶。为了获得具有独特物理化学特性和高稳定性的MXene基纳米酶，必须进行一些关键操作，如杂交和修饰。值得注意的是，(纳米)毒理学和长期生物安全分析以及临床转化研究仍需全面关注。
MXene-Based Composites as Nanozymes in Biomedicine: A Perspective
Siavash Iravani*, Rajender S. Varma*
Nano-Micro Letters (2022)14: 213
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00958-7
1. 开发具有比天然酶更低的制造成本、更高的催化稳定性和易于修饰的纳米酶备受关注。
2. MXene基纳米酶由于其独特的催化和物理化学性质，在生物和纳米医学领域引起了广泛关注。
帕拉茨基大学(Palacky University)Rajender S. Varma等讨论了MXene基纳米酶的治疗、诊断和应用，重点关注了其未来实现临床转化研究的应用前景。此外，还强调了MXene基纳米酶应用的最新生物医学进展、发展挑战和未来前景。MXene基纳米酶的优异特性，使其在生物和纳米医学的应用迎来了重要的新机遇。I 生物医学前景
1.1 治疗
MXenes已用于开发基于纳米酶的催化剂，在生物治疗和免疫分析领域性能优异。值得注意的是，具有固有光热活性和适当光稳定性(在激光照射下)的MXenes显示出等离子体增强的光催化特性，这使它们成为有效光响应纳米药物的候选。例如，通过构建由MXenes(Nb₂C)、Pt纳米酶、抗癌药物(阿霉素)和肿瘤细胞膜组成的仿生光诱导等离子体组装体，是基于等离子体增强纳米酶的制备新策略(图1)。在同源靶向并内化到肿瘤细胞中后，在NIR-II激光照射下，热电子可以从MXenes中激发，促进Pt纳米酶的过氧化氢酶和氧化酶性能，以与肿瘤穿透光热纳米治疗协同形成O₂和活性氧(ROS)。此外，在高热和酸性条件下，阿霉素的释放通过抑制P-糖蛋白介导的ROS和O₂引起的药物外排而增强。与原始纳米酶相比，这种基于MXene的纳米酶可以有效降低HeLa细胞的活力(~ 38.67%)，提供了一种具有改进的肿瘤抑制的基于纳米酶的新治疗策略。
图1. A 在NIR-II生物窗口(体内)中用于靶向癌症纳米治疗的仿生光诱导等离子体组装的制备过程；B 铂纳米酶的过氧化氢酶和氧化酶样性能；C 药物释放和肿瘤抑制的相关机制(I–V)。M MXene、DOX阿霉素。
为了克服肿瘤微环境中纳米酶的低活性问题，构建了具有光增强双酶性能(促进过氧化氢酶和过氧化物酶)的MXene(Ti₃C₂)/CeO₂聚乙烯吡咯烷酮纳米复合材料，用于协同肿瘤治疗(图2)。可减轻肿瘤微环境中的缺氧，升高氧化应激，还表现出了降解谷胱甘肽以改善肿瘤消融的优异能力。这些纳米酶可以通过肿瘤微环境中过氧化氢(H₂O₂)的催化分解产生大量·OH，导致肿瘤细胞凋亡。光热效应和双酶样功能可以改善肿瘤纳米治疗(肿瘤生长的抑制作用是 ~ 92%)，为高效的纳米酶催化治疗提供了重要参考。类似地，通过加热以及ROS、O₂形成和谷胱甘肽还原的增加，对肿瘤进行光热消融可以缓解肿瘤的缺氧，并促进负载MnO₂纳米酶的MXenes的催化治疗。这些纳米系统可用于双峰光热化学动力学癌症治疗，具有良好的生物相容性和高效的肿瘤消融。
图2. 具有光热效应、强催化活性和谷胱甘肽降解能力的MXene(Ti₃C₂)/CeO₂聚乙烯吡咯烷酮纳米复合材料显示出适用于高温增强肿瘤联合治疗(体内)。DMSO：二甲基亚砜、PTT：光热疗法、GSH：谷胱甘肽、PVP：聚乙烯吡咯烷酮。
由2D碳化钒(V₂C)MXene构建的基于MXene的纳米酶(命名为MXenzyme)可以作为硫醇和谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶、卤代过氧化物酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的显著多功能无机类似物，模拟天然存在的酶以及细胞内抗氧化防御系统，以对抗由ROS介导的严重氧化损伤，如脂质过氧化、DNA损伤和蛋白质羰基化。MXene基纳米酶表现出了高生物相容性(体外和体内)，并对氧化应激具有有效的细胞保护作用(体外)，引入MX酶用于氧化还原稳态而不干扰内源性抗氧化状态。然而，未来的探索应侧重于减轻ROS介导的损伤，为神经退行性疾病以及ROS介介导的损害/炎症的体内治疗铺平道路(图3)。由于酶介导的肿瘤部位ROS的增强是调节细胞内氧化还原状态以治疗癌症的有效技术之一，设计了一个伪装仿生级联酶纳米反应器，部署了MXene(Ti₃C₂)纳米片，用于联合肿瘤光疗/酶动力疗法以及脱氧活化化疗(缺氧活化化疗)。将氯过氧化物酶和葡萄糖氧化酶的化学缀合在负载有替拉帕胺(一种抗癌药物)的MXene纳米片上。设计的MXene基纳米复合材料可以嵌入具有高表达CD47(meTGCT)的纳米尺寸癌细胞起源的膜囊泡中。在将纳米系统内化到肿瘤细胞中后，葡萄糖氧化酶和氯过氧化物酶的级联反应产生次氯酸(HClO)，用于高效的酶动力学治疗。此外，激光照射加速了催化反应的速度，并增加了单线态氧(¹O₂)的形成。值得注意的是，局部缺氧环境和酶动力疗法导致的缺氧激活了化疗的脱氧敏感前药。
图3. A V₂C-MX酶用于治疗ROS介导的损伤，其可以有效催化V₂C-O₂。−· 将H₂O₂分解为O₂和H2O，并消除·OH；B MX酶的超氧化物歧化酶(SOD)样性能的相关机制；C MX酶的过氧化氢酶(CAT)样性能的相关机制；D MX酶谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)样性能的相关机制。POD：过氧化物酶、NADP：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸、GR：谷胱甘肽还原酶；GSSG：氧化型谷胱甘苷；GSH：还原型谷胱甘肽。
1.2 诊断
MXenes(Ti₃C₂Tᵪ)与碱性磷酸酶的组合可以利用1-萘基磷酸盐作为底物提供级联催化放大技术，从而实现高效的电化学信号放大(图4)。在2D平面上，MXenes(Ti₃C₂Tᵪ)显示出合适的面积依赖性苯酚吸附，以高效催化电化学氧化(如酚类化合物的氧化)。此外，在具有生物传感应用的电极上，MXene被进一步用金(Au)纳米颗粒(NP)修饰以固定DNA捕获探针。基于该技术设计的电化学生物传感器被进一步用于检测BCR/ABL融合基因，从而获得了极高的灵敏度(~ 0.2 fM-20 nM)，检测限(LOD)降至~ 0.05 fM。该生物传感器在特异性检测融合基因以初步识别急性淋巴细胞性白血病和慢性粒细胞性白血病方面表现出优异的潜力。此外，利用钯(Pd)、铂、非金属元素(硼和磷)、MXenes和CuCl₂纳米线制作了无酶电化学免疫传感器，用于特异性检测尿液中的肾损伤分子1。这些具有大表面积和优异的过氧化物酶样催化性能的基于MXene的纳米复合材料在H₂O₂存在下表现出较好的分析活性。值得注意的是，将CuCl₂纳米线与生物相容的Au NP结合以改变玻璃碳电极，并制备了具有良好线性响应(0.5–100 ng mL⁻¹)的出色电化学性能的夹心型电化学免疫传感器， 检测限为86 pg mL⁻¹，从而为临床诊断提供具有高特异性/选择性的生物传感器。
图4. 由6-巯基己醇(MCH)、Au-NPs、MXene(Ti₃C₂Tᵪ)和玻碳电极(GCE)构建的电化学生物传感器的工作原理。
MXene基纳米复合催化剂被设计用于细胞内生物传感。在一项研究中，使用Au、Pt和Ti₃C₂Cl₂组装基于MXene的纳米复合材料，提供了过氧化物酶和氧化酶模拟活性。它们作为比率型检测平台，用于原位检测HeLa细胞释放的H₂O₂(检测范围 = 50–10000 μM，LOD = 10.24 μM)和谷胱甘肽的比色识别(检测范围 = 0.1–20 μM，LOD = 0.07 μM)。此外，基于MXene(Ti₃C₂Tᵪ)衍生的TiO₂/碳量子点的纳米系统是通过水热处理微小且很少分层的MXene纳米片来制备的，用于特定的基于纳米酶的比色法。碳基体表面TiO₂中的氧空位促进了溶液中O₂的吸附，并产生ROS，在不存在H₂O₂的情况下快速氧化3，3′，5，5′-四甲基联苯胺。在插入谷胱甘肽后，氧化形式的3，3′，5，5′-四甲基联苯胺能够恢复为3，3’，5，5'-四甲基联苯胺，导致UV/Vis吸光度值降低(在652 nm处)。这种基于纳米酶的测定显示出改进的特异性和优异的灵敏度，LOD为~ 0.2 μM，从而为生物培养基(如人血清)中谷胱甘肽的特异性检测打开了新的窗口。
MXenes已被应用于蛋白质的无标记和比色传感。值得注意的是，MXene纳米片的固有过氧化物酶样性能可以通过单链DNA(ssDNA)在其表面的吸附而提高。使用MXene纳米片(作为过氧化物酶模拟纳米酶)和ssDNA适配体(作为酶性能的增强因子)，设计了一种简单的无标记传感策略，用于生物分子(凝血酶作为模型)的特异性比色识别。由于精确的靶适配体结合，ssDNA适配体在靶生物分子存在下从MXene纳米片上解吸，从而降低了催化性能。设计的生物传感器(线性范围： 1 × 10⁻¹¹–1.0 × 10⁻⁸ M)在对真实血液样品进行测试后显示出令人满意的结果，这表明MXenes可以被认为是靶向检测生物分子的有前途的纳米酶。此外，引入了基于CRISPR-Cas12a的比色生物传感器，通过应用探针DNA调节MXene探针DNA银(Ag)/Pt纳米杂化物的催化性能来特异性检测乙型肝炎病毒(图5)。Cas12a反式切割性能可以在存在乙型肝炎病毒靶标的情况下被成功激活以降解DNA探针，从而抑制吸附在MXene上的DNA金属化和酶活性增强剂DNA，从而获得高度降低的催化性能。这种具有高灵敏度/特异性、高精度和稳定性的比色传感策略可以与智能手机平台相结合，以高灵敏度可视识别目标DNA。
图5. 基于CRISPR-Cas12a的比色生物传感器的原理设计用于使用具有催化性能的MXene探针DNA Ag/Pt纳米杂交物特异性检测乙型肝炎病毒(HBV)DNA。TMB:3,3ʹ，5,5 \697-四甲基联苯胺。
氮和硫共掺杂的MXene(Ti₃C₂)纳米片具有优异的过氧化物酶样活性和电化学活性，用于构建用于尿酸敏感检测的比色和电化学联合传感平台。结果表明，氮和硫掺杂提供了额外的活性位点，提高了电子传输效率，提供了具有良好分析性能的平台。尿酸的特异性检测范围为2-400 μM，检测限为~ 0.19 μM。此外，MXenes的猝灭性能通过其与UiO-66金属-有机框架中的单原子点钴(Co)催化剂的组合使用来说明，该催化剂用于在免疫色谱测试条平台上开发心肌肌钙蛋白I的免疫测定技术。这些Co单原子点催化剂对鲁米诺化学发光有显著的增强作用。结果，心肌肌钙蛋白I定量的动态范围为~ 1.0–100 pg mL⁻¹，LOD为~ 0.33 pg mL⁻¹。
1.3 治疗诊断学
构建了基于MXene(V₂C)的纳米酶，具有治疗缺血性中风的治疗潜力；这些纳米酶表现出了通过清除ROS对缺血性中风产生神经保护作用的优异能力(图6)。通过蚀刻和分层工艺制造的MXenes展示了固有的多酶模拟特性和优异的抗氧化能力，以催化有毒/有害的O₂⋅−转化为无毒的水和氧分子，并清除剧毒的·OH，显著抑制ROS的升高。这些基于MXene的纳米酶通过抗炎、抗凋亡和抗氧化作用保护中枢神经系统免受缺血性中风损伤，但没有明显的毒性或副作用。另一方面，它们可以作为体外/体内磁共振成像(MRI)的造影剂，提供基于MXene的治疗纳米酶，对ROS相关的脑疾病或其他ROS相关炎性疾病具有优异的治疗效果。Zhu等人在MXene(Ti₃C₂)纳米片上修饰Pt人工纳米酶，以获得用于光热应用的纳米复合材料。Pt NPs在肿瘤微环境中表现出过氧化物酶样活性，以催化(原位)H₂O₂生成羟基自由基(·OH)，刺激细胞凋亡和坏死。值得注意的是，这些纳米复合材料在低功率密度(0.75 W cm⁻²)的NIR-II光照射下显示了合适的光热效应。由于Ti₃C₂Tᵪ的光热效应导致温度升高，过氧化物酶样活性得到了高度提高，从而提供了具有光声成像益处的协同光热/酶治疗。
图6. 基于MXene(V₂C)的纳米酶具有内在的多酶样性能，作为治疗缺血性中风的治疗纳米平台，通过减轻氧化应激、抑制细胞凋亡和减少炎症。HF：氟化氢；PVP：聚乙烯吡咯烷酮；MR：磁共振。
II 生物安全性
MXenes及其衍生物应用广泛，但其毒性和潜在的环境风险仍应进行系统分析。尽管已经引入了几种生物相容的MXene基复合材料，但仍需要进行更多的探索，以对其毒性和生物安全问题进行全面的体外/体内评估。在此背景下，毒理学、细胞毒性和生物相容性是生物医学中基于MXene的纳米酶临床转化的关键方面。总的来说，这些物质的物理化学特征以及它们在靶位点的细胞相互作用和积累可以显著影响它们可能的毒性作用。因此，非常需要系统的毒理学和细胞毒性评估(体外和体内)以及临床翻译研究，尤其是关于其内吞、ROS/氧化应激、渗透/附着、DNA损伤、细胞凋亡、炎症反应等。据揭示，MXenes对斑马鱼胚胎模型(体内)产生毒性，具有剂量依赖性行为；然而，在100 μg mL⁻¹时，未检测到明显的致畸作用。另一方面，神经毒性评估表明，MXenes在50 μg mL⁻¹时对神经肌肉活动没有明显的毒性作用。它们被归类为浓度低于100 μg mL⁻¹的无毒结构，根据鱼类和野生动物管理局的急性毒性分级表。
已经评估了MXenes在胚胎早期可能的毒性作用。MXenes可能对胚胎发生的早期阶段产生不利影响，因为~ 46%的MXene暴露胚胎在暴露后1-5天内死亡。孵育5天后，它们抑制了胚胎绒毛尿囊膜的血管生成，表明这些结构在胚胎发生早期可能具有毒性；然而，还需要更多的探索来解决相关的毒性机制，以及它们的长期生物安全性、生物降解性、生物相容性、分散性和溶解度等关键方面。在一项研究中，在对MXene(Ti₃C₂)-大豆磷脂结构进行血液相容性和排泄分析后，未发现明显的急性毒性和高组织相容性；这些物质通常通过粪便和尿液排出体外，排泄总量为~ 10.35%。此外，在对表面官能化的MXenes进行生物相容性评估后，在血液学指标、行为、生化因子和受检小鼠体重方面未发现明显缺陷，显示无慢性病理毒性作用。用大豆磷脂官能化的MnOx/MXene(Ti₃C₂)复合材料显示出更好的稳定性以及高的生物相容性和分散性，从而为临床目的引入了合适的候选材料。III 挑战和前景
除了毒性和生物安全问题外，表面改性/功能化、无害环境的合成技术、优化条件和大规模生产是需要进一步探索的重要挑战性问题。浓度和化学结构等几个关键参数可以显著影响MXenes及其复合材料的光学、机械、电子、磁性和热性能。应进一步探索设计具有高产率和低成本效益的简单、低成本、环保的合成技术，特别是寻找MXenes及其衍生物在临床和生物医学应用中的实际应用和商业可行性。应考虑到有关MXenes稳定性及其可能的氧化或聚集的挑战性问题。使用合适的官能团进行表面官能化也有助于提高MXenes的稳定性。
使用聚合物、碳材料和其他无机材料的适当杂交可以显著提高MXene基复合材料的稳定性和功能性。为了减少或防止氧化分解，需要优化与合成和储存条件有关的关键参数(例如pH、储存介质、温度和水分散体浓度)。值得注意的是，为了改善这些结构的生物相容性、药代动力学和生物降解性，研究应侧重于环境友好的合成方法(使用更安全和无害的试剂)、MXenes与生物相容和生物降解聚合物(如纤维素或壳聚糖)的杂交以及反应/合成条件的优化。在其表面具有丰富官能团的原始MXene的表面官能化，部署共价和非共价修饰，也有助于改善MXenes的靶向特性(选择性/特异性)、氧化/热稳定性和生物相容性，从而避免靶外效应和不期望的缺陷(如聚集或积累)。在此背景下，表面终止的控制、使用小分子的表面修饰、表面引发聚合和单杂原子方法是MXenes表面官能化的一些引入策略。
对于MXene及其复合材料的大规模生产，研究需要重点优化合成/反应条件及其重复性，以避免结构缺陷，并生产具有优异环境稳定性、强健酶活性、可回收性、合适的催化性能和高特异性/选择性的MXene-based纳米酶。此外，在将实验室合成转化为工业规模的过程中，简单性、环保可持续性和成本效益是至关重要的问题。尽管引入了多种合成技术，如溶剂热处理、煅烧程序、静电自组装、水热合成、机械/超声混合、化学气相沉积等，但仍需要关注生产的产率、可行性分析、最终产品的稳定性、化学剂的生物安全以及过程的再现性。一些技术，如机械/超声混合策略，显示了制造MXenes的有趣的简单性。同时，利用静电自组装和水热/溶剂热技术合成了具有迷人性质的MXenes。已经介绍了几种蚀刻方法，如酸蚀刻、电化学蚀刻和熔盐蚀刻。在基于湿法蚀刻工艺的合成技术中，不同的蚀刻剂如氟化氢、氟化锂、氯化锌等被用于制造MXenes及其衍生物。通过辅助超声、快速冷冻和机械研磨技术的分层程序可以有效地用于制造单层和多层MXene。然而，低稳定性和氧化倾向是MXenes蚀刻和分层的关键挑战。在这方面，仍然需要解决蚀刻工艺的浓度和持续时间的调整；较高的温度、较差的结晶度、纯度要求和高能耗是大规模生产MXene需要解决的关键挑战性问题；根据外部应变和MXenes晶体和薄膜中的层数，可以创造性地调整它们的性质。可以考虑采用化学气相沉积技术生产具有高质量和无缺陷结构的MXenes，但必须经过优化工艺，因为这些技术可能存在合成产率低和处理程序复杂的问题。
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帕拉茨基大学(Palacky University)
光催化、合成、环境科学，高效的污染物绿色修复技术，纳米光催化剂组装的绿色方法以及磁性可回收纳米光催化剂在良性介质中的可持续应用。
Rajender S.Varma(H-Index 113)，是多家国际期刊编辑顾问委员会的成员。曾获得国际先进材料协会(IAAM)先进材料科学与技术杰出贡献奖章ORD可持续发展奖，卓越服务银奖，美国环境保护局科学和技术成就奖，美国环境保护局国家风险管理研究实验室奖等多项荣誉。共发表科学论文710多篇，授予美国专利17项，文章总引用量达48,400次。▍Email:Varma.Rajender@epa.gov
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Isfahan University of Medical Sciences
纳米材料和绿色纳米技术、分析化学、绿色合成、绿色化学、纳米粒子合成、癌症纳米技术和药物输送系统。
▍Email:siavashira@gmail.com▍个人主页:https://www.researchgate.net/profile/Siavash-Iravani
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Nano-Micro
Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer
Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article,
review, communication, perspective, highlight,
etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为
23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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