在生物电子材料的研究领域，
MXene
，作为一种二维纳米材料，因其卓越的离子-电子双导电机制，成为了生物界面电极的理想候选材料。MXene具有出色的导电性和可调节的表面化学特性，使其在神经信号采集、可穿戴生物传感器以及紧急医疗设备中展现出巨大的应用潜力。然而，MXene在空气中的氧化问题始终困扰着其在实际应用中的稳定性。尤其是当MXene暴露在空气中时，表面暴露的
Ti
原子容易氧化，导致其电导性显著下降，严重限制了其长期使用的可行性。
为了应对这一问题，北京师范大学刘楠教授团队联合中南大学/新疆大学欧阳方平教授团队提出了一种创新的解决方案：将
还原氧化石墨烯（rGO）与MXene结合，形成一层保护膜，显著提高MXene的空气稳定性。这一复合材料被称为rGM
。通过实验表明，rGM薄膜在空气中长达40天的暴露后，其电导率几乎未发生变化，而相比之下，纯MXene薄膜的电导率则大幅下降。这一发现表明，rGO的保护层显著抑制了MXene的氧化过程，提升了其在空气中的长期稳定性。相关工作以“An Air-Stable MXene Bio-Interfacing Thin Film Electrode”为题发表在最新一期《
Advanced Functional Materials
》上。
图1. rGM生物界面薄膜电极的设计。
通过密度泛函理论（DFT）计算分析了rGM薄膜的增强机制。DOS计算显示，rGM在费米能级附近的态密度高于纯MXene，证明了rGO@MXene异质结构增强了复合电极的电荷转移能力。此外，计算还发现，rGM比纯MXene表面更疏水，这使得rGM在空气中的稳定性更好，减少了氧化的风险。总的来说，rGM通过rGO的保护层提升了MXene的稳定性和导电性能，既科学又实用。
图2. 理论计算表明rGM薄膜的空气稳定性和电荷传输能力提升。
rGM薄膜（约60 nm）能够紧密贴合皮肤表面，其超薄特性使其具有优异的可穿戴性。与传统的商业Ag/AgCl电极和MXene薄膜电极相比，rGM薄膜电极在电极/皮肤界面的阻抗较低，显示出更高的电荷转移效率。且在长时间佩戴后不会在皮肤上留下残留物，也不易积热，表现出良好的透气性。rGM薄膜电极在长期空气暴露下仍保持稳定的界面阻抗，优于Ag/AgCl和MXene电极，能够长时间有效监测神经电生理信号。
图3. rGM薄膜电极具有空气稳定的电极/皮肤界面阻抗。
自动体外除颤器（AED）在急救中至关重要，但传统凝胶电极长期稳定性差，存在副作用。研究提出了rGO@MXene@rGO异质结构的干电极材料，具有高离子-电子传输能力和优异的空气稳定性，能大规模生产不同尺寸的电极。测试表明，该电极再刺激前后都能准确检测正常和室颤的心电信号。rGM薄膜电极凭借其卓越的电荷传输能力和长期稳定性，成为AED电极的理想选择，有望显著提高急救效果，提升患者生存率。
结语：
通过rGO的保护层，MXene材料在生物界面薄膜电极领域的应用得到了进一步拓展，尤其是在要求高稳定性和高精度信号采集的场合。这种新型rGO-MXene复合薄膜不仅展示了MXene在生物电子材料中的潜力，也为未来可穿戴医疗设备、紧急医疗设备和生物传感器的研发提供了新的思路和解决方案。随着材料科学的不断进步， MXene及其复合材料将在未来的医疗和健康监测中发挥更加重要的作用。
本工作受国家重点研发计划项目（2024YFF0509300），国家自然科学基金（22275022, 22072006），新疆维吾尔自治区自然科学基金重点项目（2023D01D03）、自治区天池特聘教授科学基金、自治区智力援疆创新拓展计划项目的资助。
