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最新成果！北航&北大再发《Nature》！高性能纳米复合薄膜材料的连续化制备

材料学网 · 公众号 · · 2024-11-03 21:06

正文

二维纳米材料

在 航空航天、柔性 电子、 生物医学 中

具有广泛的应用前景

但 连续化组装 工艺

成为了制约发展的“绊脚石”

近日，北航在这一领域

取得创新性成果

北京航空航天大学化学学院

程群峰教授 课题组与合作者

在 二维纳米复合材料连续化制备及

骨再生应用研究领域 取得了最新进展

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》，基于此，北京航空航天大学程群峰教授、北京大学口腔医学院邓旭亮教授（共同通讯作者）等人报道了一种可扩展的策略，即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，其在近红外照射下提供良好的光热转换和成骨效率。

（1）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-1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。

（2）所制备的MXene（S-SBM）薄膜具有高度排列和致密的特性，具有较高的抗拉强度（755 MPa）、韧性（17.4 MJ m-3）和电磁干扰（EMI）屏蔽能力（78000 dB cm2 g-1），以及良好的环境稳定性、光热转换和骨再生性能。该策略不仅为实现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可行的道路，而且为其他二维（2D）薄片的高性能和可扩展组装提供了途径。

发展具有骨再生微环境调控作用的高强度自支撑新型材料是实现高效、安全促成骨的关键策略，具有重要的临床意义和经济价值。目前，临床应用的骨再生引导膜材料虽然具备一定的机械强度，但是不具备调控成骨微环境作用，包括清除活性氧/活性氮（ROS/RNS）等促炎相关分子，限制了其成骨效果。因此，亟待开发兼具骨再生微环境调控作用和力学自支撑的新型材料。碳化钛MXene纳米片具有优异的力学、纳米酶活性、光热转换和生物相容性，是制备高性能纳米复合材料的理想基元。如何将MXene纳米片连续化组装成宏观高性能纳米复合材料，并深入探究其骨再生机制，是实现骨再生应用亟需解决的关键科学问题。

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）。规模化制备有序交联的MXene（S-SBM）薄膜具有高拉伸强度（755 MPa）和韧性（17.4 MJ m-3）,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

本研究链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08067-8

程群峰教授课题组网站链接：

http://chengresearch.net/zh/home-cn/

再和小萱一起认识一下

优秀的作者们——

陈英

北京大学口腔医学院副研究员。2015年在中山大学光华口腔医学院获得口腔医学学士学位，2021年在北京大学口腔医学院获得口腔医学博士学位，导师为姜婷教授，2021~2024北京大学博雅博士后，合作导师为邓旭亮教授。与北航江雷院士和程群峰教授团队保持长期合作，主要从事仿生纳米复合材料在骨再生领域的应用研究，以第一作者在Nature（1篇），Science（1篇），Nat. Mater.（1篇），Nat. Commun.（1篇），Matter（1篇），Adv. Funct. Mater.（1篇）等国际知名期刊发表9篇SCI论文。入选“中国博士后创新人才支持计划”，作为课题负责人主持国家自然科学基金青年科学基金、中国博士后科学基金面上项目一等资助和北京大学临床医学+X青年专项项目。获得北京大学医学部和北京大学优秀博士后、北京大学优秀科研奖、中华口腔医学会青年科学家报告一等奖等荣誉。

万思杰

北京航空航天大学化学学院副教授。2010~2019在北航先后获得学士和博士学位，师从江雷院士和程群峰教授，2019~2022北航卓百博士后，合作导师为吕广宏和程群峰教授。长期从事仿生二维纳米复合材料研究工作。以第一作者在Nature（1篇）， Science （ 1篇）， Nat. Mater. （ 1篇）， Nat. Commun. （ 1篇，PNAS （ 2篇）等期刊发表24篇SCI论文，他引2600余次，H因子21，授权9项中国发明专利。获北京市科技新星计划、博士后创新人才支持计划、中国科协优秀中外青年交流计划等人才项目的资助，获小米青年学者、2DM新锐青年科学家奖、中国新锐科技人物杰出成就奖、中国复合材料学会优秀博士学位论文、宝钢优秀学生特等奖、北京市优秀毕业生等荣誉，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金、中国博士后基金面上资助等项目。

邓旭亮

北京大学口腔医学院教授、主任医师，第十四届全国政协委员，中国医学科学院学部委员，北京大学口腔医学院院长，北京大学跨学部生物医学工程系常务副系主任。全国创新争先奖获得者，享受政府特殊津贴。国自然科学基金创新研究群体项目负责人，国家杰出青年基金获得者，国家级人才。科技部重点研发项目首席科学家。教育部“高等学校科学研究优秀成果奖”科技进步一等奖1项，中华口腔医学会科技奖励一等奖1项，华夏医学科技奖科学技术奖一等奖1项。获全国优秀科技工作者称号，光华工程科技奖青年奖。

现任国家口腔医学中心主任，口腔生物材料和数字诊疗装备国家工程研究中心主任，国家药品监督管理局口腔材料重点实验室主任，国家口腔疾病临床医学研究中心副主任。在口腔生物修复材料领域取得了一系列原创性的研究成果，以通讯作者在Nature、Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文200余篇，引用6000余次，授权中国发明专利50余项。所研发的新型牙齿与颌骨修复材料取得系列国药局III类医疗器械注册证。

程群峰

北京航空航天大学化学学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。致力于高性能纳米复合材料的仿生设计与构筑研究，发现了纳米复合材料性能提升的关键科学问题，开发了绿色低碳制造纳米复合材料的新策略，创制了高性能纳米复合材料，取得原创性成果，为其应用奠定了理论基础。获科学探索奖、美团青山科技奖、北京市杰出青年中关村奖、茅以升北京青年科技奖、中国化学会青年化学奖等。担任中国复合材料学会纳米复合材料分会常务副主任；Chinese Chemical Letters、Biomaterials Advances、Giant等期刊编委。以通讯作者在Science (3篇），

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