引导骨再生（GBR）技术广泛应用于牙种植前的骨增量手术，以解决骨量不足问题。其原理是借助屏障膜的物理阻隔作用，阻止牙龈结缔组织过快占据缺损区域，同时保护血凝块、维持成骨所需的微环境，引导骨组织优先再生。屏障膜被认为是决定 GBR 治疗临床效果的关键因素。目前临床应用中，可吸收胶原膜易塌陷导致成骨不足，而钛网等不可吸收材料又面临感染与二次手术风险。因此，屏障膜材料的选择仍是GBR技术优化的关键挑战。
北京航空航天大学生物与医学工程学院、国家医学攻关产教融合平台、生物力学与力学生物学教育部重点实验室、北京生物医学工程高精尖创新中心以及高端医疗装备与器械工信部重点实验室的樊瑜波教授团队，针对目前商业化屏障膜材料的不足，成功开发了一种具有优异力学性能的可降解Zn基GBR膜。该团队通过原位自发还原/组装策略在Zn金属表面制备了Nb2C MXene涂层，显著优化了Zn金属的降解性能并增强了其抗菌和成骨活性（图1）。在大鼠皮下感染模型中，MXene涂层Zn在生物安全温度（<50 °C）下实现了良好的抗菌效果，同时促进了抗炎因子IL-10的体内表达，创造了良好的免疫微环境。该研究工作以“Fabrication of Nb2C MXene coated zinc for improved degradation, antibacterial activity, and osteogenesis for guided bone regeneration applications”为题发表于国际权威期刊《Journal of Materials Science & Technology》。该论文通讯作者为樊瑜波教授与顾雪楠副教授，第一作者为博士研究生汤红艳，北京航空航天大学为第一完成单位。
图1. MXene涂层Zn制备和生物功能示意图
本研究通过原位自发还原/组装策略在纯Zn表面沉积了不同浓度的MXene。MXene纳米片表面的含氧基团与Zn之间存在很强的相互作用，使其能与Zn基底紧密结合。在临床应用中，GBR膜通常需要弯曲和塑形以匹配患者骨缺损区域的轮廓。因此，通过弯曲实验、划格法和微划痕法表征了MXene涂层与Zn基底的结合强度。弯曲后，ZM5和ZM10的涂层保持完整，而ZM15涂层出现裂纹。ZM10样品的MXene涂层对Zn基体表现出优异的附着力，结合强度为4810 mN，划格测试后几乎没有脱落或分层，达到了0级标准（图2）。涂层与Zn基底良好的结合强度和抗弯曲开裂性能可以有效防止手术过程中涂层的开裂和脱落。
图2. MXene涂层与Zn基底的结合强度
MXene 涂层可以高效、快速地吸收NIR-II区的光子，从而产生电子激发并将光能转化为热能。随沉积MXene分散液浓度的增加，MXene涂层Zn的光热转换效率提高。激光开/关循环实验表明MXene涂层的光热响应具有良好的稳定性，具有作为耐用光热剂的潜力。MXene涂层作为一种非酶抗氧化剂，在NIR-II作用下，其氧化还原特性能够广泛清除各种类型的自由基，进而有效缓解自由基相关的组织损伤（图3）。
图3. MXene涂层的光热响应特性和自由基清除活性
降解对于Zn基GBR膜至关重要，因为它不仅损害机械完整性和屏障功能，还可能导致Zn2+的快速释放，影响骨再生过程。MXene纳米片在Zn表面有序堆积，形成了密集的物理屏障，产生的迷宫效应可以有效延长腐蚀溶液的扩散路径。同时，MXene优异的导电性使电荷能够在MXene涂层中快速转移，在Zn基底表面产生均一的电场，促进其从局部腐蚀向均匀腐蚀模式转变。如图4所示，MXene涂层有效地将Zn基底降解速率降低了55%-74%, 并促进了其更均匀的降解。
图4. MXene涂层Zn的降解行为
MXene涂层有效改善了Zn基底的降解特性，进而优化了Zn2+释放。同时，协同涂层中的Nb元素，显著增强了Zn基GBR膜的成骨活性。体外实验结果表明（图5），在MXene涂层组中检测到了更高的ALP表达和更多的钙结节形成；RT-qPCR实验证明，与对照组相比，成骨相关基因Col-1、Runx 2、ALP和OCN在MXene涂层组中的表达上调。
图5. MXene涂层Zn的体外成骨性能
在大鼠皮下感染模型中（图6），MXene涂层Zn在深层组织中实现了有效的光热转换，在NIR-II照射10 min后温度升高至49.3 °C。由于光热效应和Zn2+的协同抗菌机制，在低于完全消灭细菌的温度（60 °C）阈值下，MXene涂层Zn仍然实现了近100%的抗菌效果，最大限度地减少了局部过热对组织造成的损伤。H&E和免疫组化染色结果表明，MXene涂层Zn在光热作用下高效的自由基清除活性，有效缓解了机体的炎症反应并促进了抗炎因子IL-10的表达，有利于创造良好的免疫微环境。
图6. MXene涂层Zn的体内抗菌活性
综上所述，MXene 涂层在生理环境中表现出优异的化学稳定性，能为Zn基底提供长期保护，从而实现对其降解速率的精准调控。MXene涂层兼具多重生物功能，包括促进牙龈成纤维细胞迁移、清除自由基、诱导抗炎反应和增强成骨细胞分化。同时，ZM10 MXene涂层样品的光热效率、抗菌活性和炎症反应在体内进一步得到了证实。MXene涂层为同时实现Zn基底材料的可控降解、增强抗菌活性和促进骨再生功能提供了一种有前景的策略。此外，该涂层在调节免疫反应和促进软组织愈合方面表现出巨大潜力，突破了传统屏障膜材料的功能局限，为Zn基材料在屏障膜的临床应用奠定了重要理论基础。
该研究得到了国家自然科学基金（52471257、52071008、12332019 和 U20A20390)的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.02.046