I materiali MXene rappresentano una classe emergente di composti ceramici bidimensionali, costituiti principalmente da carburi, nitruri e carbonitruri di metalli di transizione, ottenuti dalla rimozione selettiva dell’elemento ‘A’ dai precursori detti fasi MAX. La loro scoperta ha rivoluzionato il panorama dei materiali 2D grazie a una combinazione unica di proprietà elettriche, meccaniche e chimiche. La superficie dei MXene, tipicamente terminata da gruppi funzionali come ossigeno, fluoro o gruppi idrossilici, conferisce loro una natura idrofila, elevata conduttività elettrica e una biocompatibilità notevole, rendendoli adatti a molteplici applicazioni tecnologiche e biomediche.

La sintesi di MXene avviene principalmente tramite un approccio top-down che prevede l’uso di soluzioni di etching contenenti ioni fluoruro, capaci di rimuovere selettivamente gli strati ‘A’ dalle fasi MAX senza compromettere le proprietà strutturali e funzionali del materiale. Questo processo mantiene la morfologia caratteristica a fisarmonica, tipica dei fogli di MXene, che facilita l’intercalazione e la delaminazione degli strati in fogli sottili o addirittura monostrato, migliorando la versatilità del materiale. Un metodo alternativo si basa sull’utilizzo di sali fusi acidi di Lewis, capaci di generare MXene stabilizzati con terminazioni a cloro, resistenti fino a temperature elevate, ampliando così la gamma di possibilità di sintesi e applicazione.

La presenza di doppio metallo di transizione in alcune configurazioni di MXene consente una personalizzazione delle proprietà chimiche ed elettrochimiche, grazie alla formazione di soluzioni solide o strutture ordinate specifiche. Questa flessibilità compositiva permette di adattare le caratteristiche dei materiali alle esigenze di specifici settori applicativi, come ad esempio nella rigenerazione ossea, nel rilevamento biologico, o nella raccolta di energia piezoelettrica.

L’incorporazione di MXene in nanocompositi polimerici apre ulteriori prospettive, poiché la trasformazione delle superfici idrofile in superfici altamente conduttive migliora drasticamente la funzionalità del materiale finale. Questa integrazione permette di potenziare attività fototermiche per il trattamento oncologico, incrementare l’attività antibatterica e migliorare la sensibilità e la robustezza dei biosensori. Inoltre, la compatibilità con una vasta gamma di materiali – ceramici, metallici e polimerici – rende i MXene elementi chiave per applicazioni avanzate, dalla conservazione dell’energia alla protezione elettromagnetica.

L’abilità di modulare le terminazioni superficiali attraverso processi chimici di modifica, intercalazione e delaminazione rappresenta una delle caratteristiche più distintive dei MXene. Tali trasformazioni permettono di regolare l’accessibilità chimica e fisica della superficie, favorendo la penetrazione di molecole ospiti e la formazione di fogli con spessori controllati. Questi aspetti sono fondamentali per ottimizzare l’interazione con l’ambiente biologico o per migliorare le performance nei dispositivi energetici.

Nonostante le molteplici qualità, i MXene presentano limiti importanti, come l’instabilità ambientale e la scarsa biodegradabilità, che rappresentano una sfida per la loro applicazione estesa, soprattutto in campo biomedico. La progettazione di nanocompositi che sfruttino le terminazioni superficiali per migliorare la stabilità e facilitare il rilascio controllato di farmaci costituisce una direzione strategica per superare tali ostacoli.

Oltre alle proprietà già note, è essenziale comprendere che la versatilità dei MXene dipende strettamente dalla loro struttura atomica e dalla natura dei gruppi terminali, i quali influenzano non solo le proprietà fisiche ma anche le interazioni chimiche e biologiche. L’integrazione nei sistemi complessi richiede una profonda conoscenza dei meccanismi di sintesi, modificazione e comportamento sotto condizioni operative reali. La continua evoluzione delle tecniche di sintesi e la comprensione dei processi di superficie ampliano la gamma delle applicazioni possibili, delineando un futuro promettente per questi materiali nel campo della nanotecnologia e della scienza dei materiali.

Quali sono le potenzialità dei materiali MXene nella rigenerazione tissutale e nella guarigione delle ferite?

Negli ultimi anni, i materiali MXene, in particolare il Ti3C2Tx, si sono distinti per le loro proprietà multifunzionali che li rendono straordinariamente adatti per applicazioni nella rigenerazione tissutale e nella gestione delle ferite. Un esempio significativo è rappresentato dagli idrogel multifunzionali composti da MXene e cellulosa batterica rigenerata (rBC), sviluppati da Mao et al. Questi idrogel sono stati progettati per modulare elettricamente il comportamento cellulare, favorendo una guarigione efficace delle ferite, soprattutto se associati a stimolazione elettrica esterna. La formulazione con il 2% in peso di MXene (rBC/MXene) ha mostrato un equilibrio ottimale tra conduttività elettrica, biocompatibilità, resistenza meccanica, flessibilità e biodegradabilità. Test in vivo su modelli animali con ferite a spessore totale hanno dimostrato che questo idrogel supera nettamente le prestazioni di medicazioni tradizionali come il film Tegaderm, grazie a una sinergia tra il materiale stesso e la stimolazione elettrica che accelera il processo di guarigione.

Le proprietà emostatiche dei MXene sono particolarmente rilevanti per il controllo delle emorragie e la gestione delle ferite. La struttura altamente porosa di questi materiali facilita l’assorbimento e la cattura dei componenti ematici, mentre l’ampia superficie e i pori interconnessi favoriscono l’adesione e l’aggregazione piastrinica rapida. La forte carica superficiale dei MXene potenzia ulteriormente l’attivazione delle piastrine e la formazione del coagulo, stabilizzando così il processo di coagulazione. Inoltre, la funzionalizzazione della superficie con gruppi carbossilici o amminici migliora le interazioni con i componenti sanguigni, incrementando ulteriormente l’efficacia emostatica.

Un ulteriore sviluppo è rappresentato dagli impalcature multifunzionali HPEM, composte da una combinazione di poliglicerolo-etilenimina, nanosheets di Ti3C2Tx MXene rivestiti di polidopamina (MXene@PDA) e acido ialuronico ossidato. Questi scaffolds presentano proprietà autoriparanti, conducibilità elettrica, adesione ai tessuti, attività antibatterica contro MRSA e un’emostasi rapida. Essi supportano la proliferazione cellulare cutanea con tossicità minima e accelerano significativamente la guarigione di ferite infette da MRSA, con tassi di chiusura del 96,31%. L’efficacia di questi materiali si basa su effetti antinfiammatori, stimolo alla crescita cellulare, formazione di tessuto di granulazione, deposizione di collagene e angiogenesi.

Particolarmente interessante è l’applicazione di membrane fibrose antibatteriche ottenute da scaffold elettrofilati di policaprolattone combinati con bioeterogiunzioni MXene/Ag3PO4 rivestite di polidopamina. Queste membrane, attivate da radiazione nel vicino infrarosso (NIR), rilasciano ioni argento (Ag+), esercitando un potente effetto antibatterico. La polidopamina facilita la riduzione di Ag+ ad Ag0, permettendo un rilascio ionico ripetuto e una terapia fototermica sostenuta. Studi in vivo hanno dimostrato che tali membrane nanofibrose, attivate dalla luce NIR, eliminano efficacemente i batteri, arrestano l’emorragia e favoriscono la guarigione della ferita tramite epitelizzazione, deposizione di collagene e angiogenesi.

Le proprietà dei materiali MXene si estendono anche alla regolazione dell’infiammazione e alla promozione della rivascolarizzazione tramite idrogel ibridi attivati da laser NIR, come nel caso sviluppato da Jin et al. Questi idrogel incorporano nanoparticelle SiO2 caricate con VEGF e nanosheets di MXene inseriti in nanofibre PLGA, rivestiti con acido ialuronico coniugato con dopamina e trisolfuro diallilico (DA). L’applicazione permette un rilascio controllato di VEGF tramite stimolazione laser NIR, mentre il DA rilascia gradualmente idrogeno solforato (H2S) stimolando la formazione di macrofagi M2, favorendo così la guarigione delle ferite, riducendo l’infiammazione e minimizzando la formazione di cicatrici. Questo tipo di materiale multifunzionale rappresenta una prospettiva promettente per medicazioni intelligenti orientate alla guarigione senza cicatrici e alla gestione di ferite croniche.

Nel campo dell’ingegneria tissutale cardiaca, i MXene si rivelano fondamentali per migliorare la connettività elettrica tra il patch cardiaco e il tessuto ospite, incrementando così la rigenerazione del tessuto miocardico. Inserendo nanosheets di Ti3C2 MXene in idrogel sensibili alla temperatura e alla matrice extracellulare, si ottengono materiali con eccellenti proprietà antiossidanti e conduttive. Tali idrogel riducono efficacemente la produzione di specie reattive dell’ossigeno (ROS) in vitro e migliorano la sincronizzazione del segnale di calcio nelle cardiomiociti derivate da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC-CMs), offrendo nuove basi teoriche e potenziali approcci terapeutici per l’infarto miocardico.

Un ulteriore progresso si osserva con la stampa aerosol jet di compositi MXene-idrogel per la realizzazione di patch cardiaci umani. Questi patch favoriscono l’allineamento e la maturazione delle cellule cardiache, caratteristiche essenziali per la funzionalità del tessuto cardiaco, che dipende fortemente dalla disposizione lineare dei miofibrilli, dalla formazione di fasci e dall’interconnessione delle cellule ventricolari.

Oltre alle proprietà già citate, è importante considerare che la biocompatibilità e la biodegradabilità di questi materiali sono fondamentali per evitare risposte infiammatorie croniche o rigetti. Inoltre, la possibilità di modulare la stimolazione elettrica e rilasciare sostanze bioattive in modo controllato rappresenta una frontiera chiave per la personalizzazione delle terapie rigenerative. L’interazione dinamica tra MXene, componenti biologici e stimoli esterni (come la luce NIR o la stimolazione elettrica) consente di adattare il materiale alle diverse fasi del processo di guarigione e alle specifiche esigenze del paziente. Infine, la scalabilità della produzione e la standardizzazione dei materiali MXene saranno determinanti per la transizione dalle sperimentazioni di laboratorio alle applicazioni cliniche concrete.

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