随着纳米技术在生物医学领域的应用研究日益深入,二维纳米材料与蛋白、核酸等生物大分子的结合逐渐成为新的研究热点。两者的有机结合集成各自优越性能于一体,产生了大量具有生物医学应用价值的纳米复合材料。二维过渡金属碳化物/氮化物（MXene）是一种从MAX相陶瓷衍生而来的超薄纳米材料,其具有可调的化学成分、独特的理化性质和优异的生物学效应,在生物医学领域显示出巨大的应用前景。本文中,我们利用MXene的高效荧光淬灭能力和优异光热性能转换性能,结合功能蛋白、核酸构建多种新型生物纳米探针,并探索它们在生物传感及蛋白功能调控等方面的应用潜能。具体研究内容如下:一、基于核酸功能化Ti3C2MXene的双响应纳米荧光成像探针。本节中,我们采用聚丙烯酸（PAA）对Ti3C2MXene进行表面羧基功能化,提高其在复杂生理环境中稳定性,同时还在其表面引入大量共价偶联位点。随后,我们将双荧光标记的嵌合DNA探针（dcDNA）共价键偶联在Ti3C2MXene表面,构建dcDNA-Ti3C2复合纳米探针。由于二维Ti3C2MXene高效广谱的荧光猝灭能力,复合探针中萤光团的荧光信号被猝灭。目标物MUC1和miR-21有dcDNA结合后,恢复相应的红色和绿色荧光信号。经过优化反应条件,dcDNA-Ti3C2复合纳米探针对MUC1和miR-21的检测限分别为6 nM和0.8 nM。此外,我们将dcDNA-Ti3C2复合纳米探针用于活细胞双目标物同时成像,实验结果表明该探针不仅能够在单细胞水平实现细胞膜表面糖蛋白MUC1和细胞质内miR-21的由表及里、实时多层次、原位成像,还能监测不同药物介导的细胞内多种疾病标志物表达水平的变化,证明了MXene在生物传感中的应用潜力。二、可注射MXene水凝胶用于近红外光控释放功能蛋白。我们利用MXene的高效光热转换性能,将Ti3C2MXene和功能蛋白嵌入琼脂糖水凝胶中,构建了近红外（NIR）光响应的复合水凝胶。在NIR光照射下,水凝胶中Ti3C2MXene将光能转化为热能,引起局部温度升高和水凝胶基质发生可逆相变,释放封装的功能蛋白,激活受体介导细胞信号通路。在该方案中,通过调节Ti3C2MXene/琼脂糖浓度、NIR光功率和光照时间等可以精确调控功能蛋白的释放动力学。我们在MXene水凝胶中封装HGF,在细胞和小鼠模型上实现了NIR光激活c-Met受体介导的磷酸化信号通路,促进细胞增殖迁移和伤口愈合。将封装蛋白替换成肿瘤坏死因子-α（TNF-α）,NIR光能够触发激活肿瘤细胞内凋亡信号通路,显示了良好的肿瘤治疗效果。本节发展的NIR光响应MXene水凝胶体系为可控蛋白药物释放提供了新策略,在组织再生和肿瘤治疗具有很大的应用前景。三、基于MXene/Cas12a核心处理器逻辑调控CRISPR基因编辑。我们将Ti3C2MXene、DNA逻辑计算单元和CRISPR Cas12a系统相结合,构建多功能MXene/Cas12a核心处理器。进一步表面修饰阳离子聚合物聚乙烯亚胺（PEI）,可以将CRISPR-Cas12a基因编辑组件高效递送到细胞内执行逻辑调控的基因编辑。在细胞质中,Cas12a/g RNA复合物经核酸杂交固定在Ti3C2MXene表面,不能被转运进入细胞核,无法执行基因编辑功能。在接收不同信号输入后,MXene/Cas12a核心处理器通过精确地逻辑运算,释放CRISPR-Cas12a组件,激活基因编辑。基于DNA电路的可编程性,我们设计一系列1输入（YES）、2输入（AND,OR,N-IMPLY）和3输入（AND/OR,N-IMPLY/AND）的MXene/Cas12a核心处理器,实现了多种逻辑调控的基因编辑。对DNA逻辑计算单元的设计与优化,该非遗传改造的MXene/Cas12a核心处理器有望整合更多的信号输入,满足更复杂、精确地生物医学要求。四、“双锁”MXene/Cas12a核心处理器实现肿瘤特异性杀伤与治疗。我们利用MXene的高效光热转换性能和DNA链置换反应（SDR）,设计了一种“双锁”MXene/Cas12a核心处理器,其在外源刺激（NIR光）和细胞内源性信号（肿瘤生物标志物miRNA）同时存在的条件下才能激活基因编辑活性。该MXene/Cas12a核心处理器能够在NIR光照射下,特异性激活肿瘤细胞内CRISPR-Cas12a基因编辑活性,杀伤肿瘤细胞而不损伤正常细胞,并在荷瘤小鼠体内实现很好的肿瘤治疗效果。“双锁”MXene/Cas12a核心处理器克服了以往光激活CRIPSR系统在光照下不能区分靶细胞和非靶细胞的局限性,为体内治疗性基因编辑提供了一种安全可靠的策略。