DOI: https://doi.org/10.3389/fsens.2025.1704186
تاريخ النشر: 2026-01-21
المؤلف: Katekani Shingange وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
تقدم هذه الفقرة نظرة عامة على الدور التحويلي لمستشعرات القابلية للارتداء في الرعاية الصحية الشخصية، مع التأكيد على قدرتها على تسهيل المراقبة المستمرة للإشارات الفسيولوجية الحيوية للتشخيص المبكر وتحسين إدارة الأمراض. يتم تسليط الضوء على MXenes، وهي فئة جديدة من المواد ثنائية الأبعاد، لخصائصها الاستثنائية، بما في ذلك الموصلية الكهربائية العالية، والمرونة الميكانيكية، والمحبة للماء، وكيمياء السطح المتنوعة، مما يجعلها مناسبة لمستشعرات القابلية للارتداء من الجيل التالي. يمكن لهذه المستشعرات اكتشاف مجموعة متنوعة من المعلمات الفسيولوجية وقد أظهرت قدرات في الاستشعار متعدد الأنماط والتشغيل الذاتي، على الرغم من استمرار التحديات مثل التوافق الحيوي، والاستقرار البيئي، والتصنيع القابل للتوسع.
تلخص الخاتمة استراتيجيات التركيب والخصائص الفريدة لـ MXenes التي تعزز تطبيقها في أجهزة مراقبة الصحة القابلة للارتداء. بينما تظل النقش الكيميائي الطريقة السائدة للتركيب، إلا أنها تطرح تحديات تتعلق بالسمية وقابلية التوسع. يتم استكشاف طرق بديلة، مثل النقش الخالي من الفلور وترسيب البخار الكيميائي، لمعالجة هذه القضايا. على الرغم من التقدم الواعد في مستشعرات القابلية للارتداء المعتمدة على MXene، بما في ذلك قدراتها على المراقبة غير الغازية والتكامل السلس مع الجلد، يجب التغلب على العقبات المتعلقة بالإنتاج على نطاق صناعي، والمعايير، والسلامة البيئية. البحث المستمر في التركيب القابل للتوسع وهندسة السطح أمر ضروري لتحقيق الإمكانات الكاملة لـ MXenes في تقنيات الرعاية الصحية الشخصية.
طرق
في هذا القسم، يناقش المؤلفون موضع MXenes ضمن مشهد المواد ثنائية الأبعاد، مع تسليط الضوء على مزاياها الفريدة لتطبيقات مستشعرات القابلية للارتداء. تظهر MXenes موصلية كهربائية عالية بشكل استثنائي عبر الأشكال أحادية الطبقة ومتعددة الطبقات، إلى جانب مساحة سطح قابلة للتعديل ووظائف. تجعل هذه الخصائص MXenes متعددة الاستخدامات وجذابة بشكل خاص للتطبيقات الصحية، خاصة في سياق تطوير مستشعرات قابلة للارتداء متقدمة.
بالإضافة إلى ذلك، تعزز المتانة الميكانيكية والمحبة للماء لـ MXenes ملاءمتها للتكامل في أنظمة مراقبة الصحة المرنة في الوقت الحقيقي. يتم دعم هذا التكامل بشكل أكبر من خلال التقدم في الذكاء الاصطناعي وغيرها من التقنيات الناشئة، مما يشير إلى مستقبل واعد لـ MXenes في قطاع الصحة.
مناقشة
تسلط المناقشة حول MXenes الضوء على أهميتها كفئة من المواد ثنائية الأبعاد، التي جذبت الانتباه منذ اكتشافها في عام 2011. تم تركيبها من مراحل MAX من خلال النقش الانتقائي، تظهر MXenes خصائص فريدة مثل الموصلية الكهربائية العالية، وكيمياء السطح القابلة للتعديل، والتوافق الحيوي، مما يجعلها مرشحة واعدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات التكنولوجية، خاصة في مستشعرات القابلية للارتداء لمراقبة الصحة. تطورت طرق التركيب، بما في ذلك الأساليب من الأعلى إلى الأسفل ومن الأسفل إلى الأعلى، لمعالجة المخاوف البيئية المرتبطة بالمذيبات التقليدية المعتمدة على الفلور مثل حمض الهيدروفلوريك (HF). تم تطوير بدائل أكثر أمانًا، مثل ثنائي فلوريد الأمونيوم وطرق خالية من الفلور، لتعزيز استدامة إنتاج MXene مع الحفاظ على خصائصها الجوهرية.
على الرغم من التقدم في تقنيات التركيب، لا تزال التحديات قائمة بشأن قابلية التوسع والأثر البيئي. تشير الأبحاث إلى أن استهلاك الطاقة أثناء إنتاج MXene يساهم بشكل كبير في بصمتها البيئية العامة، حيث تظهر الدراسات أن تركيب 1 كجم من MXene يمكن أن يطلق 428 كجم من CO₂، مقارنة بانبعاثات أقل بكثير من المواد التقليدية مثل الألمنيوم والنحاس. لذلك، فإن استكشاف طرق التركيب الصديقة للبيئة أمر ضروري للتبني الأوسع لـ MXenes في التقنيات المستدامة. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر الخصائص الميكانيكية والكهربائية لـ MXenes بطرق تركيبها وإنهاءات السطح، والتي يمكن تعديلها لتحسين أدائها في تطبيقات مثل المستشعرات الحيوية. يوفر دمج MXenes في الأجهزة القابلة للارتداء مسارًا لحلول مبتكرة لمراقبة الصحة، مستفيدًا من خصائصها الفريدة لتعزيز أداء المستشعر وسهولة الوصول للمستخدم.
القيود
تعتبر قيود MXenes، على الرغم من إظهارها موصلية كهربائية عالية وخصائص محبة للماء ممتازة، حواجز كبيرة أمام تطبيقها الأوسع. تكون موصلية أفلام MXene عمومًا أقل بمرتبة واحدة من تلك الخاصة بالأوراق النانوية أحادية الطبقة، مما يمكن أن يعيق الأداء في تطبيقات مثل الاستشعار وتخزين الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ميل أوراق MXene النانوية لإعادة التكديس أثناء المعالجة يقلل من مساحة سطحها المتاحة. يعد تركيب MXenes متغيرًا للغاية، حيث تستخدم مجموعات بحثية مختلفة بروتوكولات متميزة، مما يعقد مقارنة النتائج وإقامة معايير متسقة. علاوة على ذلك، لا يزال توسيع إنتاج MXene يتطلب جهدًا كبيرًا وتكاليف مرتفعة، حيث تتراوح الأسعار من حوالي 4,350 دولارًا إلى 11,500 دولارًا لكل طن اعتمادًا على طريقة التركيب ومواد السلف.
علاوة على ذلك، فإن MXenes عرضة للأكسدة، مما يمكن أن يؤدي إلى تدهور خصائصها ويحد من استقرارها على المدى الطويل، خاصة في الأجهزة القابلة للارتداء المعرضة لظروف بيئية متغيرة. هناك أيضًا نقص ملحوظ في الدراسات الشاملة حول السمية وسلامة MXenes على المدى الطويل، وهو أمر حاسم لاستخدامها بشكل آمن في التطبيقات الطبية الحيوية. يشير التركيز الحالي على MXene Ti₃C₂Tₓ إلى الحاجة إلى مزيد من التحقيق في تركيبات MXene الأخرى، حيث قد يظهر كل متغير سلوكيات هيكلية ووظيفية فريدة. إن معالجة هذه القيود من خلال البحث المستمر وتطوير طرق تركيب معيارية وصديقة للبيئة أمر ضروري لتعزيز النشر العملي والتبني العالمي لـ MXenes في التقنيات المتقدمة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fsens.2025.1704186
Publication Date: 2026-01-21
Author(s): Katekani Shingange et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
The section provides an overview of the transformative role of wearable sensors in personal healthcare, emphasizing their ability to facilitate continuous monitoring of vital physiological signals for early diagnosis and improved disease management. MXenes, a novel class of two-dimensional materials, are highlighted for their exceptional properties, including high electrical conductivity, mechanical flexibility, hydrophilicity, and versatile surface chemistry, which make them suitable for next-generation wearable sensors. These sensors can detect a variety of physiological parameters and have demonstrated capabilities in multimodal sensing and self-powered operation, although challenges such as biocompatibility, environmental stability, and scalable manufacturing persist.
The conclusion summarizes the synthesis strategies and unique properties of MXenes that enhance their application in wearable health monitoring devices. While chemical etching remains the predominant synthesis method, it poses challenges related to toxicity and scalability. Alternative methods, such as fluorine-free etching and chemical vapor deposition, are being explored to address these issues. Despite the promising advancements in MXene-based wearable sensors, including their noninvasive monitoring capabilities and seamless integration with skin, obstacles related to industrial-scale production, standardization, and environmental safety must be overcome. Continued research in scalable synthesis and surface engineering is essential for realizing the full potential of MXenes in personalized healthcare technologies.
Methods
In this section, the authors discuss the positioning of MXenes within the landscape of 2D materials, highlighting their unique advantages for wearable sensor applications. MXenes exhibit exceptionally high electrical conductivity across both single and multilayered forms, alongside tunable surface area and functionalities. These characteristics render MXenes particularly versatile and appealing for health-related applications, especially in the context of developing advanced wearable sensors.
Additionally, the mechanical robustness and hydrophilicity of MXenes enhance their suitability for integration into flexible, real-time health monitoring systems. This integration is further supported by advancements in artificial intelligence and other emerging technologies, indicating a promising future for MXenes in the health sector.
Discussion
The discussion on MXenes highlights their significance as a class of two-dimensional materials, which have garnered attention since their discovery in 2011. Synthesized from MAX phases through selective etching, MXenes exhibit unique properties such as high electrical conductivity, tunable surface chemistry, and biocompatibility, making them promising candidates for various technological applications, particularly in wearable sensors for health monitoring. The synthesis methods, including both top-down and bottom-up approaches, have evolved to address environmental concerns associated with traditional fluorine-based etchants like hydrofluoric acid (HF). Safer alternatives, such as ammonium bifluoride and fluorine-free methods, have been developed to enhance the sustainability of MXene production while maintaining their intrinsic properties.
Despite the advancements in synthesis techniques, challenges remain regarding scalability and environmental impact. Research indicates that energy consumption during MXene production significantly contributes to their overall environmental footprint, with studies showing that synthesizing 1 kg of MXene can release 428 kg of CO₂, compared to much lower emissions from conventional materials like aluminum and copper. Therefore, further exploration of environmentally friendly synthesis methods is essential for the broader adoption of MXenes in sustainable technologies. Additionally, the mechanical and electrical properties of MXenes are influenced by their synthesis methods and surface terminations, which can be tailored to optimize their performance in applications such as biosensors. The integration of MXenes into wearable devices offers a pathway for innovative health monitoring solutions, leveraging their unique characteristics to enhance sensor performance and user accessibility.
Limitations
The limitations of MXenes, while exhibiting high electrical conductivity and excellent hydrophilic properties, are significant barriers to their broader application. The conductivity of MXene films is generally one order of magnitude lower than that of single-layer nanosheets, which can hinder performance in applications such as sensing and energy storage. Additionally, the tendency of MXene nanosheets to re-stack during processing reduces their accessible surface area. The synthesis of MXenes is highly variable, with different research groups employing distinct protocols, complicating the comparison of results and the establishment of consistent benchmarks. Furthermore, the upscaling of MXene production remains labor-intensive and costly, with prices ranging from approximately $4,350 to $11,500 per ton depending on the synthesis method and precursor materials.
Moreover, MXenes are prone to oxidation, which can degrade their properties and limit their long-term stability, particularly in wearable devices exposed to varying environmental conditions. There is also a notable lack of comprehensive studies on the toxicity and long-term biosafety of MXenes, which is critical for their safe use in biomedical applications. The current focus on Ti₃C₂Tₓ MXene suggests a need for further investigation into other MXene compositions, as each variant may exhibit unique structural and functional behaviors. Addressing these limitations through continued research and the development of standardized, environmentally friendly synthesis methods is essential for enhancing the practical deployment and global adoption of MXenes in advanced technologies.