新型二維層狀納米材料的抗菌研究進展

周 璇，鄭云飛，賈綺林，張斐然

(北京大學口腔醫院，北京 100081)

抗生素作為20世紀醫學史上最偉大的發現之一，迄今為止已經挽救了無數人的生命。但是由于近年來人們對抗生素使用的認知不足，抗生素濫用情況嚴重，全球每年約70萬人死于抗生素耐藥。抗生素的耐藥機制主要包括兩方面：第一，通過抗生素靶標基因的突變來降低藥物與靶標蛋白的親和力；第二，通過外排泵的過表達、細菌質膜通透性的改變或者產生滅活抗生素的酶來降低細胞內抗生素的濃度[1]。針對抗生素耐藥的現狀，根據世界衛生組織(WHO)的報道，如果耐藥菌無法得到很好的控制，預計到2050年由抗生素耐藥導致的死亡人數將增加至每年1000萬人[2]。上述事實表明新型抗菌藥物的開發刻不容緩，而隨著生物納米技術的發展，二維層狀納米材料有望成為處理耐藥菌的替代選擇。

二維層狀納米材料是指在某一維度厚度為0.1～100 nm，而在另一維度上可以無限延伸的材料，主要包括石墨烯及其衍生物(GMs)、過渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)及MXenes等[3]。二維層狀納米材料與其他零維或者塊狀材料相比，在抗菌應用上具有多項優勢。首先，二維層狀納米材料具有超大的比表面積，可以作為抗菌藥物的合適載體。其次，二維納米材料具有出色的電子、光學及熱學性能，使其可以通過物理或化學途徑殺滅細菌，大大降低細菌耐藥性的產生。本文通過對各類二維層狀納米材料抗菌活性及抗菌機制的闡述，旨在幫助促進具有高抗菌活性和出色生物安全性的新型二維層狀納米材料的進一步研發。

1 石墨烯及其衍生物的抗菌研究進展

石墨烯是由許多sp2雜化碳原子組成的具有六角形晶體結構的二維納米片層，其單層厚度僅有0.335 nm[4]。在石墨烯及其衍生物的研究中，目前以氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)作為抗菌材料居多。氧化石墨烯(GO)的sp2碳片層結構和含氧官能團(如羧基，羥基和環氧基)使其具有特別的物理化學性能，如優異的導熱性、電子傳遞特性和光學特性，高比表面積、高催化活性等[5]。因此石墨烯材料在抗菌領域具有極好的應用前景。

Liu等[6]以大腸桿菌作為指示菌種，評估4種石墨基材料——石墨(Gt)、氧化石墨(GtO)、氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)的抗菌性能。結果表明，在相同條件下，等濃度(40 μg/mL)的Gt，GtO，GO和rGO與大腸桿菌共孵育時，氧化石墨烯(GO)表現出最高的抗菌活性(69.3%)，且石墨烯基材料的抗菌活性與其濃度呈正相關，隨著GO或rGO濃度的增加，大腸桿菌的活力逐漸降低。掃描電鏡圖像顯示，當細菌與GO或rGO直接接觸后，細菌胞膜表面即產生膜應力，從而導致細菌胞膜結構破壞、細胞內容物泄漏。此外，在氧化應激實驗中發現這4種材料均可以氧化谷胱甘肽,但未檢測到活性氧(ROS)的產生，且電導率高的rGO和Gt比絕緣的GO和GtO具有更好的氧化能力。因此，作者提出石墨烯基材料的“三步”抗菌機制：首先細菌黏附于材料表面，然后通過石墨烯納米片的銳利邊緣刺破細胞膜，最后通過氧化應激反應破壞細菌的重要組分而導致細菌死亡。

石墨烯的抗菌活性源于其特有的理化特性，故其抗菌性受多種因素的影響，例如石墨烯基材料的橫向尺寸、層數、表面化學性質等。目前已提出的抗菌機制主要包括物理殺菌和化學氧化應激殺菌。

Tu等[7]從分子動力學角度展示了石墨烯誘導的大腸桿菌細胞膜破裂的兩種物理作用機制：(1)通過納米片邊緣直接的物理切割；(2)通過破壞性地提取脂質分子，即懸浮在細菌胞膜上方的石墨烯納米片可以在幾十到幾百納秒內插入到大腸桿菌的內外膜中，通過大量提取細菌胞膜中的磷脂成分而使細菌迅速裂解死亡。除了邊緣切割及提取脂質分子作用外，石墨烯納米片的平面在抗菌過程中也起著至關重要的作用。例如，巨大的石墨烯基納米片通過包裹細菌使其與外界養分隔絕而達到滅菌效果。Liu等[8]研究了氧化石墨烯(GO)的橫向尺寸對大腸桿菌抗菌活性的影響。結果發現，GO納米片的抗菌能力與其橫向尺寸大小呈正相關，橫向尺寸較大的GO納米片顯示出更強的抗菌活性。較大尺寸的GO納米片(40 μg/mL)與大腸桿菌孵育1 h即可導致89%的細菌死亡。作者還發現具有不同橫向尺寸的GO納米片對谷胱甘肽的氧化能力是相似的，這表明不同大小的GO納米片的抗菌能力不是由其氧化能力的差異所決定。在原子力顯微鏡下觀察到較大的GO納米片更容易覆蓋細胞，細菌被完全覆蓋后即與外界環境隔離開來，導致其營養被剝奪從而無法增殖；而較小的GO納米片無法有效地將細菌與環境隔離，因此抗菌活性較低。此外，石墨烯基材料的層數也影響其抗菌性能。Mangadlao等[9]使用Langmuir-Blodgett(LB)技術將GO納米片逐層沉積于聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板上，觀察到材料的抗菌活性隨著層數的增加而增加，相較于二層和單層，三層GO納米片表現出最高的抗菌活性(89%)。作者認為通過LB技術將包含邊緣在內的整個GO納米片固定于基板表面，消除了其刺穿和包裹細菌的可能性，因此該研究中的GO抗菌活性主要依賴于納米片平面的殺菌特性。Dallavalle等[10]從分子動力學角度說明了較大的石墨烯納米片平面可直接鋪展于細胞膜表面，造成脂質分子被翻轉從而對胞膜造成破壞。

由于石墨烯材料具有高比表面積，在低能量激光照射后具有優異的光催化活性，不僅能夠高效地將光能轉換為熱能，同時還能產生活性氧，達到光熱和光動力協同殺菌的效果。且細菌無法通過對納米小分子的攝取減少或者外排增加來抵抗石墨烯基材料的抗菌作用，因此光動力和光熱抗菌治療相對比于傳統的抗生素療法更不易產生耐藥性。Tan等[16]研究了在低能量激光的照射下，還原型氧化石墨烯/銀(rGO/Ag)復合納米材料對大腸桿菌及多重耐藥菌肺炎克雷伯氏菌的抗菌性能及其機制。結果顯示，在未經激光照射的rGO/Ag復合納米材料治療的組中，大腸桿菌的生存率僅降低到約35%；而在激光照射后，大腸桿菌的生存率降低到約1.8%。當rGO/AgNPs溶液暴露于激光照射10 min后，溶液的溫度迅速升高。在熒光核酸染料標記受損菌膜的實驗中顯示在引入rGO/Ag納米復合材料的光熱效應時，細菌胞膜受損更明顯。特定濃度的rGO/Ag復合納米材料可通過光熱效應達到100%殺滅大腸桿菌和肺炎克雷伯氏菌的效果。最近，Romero等[17]研究了在波長為630 nm的LED光下GO的抗菌光動力和光熱效應。作者通過DPBF檢測證實了GO在光激發下產生大量單線態氧(1O2)，同時在光熱溫度測量中證實了在65 mW/cm2的光照射約16 min時GO水溶液可達到55～60 ℃。在光熱效應(PTT)/光動力效應(PDT)的雙重作用下，高劑量光照后GO可達到完全消除大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的效果。

綜上所述，石墨烯及其衍生物的抗菌機制可以總結為以下5點[18]：(1)物理切割途徑，即細菌與石墨烯基材料直接接觸后，材料鋒利的片層刺穿細菌胞膜，引起細胞內容物的流出，而殺死細菌；(2)氧化應激途徑，即細胞膜與石墨烯基材料直接接觸后，通過電荷的轉移或ROS的產生，刺激自由基反應，從而破壞細菌的膜結構及重要的生物大分子而死亡；(3)破壞脂質分子途徑，即石墨烯納米片可在短時間內插入細菌胞膜中，抽取其中的磷脂成分，或者直接鋪展于胞膜表面引發脂質分子翻轉，最終導致細菌裂解死亡；(4)營養剝奪途徑，即大面積的石墨烯基納米片覆蓋在細菌表面，通過“包裹”的方式使細菌與周圍環境隔離，造成營養剝奪，從而抑制細菌生長；(5)光熱/光動力效應，即當石墨烯基材料與光照結合時，利用其優異的光催化活性，在細菌局部產生活性氧自由基和釋放熱量，達到光動力學和光熱滅菌效果。

盡管石墨烯基材料具有有效的抗菌活性，但仍有一些特性限制了其實際應用。例如，石墨烯在電解質溶液中會發生不可逆的聚集或者被氧化，從而限制了其在日常條件下的儲存。此外，高濃度的石墨烯基材料在生物體中存在一定的毒性。Ag，Cu，Sn等無機納米材料和一些有機聚合物等也存在抗菌效率較低或生物相容性較差等問題。如表1所示，目前已有大量研究通過合成多種石墨烯基納米復合物以增強材料的抗菌活性并提升其生物相容性。由于石墨烯基材料具有巨大的比表面積，豐富的可修飾官能團和獨特的2D結構，這些特性保證了其與多種材料有效結合。每種材料都有其局限性，但我們可以通過形成石墨烯納米復合物來克服。最近，Jian等[19]制備出一種聚六亞甲基胍鹽酸鹽結合氧化石墨烯(MGO)的聚氨酯(TPU)多孔膜作為抗菌傷口敷料，其具有良好的生物相容性、優異的水蒸氣透過率和持久的廣譜抗菌性能。在體內實驗中，作者將50 μL大腸桿菌和金黃色葡萄球菌混合滴加至皮膚傷口表面，建立小鼠感染傷口模型。在傷口愈合過程中，與無菌傷口空白組、無菌紗布覆蓋的對照組、PHMG-TPU處理組及GO-TPU處理組相比，MGO-TPU復合多孔膜可為傷口提供相對無菌的環境，并在傷口愈合過程中促進上皮形成，從而顯著加快感染傷口的愈合速度(見圖1)。

表1 石墨烯基納米復合物的抗菌研究[20-29]

圖1 不同處理組小鼠感染傷口的照片[19]

2 過渡金屬硫化物的抗菌研究進展

過渡金屬硫化物(transition-metal dichalcogenides，TMDs)是一組化學式為MX2的層狀化合物，其中M是周期表第4至10組(通常是Mo，W等)中的過渡金屬元素，X是硫屬元素(S，Se，或Te)，TMDs在結構上類似于石墨烯。鑒于Mo是人體內某些酶中必不可少的微量元素，而S是蛋白質中常見的生物元素，因此MoS2是所有TMDs在生物醫學應用中的最佳選擇。MoS2在其結構上類似于“S·Mo·S”的三明治夾心結構，即中間一層Mo原子夾在兩層S原子層之間，層與層之間通過范德華力結合[30](見圖2)。MoS2具有3種形式的晶體結構，分別為1T，2H和3R，其中2H型在自然狀態下最為穩定[31]。MoS2納米片特有的層狀結構因具有超高比表面積及大量活性位點，在光催化及其抗菌領域中具有廣闊應用潛力。

圖2 MoS2納米片的三維模式圖[27]

2014年，Yang等[32]首次提出MoS2納米片具有良好的抑菌性能。研究結果表明，通過化學剝落法獲得的MoS2納米片比其母體MoS2粉末具有明顯更強的抗菌活性。為探究MoS2納米片的抗菌機制，作者通過實驗得出MoS2納米片可以產生ROS，且其對細菌中谷胱甘肽的氧化水平與材料孵育時間和濃度呈正相關。研究認為，MoS2納米片的抗菌作用是由兩部分組成，一方面源于MoS2納米片-細菌接觸所引起的膜應力，另一方面源于ROS依賴及非依賴性途徑引起的氧化應激。Wu等[33]也觀察到MoS2納米片可以通過氧化應激及膜損傷來產生抗菌效應。隨著MoS2納米片濃度的增加，大腸桿菌的存活率降低，乳酸脫氫酶的釋放增加，且細胞內活性氧的濃度也急劇增加。代謝組學分析表明，高濃度的MoS2納米片(100，1000 μg/mL)可顯著影響大腸桿菌的代謝活性，包括甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝、蛋白質生物合成、尿素循環和丙酮酸代謝。Tang等[34]將垂直排列的MoS2納米片涂覆于鈦基底上。盡管其在黑暗條件下對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有明顯的抗菌活性，但抗菌機制不同。金黃色葡萄球菌與各種MoS2涂層的樣品一同孵育時會產生不同大小的抑菌圈，但大腸桿菌與其共同孵育時，未產生抑菌效果。這表明MoS2涂層對金黃色葡萄球菌具有離子釋放殺傷作用，但釋放的離子不會損傷大腸桿菌。因此實驗中大腸桿菌僅可被MoS2納米片所誘導產生的ROS殺死，而ROS和MoS2涂層所釋放的離子兩者均可以對金黃色葡萄球菌產生殺傷效應。此外，實驗中將鐵元素摻雜到MoS2納米片中，可觸發Fenton樣反應以促進ROS的產生而增強涂層的抗菌活性。因此作者提出為提高MoS2在較低濃度下的殺菌效果，可以采用以下策略：(1)材料表面官能化；(2)裝載抗菌藥物；(3)充分利用其光催化活性的優勢。

Pandit等[35]通過使用不同電荷的硫醇配體對MoS2納米片進行表面官能化。其中在帶正電荷配體的MoS2納米片中，通過改變烷烴鏈的長度賦予配體不同的疏水性能。由此研究表面官能化的MoS2納米片對革蘭氏陽性耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)和革蘭氏陰性銅綠假單胞菌的抗菌性能。結果表明，由于細菌表面帶負電荷，帶正電荷配體的MoS2納米片可以有效地使細菌附著于材料表面，從而增強了氧化應激對細菌的影響。隨后，當在帶正電荷配體的MoS2納米片上引入更長的烷烴鏈時，由于長烷烴鏈與細菌胞膜之間優異的疏水作用，使得細菌的胞膜快速去極化，從而導致細菌迅速死亡。此外，本次實驗還表明表面官能化的MoS2納米片比未修飾的MoS2納米片產生更少的活性氧。因此作者認為未修飾的MoS2納米片主要通過產生ROS起抗菌作用，而本次表面官能化的MoS2納米片則通過不依賴ROS的氧化應激和細胞膜去極化兩方面的協同機制發揮有效抗菌活性。Begum等[36]合成了蜂膠抗菌肽(AMP)和MoS2納米片的組合抗菌劑，該組合物通過光熱療法(PTT)、光動力療法(PDT)和抗菌肽的協同作用，達到100%滅活耐多藥細菌(耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、耐藥性大腸桿菌、肺炎克雷伯菌)的效果。該實驗表明，單獨使用低能量激光照射MoS2納米片時，通過產生光熱和光動力效應僅可殺滅45%的耐多藥細菌；單獨使用蜂膠抗菌肽(AMP)時，通過靶向破壞細菌胞膜僅可殺滅20%的耐多藥細菌；但在兩者協同作用時，蜂膠抗菌肽(AMP)首先在耐多藥菌胞膜表面形成小孔，隨后在激光觸發的PDT和PTT期間，小孔將有助于有效擴散熱量和ROS，達到協同多峰殺菌效果。最近，Zhang等[37]設計了CuS@MoS2納米復合物水凝膠，發現其在660 nm可見光和808 nm近紅外光雙激光照射下可以短時間內殺死99.3%的大腸桿菌和99.5%的金黃色葡萄球菌。CuS和MoS2在紫外到近紅外區域都具有很強的吸收峰，從而在材料表面形成光激發和等離子體激元誘導的電子和空穴，累積的電子與O2結合形成1O2，空穴直接轉化為·OH，兩種活性氧通過氧化細胞內的蛋白和脂質來破壞細菌胞膜和細胞壁。同時，在光催化過程中，材料表面通過等離子體激元共振產生大量的熱量，升高的溫度既降低了細菌活性也提高了細菌胞膜的通透性，使ROS可以更容易滲透到細菌內發揮氧化應激作用，從而導致兩種細菌在15 min內即被有效殺死。此外，為了評估CuS@MoS2納米復合物水凝膠在雙激光照射下的實際抗菌性能，作者建立了小鼠皮膚傷口感染模型。結果表明與無菌敷料處理組及單純水凝膠處理組相比，CuS@MoS2水凝膠處理組顯示出更佳的抗菌效果，小鼠傷口愈合速度明顯加快。ROS的產生在此愈合過程中起著重要作用。

3 層狀雙氫氧化物的抗菌研究進展

LDHs化學惰性高，因此具有良好的生物相容性，可在生物醫學領域進行廣泛應用。例如，其中一種稱為“水滑石”的LDHs，其成分為Mg6Al2(CO3)(OH)16· 4H2O，能夠有效地抑制胃蛋白酶的活性，藥效顯著且持久，目前已作為抗酸藥商品化使用了20多年[39]。

LDHs的層板具有可調控性，許多具有抗菌性能的金屬元素可以調控進入LDHs的層板中。Carja等[40]將AgNPs負載于Zn LDHs上，發現與未負載的銀納米材料相比，Ag/Zn LDHs表現出更穩定的抗菌性能。這可能是由于帶正電荷的LDHs基質可以將帶負電荷的細菌吸附至材料表面，從而促進了細菌與銀納米顆粒更好的相互作用。Moaty等[41]合成了Zn-Fe LDHs，并觀察到其對革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、超級細菌和真菌均具有持久的廣譜抗菌效應。作者提出它們對細菌的致死作用可能歸因于材料中正電荷的存在，活性氧·OH的釋放，以及金屬Zn2+的釋放殺傷作用。

由于LDHs具有生物相容性好、低毒性、層板間陰離子可交換性和生物降解性等特性，將抗菌藥封裝在LDHs片層中，可實現藥物的持續緩慢釋放，從而避免了由于藥物突然大量攝入而產生的毒性。Malafatti等[42]使用LDHs作為基質，將可生物吸收的聚乳酸支架與抗生素磺胺嘧啶銀結合起來，以獲得藥物緩釋抗菌系統。結果表明此抗菌系統可有效地從聚乳酸支架中輸送磺胺嘧啶銀抗生素。由于LDHs的嵌入，磺胺嘧啶銀從支架中釋放緩慢，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有明顯的抑制作用。同時該材料也表現出與細胞極好的生物相容性。

另外，某些抗菌劑在暴露于光源或熱源時即會失去生物活性。但是，將它們插入LDHs中后，可顯著提高抗菌劑的化學穩定性/光穩定性。Tang等[43]將DL-扁桃酸通過陰離子交換反應嵌入到Zn-Al LDHs中，DL-扁桃酸(MA)是一種α-羥基酸，具有抗光老化，色素沉著和抗菌等用途，但對光、熱和堿非常不穩定，很容易分解為無生物活性的化合物。實驗數據表明，相對于純MA，ZnAl-MA LDHs系統具有較好的熱穩定和光穩定性，并通過藥物的緩釋，達到一定的抑菌效果。

此外，LDHs可與抗生素結合構建藥物納米平臺，以對抗傳統的抗生素耐藥菌。因此LDHs是一種具有廣闊應用前景的藥物載體。Komarala等[44]建立了頭孢噻肟負載的LDH-胡蘆巴(CLF)納米復合物，藥物動力學結果表明，藥物在納米復合物中呈持續釋放模式，72 h內的藥物釋放量約為80%。抗菌結果表明，該納米復合物對產廣譜β-內酰胺酶的大腸桿菌(E.coliESBL)可達到98%的滅菌率。其可能機制在于LDH-CLF納米復合物作為頭孢噻肟的隱身載體，在進入細胞時才釋放藥物分子，阻止了細菌分泌的β-內酰胺酶對抗生素的降解，進而有效發揮抗生素的功效。

4 Mxenes抗菌研究進展

超薄二維納米材料(ultrathin two-dimensional nanomaterials) MXenes屬于一類新興的納米材料，其結構通式為Mn+1XnTx，其中M代表過渡金屬元素(如Sc, Ti, V, Cr, Zr, Hf, Nb, Mo, Ta和W),X代表C或N元素，Tx代表表面的官能團(如—OH，—O或—F)，n通常為1到3的整數。這種獨特的結構是由原始的塊狀MAX相(Mn+1AXn)，經過選擇性地侵蝕反應掉最活躍的組分A(ⅢA或ⅣA元素) 而得到。在Ti3C2Tx的合成實驗中使用氫氟酸(HF)水溶液作為蝕刻劑，從Ti3AlC2相中除去Al，同時在片層表面形成Tx端基，并通過進一步的超聲分層而獲得單層Ti3C2Tx。MXenes被侵蝕后具有片層狀結構，其橫向尺寸>100 nm，但厚度僅有一個或者幾個原子厚[45]。由于MXenes二維材料具有比表面積高、離子電導率大、親水性好等優勢特征,在能量存儲、傳感、催化以及生物醫學等領域展現出了巨大的潛力[46]。其中在生物應用上，MXenes因其出色的光熱性能、多峰成像能力和良好的生物相容性，已被用于癌癥治療研究中[47]。然而，迄今為止僅有少數報道證明了MXenes的抗菌活性。

Rasool等[48]研究測試了Ti3C2Tx對大腸桿菌(E.coli)和枯草芽孢桿菌(B.subtilis)的抗菌性能。結果顯示，與氧化石墨烯(GO)相比，Ti3C2Tx對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性枯草芽孢桿菌均顯示出更高的抗菌效率。Ti3C2Tx對兩種細菌均可達到98%以上的滅菌效果。Agnieszka等[49]觀察到MXenes的抗菌活性可能受原子化學計量比的影響。實驗結果表明，Ti3C2TxMXene可以抑制細菌的生長，這與以前的報道一致。但是Ti2CTxMXene則沒有抑菌能力。在使用X射線光電子能譜檢測時發現Ti3C2Tx和Ti2CTx二者的表面能態分布相似。因此作者認為，原子級的結構差異可能是影響具有不同化學計量比的MXene抑菌能力的主要因素。Arabi等[50]研究了在黑暗環境中，0.09，0.35，0.57 μm和4.40 μm 4種橫向尺寸的MXene納米片對大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的抗菌性能。分析證實，MXene納米片的抗菌活性與其橫向尺寸大小成負相關，而與材料暴露時間呈正相關。較小的納米片對兩種細菌具有更高的抗菌活性，其可在不到3 h內顯著破壞細菌，導致細胞中的DNA從胞質中釋放出來。作者認為納米片的鋒利邊緣與細菌胞膜表面之間的直接物理切割作用是MXene納米片的關鍵抗菌機制。然而迄今為止，有關MXenes殺菌機理和其他抗菌特性的研究還較少，MXenes的抗菌潛力仍有待開發。

5 關于二維層狀納米材料的抗菌應用總結與展望

本文主要總結了石墨烯、過渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)、及Mxenes這4類二維納米材料的抗菌研究現狀。具體而言，石墨烯及其衍生物是目前最常用的抗菌二維材料，材料本身即具有抗菌活性。其抗菌性能主要取決于以下3個因素：表面官能團、橫向尺寸及其衍生物的種類。目前文獻中介紹的石墨烯抗菌機制主要包括物理切割、氧化應激、磷脂抽取、營養剝奪及光動力和光熱效應。過渡金屬硫化物目前基本以研究MoS2納米片為主。MoS2納米材料本身也具有一定的抗菌活性，抗菌機制與石墨烯相似，目前大多數研究主要通過以下3個方面進一步提升其抗菌性能：表面官能化、裝載抗菌藥物及利用其高效光催化活性所觸發的光熱和光動力組合。關于層狀雙氫氧化物，少有研究表明其能直接抑制細菌生長，但是層狀雙氫氧化物特有的空間結構及其優異的生物相容性決定了它可以作為抗菌藥物理想的載體，以實現抗菌藥物的緩釋、提高抗菌藥的化學/光穩定性，同時使傳統的抗生素對抗耐藥菌成為一種可能。MXenes作為一種新型二維層狀納米材料，關于其抗菌性能的研究目前非常有限。盡管存在各種類型的MXenes，僅Ti3C2Tx已被證明具有抗菌活性，MXenes的殺菌機理仍知之甚少。

盡管本文重點介紹了4種類型的2D材料抗菌特性，但二維層狀納米材料是一個龐大的家族。其他一些2D材料例如六方氮化硼(BN)，2D金屬氧化物和2D高嶺石等也成為新興的潛在抗菌劑。隨著新型材料的不斷涌現，二維層狀納米材料的抗菌研究還在不斷拓展。同時現有的2D材料作為抗菌劑也存在一些問題。例如在自然環境下，2D材料會不可逆地聚集或者被氧化，特征性的二維結構將遭到破壞，從而限制其在日常條件下的儲存與應用。因此迫切需要開發合適的封閉劑以增強其穩定性并探索出2D材料的適當存儲條件。與此同時，二維層狀納米材料的生物安全性也是一個不可忽視的問題。已有研究發現高濃度的石墨烯進入小鼠體內后會發生肺部病變[51]。盡管從現有研究中我們可以認識到石墨烯、過渡金屬硫化物(TMDs)、層狀雙氫氧化物(LDHs)及Mxenes具有抗菌活性且幾乎不存在耐藥性，但是這些2D材料單獨用于體內抗菌時濃度仍然相對較高，因此可以將2D材料與抗菌藥物結合起來以達到協同抗菌的效果。目前已發現一些傳統的抗生素非常適合與2D材料結合使用,如LDH-CLF納米復合物可作為頭孢噻肟的隱身載體克服細菌對頭孢噻肟的耐藥性，從而達到有效抗菌。抗生素與2D材料的結合將會在對抗耐藥菌方面具有極大的應用潛力。其次，二維層狀納米材料具有引人注目的光學性能，在白光和近紅外光下可產生的光動力和光熱殺菌效應。基于2D材料處理動物感染傷口模型的現有數據表明，2D材料具有治療局部皮膚感染的強大潛力。由于光源和材料僅暴露于傷口中細菌聚集的部位，因此不會對體內正常菌群產生影響，且可以在傷口局部有效控制感染，促進皮膚傷口愈合。此外，利用2D材料的光催化抗菌特性，可制成抗菌涂層，實現簡易的原位消毒，有望在將來應用于無菌醫療設備中。但是目前將二維納米抗菌材料應用于實際臨床中仍需要大量實驗的支持，將其作為新一代有效抗菌劑需要多學科專家學者的共同研究與協作。