本文主要由论文第一作者吴昊撰写。在此,特别感谢四川大学华西口腔医学院田卫东教授团队的大力支持。谢谢大家持续关注我们~

感谢测试狗团队在多处数据测试上的技术支持

研究背景

种植体表面去污是种植体周围炎治疗及再骨整合的关键,但是常规去污方法无法彻底清除种植体表面的菌斑及其产物,影响其再骨整合与骨再生。已有文献报道,二氧化钛(TiO2)的光催化性能已广泛应用于工业去污,有望为种植体表面的深度清洁提供可行策略。但普通TiO2涂层无法对可见光发生响应,且机械性能较差,较易被传统去污方式破坏,从而失去光催化活性。同时具备优异耐磨性可见光催化能力的TiO2涂层在此方面有广阔的应用前景,但是现在的文献并未见有该方面的报道。

研究成果

四川大学华西口腔医学院田卫东教授课题组报道了一种新型多功能TiO2纳米陶瓷涂层,该涂层以阳极氧化为基础制备而成,具有良好的光催化性能,并且对机械破坏具有优异的抵抗能力。这是首次在钛基底上制备出同时具有这两种性能的TiO2涂层。同时,该涂层表现出良好的生物相容性与骨整合性能,有利于种植体周围炎治疗后的再骨整合与骨再生。该研究为钛种植体表面去污及种植体周围炎的治疗与预防提供了一种新思路。该工作将在近期发表在Acta Biomaterialia上

图文解析

一、样品的制备过程与相关表征

Fig. 1. SEM images, AFM images, roughness and wettability of samples: (A, B) PT samples; (C, D) PEO samples; (E, F) PEOA samples; (G, H) PT-H samples.

Fig. 2. Alterations of crystalline structures and chemical compositions during the fabrication process of the PT-H coating on titanium: (A) XRD patterns; (B) Raman spectra; (C) The blue shift of the strongest Eg mode area at 144 cm-1; (D) XPS survey spectra of all samples; (E, F) O1s spectrum and chemical composition of the PEO and PT-H samples.

材料制备过程中表面形粗糙度接触角晶相表面化学基团的变化如上图所示。在制备过程中,钛表面首先产生多孔结构,同时出现的锐钛矿与金红石两种晶相,通过退火与打磨,去除了表面疏松多孔结构,留下光滑的TiO2涂层。Raman光谱的谱线蓝移及XPS中Ti-OH成分的增加证明氧空位的产生。

二、光催化性能

Fig. 3. Evaluation of the photocatalytic activities of PT-H samples: (A, B) MB and RhB degradation after visible light irradiation; (C) Immunofluorescence staining of the adherent LPS on PT and PT-H samples after visible light irradiation; (D) Fluorescence intensity of stained LPS on PT and PT-H samples; (E, F) EPR spectra of the PT-H sample for the detection of ·O2 and ·OH radicals. “*”, p < 0.05 when compared with another group.

可见光催化相关实验结果显示,该涂层在可见光照射下可以明显加快亚甲基蓝及罗丹明B的降解,同时对于吸附的LPS也有不错的降解作用。同时,EPR结果表明,该光催化活性与光照下过氧自由基与羟基自由基的生成相关。

三、表面力学性能

Fig. 4. Mechanical and tribological properties of PT and PT-H samples: (A) Typical load-displacement curves of PT and PT-H samples; (B) Hardness of PT and PT-H samples; (C, D) SEM images of PT and PT-H samples after the ball-on-disc test. The red arrow refers to the wear scar on the PT-H sample. “*”, p < 0.05 when compared with another group.

纳米压痕摩擦学实验结果表明,该涂层的硬度为纯钛的两倍以上,同时球盘实验中,该涂层可以有效抵抗不锈钢球的摩擦,在500个循环后依然可以保持原有的形貌,而纯钛表面的形貌已经被严重破坏。

研究小结

本实验联合应用阳极氧化与退火处理,在钛基底上成功制备出多功能TiO2纳米陶瓷涂层,该涂层具有良好的耐磨性可见光响应的光催化活性,良好的生物相容性成骨诱导性。该研究有望为种植体周围炎的治疗提供一种新的思路,有利于种植体表面去污处理后的再骨整合与骨再生。

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文章信息:Hao Wu, Li Xie, Weidong Tian;A wear-resistant TiO2 nanoceramic coating on titanium implants for visible-light photocatalytic removal of organic residues;doi.org/10.1016/j.actbio.2019.08.009.

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