期刊速递钛锆铌铁合金表面碗状TiO2

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图形摘要:在钛锆铌铁合金表面制备碗状结构及抗菌的示意图

摘要

北京航空航天大学材料科学与工程学院研究成果:

钛合金由于其良好的力学性能、低弹模、耐腐蚀和生物相容性等优点,在临床应用中越来越成熟和广泛,但是仍然会产生感染等并发症,而通过改变植入物的抗菌功能可以减少此类并发症。本课题组自主研发了四元Ti-19Zr-10Nb-1Fe(TZNF)合金,其具有和天然骨骼相似的弹性模量。在TZNF合金表面以两亲嵌段聚合物为模板制备了具有光催化和光热协同抗菌性能的边界清晰的碗状多孔结构TiO2涂层,聚合物丰富的C,N元素为涂层减小了TiO2的带隙,使其表面可以吸收近红外(NIR)光释放活性氧并产生光热转换,并且碗状的多孔结构可以通过在有限空间内的反射来提高光的利用率。近红外光照射30分钟后,碗状表面抗菌率%。除了抗菌性能外,碗状多孔表面相比合金表面具有更好的蛋白质吸附能力和促成骨细胞增殖性能,性能分别提高了6倍和10-30%。

研究内容简介

课题组在钛合金表面制备了一种新型的碗状多孔纳米结构的TiO2,碗状形貌利于高效使用光的折射产生光催化和光热效应,达到抗菌的目的,而纳米多孔结构则利于促进细胞增殖和黏附。

本研究首先通过原子转移自由基聚合反应制备两亲嵌段共聚物聚苯乙烯-聚乙烯基吡啶(PS-P4VP),并在四氢呋喃/乙醇的混合溶剂中获得纳米微球;第二步利用钛酸四丁酯的水解反应在PS-P4VP表面合成TiO2前驱体;最后将PS-P4VP/TiO2前驱体微球旋涂在TZNF合金上,烧结后得到碗状TiO2涂层(图1)。PS-P4VP纳米粒子不仅可以作为形成碗状TiO2的模板,还可以引入丰富的C,N元素(图2)。由于TiO2的禁带宽度大(3.0~3.2?eV),光催化只能在紫外光照射下发生,而紫外光长期照射会对人体造成损伤,所以非金属元素的掺杂改性TiO2在NIR下具有高光催化活性(图3)。碗状纳米结构的表面可以让光在碗壁上多次反射,光的利用率更高,光催化和光热效果进一步提高(图4)。高效的光催化释放的ROS离子和局部过热可使样品表面起到杀菌的作用(图5),而粗糙的纳米多孔结构同时利于成骨细胞的增殖和黏附(图6)。

图1TZNF合金表面制备碗状TiO2涂层的示意图

图2不同粒径的微球制备的碗状多孔形貌的SEM图和碗状TiO2的TEM图及EDS分析

图3TZNF合金和不同碗径的碗状表面的TZNF合金的ROS释放测试

图4TZNF金属表面和碗状表面的热分析

图5光照30min后TZNF合金的碗状TiO2涂层的抗菌性能分析

图6光照前后的TZNF合金表面和碗状TiO2表面成骨细胞的增殖和黏附统计图

综上所述,基于PS-P4VP聚合物模板,在TZNF合金上制备的纳米碗状TiO2涂层,可以在近红外光下建立了多机制协同抗菌模式,且表面多孔纳米结构促进了成骨细胞在材料的表面增殖和粘附。这项工作展示了一种实用策略,可以在不使用抗生素的情况下赋予植入材料有效抗菌并促进组织周围细胞生长,从而减少实际临床过程中潜在的细菌相关并发症。这种具有多种抗菌机制的抗菌材料表面改性方法有望成为一种具有高生物安全性的有前途的方法,进一步扩大金属植入物的选择范围。

课题组简介

通讯作者:李岩,北京航空航天大学材料学院,博士研究生导师。主持国家重点研发计划1项,主持在研和完成国家自然科学基金面上(青年)项目7项,其他科研项目20余项,发表SCI收录论文余篇,获国家发明专利授权20余项,制定生物医用材料团体标准2项,获年度国家科技进步二等奖和年度教育部自然科学一等奖。课题组主要研究方向为生物医用金属材料(包括钛合金、形状记忆合金、镁合金以及金属材料表面改性)和新型医疗器械设计与研发。

通讯作者:陈爱华,北京航空航天大学材料学院,博士师导师,先后入选北京市科技新星、教育部“新世纪优秀人才”。从事液晶高分子、柔性电子材料、智能高分子材料等相关研究工作,作为第一/通讯作者在NatureCommun.,Adv.Mater.,Angew.Chem.,Adv.Funct.Mater.,ACSNano,ACSMacroLett.等期刊发表论文40多篇,引用0多次,单篇SCI引用超过次论文3篇。发表于Angew.Chem.的论文被选为热点文章(hotpaper),发表于ACSMacroLett.的文章入选“阅读最多论文”(MostReadpaper),已授权中国发明专利7项,日本发明专利1项,公开国际PCT专利1项。

原文信息

YanWu,ZichaoDeng,XueyingWang,AihuaChen,YanLi,Synergisticantibacterialphotocatalyticandphotothermalpropertiesoverbowl-shapedTiO2nanostructuresonTi-19Zr-10Nb-1Fealloy,RegenerativeBiomaterials,Volume9,,rbac,

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