Фотоиндуцированные свойства анодированных сплавов Ti для применения в биоматериалах

Sep 01, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13916 (2023) Цитировать эту статью

52 доступа

Подробности о метриках

Исследованы фотокаталитические свойства анодных оксидов на недавно разработанном сплаве TiNbSn и широко используемых в качестве биоматериалов сплавах Ti6Al4V. Сплавы анодировали в электролите виннокислого натрия с H2O2 при высоком напряжении и изучали механизм фотокаталитической и противовирусной активности. Анодированные TiNbSn и Ti6Al4V содержали высококристаллизованный рутиловый TiO2 и плохо кристаллизованный анатазный TiO2 соответственно. Рентгенофотоэлектронный спектроскопический анализ выявил наличие помимо TiO2 оксидов легирующих элементов. Анодированный TiNbSn показал более высокую активность, чем Ti6Al4V, а спектры электронного спинового резонанса показали, что количество гидроксильных радикалов (⋅OH), генерируемых из анодированного TiNbSn, было выше, чем из анодированного Ti6Al4V. Результаты можно объяснить двумя возможными механизмами: более высокая кристалличность TiO2 на TiNbSn, чем на Ti6Al4V, уменьшает количество центров рекомбинации заряда и генерирует большое количество ⋅OH; Разделение зарядов в анодном оксиде на TiNbSn за счет зонной электронной структуры между TiO2 и оксидами легирующих элементов усиливает фотоактивность. Ожидается, что превосходные фотоиндуцированные характеристики анодированного TiNbSn будут способствовать безопасному и надежному лечению имплантатами.

Титан и его сплавы широко используются в качестве конструкционных материалов из-за их высокой прочности (490–1470 МПа для титановых сплавов), коррозионной стойкости (менее 1 мм/год в 10%-ном растворе HCl), низкой плотности (4,51 г/см3) и низкий модуль Юнга (108 ГПа). В последнее время их применение в медицинских и стоматологических устройствах значительно расширилось из-за их высокой биосовместимости с тканями в дополнение к вышеупомянутым свойствам. Биосовместимость – это способность материала функционировать без клинически значимой реакции хозяина1. Биосовместимость Ti обусловлена ​​присутствием на его поверхности оксидного слоя толщиной в несколько нанометров, который ингибирует окислительно-восстановительные реакции2. Оксид спонтанно образуется на поверхности под воздействием воздуха и находится в термодинамическом равновесии3, действуя тем самым как пассивирующий слой, отвечающий за коррозионную стойкость и уменьшающий выход ионов металлов из сплава4. Если оксидный слой не обладает достаточной стойкостью к износу и коррозии, он легко разрушается межфазным напряжением сдвига, а голый титан подвергается воздействию агрессивных жидкостей организма, что приводит к вымыванию ионов металлов за счет синергетического действия износа и коррозии5. . Даже если после разрушения на его поверхности образуется новый оксидный слой, скорость репассивации очень медленная, чтобы предотвратить коррозию6, а поверхность повреждается из-за постоянного напряжения7. Поэтому для биоматериалов необходимы устойчивые к трибокоррозии и адгезионные оксиды титана. Четырехвалентная форма TiO2 хорошо известна своей биосовместимостью, высокой химической стабильностью и низкой токсичностью8. Оксид представляет собой полупроводниковый фотокатализатор n-типа, который генерирует электроны и дырки под воздействием ультрафиолетового (УФ) света, что соответствует энергии запрещенной зоны (Eg) 3,2 и 3,0 эВ для фаз анатаза и рутила соответственно9. Образовавшиеся заряды реагируют с водой и кислородом в атмосфере с образованием активных форм кислорода (АФК), таких как пероксиды, супероксиды и гидроксильные радикалы10. АФК разлагают адсорбированные на поверхности токсичные органические загрязнители, бактерии и вирусы, если только не происходит рекомбинация носителей заряда на дефектах решетки11. TiO2 имеет три кристаллические формы12: анатаз (тетрагональный, a = b = 0,3782 нм, c = 0,9502 нм), рутил (тетрагональный, a = b = 0,4594 нм, c = 0,2959 нм) и брукит (ромбоэдрический, a = 0,9185). нм, b = 0,5447 нм и c = 0,5143 нм). Анатаз и рутил существуют соответственно при низких и высоких температурах, брукит наблюдается редко. Сообщается, что рутил проявляет меньшую фотоактивность, чем анатаз, из-за высокой скорости рекомбинации электронно-дырочных пар13 и положения зоны проводимости14. Время жизни фотогенерированных носителей рутила короче, чем у анатаза15, из-за прямого зонного перехода носителей заряда между валентной зоной и зоной проводимости в рутиле, а не непрямого зонного перехода в анатазе16.