酸蒸汽水热工程化钛植入体上的TiO2纳米阵列用于近红外响应的抗菌和成骨性能

《Ceramics International》：Acid-Steam Hydrothermal Engineering of TiO 2 Nanoarrays on Titanium Implants for NIR-Responsive Antibacterial and Osteogenic Performance

　　

摘要：

植入物相关细菌感染仍然是钛合金植入物失败的主要原因。为了解决这一挑战，我们通过酸蒸汽水热法制备了一种分级结构的缺氧TiO₂纳米阵列膜。所得纳米阵列含有丰富的氧空位，在808 nm辐照下表现出增强的近红外（NIR）光吸收和增加的活性氧（ROS）生成。因此，该膜对金黄色葡萄球菌表现出增强的近红外响应抗菌活性，并有证据表明ROS诱导的膜破坏和胞内内容物泄漏。细胞研究进一步表明，该膜具有良好的细胞相容性，促进粘着斑形成，调节巨噬细胞相关炎症基因的表达，并增强MC3T3-E1细胞的成骨分化。综上所述，这些发现表明缺氧TiO₂纳米阵列膜通过提供近红外响应抗菌活性和支持与骨整合相关的细胞反应，有望作为钛合金植入物的表面改性材料。

引言

钛及其合金因其优异的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性而被广泛用作骨科和牙科植入材料[1]，[2]。然而，植入物相关感染仍然是植入失败的主要原因[3]。植入后，细菌可以迅速粘附在植入物表面并形成生物膜，这保护它们免受宿主免疫反应和常规抗生素治疗的影响[4]。抗生素耐药细菌的发病率不断上升，进一步限制了现有抗生素方案的临床效用[5]，并缩小了可用的治疗选择[6]。因此，开发具有有效抗菌活性和支持成骨能力的植入物表面对于钛植入物的长期成功至关重要。

由于其时空精度、微创性和诱导细菌耐药性的低可能性，光动力疗法提供了一种有前景的无抗生素方法[7]，[8]。在光敏剂中，二氧化钛（TiO₂）因其化学稳定性和生物相容性而对植入物表面特别有前景[9]，[10]，[11]。然而，原始TiO₂由于其宽带隙而主要被紫外（UV）光激活[12]，而紫外线照射的组织穿透力有限，并可能引起光毒性[13]，[14]。相比之下，近红外（NIR）光提供更大的组织穿透力和更有利的安全性，使近红外响应的TiO₂表面在植入物相关抗菌应用中非常理想[15]。

缺陷工程，特别是引入氧空位[16]，是扩展TiO₂光谱响应的一种有效策略[17]。先前的研究表明，氧空位可以在带隙内引入缺陷态，增强光吸收，并促进光致电荷分离[18]，[19]，[20]，从而增强辐照下的ROS生成。然而，产生氧空位的常规方法，如高温氢化、等离子体处理和化学还原[21]，[22]，[23]，通常需要严苛的后处理条件。此外，这些过程可能会损害对调节细胞粘附和成骨分化至关重要的预成型纳米结构[24]，[25]。因此，开发一种简便的路线来生产缺氧TiO₂，同时保持生物相容性和支持成骨的纳米形貌仍然是一个挑战。

在此，我们开发了一种酸蒸汽水热策略，在Ti-6Al-4V表面上构建富含氧空位的TiO₂纳米阵列。在该过程中，含HF蒸汽提供酸性蚀刻环境，促进TiO₂形成和缺陷产生，在水热反应期间，覆盖Ti-6Al-4V（TC4）基底的NaCl溶液调节TiO₂纳米阵列的各向异性生长，并标记为HTN。所得HTN膜在808 nm辐照下表现出增强的近红外吸收和高效的ROS生成，导致对金黄色葡萄球菌的抗菌活性显著提高。此外，分级纳米阵列表面显示出良好的细胞相容性，促进细胞粘附，调节巨噬细胞相关炎症基因表达，并增强成骨分化。这项研究为开发具有集成近红外响应抗菌和成骨性能的多功能钛植入物提供了一种简便的表面工程策略。

章节片段

HTN膜的制备

医用级Ti-6Al-4V合金箔，直径15 mm，厚度1 mm，首先在H₂O、HNO₃（15.8 mol/L）和HF（9.8 mol/L）的混合物中，体积比为10：3：2，进行酸蚀以去除表面氧化物和污染物。所有钛合金片，包括TC4对照样品，在后续处理前酸洗30 s。然后将箔在去离子（DI）水中超声清洗三次，每次5分钟，以去除残留酸。HTN膜通过

HTN膜的表征

通过SEM观察酸蒸汽水热处理前后钛合金的表面形貌（图1a）。TC4对照表现出相对平坦的表面，而HTN样品显示出由较长纳米棒与较短纳米棒和颗粒交织而成的分级纳米阵列，尺寸范围从10 nm到100 nm。在反应过程中，Cl^-选择性吸附在TiO₂的特定晶面上，从而改变了相对生长

结论

开发了一种简便的一步酸蒸汽水热策略，在钛合金表面制备富含氧空位的TiO₂纳米阵列（HTN）。通过构建蒸汽受限的界面反应微环境，成功地将大量氧空位引入TiO₂晶格，而不会破坏促成骨纳米阵列形态。所得HTN膜表现出显著增强的近红外（NIR）光吸收和强大的活性氧（ROS）

CRediT作者贡献声明

Jiaming Cui：写作–审阅与编辑，写作–原稿，验证，方法学，形式分析，数据管理，概念化。Hualin Ma：写作–审阅与编辑，写作–原稿，监督，资金获取，形式分析，数据管理。Nan Li：写作–原稿，验证，监督，资金获取，形式分析，概念化。Guocheng Wang：写作–审阅与编辑，写作–原稿，验证，监督，方法学，

利益冲突声明

? 作者声明，他们不知道可能影响本文报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（52371255, 32301119）资助。广东省科技计划项目（2025A05050020068）。深圳市科技研究资金（GLHZ202040218112602005, JCYJ20240813104000001）。深圳市三名工程（SZSM202311009）。深圳市人民医院“五三”临床科学家培养计划（应用基础研究）。

Jiaming Cui|Xiaoyi Ma|Nan Hu|Minggang Yang|Xiaobing Zhao|Guocheng Wang|Nan Li|Hualin Ma