Propriétés photoinduites des alliages de Ti anodisés pour les applications de biomatériaux

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13916 (2023) Citer cet article

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Les propriétés photocatalytiques des oxydes anodiques sur un TiNbSn nouvellement développé et des alliages Ti6Al4V couramment utilisés comme biomatériaux ont été étudiées. Les alliages ont été anodisés dans un électrolyte d'acide tartrate de sodium avec H2O2 à haute tension et le mécanisme des activités photocatalytiques et antivirales a été étudié. Le TiNbSn et le Ti6Al4V anodisés présentaient respectivement du TiO2 rutile hautement cristallisé et du TiO2 anatase mal cristallisé. L'analyse par spectroscopie photoélectronique à rayons X a révélé la présence d'oxydes des éléments d'alliage en plus du TiO2. Le TiNbSn anodisé présentait des activités plus élevées que le Ti6Al4V, et les spectres de résonance de spin électronique indiquaient que le nombre de radicaux hydroxyles (⋅OH) générés à partir du TiNbSn anodisé était supérieur à celui du Ti6Al4V anodisé. Les résultats peuvent s'expliquer par deux mécanismes possibles : la cristallinité plus élevée du TiO2 sur TiNbSn que celle sur Ti6Al4V réduit le nombre de sites de recombinaison de charges et génère du ⋅OH abondant ; la séparation des charges dans l'oxyde anodique sur TiNbSn en raison de la structure de bande électronique entre TiO2 et les oxydes d'éléments d'alliage améliore les photoactivités. Les excellentes caractéristiques photoinduites du TiNbSn anodisé devraient contribuer à un traitement implantaire sûr et fiable.

Le Ti et ses alliages sont largement utilisés comme matériaux de structure en raison de leur haute résistance (490 à 1 470 MPa pour les alliages de Ti), de leur résistance à la corrosion (moins de 1 mm/an dans 10 % de HCl), de leur faible densité (4,51 g/cm3) et de leur faible densité (4,51 g/cm3). faible module d'Young (108 GPa). Récemment, leur application dans les dispositifs médicaux et dentaires a été considérablement augmentée en raison de leur haute biocompatibilité avec les tissus, en plus des propriétés susmentionnées. La biocompatibilité est la capacité d'un matériau à fonctionner sans réponse cliniquement importante de l'hôte1. La biocompatibilité du Ti provient d’une couche d’oxyde de plusieurs nanomètres d’épaisseur présente à sa surface, qui inhibe les réactions redox2. L'oxyde se forme spontanément à la surface lors de l'exposition à l'air et est en équilibre thermodynamique3, fonctionnant ainsi comme une couche de passivation responsable de la résistance à la corrosion et atténuant la libération d'ions métalliques de l'alliage4. Si la couche d'oxyde n'est pas suffisamment résistante à l'usure et à la corrosion, elle est facilement perturbée par la contrainte de cisaillement interfaciale et le Ti nu est exposé aux fluides corporels corrosifs, conduisant ainsi à l'élution d'ions métalliques par l'action synergique de l'usure et de la corrosion. . Même si une nouvelle couche d'oxyde se développe à sa surface après rupture, le taux de repassivation est très lent pour éviter la corrosion6, et la surface est endommagée en raison de la contrainte incessante7. Par conséquent, des oxydes de titane résistants à la tribocorrosion et adhésifs sont nécessaires pour les biomatériaux. La forme tétravalente du TiO2 est bien connue pour sa biocompatibilité, sa haute stabilité chimique et sa faible toxicité8. L'oxyde est un photocatalyseur semi-conducteur de type n qui génère des électrons et des trous sous éclairage ultraviolet (UV), correspondant à une énergie de bande interdite (Eg) de 3,2 et 3,0 eV pour les phases anatase et rutile, respectivement9. Les charges générées réagissent avec l'eau et l'oxygène de l'atmosphère pour produire des espèces réactives de l'oxygène (ROS) telles que des peroxydes, des superoxydes et des radicaux hydroxyles10. Les ROS dégradent les polluants organiques toxiques, les bactéries et les virus adsorbés en surface, à moins qu'une recombinaison des porteurs de charge ne se produise au niveau des défauts du réseau11. TiO2 a trois formes cristallines12 : anatase (tétragonale, a = b = 0,3782 nm et c = 0,9502 nm), rutile (tétragonale, a = b = 0,4594 nm et c = 0,2959 nm) et brookite (rhomboédrique, a = 0,9185 nm, b = 0,5447 nm et c = 0,5143 nm). L'anatase et le rutile existent respectivement à basse et haute température, et la brookite est rarement observée. Il est rapporté que le rutile présente une photoactivité inférieure à celle de l'anatase en raison du taux de recombinaison élevé des paires électron-trou et de la position de la bande de conduction. La durée de vie des porteurs photogénérés du rutile est plus courte que celle de l'anatase, en raison de la transition de bande directe des porteurs de charge entre les bandes de valence et de conduction dans le rutile, plutôt que de la transition de bande indirecte dans l'anatase.