Proprietà fotoindotte di leghe di Ti anodizzate per applicazioni su biomateriali

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13916 (2023) Citare questo articolo

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Sono state studiate le proprietà fotocatalitiche degli ossidi anodici su un TiNbSn di nuova concezione e sulle leghe Ti6Al4V comunemente utilizzate come biomateriali. Le leghe sono state anodizzate in un elettrolita di acido tartrato di sodio con H2O2 ad alto voltaggio ed è stato studiato il meccanismo dell'attività fotocatalitica e antivirale. Il TiNbSn e il Ti6Al4V anodizzati presentavano rispettivamente TiO2 rutilo altamente cristallizzato e TiO2 anatasio scarsamente cristallizzato. L'analisi spettroscopica fotoelettronica a raggi X ha rivelato la presenza di ossidi degli elementi di lega oltre a TiO2. Il TiNbSn anodizzato mostrava attività più elevate rispetto al Ti6Al4V e gli spettri di risonanza dello spin elettronico indicavano che il numero di radicali idrossilici (⋅OH) generati dal TiNbSn anodizzato era superiore a quello del Ti6Al4V anodizzato. I risultati possono essere spiegati da due possibili meccanismi: la maggiore cristallinità del TiO2 su TiNbSn rispetto a quella sul Ti6Al4V riduce il numero di siti di ricombinazione di carica e genera abbondanti ⋅OH; la separazione della carica nell'ossido anodico su TiNbSn dovuta alla struttura a bande elettroniche tra TiO2 e gli ossidi degli elementi di lega migliora le attività fotografiche. Si prevede che le eccellenti caratteristiche fotoindotte del TiNbSn anodizzato contribuiranno al trattamento implantare sicuro e affidabile.

Il Ti e le sue leghe sono ampiamente utilizzati come materiali strutturali a causa della loro elevata resistenza (490–1470 MPa per le leghe di Ti), resistenza alla corrosione (meno di 1 mm/anno in HCl al 10%), bassa densità (4,51 g/cm3) e modulo di Young basso (108 GPa). Recentemente, la loro applicazione nei dispositivi medici e dentistici è stata incrementata notevolmente a causa della loro elevata biocompatibilità con i tessuti, oltre alle proprietà sopra menzionate. La biocompatibilità è la capacità di un materiale di funzionare senza una risposta clinicamente importante dell'ospite1. La biocompatibilità del Ti deriva da uno strato di ossido spesso diversi nanometri presente sulla sua superficie, che inibisce le reazioni redox2. L'ossido si forma spontaneamente sulla superficie dopo esposizione all'aria ed è in equilibrio termodinamico3, funzionando quindi come uno strato di passivazione responsabile della resistenza alla corrosione e mitigando il rilascio di ioni metallici dalla lega4. Se lo strato di ossido non ha una resistenza sufficiente all'usura e alla corrosione, viene facilmente distrutto dallo stress di taglio interfacciale e il Ti nudo viene esposto a fluidi corporei corrosivi, portando così all'eluizione di ioni metallici attraverso l'azione sinergica di usura e corrosione5 . Anche se sulla sua superficie si sviluppa un nuovo strato di ossido dopo la rottura, la velocità di ripassivazione è molto lenta per prevenire la corrosione6 e la superficie viene danneggiata a causa dello stress incessante7. Pertanto per i biomateriali sono necessari ossidi di titanio resistenti alla tribocorrosione e adesivi. La forma tetravalente del TiO2 è ben nota per la sua biocompatibilità, elevata stabilità chimica e bassa tossicità8. L'ossido è un fotocatalizzatore semiconduttore di tipo n che genera elettroni e lacune sotto illuminazione ultravioletta (UV), corrispondenti a un'energia di gap di banda (Eg) di 3,2 e 3,0 eV per le fasi anatasio e rutilo, rispettivamente9. Le cariche generate reagiscono con l'acqua e l'ossigeno nell'atmosfera per produrre specie reattive dell'ossigeno (ROS) come perossidi, superossido e radicali idrossilici10. I ROS degradano gli inquinanti organici tossici, i batteri e i virus assorbiti in superficie, a meno che la ricombinazione dei portatori di carica non avvenga in corrispondenza dei difetti reticolari11. Il TiO2 ha tre forme cristalline12: anatasio (tetragonale, a = b = 0,3782 nm e c = 0,9502 nm), rutilo (tetragonale, a = b = 0,4594 nm e c = 0,2959 nm) e brookite (romboedrico, a = 0,9185 nm, b = 0,5447 nm e c = 0,5143 nm). L'anatasio e il rutilo esistono rispettivamente a basse e alte temperature e la brookite è raramente osservata. È stato riferito che il rutilo mostra una fotoattività inferiore rispetto all'anatasio a causa dell'elevato tasso di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna13 e della posizione della banda di conduzione14. La durata dei portatori fotogenerati del rutilo è più breve di quella dell'anatasio15, a causa della transizione diretta della banda dei portatori di carica tra le bande di valenza e di conduzione nel rutilo, piuttosto che della transizione indiretta della banda nell'anatasio16.