In Situ Electrochemical Fabrication of Photoreactive Ag–Cu Bimetallic Nanocomposite Coating and Its Antibacterial-Osteogenic Synergy

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作者
Henigul Osman,Xiaohui Tang,Wei Qin,Bo Liu,Baoyuan Wang,Yingbo Wang
出处
期刊:ACS applied bio materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (7): 6326-6338 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsabm.5c00802
摘要

In response to the issues of infection and poor bone integration in orthopedic implants, this study successfully developed a multifunctional composite coating composed of poly(pyrrole) (PPy), hydroxyapatite (HA), and silver-copper (Ag-Cu) bimetallic nanoparticles (NPs) on titanium (Ti) substrates using an electrochemical in situ deposition technique. Upon near-infrared light (NIR, 808 nm) stimulation, this coating exhibits synergistic antibacterial and osteogenic effects through photothermal (PTT) and photodynamic (PDT) processes. Characterization results indicate that the Ag-Cu NPs are uniformly distributed within the coating (Ag: 1.7 wt %, Cu: 2.0 wt %), and the concentrations of Ag+ and Cu2+ released (2.9526 mg·L-1 and 0.1932 mg·L-1, respectively) are significantly lower than the cytotoxic threshold (10 mg·L-1). PTT tests reveal that the coating achieves a PTT conversion efficiency of 33.8%, with the temperature rising to 49.9 °C within 10 min under 1.0 W·cm-2 irradiation, generating high levels of singlet oxygen (1O2). This leads to a 100% bactericidal rate against Escherichia coli and Staphylococcus aureus. In vitro biocompatibility assays show that the gradient release of HA and the synergistic effect of Ag+/Cu2+ significantly enhance the proliferation of bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs), with optical density reaching 1.49 after 7 days of culture. Additionally, osteogenic differentiation is promoted, as evidenced by a 2.9-fold increase in alkaline phosphatase (ALP) activity and a 2.1-fold increase in calcium nodule formation. Western blot analysis further confirmed that the coating induces the high expression of Runx2 via activation of the Wnt/β-catenin signaling pathway, thereby driving osteogenesis. This study presents a strategy for the development of smart implants with both efficient antibacterial and bone integration capabilities.
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