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Nanoscale Titanium Surface Engineering via Low-Temperature Hydrothermal Etching for Enhanced Antimicrobial Properties

材料科学 纳米结构 纳米技术 蚀刻(微加工) 热液循环 纳米棒 钛酸酯 化学工程 水热合成 溶解 纳米尺度 复合材料 陶瓷 冶金 图层(电子) 工程类
作者
Jean‐Michel Morel,Oliver McNeilly,Sarah Grundy,Toby D. Brown,Cindy Gunawan,Rose Amal,Jason Scott
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (39): 46247-46260
标识
DOI:10.1021/acsami.3c09525
摘要

Bioinspired nanotopography artificially fabricated on titanium surfaces offers a solution for the rising issue of postoperative infections within orthopedics. On a small scale, hydrothermal etching has proven to deliver an effective antimicrobial nanospike surface. However, translation to an industrial setting is limited by the elevated synthesis temperature (150 °C) and associated equipment requirements. Here, for the first time, we fabricate surface nanostructures using comparatively milder synthesis temperatures (75 °C), which deliver physicochemical properties and antimicrobial capability comparable to the high-temperature surface. Using a KOH etchant, the simultaneous formation of titania and titanate crystals at both temperatures produces a one-dimensional nanostructure array. Analysis indicated that the formation mechanism comprises dissolution and reprecipitation processes, identifying the deposited titanates as hydrated layered tetra-titanates (K2Ti4O9·nH2O). A proposed nanospike formation mechanism was confirmed through the identification of a core and outer shell for individual nanostructures, primarily comprised of titanates and titania, respectively. Etching conditions dictated crystalline formation, favoring a thicker titanate core for nanorods under higher synthesis temperatures and etchant concentrations. A bactericidal investigation showed the efficacy against Gram-negative bacteria for a representative low-temperature nanosurface (34.4 ± 14.4%) was comparable to the higher temperature nanosurface (34.0 ± 17.0%), illustrating the potential of low-temperature hydrothermal synthesis. Our results provide valuable insight into the applicability of low-temperature etching protocols that are more favorable in large-scale manufacturing settings.

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