Surface Bandgap Engineering of Nanostructured Implants for Rapid Photothermal Ion Therapy of Bone Defects

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作者
Xue Yang,Lan Zhang,Fuwei Liu,Yiwei Zhao,Jianhong Zhou,Yufei Hou,Han Bao,Liang Kong,Fang Ma,Yong Han
出处
期刊:Advanced Healthcare Materials [Wiley]
卷期号:11 (22) 被引量:13
标识
DOI:10.1002/adhm.202200998
摘要

Abstract Bone defects are seriously threatening the health of orthopedics patients and it is difficult for implants to accelerate bone regeneration without using bone growth factors. Herein, a fast photothermal ion therapeutic strategy is developed based on the bandgap engineering of nanostructured TiO 2 through (Si/P)‐dual elemental doping by micro‐arc oxidation treatment of titanium implants. The (Si/P)‐dual doping can tune the surface bandgap structure of TiO 2 by decreasing bandgap and broadening valence band simultaneously, which is confirmed by density functional theory calculations. It not only endows the implants with a mildly photothermal effect under near‐infrared (NIR) light irradiation, but also creates an (Si/P) ion‐rich microenvironment around the implants. This photothermal ion microenvironment can tune the behaviors of osteoblasts by promoting p38/Smad and ERK signaling pathways of osteoblasts, thus significantly upregulating the expression of osteogenesis genes by the synergistic action of mild photothermal stimulation and increased release of Si/P ions. The in vivo results are also in good agreement with in vitro tests, i.e., under NIR light irradiation, the photothermally responsive TiO 2 enhances the bone formation and osteointegration with implants. Therefore, this kind of photothermal ion strategy is a promising remote and noninvasive therapeutic mode for promoting bone regeneration of Ti implants.
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