NIR‐Responsive TiO2 Biometasurfaces: Toward In Situ Photodynamic Antibacterial Therapy for Biomedical Implants

材料科学 光热治疗 纳米技术 纳米结构 光动力疗法 光催化 纳米材料 生物膜 体内 细菌 化学 生物 生物技术 催化作用 有机化学 生物化学 遗传学
作者
Minggang Yang,S. Qiu,Emerson Coy,Shuaijie Li,Karol Załęski,Yao Zhang,Haobo Pan,Guocheng Wang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (6) 被引量:99
标识
DOI:10.1002/adma.202106314
摘要

Implant-related microbial infection is a challenging clinical problem, and its treatment requires efficient eradication of the biofilm from the implant surface. Near-infrared (NIR)-responsive strategies are proposed as an emerging efficient antibacterial therapy. However, the utilization of photosensitizers or photocatalytic/photothermal nanomaterials in the available approach likely induces high potential risks of interfacial deterioration and biosafety compromise. Herein, a TiO2 /TiO2-x metasurface with potent NIR-responsive antibacterial activity is produced on a Ti alloy implant by a newly invented topochemical conversion-based alkaline-acid bidirectional hydrothermal method (aaBH). Electromagnetic simulations prove that NIR absorption and near-field distribution of the metasurface can be tuned by the dimension and arrangement of the nanostructural unit. Promising antibacterial efficacy is proved by both in vitro and in vivo tests, with low-power NIR irradiation for 10 min. Besides, the designed nanostructure in the metasurface itself also shows excellence in enhancing the adhesion-related gene expression of human gingival fibroblasts that are exposed to 10 min of NIR irradiation, proving the potent nanostructure-induced biological effects. This work provides a biosafe and upscalable metasurfacing approach with extraordinary capacity of manipulating light adsorption, photocatalysis, and biological properties.
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