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Mechanisms of Hierarchical Topographies Tuning Bacteria and Cell Biological Responses to the Surfaces of Pure Titanium and Cu-Bearing Titanium Alloy

材料科学 骨整合 生物膜 合金 钛合金 成骨细胞 纳米技术 化学工程 植入 细菌 冶金 体外 化学 生物 外科 工程类 医学 生物化学 遗传学
作者
Hui Liu,Daorong Xu,Yuan Ma,Jikun Qian,Yinghui Yang,Bin Yu,Ling Ren,Ke Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (17): 19226-19240 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsami.2c02802
摘要

The competition between cells integration and bacterial colonization determines the fate of implantations. To reveal the effects of clinical implant topographies on osteoblast differentiation and bacterial biofilm formation, a series of micron/submicron/nano-hierarchical structures were created at pure titanium surfaces (Ti-I, Ti-II, Ti-III). It was found that the hierarchical structures promoted MC3T3-E1 cell differentiation through contact guidance and Ti-II processed the best osteogenic ability. Undesirably, hierarchical surfaces further accelerated the biofilm formation due to submicron structures with low interaction. To reduce the risk of bacterial infections, hierarchical structures were prepared on the antibacterial Cu-bearing titanium alloy surfaces (TiCu-I, TiCu-II, TiCu-III). Hierarchical topographies not only endowed TiCu surfaces with antibacterial trapping characteristics due to CuO doped in the outermost oxides layer but also shifted the corrosion behavior of TiCu alloy into activation-passivation, increasing the Cu-ion release rate and further promoting the osteogenic differentiation. TiCu-III possessed excellent antibacterial trapping ability and optimal osteogenic action. Finally, in the osteomyelitis-modeled mice, hierarchical topographies aggravated the bacterial infection around Ti implants, which entirely lost the osseointegration, while all of the TiCu surfaces significantly inhibited the infection and accelerated the formation of new bone tunnels around the implants. In vivo studies successfully confirmed the tuning mechanism of hierarchical topographies on the biological responses of bacteria and cells to the Ti and TiCu alloys, which would pave the way to develop novel biofunctionalized metal implants.
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