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Polydopamine-Assisted Zn2TiO4–ZnO Heterostructure Formation on Titanium with Decent Osteogenic and Antibacterial Activity

材料科学 异质结 纳米技术 光催化 化学工程 冶金 光电子学 催化作用 生物化学 工程类 化学
作者
Ihsan Ullah,Saadullah Khattak,Linjie Chen,Jing Sun,Yongsheng Jiang,Feng Wen,Zhifeng You,Huaqiong Li,Wei Zuo
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c04285
摘要

Implant-associated infections and inadequate osseointegration are major contributors to orthopedic implant failures. Although hydrothermally grown zinc oxide (ZnO) nanorods on titanium (Ti) implants enhance antibacterial activity, their aggressive degradation and uncontrolled Zn2+ leaching do not meet the requirements for bone implants and can damage the surrounding tissues. This study introduces a crystal-damage-free nanoengineering mechanism to enhance the stability of ZnO nanorods by utilizing a carbon nanolayer as a sacrificial template between the ZnO core and TiO2. This mechanism induced the formation of a hybrid Zn2TiO4 heterostructure within the carbon layer at a low temperature of 500 °C by reducing the required activation energy. This carbon layer acts as a diffusion barrier, allowing the unilateral diffusion of ZnO into TiO2 while preventing Ti diffusion into the ZnO core. The resulting ZnO@TiO2-6 heterostructure controlled Zn2+ leaching and exhibited significant osteogenic activity of MC3T3-E1 cells and potent antibacterial efficacy against S. aureus and E. coli due to the differential landscape of osteoblasts and bacteria. In vivo studies further confirm that ZnO@TiO2-6 heterostructure eradicated 90% of bacteria, alleviated inflammation, and enhanced biocompatibility. Unlike Ti implants, which lack antibacterial properties, and ZnO alone, which induces inflammation, ZnO@TiO2-6 nanorods provide enhanced stability, sustained Zn2+ release, optimized ROS levels, and dual antibacterial and osteogenic functions, making them a promising advancement for orthopedic and dental implants.

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