생체재료 응용을 위한 양극산화 Ti 합금의 광유도 특성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13916(2023) 이 기사 인용

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새로 개발된 TiNbSn 및 생체재료로 일반적으로 사용되는 Ti6Al4V 합금의 양극 산화물의 광촉매 특성을 조사했습니다. 합금은 고전압의 H2O2와 주석산 나트륨 전해질에서 양극 산화 처리되었으며 광촉매 및 항바이러스 활성 메커니즘이 연구되었습니다. 양극산화처리된 TiNbSn과 Ti6Al4V는 각각 고도로 결정화된 금홍석 TiO2와 저조하게 결정화된 아나타제 TiO2를 나타냈다. X선 광전자 분광학 분석 결과 TiO2 외에 합금 원소의 산화물이 존재하는 것으로 나타났습니다. 양극산화된 TiNbSn은 Ti6Al4V보다 더 높은 활성을 나타냈고, 전자 스핀 공명 스펙트럼은 양극산화된 TiNbSn에서 생성된 수산기 라디칼(⋅OH)의 수가 양극산화된 Ti6Al4V보다 더 높았음을 나타냅니다. 결과는 두 가지 가능한 메커니즘으로 설명할 수 있습니다. Ti6Al4V보다 TiNbSn에서 TiO2의 더 높은 결정성은 전하 재결합 사이트의 수를 줄이고 풍부한 ⋅OH를 생성합니다. TiO2와 합금 원소의 산화물 사이의 전자 밴드 구조로 인해 TiNbSn의 양극 산화물에서 전하 분리는 광 활성을 향상시킵니다. 양극산화된 TiNbSn의 우수한 광유도 특성은 안전하고 신뢰성 있는 임플란트 치료에 기여할 것으로 기대됩니다.

Ti와 그 합금은 높은 강도(Ti 합금의 경우 490~1470MPa), 내식성(10% HCl에서 1mm/년 미만), 낮은 밀도(4.51g/cm3) 및 낮은 영률(108GPa). 최근에는 앞서 언급한 특성 외에도 조직과의 높은 생체적합성으로 인해 의료 및 치과용 기기로의 적용이 상당히 증가하고 있습니다. 생체적합성은 임상적으로 중요한 숙주 반응 없이 기능하는 물질의 능력입니다1. Ti의 생체적합성은 산화환원 반응을 억제하는 표면에 존재하는 수 나노미터 두께의 산화물 층에서 비롯됩니다2. 산화물은 공기에 노출되면 표면에 자발적으로 형성되며 열역학적 평형 상태를 유지하므로3, 내식성을 담당하는 부동태화 층으로 기능하고 합금에서 금속 이온의 방출을 완화합니다4. 산화물 층이 마모 및 부식에 대한 저항력이 충분하지 않으면 계면 전단 응력에 의해 쉽게 파괴되고, 노출된 Ti는 부식성 체액에 노출되어 마모와 부식의 시너지 작용을 통해 금속 이온이 용출됩니다5 . 파손 후 표면에 새로운 산화막이 형성되더라도 부식을 방지하기 위해 재부동태화 속도가 매우 느리고6 지속적인 응력으로 인해 표면이 손상됩니다7. 따라서 생체재료에는 마찰 부식에 강하고 접착력이 뛰어난 산화티타늄이 필요합니다. 4가 형태의 TiO2는 생체 적합성, 높은 화학적 안정성 및 낮은 독성으로 잘 알려져 있습니다8. 산화물은 자외선(UV) 조명 하에서 전자와 정공을 생성하는 n형 반도체 광촉매이며, 이는 아나타제 및 금홍석 상에 대해 각각 3.2 및 3.0eV의 밴드 갭 에너지(Eg)에 해당합니다9. 생성된 전하는 대기 중의 물 및 산소와 반응하여 과산화물, 과산화물 및 수산기 라디칼과 같은 활성 산소종(ROS)을 생성합니다10. ROS는 격자 결함에서 전하 캐리어 재결합이 발생하지 않는 한 표면에 흡착된 독성 유기 오염물질, 박테리아 및 바이러스를 분해합니다. TiO2에는 세 가지 결정 형태가 있습니다12: 아나타제(정사각형, a = b = 0.3782 nm 및 c = 0.9502 nm), 금홍석(사각형, a = b = 0.4594 nm 및 c = 0.2959 nm) 및 브루카이트(사방면체, a = 0.9185) nm, b = 0.5447 nm, c = 0.5143 nm). 아나타제와 루틸은 각각 저온과 고온에 존재하며 브루카이트는 거의 관찰되지 않는다. 루타일은 전자-정공 쌍의 높은 재결합 속도와 전도대의 위치로 인해 아나타제보다 낮은 광활성을 나타내는 것으로 보고되었습니다. 루타일의 광생성 캐리어의 수명은 아나타제16의 간접 밴드 전이보다는 루타일의 가전자대와 전도대 사이의 전하 캐리어의 직접적인 밴드 전이로 인해 아나타제16의 수명보다 짧습니다.