文摘

混合相位纳米复合材料薄膜组成的锐钛矿和金红石准备商业纯钛负债表上通过电化学阳极处理,退火处理调查的光催化活性抗菌用在牙科植入物。由此产生的电影通过扫描电子显微镜(SEM),和x射线衍射(XRD)。拓扑是由白光光学分析评估(WLOP)在垂直扫描干涉仪(VSI)模式。代表高粗糙度的描述参数和计算。由此产生的光催化活性电影是评估罗丹明B的光降解染料溶液(RhB)。检查了光催化剂的抗菌能力Aggregatibacter actinomycetemcomitans悬浮液在克隆形成试验。XRD表明,锐钛矿和金红石混合相位在锐钛矿和金红石薄膜主要是54.6 wt % 41.9 wt %,分别。陨石坑(2 - 5µ米)和突出山(10 - 50µ米)高的电化学阳极处理后钛基板生产和表面粗糙度值。锐钛矿和金红石混合相位薄膜显示,26%对RhB染料光催化脱色的解决方案。锐钛矿和金红石混合相位的殖民细菌数量薄膜被显著降低在体外。光催化剂是有效对抗答:actinomycetemcomitans殖民。

1。介绍

自从发现二氧化钛的光催化氧化水(TiO₂1972年由Fujishima和本田(电极)1),TiO₂被认为是最有前景的光催化剂由于其优越的photoreactivity,无毒性,化学稳定性,重复使用低价格,没有实质性的损失的催化活性2- - - - - -4]。光催化水分解对TiO的焦点₂基于光化学(5]。光催化杀人背后的基本机制尚未完善(6]。TiO的光催化活性₂明显受各种参数包括晶体结构、杂质、表面积、密度(表面羟基的7]。然而,最重要的因素是它的晶体结构。TiO₂通常是作为光催化剂在两个晶体结构:金红石和锐钛矿。锐钛矿通常有一个较大的带隙(3.2 eV)比金红石(3.0 eV)呈现出更高的光催化活性2]。电子空穴对的产生是有害的光催化剂的光催化效率。在光激发的能量等于或高于带隙能量,光子能量生成电子从价带兴奋的传导带和孔洞帷幔TiO乐队₂表面。洞帷幔乐队可以与H反应₂O或氢氧根离子吸附在表面产生羟基自由基,和导带中的电子可以减少O₂产生超氧化物离子。两个孔和哦⁻非常容易与联系的有机化合物(6,8]。说这些TiO的结晶阶段₂组成的混合金红石和锐钛矿与一个合适的比例,提高了光催化性能(9]。出于这个原因,许多研究常用的传统的混合相位光催化剂粉末德固赛P25(德固赛化学公司,泰特波罗,新泽西,美国)组成的锐钛矿和金红石80% 20%2,6,10]。然而,在反应过程中不断搅拌,反应后分离和恢复他们的缺点。最近,固定化薄TiO的使用₂在保留基质形成表面膜涂料可以克服这些缺点6,11]。研究集中在固定化TiO的发展₂催化剂的氧化降解有机化合物以及微生物(4]。锐钛矿和金红石混合相位TiO₂通过各种方法,包括溶胶-凝胶法合成方法(12),溅射(13),化学蒸汽沉积(14,15),原子层沉积(16),等离子体浸没离子注入(17)、阴极电弧沉积(18),阳极处理(19]。在这些方法中,阳极处理是一个具有成本效益和简单的技术,它允许控制的锐钛矿和金红石混合相位TiO₂形成在基板通过改变实验条件。诱导TiO₂阶段,一般的退火处理好电影在450°C以上是必要的。

各种光催化活性研究进行开发的抗菌效果。大多数的研究测试了光催化活性大肠杆菌(2,6,20.]。金等。21使用食源性致病菌,美国choleraesuis无性系种群。诉parahaemolyticus,l . monocytogenes,建立了一批型光催化反应器,以探讨杀菌作用与各种近紫外(UV)辐照时间和TiO₂浓度。李等人。22)修改取消的防御机制炭疽杆菌在可能的情况下使用光催化剂技术微生物的攻击。长波紫外线照射过的TiO的抗菌效率₂薄膜以及细菌细胞的超微结构的损伤评估使用铜绿假单胞菌作为一个模型,Amezaga-Madrid et al。23]。最常见的牙科植入物和重大的并发症是peri-implantitis密切相关的殖民化peri-implantitis-associated细菌。在这其中,Aggregatibacter actinomycetemcomitans是一种革兰氏阴性,无运动的球杆菌,在人类口腔损害宿主的防御机制导致peri-implantitis [24]。因此最重要的是发展植入表面具有抗菌特性的维持偏表面钛牙科植入物的transmucosal组件暴露在口腔。使用一个合适的阳极化技术,通用控制所需的表面性质导致的光催化锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜在几乎任何transmucosal组件的牙科植体可以开发的抗菌性能。

因此,本研究旨在发展锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜的电化学阳极处理和退火处理来调查他们的影响力在RhB的光催化降解染料溶液的殖民peri-implantitis-associated细菌Aggregatibacter actinomycetemcomitans作为抗菌光催化活动指数在体外。

2。材料和方法

2.1。准备样品

工业纯钛(cpTi) (ASTM B265-02)表在广场(10×10×1毫米)被用作基质的实验。标本的表面被标准金相的技术准备。这些表是在丙酮超声清洗,蒸馏水,分别和甲醇。这些未经处理的cpTi表命名为集团钛。并运用电化学阳极处理TiO形式₂薄膜在cpTi表。阳极处理电压下进行40 V和每个钛表面(阳极)在0.1 KOH电解质电化学阳极氧化3分钟20°C (25]。不锈钢是作为对电极。为了将非晶态TiO₂薄膜的结晶TiO₂薄膜,表在550°C在空气中退火1 h阳极化处理后(26]。这些表包含混合相位TiO₂薄膜组成的锐钛矿和金红石被命名为集团基于“增大化现实”技术。

2.2。人工唾液准备

人工唾液的解决方案是由化学物质由默克公司,德国(27,28]。大量的试剂0.40 g / L氯化钠,0.79 g / L CaCl₂H₂啊,0.40 g / L氯化钾,0.005 g / L Na₂年代9 h₂0,0.78 g / L不₂阿宝₄H₂啊,和0.35 g / L Urea-CO (NH₂)。人工唾液溶液的pH值为6.30。人工唾液pH值的解决方案是使用pH计测量和监控(WTW, InoLab 720,德国)。

2.3。电化学腐蚀研究

电化学腐蚀研究进行了人工唾液的解决方案使用稳压器(接口1000稳压器/恒流器/ ZRA Gamry仪器有限公司、美国)由个人电脑控制。细胞体积的玻璃腐蚀试验是1000毫升。传统的三电极系统与高密度石墨棒作为对电极,饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,和样品作为工作电极使用。数据采集是通过计算机软件(框架,6.04版本,Gamry仪器,美国),而数据分析是由Echem分析软件,版本6.04,Gamry仪器,美国。标本被安装到环氧树脂准备。所以,只有方形板表面的标本被暴露在人工唾液的解决方案。标本被连接到一个铜线。所有实验在室温下进行。

开路电位((OCP)标本测量之前进行的电化学腐蚀实验。(OCP水平测量持续时间2到3个小时,直到(OCP是稳定的。

塔菲尔极化曲线得到的标本−250 mV + 250 mV (SCE)对(OCP,扫描速度1.0 mV / s。塔菲尔斜坡从塔菲尔外推法得到分析。

进行循环极化试验从500−mV (SCE)顶点潜力和最后的潜力,这是0 mV (SCE)。正向和反向极化扫描率5和2.5 mV / s,分别。循环(正向和反向)极化技术被用来评估局部腐蚀倾向在腐蚀性环境中(点蚀)。相当大的滞后之间的正向和反向极化扫描表明坑的形成。

2.4。表面特征

2.4.1。白光干涉显微镜

表面拓扑表进行调查的白光光学分析(WLOP) Wyko-NT1100(美国纽约Veeco仪器有限公司·普莱恩维尤)在VSI(垂直扫描干涉仪)模式,这是一种非接触光学分析系统提供高垂直分辨率。两个高度描述性的粗糙度参数和被用来量化表面粗糙度,在哪里是算术平均粗糙度值定义的概要文件的意思是沿着采样线,然后呢是命名为十点意味着粗糙度的均值最大peak-to-valley 5采样线的连续部分的高度。

2.4.2。扫描电子显微镜

表面形态的观察使用扫描电子显微镜(SEM);JSM5410 JEOL,日本东京)10 kV加速电压和500××3500倍的放大。

2.4.3。x射线衍射

的结构和相位组Ti监控利用飞利浦PW 3710 CuK掠入射x射线衍射仪α辐射(扫描范围20°~ 80°)。0.02°/秒的扫描速率和掠入射0.5°,用于钛结构。的结构和相位组AR利用Panalytical衍射仪监测(菲利普斯、荷兰)使用x射线衍射数据收集反射Bragg-Brentano CuK几何α辐射在一个应用45千伏的电压和电流的40 mA。扫描速率为0.03°/秒的掠入射用于Ti和TiO 0.45°₂结构。扫描数据被记录在2θ20 - 73°。金红石和锐钛矿的阶段内容)和金红石(锐钛矿和金红石混合相位TiO)₂薄膜在组AR估计利用获得的模式来确定重量百分比的锐钛矿和金红石相TiO阶段₂使用Spurr-Myers方程(29日提供以下: 在哪里和山峰地区在计数每秒(c.p.)为最大峰值(004)晶面的锐钛矿TiO吗₂和(110)晶面的金红石相TiO₂,分别。0.884和1.26的人数散射系数(30.,31日]。

2.5。光催化活性评价

锐钛矿和金红石混合相位的光敏TiO₂薄膜是评估通过研究RhB影响光降解的染料溶液(项目# R6626, Sigma-Aldrich)。RhB是一种染料分子,最大吸收波长为554 nm,能够与photogenerated精子及其损失可能被监控评估合成TiO的光催化活性₂用紫外可见光谱样本。30 W紫外灯辐射的波长254 nm作为照射源。床单被辐照在垂直方向上的距离2厘米测量从紫外线源初始样品表面。5毫升的水RhB染料溶液被放置在每个室进行实验起始浓度为0.5 mg / L。RhB染料溶液是用移液器吸取到的每个玻璃室两实验包含表组。空的玻璃室担任控制在这个光催化活性评价试验和被命名为C组。RhB染料的分解是监控通过测量吸光率在554 nm (max)的紫外可见(紫外分光光度计(Perken Elmerλ9光谱仪),和降解率(%)是由以下方程[评估32]: 在哪里是降解率和和的浓度是RhB染料溶液在紫外照射时间0和,分别。比较RhB染料光降解的速率,每个样品的吸收光谱被记录在时间间隔,2 h(15分钟,30分钟,45分钟,60分钟、75分钟、90分钟、105分钟、120分钟)。所有的实验三次,平均值作为最终结果。

2.6。克隆形成实验的抗菌效果

测试进行使用答:actinomycetemcomitans(写明ATCC 43718;美国马里兰州罗克维尔市写明ATCC)。细菌细胞培养在脑心浸液肉汤(BHI)(美国热科学Remel Lenexa, KS)一夜之间在37°C。基于我们的试点研究,细菌生长mid-log阶段,离心机,resuspended trypticase酱油汤的光密度大约0.40在波长600纳米。表从实验组(每个)放入个人井与改性表面放置无菌24-well文化板块面临向上和细菌细胞用移液器吸取到这些表。细菌生长在文化板块的底部被用作控制抗菌试验和被命名为D组()。文化板块覆盖了他们的盖子,以防止介质蒸发。每一组的一半(每个)被暴露在紫外线辐射(紫外线(+)条件)(254海里)而被孵化的厌氧环境(大气模块化控制系统,DW科学,皮普,约克郡,英国)在37°C 2 h,而另一半(每个)都保存在一个黑盒子避免紫外线穿透(紫外线(−)条件在相同的实验条件。每个好适当的上清液稀释和镀TSBN媒体(个人通信,s . s . Socransky福赛斯学院,剑桥,妈,美国)和厌氧孵化4天在37°C和殖民地的数量(克隆形成单位:CFU)计算。TSBN制备所述其他地方(33]。抗菌活性表达为cfu的比例在每个板块的对照组。

PS的动力分析程序(权力和样本容量计划:http://biostat.mc.vanderbilt.edu/wiki/Main/PowerSampleSize)[34]。一个前的80%的力量,力量分析α= 0.05,:1.1,SD: 1.5,执行,并确定每组至少30表是必要时比较组AR组Ti和D组。

2.7。统计分析

所有的数据进行了分析与社会科学统计软件包,22.0 (SPSS为Windows;SPSS Inc .)、芝加哥,伊利诺斯州,美国)。Shapiro-Wilks正常测试的应用和数据正态分布中被发现。之间的相互作用参数定义使用双向方差分析(方差分析)随后的单向方差分析和学生的紧随其后以及。如果单向方差分析表明意味着在组织之间的显著差异,当平等的方差可以假定,事后测试是通过使用图基HSD测试;否则,Tamhane的测试使用了那些不平等的方差。当值小于0.05,统计测试被确定为重要。数据被表示为平均值±标准偏差。

3所示。结果

3.1。电化学腐蚀研究

3.1.1。开路电位

开路电位((OCP)是一种合金的潜在与环境处于平衡状态。高(OCP价值意味着材料稳定在一定的腐蚀环境。图1显示的变化(OCP水平组AR和组Ti标本。如图1、组AR标本显示(OCP值高于Ti标本,这意味着组AR标本具有更高的耐蚀性比组标本。

3.1.2。直流腐蚀测试

potentiodynamic极化曲线(塔菲尔曲线)被用来检查标本的电化学腐蚀行为。图2显示组AR和组的塔菲尔曲线Ti标本。

如图1组AR标本显示,较高的腐蚀电位和腐蚀电流密度值低于Ti标本。

TiO₂涂料(AR组标本)增加了腐蚀电位和腐蚀电流密度降低的标本。

3.1.3。循环极化测试

图3显示了循环极化曲线组AR和集团的Ti标本。如图3组AR标本显示,较高的腐蚀电位和腐蚀电流密度值低于组Ti标本这意味着组AR标本具有更高的耐蚀性比Ti标本。循环极化用于定性评估点蚀倾向(局部腐蚀)在腐蚀环境中。滞后之间的正向和反向扫描时循环极化是坑形成的一个迹象。如图3滞后(循环)组中没有观察到的基于“增大化现实”技术和组Ti标本。

3.2。表面特征

3.2.1之上。白光干涉显微镜

定量粗糙度参数和从WLOP分析获得1×1.2毫米²区域组织Ti和AR如表所示1。三维图像的表面形貌组织Ti和AR放大如图5.1×4。和表面粗糙度参数值从集团基于“增大化现实”技术获得定量提出了更高的高度描述性的粗糙度参数(表1)。

3.2.2。扫描电子显微镜

图5显示表面的扫描电镜图像的cpTi (Ti)组和混合相位TiO₂薄膜光催化剂(AR)。可以看出cpTi表面平坦的纹理和显示相对平滑的外观。光催化剂的表面形态是影响电化学阳极处理。陨石坑(2 - 5μ米)和突出山(10 - 50μ米)观察组AR在KOH电解液阳极氧化膜,赋予更明显增加表面粗糙度与cpTi表在Ti组。

3.2.3。x射线衍射

获得的相组成样本的特征x射线衍射和相应的x射线衍射模式如图6。没有锐钛矿和金红石衍射峰cpTi表面组中观察到。阳极化处理和退火后550°C 1 h,混合相位组成的基于“增大化现实”技术证实了它的XRD图模式6,两个高峰位于2θ值38.4°,27.4°,归因于(004)晶面的衍射的锐钛矿TiO₂和(110)晶面的金红石相TiO₂分别表示结构的结晶度。其他不同晶相的特征峰也在模式(Ti:钛;答:锐钛矿;R:金红石)。锐钛矿和金红石含量(重量百分比)在每个样品被确认通过使用Spurr-Myers(见方程(1))和相应的锐钛矿和金红石的结果被计算为54.6 wt % 41.9 wt %,分别。

3.3。光催化活性评价

锐钛矿和金红石混合相位TiO的光催化性能₂薄膜的降解反应RhB染料溶液进行了测试。图7显示两个催化活性的锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜和cpTi表面受到紫外线的照射。退化的原始RhB染料溶液没有光催化剂也绘制玻璃作为对照组进行比较。RhB染料浓度下降只有4.4%和2.4% (Ti和C组,分别地。)紫外线的照射为120分钟,而光催化剂。这种分解的RhB染料可以归因于光解RhB染料的紫外线。另一方面,锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜作为光催化剂,在60分钟22% RhB染料降解,RhB染料的保留活动在120分钟保持高达26%。

3.4。克隆形成实验的抗菌效果

紫外线照射导致明显降低细菌的数量为所有组(组Ar和Ti:;D组:)。细菌的数量显著降低AR组经过120分钟的紫外线照射与所有其他组(),而细菌还发现在所有组120分钟后。紫外线(+)和紫外线(−)条件组之间没有显著差异被发现Ti和D组AR显示统计上的细菌数量增加紫外线(−)条件(Ti和D,)(图8)。

4所示。讨论

本研究的目的是开发抗菌transmucosal组件的牙科植入物不易peri-implantitis-associated细菌殖民化。这个目标实现了通过表面改性通过电化学阳极处理和退火处理。本研究表明,锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜的附着力答:actinomycetemcomitans。

基于之前的研究,结果表明,表面粗糙度的暴露与intraoral细菌殖民化transmucosal组件相关的表面(35]。在我们的主题,更大的表面粗糙度可以增加总表面积,因此创造更多可用活性表面反应的网站通过更高的光催化反应的潜力。通过获得一个更好的理解不同类型的晶体结构和表面粗糙度的transmucosal牙科植体组件,从业者将更好地利用最合适的部分对于任何给定的假肢指示和解释这些部分的抗菌临床表现与病人的需求和intraoral使用网站。

TiO₂通常是作为光催化剂在两个晶体结构:金红石和锐钛矿。需要一个postannealing结晶非晶TiO₂锐钛矿、金红石和板钛矿结构(36]。在目前的工作,我们旨在形成结晶混合相位TiO₂薄膜组成的锐钛矿和金红石通过退火电化学阳极氧化电化学阳极处理后表在550°C。锐钛矿和金红石混合相位TiO₂电化学阳极处理和退火处理得到的薄膜的光降解研究RhB染料溶液为了证明光催化活性。光降解的速度被降低监控的吸收值峰值在554海里。图7显示的光降解效率RhB染料溶液紫外辐照时间的函数组Ti和AR以及玻璃控制。减少染料溶液的吸收光谱是定期监测时间。相比cpTi表面锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜表现出光催化效率。经过两个小时的照射紫外线照射下,RhB染料溶液降解26%的锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜。为了阐明并检查上面的结果,样品的结晶度由XRD检测,如图6提出几种主要山峰的锐钛矿和金红石相后退火工艺。他们表示两个尖锐的衍射峰和27.4°,确定(004)晶面的锐钛矿TiO₂和(110)晶面的金红石相TiO₂,分别。锐钛矿和金红石含量(重量百分比)每个样本计算为54.6 wt % 41.9 wt %,分别(图6)。因此,电化学阳极化处理和退火(1 h 550°C)呈现一个可行的和温和的方法种植锐钛矿和金红石相TiO₂从cpTi。这光催化效率得到锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜含有约54.6 wt %锐钛矿相,41.9 wt %金红石相在120分钟保持高达26%。我们的工作表明,锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜显示光降解效率高于cpTi表面在紫外线下我们的运行确认增强光敏cpTi钛的电化学阳极处理和退火处理。增加在保留活动可以归因于不同的带隙能量混合TiO的锐钛矿和金红石结构₂电影被发现减少电子和空穴复合率导致的增加的吸收表面有机物种的光催化过程8]。胡拉姆提出的另一种解释et al .(2003),在混合相位TiO₂金红石晶体的存在下,指控生产金红石的可见辐射通过电子转移到较低的能量稳定锐钛矿晶格俘获网站这两个阶段之间的过渡点(37]。后续电子转移从锐钛矿移动电子捕获和表面捕获网站的进一步分离,电子/空穴对过程(8]。催化剂的效率取决于重组率。因此,金红石减少电荷复合的锐钛矿和充当天线延长光敏可见波长(37]。

电化学腐蚀试验结果表明,被动氧化涂层,Ti标本提高耐蚀性。组AR标本显示更高的腐蚀电位和腐蚀电流密度低于集团Ti标本,这是归因于其保护被动氧化涂层(数据1- - - - - -3)。

光催化TiO₂表面涂层创建contact-active photoenhanced摧毁接触微生物的生存能力的羟基自由基的形成38]。这种光催化杀死效应被用于研究根除细菌在牙科植入物。Riley et al。(2005)认为如果光敏牙科植入物涂有纳米TiO₂会消除大肠杆菌当紫外线照射的时候。建立了牙科植入物的光敏photoenhanced RhB染料溶液的分解。与紫外线照射的牙科植入物被发现一个合适的治疗peri-implantitis [39]。在他们的研究中,光催化活性质疑peri-implantitis找到一个解决方案。但是,没有使用的细菌intraoral细菌不会将模拟口腔环境的牙科植入物。Suketa et al。(2005)报道了TiO的杀菌作用₂光催化剂的使用受污染的表面消毒的牙科植入物。放线杆菌actinomycetemcomitans和梭菌属nucleatum被选为他们的研究这些细菌负责的齿龈发炎的感应,牙周韧带和牙槽骨的破坏与牙周疾病相关。这两种类型的细菌的生存能力在光催化TiO₂电影是镇压在UVA照射不到1%在120分钟40]。同样,我们选择答:actinomycetemcomitans克隆形成试验在我们的研究中一直牵连是几种形式的严重的牙周疾病的病原体(41]。紫外线照射导致的数量显著下降答:actinomycetemcomitans对所有组(组Ar和Ti:;D组:)显示造成影响的所有组。锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜在AR组显著减少的附着力答:actinomycetemcomitans经过120分钟的紫外线照射与所有其他组()显示统计学意义保留杀死效应除了紫外线照射的杀死作用。抗菌效果对答:actinomycetemcomitans锐钛矿和金红石混合相位TiO₂薄膜可以归结的紫外线照射和保留活动组AR包含的锐钛矿和金红石晶体结构。但这种结合杀死效应无法杀死所有的细菌表面的AR(图组8)。在紫外线(−)条件下,组AR显示统计上的细菌数量增加紫外线(−)条件(Ti和D,)根据其高表面粗糙度值(图4和表1)。cpTi表面在Ti观察组之前光滑平坦的电化学阳极处理(图5(一个))。锐钛矿和金红石混合相位TiO保留活跃₂薄膜表面特征的陨石坑(2 - 5μ米)和突出山(10 - 50μ对钛基板(图)5 (b)电化学阳极处理后)产生。这种增强的细菌数量可能主要归因于更高的锐钛矿和金红石混合相位TiO的表面粗糙度₂薄膜允许更高的细菌粘附。

光致氧化反应的终端巯基- CoA,参与许多酶反应参与呼吸链和脂肪酸氧化,是这个分子的活性部位酰基转移反应和细胞生存能力是有害的。非选择性的行为高度氧化物种生成表面的TiO照亮₂将氧化细胞膜(42]。保留在这方面,全面了解影响人类的细胞死亡机制牙龈周围软组织牙科植入物应该质疑除了建议杀死影响口腔细菌在牙科植入物。

5。结论

锐钛矿和金红石混合相位TiO₂电化学阳极处理和退火的薄膜制作显示光催化性能。TiO的光催化机理₂电影与混合结构和锐钛矿和金红石相的内容之间的关系提出抗菌活性的这些电影可能会进一步被考虑抗菌transmucosal组件改进应用程序的牙科植入物。然而,发现必须验证在临床的设置。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者表达感谢博士Ciğdem Nuhoğlu博士Sureyya Aydın Yuksel (Yıldız技术大学物理系,艺术与科学学院,伊斯坦布尔,土耳其)的技术援助。这项研究受到了伊斯坦布尔大学。