生体材料用途向けの陽極酸化チタン合金の光誘起特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13916 (2023) この記事を引用

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新しく開発された TiNbSn および生体材料として一般的に使用される Ti6Al4V 合金上の陽極酸化物の光触媒特性を研究しました。 この合金を酒石酸ナトリウムの電解液中でH2O2を用いて高電圧で陽極酸化し、光触媒活性と抗ウイルス活性のメカニズムを研究しました。 陽極酸化された TiNbSn と Ti6Al4V は、それぞれ高度に結晶化したルチル型 TiO2 と結晶化が不十分なアナターゼ型 TiO2 を示しました。 X 線光電子分光分析により、TiO2 に加えて合金元素の酸化物の存在が明らかになりました。 陽極酸化されたTiNbSnはTi6Al4Vよりも高い活性を示し、電子スピン共鳴スペクトルから、陽極酸化されたTiNbSnから生成されたヒドロキシルラジカル(・OH)の数が陽極酸化されたTi6Al4Vよりも多いことが示された。 この結果は、考えられる 2 つのメカニズムによって説明できます。Ti6Al4V よりも TiNbSn 上の TiO2 の結晶性が高いため、電荷再結合サイトの数が減少し、豊富な ⋅OH が生成されます。 TiO2 と合金元素の酸化物間の電子バンド構造による TiNbSn 上の陽極酸化物における電荷分離により、光活性が強化されます。 陽極酸化TiNbSnの優れた光誘起特性は、安全で信頼性の高いインプラント治療に貢献することが期待されます。

Ti およびその合金は、高強度 (Ti 合金の場合 490 ～ 1470 MPa)、耐食性 (10% HCl 中で 1 mm/年未満)、低密度 (4.51 g/cm3) により、構造材料として広く使用されています。ヤング率が低い (108 GPa)。 最近では、上記の特性に加え、組織との高い生体適合性により、医療機器や歯科機器への応用が大幅に増加しています。 生体適合性とは、臨床的に重要な宿主反応なしで材料が機能する能力です1。 Ti の生体適合性は、酸化還元反応を阻害する表面に存在する数ナノメートルの厚さの酸化物層に由来します2。 酸化物は空気にさらされると表面に自発的に形成され、熱力学的平衡状態にあり3、それによって耐食性を担う不動態層として機能し、合金からの金属イオンの放出を軽減します4。 酸化皮膜の耐摩耗性や耐食性が十分でない場合、界面せん断応力により容易に破壊され、裸のTiが腐食性の体液にさらされると、摩耗と腐食の相乗作用により金属イオンの溶出が起こります5。 。 たとえ破壊後にその表面に新しい酸化層が形成されたとしても、腐食を防ぐための再不動態化の速度は非常に遅く6、表面は絶え間ない応力によって損傷を受けます7。 したがって、生体材料には耐摩擦腐食性と接着性を備えた酸化チタンが必要とされています。 TiO2 の 4 価の形態は、その生体適合性、高い化学的安定性、および低い毒性でよく知られています8。 この酸化物は、紫外線 (UV) 光照射下で電子と正孔を生成する n 型半導体光触媒で、アナターゼ相とルチル相のバンド ギャップ エネルギー (Eg) はそれぞれ 3.2 eV と 3.0 eV に相当します9。 生成された電荷は大気中の水および酸素と反応して、過酸化物、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカルなどの活性酸素種 (ROS) を生成します10。 ROS は、格子欠陥で電荷キャリアの再結合が起こらない限り、表面に吸着された有毒有機汚染物質、バクテリア、ウイルスを分解します11。 TiO2 には 3 つの結晶形があります12: アナターゼ (正方晶、a = b = 0.3782 nm、および c = 0.9502 nm)、ルチル (正方晶、a = b = 0.4594 nm、および c = 0.2959 nm)、ブルッカイト (菱面体晶、a = 0.9185) nm、b = 0.5447 nm、c = 0.5143 nm）。 アナターゼとルチルはそれぞれ低温と高温で存在し、ブルッカイトはほとんど観察されません。 ルチルは、電子正孔対の再結合率が高い 13 と伝導帯の位置 14 により、アナターゼよりも光活性が低いことが報告されています。 ルチルの光生成キャリアの寿命は、アナターゼの間接的なバンド遷移ではなく、ルチルの価電子帯と伝導帯の間の電荷キャリアの直接的なバンド遷移のため、アナターゼの寿命よりも短い15。