Étude sur les échafaudages osseux photocatalytiques antibactériens à base de dioxyde de titane et d’oxyde de graphène réduit

Contexte académique

L’infection bactérienne est l’une des complications les plus courantes lors de la réparation des défauts osseux après l’implantation d’échafaudages osseux artificiels. Les bactéries forment des biofilms à la surface des échafaudages, libérant des acides et des enzymes qui perturbent le métabolisme osseux, détruisent la matrice osseuse, inhibent la prolifération cellulaire et retardent la guérison osseuse. Pour résoudre ce problème, les chercheurs explorent des matériaux d’échafaudages osseux dotés de fonctions antibactériennes. Le dioxyde de titane (TiO₂), en tant que semi-conducteur métallique, est largement étudié pour sa capacité à produire des espèces réactives de l’oxygène (ROS) par photocatalyse. Cependant, la recombinaison rapide des paires électron-trou photogénérées dans le TiO₂ entraîne une faible efficacité photocatalytique, limitant son potentiel dans les applications antibactériennes.

Pour améliorer l’efficacité antibactérienne du TiO₂, les chercheurs tentent de prolonger la durée de vie et la séparation des porteurs de charge photogénérés en modifiant sa structure cristalline et ses propriétés de surface. Cependant, l’introduction d’ions métalliques peut induire une cytotoxicité, affectant la réparation des défauts osseux. L’oxyde de graphène réduit (rGO), en tant que matériau à haute conductivité, peut efficacement promouvoir la séparation des paires électron-trou photogénérées tout en offrant une bonne biocompatibilité. Par conséquent, la combinaison du rGO avec le TiO₂ pourrait améliorer ses performances photocatalytiques antibactériennes.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Pei Feng, Haifeng Tian, Feng Yang, Shuping Peng, Hao Pan et Cijun Shuai, issus de l’École d’ingénierie mécanique et électrique de l’Université centrale du Sud, de l’École de médecine Xiangya de l’Université centrale du Sud, de l’Hôpital stomatologique Xiangya de l’Université centrale du Sud et d’autres institutions. L’article a été publié en ligne le 7 janvier 2025 dans la revue Bio-design and Manufacturing, avec le DOI 10.1631/bdm.2300372.

Processus de recherche

1. Synthèse et caractérisation des matériaux

L’étude a d’abord synthétisé des composites TiO₂@rGO par méthode hydrothermale. Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Étape 1 : 150 mg d’oxyde de graphène (GO) ont été dispersés par ultrasons dans de l’éthanol anhydre pour former une solution de GO à 3 mg/mL. - Étape 2 : 7 mL de tétrabutyl titanate et 0,8 mL d’acide fluorhydrique (HF) ont été ajoutés progressivement à la solution, puis agités pendant 10 minutes avant de réagir à 150°C pendant 24 heures. - Étape 3 : Le produit de réaction a été lavé à l’eau, centrifugé (6000 tr/min, 10 minutes) et séché (24 heures) pour obtenir le composite TiO₂@rGO.

Le matériau a été caractérisé par microscopie électronique à balayage (SEM), diffraction des rayons X (XRD), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et spectroscopie Raman. Les résultats ont montré que le TiO₂ a poussé avec succès à la surface du rGO, formant une liaison covalente Ti-O-C. Les tests d’impédance électrochimique ont montré que l’impédance du composite TiO₂@rGO était significativement réduite, et l’intensité du photocurrent transitoire est passée de 0,05 μA/cm² à 0,5 μA/cm².

2. Fabrication des échafaudages osseux

Le composite TiO₂@rGO a été introduit dans de la poudre d’acide polylactique (PLLA) pour fabriquer des échafaudages osseux dotés de fonctions photocatalytiques antibactériennes par frittage laser sélectif (SLS). Les étapes spécifiques sont les suivantes : - Étape 1 : La poudre TiO₂@rGO a été dispersée par ultrasons dans de l’éthanol et mélangée à de la poudre PLLA dans un rapport massique de 19:1, puis agitée magnétiquement pendant 3 heures pour former une solution uniformément dispersée. - Étape 2 : La solution mélangée a été centrifugée (6000 tr/min, 8 minutes) et séchée pour obtenir la poudre composite PLLA/TiO₂@rGO (PTG). - Étape 3 : Un système SLS a été utilisé pour fabriquer des échafaudages poreux en 3D. La puissance du laser était de 1,8 W, la vitesse de balayage de 120 mm/s, et le frittage a été effectué couche par couche jusqu’à l’achèvement de l’échafaudage.

3. Tests d’activité photocatalytique et de propriétés antibactériennes

L’activité photocatalytique de l’échafaudage PTG a été évaluée par des expériences de dégradation de la rhodamine B (RhB). Les résultats ont montré que l’échafaudage PTG dégradait significativement la RhB sous irradiation UV, indiquant sa capacité à produire des ROS. Les expériences antibactériennes ont montré que l’échafaudage PTG présentait de bonnes propriétés antibactériennes contre Escherichia coli (E. coli) et Staphylococcus aureus (S. aureus). Sous irradiation UV, les taux de survie de E. coli et S. aureus sur l’échafaudage PTG étaient respectivement réduits à 40 % et 29 %.

4. Tests de propriétés mécaniques et de biocompatibilité

Les propriétés mécaniques de l’échafaudage PTG ont été évaluées par des tests de traction et de compression. Les résultats ont montré que la résistance à la traction de l’échafaudage PTG passait de 474 MPa à 640 MPa, la résistance à la compression de 130 MPa à 230 MPa, et le module de compression de 14,73 MPa à 18,77 MPa. Les expériences cellulaires ont montré que l’échafaudage PTG avait une bonne biocompatibilité, favorisant la prolifération et l’adhésion des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse humaine (hBMSCs).

Résultats et conclusions principaux

1. Synthèse réussie du composite TiO₂@rGO : Le composite TiO₂@rGO a été synthétisé avec succès par méthode hydrothermale, et la haute conductivité du rGO a significativement favorisé la séparation des paires électron-trou photogénérées dans le TiO₂, améliorant ainsi l’efficacité photocatalytique.
2. Propriétés photocatalytiques antibactériennes de l’échafaudage PTG : Sous irradiation UV, l’échafaudage PTG a produit une grande quantité de ROS, dégradant significativement la RhB et présentant d’excellentes propriétés antibactériennes contre E. coli et S. aureus.
3. Propriétés mécaniques et biocompatibilité de l’échafaudage PTG : Les propriétés mécaniques de l’échafaudage PTG étaient significativement supérieures à celles de l’échafaudage PLLA pur, tout en offrant une bonne biocompatibilité, favorisant la prolifération et l’adhésion cellulaires.

Points forts de la recherche

1. Conception innovante des matériaux : En combinant le rGO avec le TiO₂, le problème de la recombinaison rapide des paires électron-trou photogénérées dans le TiO₂ a été résolu, améliorant significativement ses performances photocatalytiques antibactériennes.
2. Échafaudage osseux multifonctionnel : L’échafaudage PTG possède non seulement d’excellentes propriétés photocatalytiques antibactériennes, mais aussi de bonnes propriétés mécaniques et une biocompatibilité, offrant une nouvelle solution pour la réparation des défauts osseux.
3. Perspectives d’application étendues : Cette étude fournit de nouvelles idées pour le développement d’échafaudages osseux antibactériens, avec des perspectives d’application étendues, en particulier dans le traitement des infections osseuses.

Signification et valeur de la recherche

Cette étude a permis de développer, grâce à une conception innovante des matériaux et des méthodes de fabrication, un échafaudage osseux multifonctionnel doté de fonctions photocatalytiques antibactériennes. Ces résultats améliorent non seulement l’efficacité du TiO₂ dans les applications antibactériennes, mais offrent également une nouvelle solution pour la réparation des défauts osseux, avec une valeur scientifique et applicative importante. À l’avenir, cette technologie pourrait être largement utilisée dans le traitement clinique des infections osseuses.