Tissue engineering has been enhanced by advance in biomaterial nature, surface structure and design. In this paper, I report specifically vertically aligned titania ($TiO_2$) nanotube surface structuring for optimization of titanium implants utilizing nanotechnology. The formation, mechanism, characteristics of titania nanotubes are explained and emerging critical role in tissue engineering and regenerative medicine is reviewed. The main focus of this paper is on the unique 3 dimensional tubular shaped nanostructure of titania and its effects on creating epochal impacts on cell behavior. Particularly, I discuss how different cells cultured on titania nanotube are adhered, proliferated, differentiated and showed phenotypic functionality compared to those cultured on flat titanium. As a matter of fact, the presence of titania nanotube surface structuring on titanium for dental applications had an important effect improving the proliferation and mineralization of osteoblasts in vitro, and enhancing the bone bonding strength with rabbit tibia over conventional titanium implants in vivo. The nano-features of titania nanotubular structure are expected to be advantageous in regulating many positive cell and tissue responses for various tissue engineering and regenerative medicine applications.
A simple chemical precipitation technique is reported for the synthesis of a hybrid nanostructure of single-wall carbon nanotubes (SWCNT) and titania ($TiO_2$) nanocrystals of average size 5 nm, which may be useful as a prominent photocatalytic material with improved functionality. The synthesized hybrid structure has been characterized by transmission electron microscopy (HRTEM), energy-dispersive X-ray analysis (EDAX), powder X-ray diffractometry (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and Raman spectroscopy. It is clearly revealed that nearly monodispersed titania nanocrystals (anatase phase) of average size 5 nm decorate the surfaces of SWCNT bundles. The UV-vis absorption study shows a blue shift of 16 nm in the absorbance peak position of the composite material compared to the unmodified SWCNTs. The photoluminescence study shows a violet-blue emission in the range of 325-500 nm with a peak emission at 400 nm. The low temperature electrical transport property of the synthesized nanomaterial has been studied between 77-300 K. The DC conductivity shows semiconductor-like characteristics with conductivity increasing sharply with temperature in the range of 175-300 K. Such nanocomposites may find wide applications as improved photocatalyst due to transfer of photo-ejected electrons from $TiO_2$ to SWCNT, thus reducing recombination, with the SWCNT scaffold providing a firm and better positioning of the catalytic material.
Infections are caused due to the infiltration of tissue or organ space by infectious bacterial agents, among which Staphylococcus aureus bacteria are clinically most relevant. While current treatment modalities are in general quite effective, several bacterial strains exhibit high resistance to them, leading to complications and additional surgeries, thereby increasing the patient morbidity rates. Titanium dioxide is a celebrated photoactive material and has been utilized extensively in antibacterial functions, making it a leading infection mitigating agent. In view of the property amelioration in materials via nanofication, free-standing titania nanofibers (pure and nominally doped) and nanocoatings (on Ti and Ti6Al4V implants) were fabricated and evaluated to assess their efficacy to mitigate the viability and growth of S. aureus upon brief (30 s) activation by a portable hand-held infrared laser. In order to gauge the effect of exposure and its correlation with the antibacterial activities, both isolated (only titania substrate) and simultaneous (substrate submerged in the bacterial suspension) activations were performed. The bactericidal efficacy of the IR-activated $TiO_2$ nanocoatings was also tested against E. coli biofilms. Toxicity study was conducted to assess any potential harm to the tissue cells in the presence of photoactivated materials. These investigations showed that the photoactivated titania nanofibers caused greater than 97% bacterial necrosis of S. aureus. In the case of titania-coated Ti-implant surrogates, the bactericidal efficacy exceeded 90% in the case of pre-activation and was 100% in the case of simultaneous-activation. In addition to their high bactericidal efficacy against S. aureus, the benignity of titania nanofibers and nanocoatings towards tissue cells during in-vivo exposure was also demonstrated, making them safe for use in implant devices.
Aggregation of titania nanotubes (TNTs) fabricated by hydrothermal method were calcined in air and dry nitrogen; Changes in morphology and crystallinity of the nanotubes were studied by means of TEM, EDX, and XPS. EDX patterns and XPS spectra proved that there were a certain densities of oxygen vacancies in TNTs annealed in $N_2$. The photocatalysis experiments revealed TNTs/$N_2$ possesses significantly higher photocatalytic efficiency than TNTs annealed in dry air to degrade methylene blue. The correlation between oxygen vacancies and photocatalytic property may be attributed to: 1) oxygen vacancies might have affected results on water molecules adsorption and increase of the hydroxyl concentration; and 2) oxygen vacancies resulted in some changes in electronic structure of TNTs/$N_2$ aggregation and Fermi level extends into the conducting band.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2007.06a
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pp.372-372
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2007
Titanium oxide nanotube arrays were fabricated by the anodization of pure titanium thin film deposited at $500^{\circ}C$ on silicon substrates. The titania nanotubes were grown by anodization in nonaqueous-base electrolytes at different potentials between 5 V and 30 V. $TiO_2$ nanotube array with a small pore diameter of 40 nm and long titanium oxide layer of $4\;{\mu}m$ was obtained. The $TiO_2$ nanotube array was used as a porous electrode for quartz crystal microbalance (QCM). Nanoporous morphology of electrode will increase the sensitivity of microbalance.
To improve photocatalytic efficiency, graphene/Ag/TiO2 nanotube catalyst was synthesized, and its surface characteristics and photocatalytic activity investigated. For deposition of Ag nanoparticles on the TiO2 nanotubes, a polymer compound containing CH3COOAg/poly(L-lactide) was utilized, and the silver particles were precipitated by reducing the silver ions during the annealing process. Graphene deposition on the Ag/TiO2 nanotubes was achieved using an electrophoretic deposition process. Based on the dye degradation results, it was determined that the photocatalytic efficiency was significantly affected by deposition of silver particles and graphene on the TiO2 catalyst. Highly efficient destruction of the dye was obtained with the new graphene/Ag/TiO2 nanotube photocatalyst. This may be attributed to a synergistic effect of the graphene and Ag nanoparticles on the TiO2 nanotubes.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2006.12a
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pp.123-125
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2006
The $TiO_2$ sol was prepared hydrothermally in an autoclave from aqueous $TiOCl_2$ solutions as a starting precursor. Hollow fibers were obtained when the sol-gel-derived $TiO_2$ sol was treated chemically with a NaOH solution and subsequently heated in the autoclave under various conditions. A systematic analysis of the influence of different NaOH concentrations on the formation of nanotubes was carried out. The details of the nanotubular structure were investigated by using transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD). From the TEM images, the outer and the inner diameters of the tubes were measured to be about 8 and 4 nm, respectively, the lengths were measured to be several hundreds of nanometers.
Kim, Hyun Soo;Lee, Gayoung;Park, Sun-Min;Kang, Misook
Journal of the Korean Ceramic Society
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v.49
no.5
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pp.461-468
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2012
This study focuses on the difference of photocatalytic activity depending on crystal structure type of nanoparticles ($TiO_2$) and nanotubes (TNT). The photodecomposition of 2-chlorophenol on the synthesized $TiO_2$, Sn-impregnated $TiO_2$, TNT, and Snimpregnated TNT were evaluated. The characteristics of the synthesized photocatalyts, TNT, Sn/TNT, $TiO_2$, and Sn/$TiO_2$ were analyzed by X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and UV-Visible spectroscopy (UV-Vis), and cyclic voltammeter (CV). The water-suspended 2-chlorophenol photodegradation over $TiO_2$ (anatase structure) catalyst was better than that over pure TNT. Particularly, the water-suspended 2-chlorophenol of 10 ppm was perfectly decomposed within 4 h over Sn/$TiO_2$ photocatalyst.
Titanium nanotubes (TNT) of various lengths ranging from $0.34^{\circ}C$ to a maximum of $8.9^{\circ}C$ were prepared by anodizing a titanium metal sheet in an electrolyte containing fluorine ion ($F^-$) of HF, NaF and $NH_4F$. When TNT prepared by anodizing was calcined at $450^{\circ}C$, anatase crystals with photo activity were formed. The TNT-based dye-sensitized solar cell (DSSC) showed a maximum conversion efficiency of 4.71% when the TNT length was $2.5{\mu}m$. This value was about 18% higher than photo conversion efficiency of the FTO-based DSSC coated with titania paste. And the short circuit current density ($J_{sc}$) of the TNT-DSSC was $9.74mA/cm^2$, which was about 35% higher than the $7.19mA/cm^2$ of FTO-DSSC. The reason for the higher conversion efficiency of TNT-DSSC solar cells is that photoelectrons generated from dyes are rapidly transferred to the electrode surface through TNT, and the recombination of photoelectrons and dyes is suppressed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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