Un examen des réseaux de nanotubes de titane auto-organisés électrochimiquement :synthèse, modifications et applications biomédicales

Introduction

Depuis le début du XXe siècle, le dioxyde de titane (TiO₂ ) a été utilisé comme production commerciale dans les écrans solaires, les peintures, les capteurs, la photocatalyse, les cellules solaires, les dispositifs électrochromes, l'administration de médicaments, etc. [1,2,3,4,5,6,7]. Le phénomène que TiO₂ peut produire les paires électron-trou photogénérées sous irradiation d'éclairage peut aider à diviser l'eau en oxygène et en hydrogène, ce qui permet de résoudre la crise énergétique à l'avenir en tant que combustible le plus potentiel. Fujishima et ses collègues ont d'abord signalé la séparation photocatalytique de l'eau sur un TiO₂ électrode sous lumière ultraviolette (UV) [8,9,10], et depuis lors, le dioxyde de titane est devenu l'un des composés les plus étudiés en science des matériaux. Parmi tous les oxydes de métaux de transition, il présente un large éventail de propriétés fonctionnelles telles que l'inertie chimique, la résistance à la corrosion et la stabilité, en particulier l'amélioration de la biocompatibilité [11] et les propriétés électriques et optiques [1]. Depuis qu'Iijima a découvert les nanotubes de carbone en 1991 [12], montrant une combinaison unique entre la forme et la fonctionnalité, où les propriétés peuvent être influencées directement par la géométrie, d'énormes efforts ont été faits dans le domaine de la nanotechnologie, essentiellement dans les domaines chimique, physique et biomédical. science des matériaux.

Bien que le nanomatériau le plus exploré à ce jour reste le carbone, une autre classe de matériaux nanotubulaires, qui sont généralement à base d'oxydes de métaux de transition, a suscité un intérêt considérable au cours des 20 dernières années. Le premier effort pour former des nanotubes de dioxyde de titane anodisés a été fait par Assefpour-Dezfuly [13] qui a utilisé un traitement au peroxyde alcalin suivi d'une anodisation électrochimique dans un électrolyte contenant de l'acide chromique. Et puisque Zwilling et al. ont rapporté qu'ils ont produit les premières couches de nanotubes auto-organisés sur substrat de Ti par anodisation électrochimique dans des électrolytes d'acide chromique contenant des ions fluor en 1999, le domaine s'est développé énormément rapidement [14]. Au cours de la dernière décennie, plus de 33 800 articles avec un mot-clé « nanotubes de titane » ont été publiés. La figure 1 donne la publication totale ventilée par an dans le domaine du TiO₂ nanotubes et fait une comparaison entre différentes méthodes de synthèse au cours de la période 2002-2017 qui montre non seulement une tendance de croissance exponentielle, mais indique apparemment que le TiO₂ anodique auto-organisé les réseaux de nanotubes attirent beaucoup d'attention avec un grand potentiel et des avantages. Dernièrement, Lee et al. a donné une vue complète et à jour dans le domaine des nanotubes de dioxyde de titane anodiques qui couvraient presque tous les aspects, y compris la croissance, les modifications, les propriétés et les applications avec un bref aperçu des différentes approches de synthèse [15]. Par rapport à d'autres méthodes de préparation telles que l'hydro/solvothermie [16,17,18] et les méthodes assistées par modèle [19, 20], l'oxydation directe s'avère être une technique simple avec une forte opérabilité dans laquelle la nanostructure contrôlable souhaitée via l'ajustement de la taille, forme, et le degré d'ordre peut être développé en optimisant les paramètres d'oxydation tels que le potentiel appliqué, le temps, la température, le pH et la composition de l'électrolyte [15]. En raison de la géométrie particulière, les couches de nanotubes d'oxyde auto-alignés qui ont une structure et un rapport surface-volume hautement organisés représentent des propriétés uniques, telles qu'une résistance mécanique très élevée et une grande surface spécifique, offrant même des propriétés électroniques telles que taux de mobilité ou effets de confinement quantique [15, 21]. De plus, l'anodisation électrochimique est un procédé peu coûteux et non limité au titane mais peut également convenir à d'autres métaux de transition Hf [22], Zr [23], Nb [24], Ta [25], V [26] ou alliages TiAl [27] et TiZr [28]. La présente revue se concentrera toujours sur TiO₂ nanotubes cultivés par anodisation électrochimique auto-organisée à partir d'un substrat de métal Ti. En outre, nous mettrons l'accent sur la synthèse de ce type de couches de nanotubes de titane auto-organisées et les moyens d'influencer la taille, la forme, le degré d'ordre et les phases cristallisées en ajustant les paramètres d'anodisation et le recuit thermique ultérieur, y compris quatre générations différentes. différant des espèces d'électrolytes et de l'anodisation en deux étapes définie, etc. La relation entre les dimensions et les propriétés du TiO₂ anodique des réseaux de nanotubes seront présentés. Les derniers progrès et l'importance de la recherche sur le mécanisme de formation du TiO₂ anodique les nanotubes sont brièvement discutés. Nous montrerons les applications les plus prometteuses rapportées récemment dans les directions biomédicales et les modifications effectuées par dopage, modification de surface et recuit thermique pour améliorer les propriétés du TiO₂ formé de manière anodique. nanotubes. Nous examinons également les problèmes non résolus et les orientations futures possibles de ce domaine. Le texte du paragraphe principal suit directement ici.

Tendance de la recherche. Le nombre d'articles ventilés par an liés à TiO₂ nanotubes différenciés par différentes méthodes de synthèse de 2002 à 2017. (Les données ont été collectées à partir de Science Citation Index Expanded en utilisant des nanotubes de titane et des méthodes d'anodisation ou hydrothermales ou des méthodes basées sur des modèles comme mots clés)

Synthèse de TiO₂ Réseaux de nanotubes par anodisation électrochimique

Ces dernières années, alors que de nombreuses formes différentes de dioxyde de titane nanostructuré, notamment des nanotiges, des nanoparticules, des nanofils et des nanotubes, ont été développées avec succès [29,30,31], les nanotubes ont suscité un intérêt croissant pour les applications technologiques en raison de la structure auto-assemblée unique avec une grande zone interfaciale et un contrôle pratique de la taille et de la forme, qui peuvent être appliqués aux applications dépendantes de la surface en tant que meilleur candidat. Un certain nombre d'excellentes critiques [1, 2, 15, 32, 33, 34] sont disponibles pour traiter les fonctionnalités de TiO₂ nanomatériaux classés selon différentes méthodes de synthèse. L'anodisation électrochimique s'est avérée être l'une des méthodes les plus efficaces pour obtenir les nanotubes de dioxyde de titane en tant que technologie relativement simple qui peut être automatisée facilement. Nous préciserons les principales techniques pour fabriquer du TiO₂ anodique nanotubes ci-dessous.

TiO anodique auto-organisé₂ Réseaux de nanotubes

Comme cela a été largement étudié, les couches de nanotubes de dioxyde de titane peuvent être formées dans des conditions environnementales définies spécifiques. Le dispositif d'oxydation se compose de trois parties :(I) un système à trois électrodes avec la feuille de Ti préparée comme électrode de travail qui est dégraissée par sonication séquentielle dans de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau déminéralisée, du platine comme contre-électrode et généralement Ag/AgCl comme électrode de référence (Fig. 2a), tandis que l'électrode pH est parfois ajoutée pour obtenir la concentration ultime de F ⁻ et HF [35] ou un autre système simple à deux électrodes composé d'une feuille de Ti comme anode et d'une électrode métallique inerte comme cathode (Fig. 2b) [36] ; (II) généralement, un ion fluorure, un ion chlorure, un ion chrome, un ion bromure ou des électrolytes contenant du perchlorate; et (III) une alimentation en courant continu. Il existe deux caractéristiques principales influencées par les conditions de formation de l'anodisation affectant les applications prometteuses des nanotubes de titane :(I) la géométrie :la taille, la forme, le degré d'ordre, les phases cristallisées, etc. et (II) les propriétés chimiques, physiques et biomédical. En d'autres termes, en contrôlant les paramètres d'anodisation électrochimique (potentiel appliqué, durée d'anodisation, système électrolytique comprenant la concentration des ions fluor et eau dans l'électrolyte, température de l'électrolyte, pH de l'électrolyte, etc. qui seront discutés plus en détail dans la section "Synthesis of TiO2 Nanotube Arrays by Electrochemical Anodization"), on peut fabriquer différentes nanostructures de dioxyde de titane telles qu'un oxyde plat compact [1], une couche poreuse [1, 36], du TiO₂ désordonné des couches de nanotubes poussant en faisceaux [37], ou enfin un TiO₂ régulier très organisé nanotubes ou couche nanotubulaire avancée :tubes ramifiés [38], structures en bambou [38, 39], à double paroi [40], nanolace [38] ou à double couche [39] dont les propriétés pourraient être trouvées différemment. Les figures 3 et 4 présentent des images de microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM) des exemples typiques d'un tel TiO₂ morphologies des nanotubes.

Mise en place schématique. un Dessin illustratif d'un système à trois électrodes avec la feuille de Ti préparée comme électrodes de travail, le platine comme contre-électrode et généralement Ag/AgCl comme électrode de référence, tandis que l'électrode pH comme pH-mètre. Reproduit de la réf. [35]. b Dessin illustratif d'un système simple à deux électrodes composé d'une feuille de Ti comme anode et d'une électrode métallique inerte comme cathode. L'anodisation conduit à différentes couches d'oxyde anodisé dans différentes conditions. Dans la plupart des électrolytes neutres et acides, une oxyde de titane compact peut se former. Mais si des électrolytes fluorés dilués sont utilisés, des couches d'oxyde nanotubulaires/nanoporeuses seront directement attachées à la surface métallique. Reproduit de la réf. [36]

Images SEM de TiO₂ anodisé couches de nanotubes par différents procédés d'anodisation de Ti. un Le TiO₂ hautement ordonné les nanotubes (en vue de dessus et de côté) sont obtenus dans des systèmes électrolytiques organiques, avec des alvéoles de surface auto-ordonnées (à droite) qui sont en fait des surfaces métalliques lorsque les couches du tube sont retirées. Reproduit de la réf. [1]. b Le TiO₂ désordonné les nanotubes sont cultivés en plaques sur la surface et fusionnés en faisceaux dans un électrolyte contenant du chlorure par une technique d'anodisation ultrarapide connue sous le nom d'anodisation à rupture rapide (RBA). Reproduit de la réf. [1] et [37]

Images SEM de TiO₂ avancé morphologies des nanotubes. un TiO₂ renforcé type bambou les nanotubes sont fabriqués dans des conditions spécifiques de tension alternative (AV) dans de l'éthylène glycol constitué de 0,2 mol/L de HF, avec une séquence de 1 min à 120 V et 5 min à 40 V. Reproduit à partir de la réf. [38]. b Transition du TiO₂ lisse au bambou les nanotubes peuvent être induits par anodisation avec addition d'eau contrôlée (teneurs en eau :1 à 8%) à 0,135 M NH₄ F/électrolyte d'éthylène glycol

reproduit à partir de la réf. [39]. c Les structures de nanolace 2D sont obtenues sous un cyclage de tension effectué pendant une période de temps prolongée dans l'électrolyte contenant du fluorure, avec une séquence de 50 s à 120 V et 600 s à 0 V. Reproduit à partir de la réf. [38]. d Le TiO₂ double paroi les nanotubes sont cultivés par anodisation de Ti dans un électrolyte fluoré contenant de l'éthylène glycol à 120 V après recuit à 500 °C avec une vitesse de chauffage de 1 °C s ⁻¹ . Reproduit de la réf. [40]. e Les nanotubes ramifiés peuvent être observés par échelonnement de tension, d'abord à 120 V (6 h) puis à 40 V (2 h). Reproduit de la réf. [38]. f Les nanotubes à double couche avec des diamètres de tube égaux ou différents peuvent être vus. Reproduit de la réf. [38]

(Actuellement, TiO₂ des réseaux de nanotubes avec des diamètres de tube allant de 10 à 500 nm, une épaisseur de couches allant de quelques centaines de nanomètres à 1000 m et une épaisseur de paroi allant de 2 à 80 nm peuvent être obtenus [15, 41].)

Il y a deux décennies, Masuda et Fukuda ont signalé pour la première fois l'alumine poreuse hautement ordonnée en ajustant les conditions d'anodisation à un optimum [42]. Plus tard, les chercheurs ont consacré leurs efforts à créer des structures organisées de la même manière également pour TiO₂ couches de nanotubes. Et il y a trois facteurs cruciaux affectant le degré d'ordre dans le TiO₂ anodique réseaux de nanotubes (conformément aux polygones dans les couches et à l'écart type du diamètre du tube) :le substrat de Ti, la tension appliquée et l'anodisation répétitive [33, 43]. Il est évident que moins de défauts dans l'agencement peuvent être obtenus pour un matériau de haute pureté à la tension la plus élevée possible en dessous du claquage diélectrique [33] et le TiO₂ idéalement hexagonal auto-ordonné les nanotubes comme le montre la figure 5 peuvent être améliorés de manière significative par la croissance des tubes secondaires [43]. Sophie et al. ont montré que les impuretés influencent fortement les différentes dimensions résultantes et l'ordre des nanotubes après la deuxième anodisation [44]. De plus, les orientations cristallographiques des grains de substrat de Ti se sont révélées être des effets cruciaux dans les caractéristiques de croissance de TiO₂ réseaux de nanotubes par diffraction de rétrodiffusion d'électrons (EBSD). Léonardi et al. ont constaté que les nanotubes ne peuvent être observés qu'avec une orientation qui permet à un oxyde de métal de valve de se former sur les grains permettant la pénétration des ions fluorure à travers le film d'oxydation où 1 M (NH₄ )H₂ Bon de commande₃ +0,5 % en poids de NH₄ F ont été utilisés comme électrolyte [45]. De même, Macak et ses collaborateurs ont rapporté qu'aucune croissance de nanotubes sur les grains n'est retardée dans l'électrolyte à base d'éthylène glycol largement utilisé par rapport au cas de l'utilisation d'électrolyte aqueux, comme le montre la dernière littérature [46]. Sur la feuille de Ti polie, les grains avec une orientation [0 0 0 1] ou proche de celle-ci se sont avérés être les grains idéaux et l'utilisation de Ti monocristallin avec une orientation idéale serait une grande avancée pour obtenir les réseaux de nanotubes les plus uniformes [46] .

Images SEM de TiO₂ nanotubes. Les nanotubes sont formés dans des électrolytes d'éthylène glycol contenant 0,27 M de NH₄ F par anodisation répétée de Ti. Les coupes transversales sont prises en haut de la couche, au milieu et en bas de la couche. Reproduit de la réf. [43]

Néanmoins, il existe encore quelques défauts influençant le degré d'ordre. Dernièrement, il a été encore étendu par nanoimpression uniforme Ti. Kondo et al. compris une fabrication de débit d'un TiO₂ anodique idéalement ordonné par nanoimpression de la surface Ti ou d'un échantillon bicouche avec une couche d'Al en haut et la couche de Ti en bas à l'aide d'un moule en Ni avec des convexes ordonnés. Et le TiO₂ les couches pourraient être générées de manière plus ordonnée où les concaves peu profonds du motif pré-texturé agissaient comme sites d'initiation par l'anodisation ultérieure dans NH₄ F solution d'éthylène glycol [47, 48]. Suivant de près, Sopha et al. a d'abord recouvert une couche protectrice TiN sur substrat Ti préparée par dépôt de couche atomique (ALD) avant la prétexturation réalisée par faisceau d'ions focalisé (FIB) et l'anodisation subséquente à l'aide d'électrolyte d'éthylène glycol pour produire des couches de nanotubes parfaitement disposés de manière hexagonale d'une épaisseur de 2 m, ce qui peut restreindre les nanotubes à se développer uniquement sur les sites d'initiation donnés et prolonger le temps d'anodisation sans aucun défaut [49].

Mécanisme de formation du TiO anodique₂ Nanotubes

Technologie d'oxydation anodique et recherches sur le mécanisme de formation du TiO₂ anodique nanotubes a longtemps retenu l'attention d'une grande diversité de disciplines. La recherche sur les mécanismes que Diggle rapportait en 1969 sur les films d'oxyde anodique compact et d'oxyde anodique poreux [50] joue encore aujourd'hui un rôle directeur extrêmement important. De nombreux travaux récents montrent que le passage des pores aux tubes est de nature progressive [1, 27, 36]; cependant, le modèle et le raisonnement entièrement théoriques n'ont pas été fournis.

La dissolution conventionnelle assistée par le terrain (FAD) est la théorie la plus acceptable [1, 33, 51]. C'est en cours d'anodisation électrochimique, TiO₂ les réseaux de nanotubes sont formés par l'auto-organisation de l'oxyde de titane en raison de trois procédures relativement indépendantes :l'oxydation électrochimique du Ti en TiO₂ , la dissolution induite par le champ électrique de TiO₂ , et la dissolution chimique induite par les ions fluor de TiO₂ , atteignant un équilibre délicat. En tant que courbe caractéristique courant-temps illustrée à la Fig. 6 pour les électrolytes contenant du fluorure qui conduisent à la formation de nanotubes [51] et une image typique qui peut aider à illustrer schématiquement le processus de formation [33] illustré à la Fig. 7, le transitoire peut être divisé en trois étapes distinctes :(I) Dans la première partie, il y a une décroissance actuelle, causée par un oxyde barrière nouvellement formé, lorsque les deux processus principaux, la migration vers l'intérieur de O ²⁻ vers l'interface métal/oxyde et la migration vers l'extérieur du Ti ⁴⁺ vers l'interface oxyde/électrolyte, réalisent un équilibre. (II) Dans la deuxième partie, le courant recommence à augmenter avec un décalage temporel dû à l'augmentation de la surface de l'anode. Plus le décalage est court, plus la concentration en fluorure sera élevée en raison de la dissolution induite par le fluorure du TiO₂ formé. , et les pores commencent à se fabriquer de manière aléatoire, ce qui s'avère par la suite être la formation initiale de TiO₂ nanotubes. (III) Ensuite, le courant atteint un état stable, lorsque le taux de croissance des pores à l'interface d'oxyde métallique et le taux de dissolution induit du TiO₂ formé à l'interface externe atteindre une situation d'équilibre. Ainsi, les tubes finaux deviennent de plus en plus en forme de V, c'est-à-dire que les sommets des tubes possèdent des parois nettement plus minces que leurs fonds où les tubes sont emballés de manière fermée. Le gradient de l'épaisseur de la paroi du tube sur la figure 5 peut être attribué à différents temps d'exposition et concentration aux électrolytes le long des tubes [43].

Courbe courant-temps typique sous une tension constante dans des électrolytes contenant du fluorure. Le transitoire peut être divisé en trois régions distinctes (I –III ). (Je ) Dans la première partie, il y a une forte décroissance du courant. (II ) Dans la deuxième partie, le courant recommence à monter avec un décalage temporel. (III ) Dans la troisième partie, le courant atteint un état stationnaire reproduit à partir de la réf. [51]

Le processus de formage du TiO₂ réseaux de nanotubes. La formation de TiO₂ les réseaux de nanotubes peuvent être divisés en trois étapes morphologiques différentes (I –III ). (Je ) Un oxyde barrière se forme. (II ) La surface est activée localement et les pores commencent à se développer de manière aléatoire. (III ) La couche de nanotubes auto-organisée est formée reproduite à partir de la réf. [33]

Cependant, cette théorie ne peut pas encore expliquer clairement le phénomène de séparation en tubes, par opposition à une structure nanoporeuse, et Fahim et al. ont observé que sous des tensions appropriées, il est possible d'obtenir des nanotubes de dioxyde de titane dans une solution d'acide sulfurique sans ions fluorure, auquel cas, la courbe I-t ressemblait à celle que nous venons de discuter ci-dessus [52]. Comme Houser et Hebert l'ont souligné, le mécanisme de croissance n'a pas encore été développé pour expliquer les relations quantitatives entre le processus de membrane poreuse de dioxyde de titane et la courbe I-t [53]. L'interprétation n'étant pas assez convaincante, de nouveaux points sur le mécanisme sont apparus récemment tels que le modèle d'écoulement visqueux et le modèle de croissance à deux courants. En ce qui concerne ces mécanismes, une revue [51] montre de nombreuses limites pour la théorie traditionnelle de la dissolution assistée par le terrain et donne quelques explications sur les derniers progrès et l'importance de la recherche sur le modèle d'écoulement visqueux et le modèle de croissance à deux courants.

L'effet des conditions d'anodisation affectant la géométrie et les propriétés

La composition et la concentration des électrolytes ont une influence significative sur la formation des réseaux de nanotubes. Selon la différence d'électrolytes que nous utilisons, le développement se divise essentiellement en trois étapes :Le tableau 1 résume les conditions d'anodisation et les dimensions du TiO₂ résultant réseaux de nanotubes dans les trois générations étudiées par différents groupes de recherche à ce jour.

La première génération :les électrolytes aqueux à base d'acide fluorhydrique (HF)

Le jalon est que Gong et al. a présenté pour la première fois les réseaux de nanotubes de titane uniformes par oxydation anodique de Ti dans des électrolytes aqueux à base de HF [54]. Dans les électrolytes en solution aqueuse HF, où le pH est relativement faible, ce qui signifie une concentration élevée d'ions hydrogène, la dissolution chimique de TiO₂ induite par les ions fluor joue le rôle dominant dans le processus d'anodisation [55]. Un équilibre dynamique a été atteint en une courte période de temps dans le processus de formation des nanotubes de dioxyde de titane, et par conséquent, la longueur maximale réalisable des nanotubes a été limitée à environ 0,5 m [54,55,56].

La deuxième génération :les électrolytes tamponnés

Dans les travaux ultérieurs, afin de réduire la dissolution chimique en allongeant les tubes, Cai et al. ont démontré qu'en ajoutant des acides plus faibles tels que KF ou NaF dans une solution tamponnée et en ajustant le pH à faiblement acide (pH =4,5) avec de l'acide sulfurique ou de l'hydroxyde de sodium, des nanotubes d'une longueur d'environ 4,4 m étaient obtenus [57]. La valeur du pH affecte l'hydrolyse des ions titane qui s'avèrent interférer avec la gravure électrochimique et la dissolution chimique. Cai et al. ont également souligné que des valeurs de pH plus faibles produisent des nanotubes plus courts mais propres et des valeurs de pH plus élevées entraînent des nanotubes plus longs mais des débris indésirables [57]. Au fur et à mesure que la valeur du pH augmente, le taux d'hydrolyse augmentera, ralentissant à son tour la dissolution chimique, conduisant à des nanotubes plus longs tandis que la solution alcaline ne convient pas à la croissance des nanotubes [57, 58]. Il est démontré que dans un électrolyte NaF neutre à une tension appropriée, des nanotubes beaucoup plus longs pourraient être obtenus que dans des solutions acides par Macak et al. [58]. Étant donné une tension particulière dans l'électrolyte contenant du fluorure, en ajustant le gradient de pH, les rapports d'aspect et l'épaisseur des couches requis pourraient être atteints [59].

La troisième génération :les électrolytes organiques polaires

Des électrolytes tels que le glycérol [59], le diméthylsulfoxyde [60], le formamide ou le diéthylène glycol [61, 62], l'éthylène glycol [41, 63], contenant des espèces fluorées telles que NH₄ F, NaF et KF apparaissent progressivement. Macak et ses collaborateurs ont pris l'initiative d'utiliser un électrolyte de glycérol visqueux pour fabriquer des matrices de nanotubes de dioxyde de titane d'une épaisseur d'environ 7 µm et d'un diamètre de tube moyen de 40 nm [59]. Il est démontré que le rapport d'aspect plus élevé TiO₂ les nanotubes peuvent être cultivés dans un tel électrolyte organique polaire en raison d'un contrôle approprié du pH de l'électrolyte réduisant la dissolution chimique de l'oxyde de titane [64]. Paulose et al. nanotubes formés d'environ 134 m de longueur, préparés à l'aide d'éthylène glycol contenant 0,25 % en poids de NH₄ F à un potentiel d'anodisation de 60 V pendant 17 h [60]. Peu de temps après, plus de 250 μm d'épaisseur de TiO₂ des réseaux de nanotubes ont été rapportés par Albu [65]. Par ailleurs, la teneur en eau joue un double rôle dans le processus :elle est indispensable à la formation de l'oxyde de titane, mais elle accélère également la dissolution chimique [63]. Par conséquent, comment réduire l'effet de la teneur en eau à une importance minimale est nécessaire pour augmenter l'épaisseur et le degré d'ordre du TiO₂ réseaux de nanotubes. En général, limiter la teneur en eau à moins de 5 % est la clé pour obtenir des nanotubes très longs avec succès [60], et une quantité minimale de teneur en eau (0,18 % en poids) est nécessaire pour former des nanotubes de dioxyde de titane bien organisés [66]. Il a été rapporté qu'avec l'ajout d'eau, la densité de courant enregistrée diminuait, ce qui était le plus élevé dans une solution d'éthylène glycol anhydre [66]. Paulose et al. a signalé pour la première fois la formation de réseaux de nanotubes d'oxyde de titane hexagonaux auto-organisés d'une longueur d'environ 1 000 m à 60 V pendant 216 h dans de l'éthylèneglycol contenant 0,6 % en poids de NH₄ F et 3,5 % d'eau [41]. Un autre phénomène notable est que les parois lisses des tubes se développent à faible teneur en eau, tandis que des ondulations sur les parois latérales se forment à une teneur plus élevée, comme le montre la figure 4b [59, 67]. Comme de loin le type d'électrolytes le plus utilisé, l'éthylène glycol contenant de l'eau et des ions fluorure conduit toujours à des structures de nanotubes à double paroi (Fig. 4d) [40, 68, 69, 70], tandis que la couche interne peut être éliminée par un traitement de recuit approprié suivi d'un simple processus de gravure chimique. Après retrait de la coque interne, les tubes élargis permettent une décoration couche par couche avec des nanoparticules en utilisant une approche répétitive basée sur TiCl₄ -hydrolyse [71]. Alors que les tubes à paroi unique présentaient une conductivité et des temps de transport d'électrons significativement améliorés dans les cellules solaires à colorant (DSSC) [71, 72] où l'épaisseur du tube entier est fondamentalement la même et la coque interne n'apparaît plus, Mirabolghasemi et al. a fait une comparaison entre les tubes à double et simple paroi et a présenté les tubes à simple paroi souhaités avec une addition de diméthylsulfoxyde (DMSO) dans des électrolytes avec 1,5 M H₂ O et 0,1 M NH₄ F [72].

Récemment, il a été rapporté que les électrolytes non fluorés produisaient du TiO₂ des réseaux de nanotubes qui peuvent être considérés comme la quatrième génération de synthèse comprenant de l'acide chlorhydrique, du peroxyde d'hydrogène, des solutions d'acide perchlorique et leurs mélanges [73, 74]. Allama et Grimes ont décrit des réseaux de nanotubes bien développés de 300 nm de longueur, 15 nm de diamètre interne et 25 nm de diamètre externe obtenus dans un électrolyte aqueux d'acide chlorhydrique (HCl) 3 M à des tensions d'oxydation comprises entre 10 et 13 V. Mais en ajoutant une faible concentration de H₃ Bon de commande₄ a entraîné le passage des nanotubes aux tiges. Ils ont en outre suggéré qu'ils étaient incapables de réaliser des réseaux de nanotubes auto-organisés dans des électrolytes contenant du HCl à une concentration inférieure ou supérieure à 3 M [73]. Allama a découvert que l'ajout de peroxyde d'hydrogène à la solution aqueuse contenant de l'acide chlorhydrique pourrait être une méthode possible pour allonger les nanotubes de titane qui possèdent une forte propriété oxydante suite à une couche d'oxyde plus épaisse, démontrant que les ions fluorure peuvent être remplacés avec succès par des ions chlorure dans la croissance de réseaux de nanotubes [74]. En outre, les liquides ioniques sans ajout d'espèces fluorées libres ont été traités comme un autre type de système de solvant pour les nanotubes de dioxyde de titane ces dernières années [75, 76].

En plus des paramètres standards, la géométrie des nanotubes résultants est dépendante de l'utilisation répétitive d'électrolyte (l'« effet solution utilisée »). En comparaison avec les tubes obtenus avec des solutions fraîches, en utilisant des solutions une fois utilisées, présentaient une augmentation de la longueur des nanotubes et une meilleure qualité où le taux de croissance des nanotubes atteint est systématiquement plus élevé pour les solutions une fois utilisées à 60 V et plus [77] et un un comportement transitoire de courant légèrement différent mais distinguable a pu être noté [66]. De plus, aucune structure nanotubulaire mais un film d'oxyde n'a été obtenu dans la solution deux fois utilisée en raison de l'appauvrissement en F ⁻ espèces [78]. Cependant, Sopha et al. ont étudié différents âges d'électrolytes à base d'éthylène glycol sur la morphologie de TiO₂ nanotubes montrant que dans les électrolytes plus anciens, les matrices présentent des rapports d'aspect inférieurs [79].

Potentiel appliqué

La tension d'anodisation est le facteur critique contrôlant les diamètres des tubes [80, 81]. La dimension des réseaux de nanotubes peut être prédite simplement en appliquant la plage de tension appropriée appelée fenêtre de potentiel à travers l'électrode [67]. À basse tension, moins de dissolution du champ électrique se produit, formant du TiO₂ nanotubes de plus petit diamètre. Si la tension est trop basse, le TiO₂ couche devient compacte mais aucune structure nanotubulaire ne peut être observée. Au contraire, une structure poreuse de type spongieux sera observée lorsque la tension est trop élevée. With controllable voltage, the diameter of the nanotubes is proportional to the voltage [81]. Furthermore, studies show that the range of voltage forming nanotubes is also related to the electrolyte system. In aqueous electrolytes, the potential window should be controlled from 10 to 25 V, which in organic electrolytes is much wider between several volts and some hundred volts. Wang and Lin found out the fact that in aqueous electrolytes, the anodization potential exhibits significant influence on the growth of TiO₂ nanotube arrays, which exhibited slight influence in non-aqueous electrolytes in this regard [82]. The voltage dependence has a significant reduction in non-aqueous electrolytes which is attributed to a large extent to the low conductivity of organic electrolytes [83, 84].

The Duration on Anodization

The duration of anodization affects the nanotubes mainly in two aspects:(I) the formation of the tubes or not and (II) the length of the tubes. That is, in the early stage of the anodization, a compact TiO₂ film is formed. If the duration is too short to reach an equilibrium in reaction, the regular nanotube array cannot be achieved instead of a disordered porous layer [67]. With increasing the anodization time, porous structure gradually grows deeper and converts into the TiO₂ nanotubular array [1, 33, 51]. If other electrochemical parameters are kept unchanged, increase in the nanotube length is observed over time while no significant effect on diameter and tube wall thickness until a steady-state situation occurs [67, 85, 86]. However, due to the decrease of the F ⁻ concentration in the electrolyte, where the ion transport rate decreased, the growth rate of nanotubes is reduced. After reaching a stable condition between tube growth at the bottom and chemical/electrochemical dissolution at the top, we will find no further increase in length of the nanotubes [87]. As time continues to go, pipe orifice becomes an irregular polygon resulting in TiO₂ spikes and coverings which can be seen on the surface of the TiO₂ nanotube arrays [36]. It is worth mentioning that enlightened by the success of aluminum-repeated anodization for self-organized porous alumina [88], the two-step anodization of titanium for such a highly ordered hexagonally packed nanostructure of titania has appeared [43, 77, 89,90,91]. After the first-step anodization, the first nanotube layer from the Ti foil should be removed ultrasonically or by using an adhesion tape which leads to a surface where the remaining Ti is covered by comparably ordered dimples. Researches have shown that the former treatment helps to avoid potential mechanical damage to the Ti surface and also improve the structural uniformity of the TiO₂ nanotubes to a great extent [77, 90, 91]. In the second anodization step, the pretreated Ti foil would be used as anode again with or without changes in parameters of oxidation conditions. It is subsequently found that the highly ordered and vertically oriented titania nanotubes, have greater potential in such fields as photocatalysis [77], photoelectriochemical activity [92, 93], and biological interaction with cells [94] than the disordered nanotubular titania.

Electrolyte Temperature

Temperature restricts the growth and quality of titania nanotube arrays, directly affecting the rate of oxide growth, length, and wall thickness of the structure [64, 95]. Wang and Lin first reported the effect of electrolyte temperature in both aqueous and non-aqueous electrolyte on anodic oxidation of titanium [82]. In aqueous electrolyte, with the temperature increasing, a slight diminish in the internal diameters was observed while the external diameters remained the same [68]. The reason may be the dissolution induced by electrical field and fluoride ions are similar while the oxide formation rate is higher than that at lower temperature. In non-aqueous electrolyte containing fluoride ions, the outer nanotube diameter was found to be largely increased by the increasing electrolyte temperature [82]. This may be because at lower temperature, the ion mobility of fluorine in some viscous electrolyte is further inhibited, leading to much slower dissolution of newly formed titania, which subsequently lead to a smaller nanotube diameter. As chemical dissolution rate increases, surface of TiO₂ nanotubes arrays can easily produce excessive corrosion, resulting in lodging nanotubes and agglomeration. Therefore, the appropriate bath temperature for stable TiO₂ nanotube arrays is at room temperature [82, 95, 96].

Modification of Nanotubes Properties

Increasing applications of TiO₂ nanotubes as a novel semiconductor are closely related to its photoelectriochemical (PEC) performance; however, they are sometimes prevented by two fundamental drawbacks:(I) the wide band gap (3.0 eV for the rutile phase and 3.2 eV for the anatase phase) can only absorb ultraviolet light, which accounts for less than 10% of the sunlight [97], resulting in low average utilization ratio of solar energy and (II) the low electrical conductivity cannot efficiently transfer photogenerated carries. At the same time, the photoelectrons and vacancies can be easily recombined, thus making low electron mobility rate or quantum confinement effects [98]. Hence, post-treatment of TiO₂ nanotubes is the key to improve the performance of its materials and related devices successfully. Considerable researches have been reported on modified methods to reduce the recombination of photogenerated electron-hole pair rate, speed up the electron transfer rate, and enhance the photoelectriochemical activity of TiO₂ nanotubes. The research of the methods for the improvement of the photoelectriochemical properties of TiO₂ nanotubes will be reviewed, including thermal annealing, doping, and surface modification. As for promising modification in biomedical fields, we will present in the application section.

Thermal Annealing

The crystallinity of the nanotube arrays and their conductivity, lifetime of charge carrier, and photoresponse depend mainly on the thermal annealing temperature and atmosphere [99, 100]. The as-prepared TiO₂ nanotubes above are amorphous in nature but can be annealed to anatase or rutile phase, or mixtures of both phases relying on the specific temperature [1, 3, 40, 92, 100]. It is demonstrated that amorphous nanotube layers grown in a glycerol-based electrolyte containing fluoride ions have low photocurrents and an incident photon-to-electron conversion efficiency (IPCE) below 5% due to lots of structural defects while anatase phase nanotubes exhibit an IPCE value up to 60% thus attracting more interest to applications such as dye-sensitized or perovskite solar cells [93]. As well in mixed water-glycerol electrolyte with F ⁻ , Das et al. stated their points that if the self-organized TiO₂ nanotube arrays with thickness about 1 μm were annealed around 300–500 °C, the anatase phase of TiO₂ as the most preferred crystalline structure could be observed. The single anatase structure of nanotubes with the best photoelectriochemical properties and the lowest resistivity could be fabricated when annealed at 400 °C. At temperature higher than 600 °C, a track of typical rutile appeared and with a further increase in annealing temperature the percentage and quality of the rutile phase increased [92]. It should be noted that in Jaroenworaluc’s work, rutile phase was detected in anodic nanotube layers grown in aqueous NaF/Na₂ SO₄ with thickness of approximately 1.5 μm at 500 °C heat treatment and became the dominant phase at 600 °C. Whereas at 550 °C, partial nanotubes began to break down [101]. It begins to cause the collapse of the entire nanostructure formed in aqueous NaF/Na₂ SO₄ with the continuous increase of temperature (800–900 °C) or the extended annealing time [3]. While for extended temperature, the crystalline structure of the nanotubes completely converts to rutile phase at above 900 °C [3]. Some researchers demonstrated a loss of the typical single-walled nanotube layers morphology when the annealed temperature rose above 580 °C [102]. Besides the whole annealing process especially the heating rate controls, the morphological structures of the entire nanotube arrays [40]. The double-walled nanotube layers prepared from ethylene glycol (containing less than 0.2 wt% H₂ O), with the addition of HF and H₂ O₂ , have such a high stability that can keep their structure intact until temperature is higher than 900 °C with a heating rate of 1 °C s ⁻¹ . However, the double-walled nanotubes begin to collapse as soon as the temperature reaches 500 °C when the heating rate is 25 °C s ⁻¹ . Most extraordinarily, with the high speed of 50 °C s ⁻¹ the entire separated nanotubes fuse into a highly ordered porous membrane [40]. Xiao et al. obtained crystallized titania nanotubes arrays with calcination in different gases like dry nitrogen, air, and argon indicating nanotubes in dry nitrogen appeared to have enhanced electrochemical and photoelectrical properties who also found out that with the increasing temperature internal diameter decreased while wall thickness increased at the expense of nanotubes length [103].

As shown in Fig. 8, the conductivity along the TiO₂ nanotubes with three different thickness is strongly affected by annealing temperature. Smallest resistance is observed at about 350–450 °C when the amorphous nanotube arrays are totally converted into anatase layers [99]. And it is evident to see that specific resistivity increases with thicker nanotube arrays which can be shown more clearly in the inset in Fig. 8. Furthermore, calcination temperature is responsible for the decrease in the length of the anatase TiO₂ nanotubes. As shown in Fig. 9a, increment of temperature between 300 and 500 °C causes the as-prepared nanotube arrays slightly changing in thickness from 13.6 to 12.6 μm. When annealing temperature continuously increases to 600 °C, the average length of the nanotubes decrease dramatically to 6.6 μm. Figure 9b shows conversion from anatase TiO₂ to rutile phase TiO₂ occuring at 500 °C when the rutile barrier layer is formed on the bottom of the TiO₂ nanotube arrays along the anatase nanotubes by consuming the bottom layer if the annealed temperature is further increased. This leads to a length decrease and corresponding photocatalytic activity decline [104].

Electrical resistance as a function of the annealing temperature for the different nanotube layer thicknesses. The curve shows electrical resistance measurement for different titania nanotube arrays grown in ethylene glycol based electrolyte containing HF and water at different temperature and the influence of thickness on resistance. The inset shows more details about the relationship between the thickness of the nanotube arrays annealed at 250 °C and their specific resistivity. Reproduced from ref. [99]

Evolution of titania nanotube arrays at different calcination temperatures. The electrolyte was ethylene glycol containing 0.3 wt% ammonium fluoride and 5 vol% distilled water. un The decrease in the thickness of titania nanotube arrays at different annealing temperature from 300 to 600 °C. The insets are corresponding SEM images and the scale bar is 5 μm. b The schematic of crystallization process of anodic titania nanotubes annealed at (1) 450 °C, (2) 500 °C, and (3) 600 °C in air. Reproduced from ref. [104]

Doping

Doping ions or atoms into titania lattice, a substitution within the lattice either at Ti ⁴⁺ or O ²⁻ sites, on the one hand, changes the lattice constants and bond energy. On the other hand, it is beneficial to the separation between photogenerated electron and hole pair, which in turn adjusts the band gap and improves the photoelectrochemical performance of nanotubes [15]. The impurity doping has been commonly applied to extend the light absorption onset of TiO₂ nanotubes by either introducing subbandgap states or adjusting its bandgap width [105]. Lately, co-doping approach has been proposed as a more efficient way to reduce the band gap and adjust energy band level in favor of photoelectriochemical reactions [106, 107]. There are various kinds of doped-elements and preparation methods, and Table 2 summarizes some methods and the doping effects of doped titania nanotubes.

The most typical doped TiO₂ nanotubes are as follows:

1. i.

   Metal-doped TiO₂ nanotubes such as Nb [107], Fe [108], Cu [109], Cr [110], Zr [111], Zn [112], and V [113]

2. ii.

   Non-metal-doped TiO₂ nanotubes such as N [105], F [114], B [115], C [116], S [117], and I [118]

3. iii.

   Co-doped TiO₂ nanotubes such as N–Ta [105], N–Nb [107], and C–N–Ni [119]

Choiet systematically studied the photoreactivities of 21 metal ion-doped quantum-sized TiO₂ doping with Fe, Mo, Ru, Os, Re, V, and Rh significantly increases quantum efficiency, while Co and Al doping decreases the photoreactivity [120]. Momeni et al. recently obtained Fe-TiO₂ nanotube (Fe-TNT) composites using different amounts of irons to decorate anodically formed TiO₂ nanotubes with potassium ferricyanide as the iron source, indicating that Fe doping efficiently accelerates the photocatalytic performance for water splitting [108]. Not limited to transition metals, other elements including N [105], F [114], B [115], C [116], S [117], and I [118] are successfully explored. Nitrogen-doped TiO₂ nanotubes turns out to be a promising path to narrow the band gap energy with enhanced photocurrent response in the visible light and the tube length influences the magnitude of conversion efficiency [121, 122]. Kim and co-workers proved that TaOxNy layer-decorated N-TNT (N-doped TiO₂ nanotubes) as dual modified TNTs have significantly improved both visible (3.6 times) and UV (1.8 times) activities for water splitting [105]. At present, more researches are aimed at co-doping which exhibits remarkable synergistic effect causing a significant improvement on photoelectriochemical properties. Chai et al. grew Gd–La co-doped TiO₂ nanotubes by an ultrasonic hydrothermal method, enhancing visible light photocatalysts [123]. Cottineau et al. modified titania nanotubes with nitrogen and niobium to achieve co-doped nanotubes with noticeably enhanced photoelectriochemical conversion efficiency in the visible light range [107]. Nevertheless, the mechanism for increasing photoconductivity and synergistic effect of various elements on co-doping remains a further study.

Surface Modification

Surface modification means decoration on surface of TiO₂ nanotube arrays with nanoparticles (metal, semiconductors, and organic dyes). Nanowire arrays can also be fabricated by electrodeposition into titanium oxide nanotubes [124]. TiO₂ nanotube is a semiconductor with a wide band gap, which can only absorb ultraviolet light [97, 125]. Any other nanomaterials which possess a narrow band gap or can absorb the visible light can be used as a sensitizer for titania nanotubes. Silver nanoparticles can be decorated on the tube wall by soaking the titania nanotube arrays in AgNO₃ solutions and photocatalytically reducing Ag ⁺ on a TiO₂ surface by UV illumination [126]. Ag/TiO₂ nanotubes show a significantly higher photocatalytic activity and good biological performance compared with neat TiO₂ nanotubes [126, 127]. Some compositions such as graphene oxide GO [128], CdS [129], CdSe [130], and ZnFe₂ O₄ [131]. can be modified on TiO₂ nanotube arrays. Lately, GO have attracted much scientific interest in nanoscale devices and sensors which is easy to combine with nanostructure materials to compose some compounds. Titania nanotubes fabricated by anodization in water-ethylene glycol electrolyte consisting of 0.5 wt% ammonium fluoride (NH₄ F) can be incorporated with GO by cyclic voltammetric method, which achieve higher photocatalytic activity and more effective conversion efficiency (GO-modified vs pure nanotubes =26.55%:7.3%) of solar cell than unmodified TiO₂ nanotubes [128]. Semiconductor composite is a method improving the performance of titania nanotubes via, in some specific way, combining two kinds of semiconductors with different band gap [132]. Yang et al. decorated CdSe nanoparticles on the surface of TiO₂ nanotubes by applying an external electric field to accelerate CdSe nanoparticles in nanochannels resulting in a material with more stable and higher photoresponse to visible light. Furthermore, the degeneration rate of anthracene-9-carbonxylic acid when exposed to the green light irradiation indicating that CdSe dominates the photocatalytic process under visible light [130].

Besides, other oxide nanoparticle deposition such as WO₃ [133] or TiO₂ [134] onto TiO₂ nanotubes by the hydrolysis of a chloride precursor also turns out to augment the surface area and improve the solar cell efficiency. Another very effective approach is to consider organic dyes as sensitizers for TiO₂ nanotubes to improve its optical properties [135]. Lately, atomic layer deposition (ALD) becomes an established procedure to modify TiO₂ nanotube layers. ALD appears to be a very uniform and precisely controllable deposition process to functionalize nanotubes in conformably coating the surface of the nanotube layers with one atomic layer after another of a secondary material, such as Pd [136], ZnO [137], Al₂ O₃ [138], CdS [139], or TiO₂ [140].

Biomedical Applications

Historically, the mentioned milestones were reported on the fabrication of titania nanotube arrays contributing to widen the promising applications over the past 20 years in the areas ranging from anticorrosion, self-cleaning coatings, and paints to sensors [141,142,143], dye-sensitized and solid-state bulk heterojunction solar cells [144,145,146], photocatalysis [147, 148], eletrocatalysis, and water photoelectrolysis [149, 150]. They also outperform in biomedical directions as biocompatible materials, toward biomedical coatings with enhanced osseointegration, drug delivery systems, and advanced tissue engineering [15, 135, 141, 142, 151]. In the following section, we will give an overview of current efforts toward TiO₂ nanotubes biomedical applications. Titania nanotubes possess good biocompatibility as they show some antibacterial property, low cytotoxicity, good stability, and cytocompatibility including promoting adhesion, proliferation, and differentiation of osteoblast and mesenchymal stem cells (MSCs) with a high surface area-to-volume ratio and controllable dimensions [152,153,154,155].

However, Ti products have inadequate antibacterial ability and efforts have been made to improve their antibacterial properties such as modifications on titania nanotubes for biomedical applications like bioimplant [126, 156].

Biological Coatings And Interactions with Cells

A number of in vitro and in vivo studies have demonstrated that MSCs, osteoblasts and osteoclasts show size-selective response which means the effect of size holds an important position in cell interaction where the optimized size for cell adhesion, proliferation, growth, and differentiation is ranging from 15 to 100 nm [153, 157, 158]. Particularly, it was demonstrated that the TiO₂ nanotubes with a diameter of 70 nm was the optimal nanoscale geometry for the osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells (hASCs) [159]. Smith et al. reported increased dermal fibroblasts and decreased epidermal keratinocyte adhesion, proliferation, and differentiation on TiO₂ nanotube arrays (diameter 70–90 nm, length 1–1.5 μm) [160]. As shown in Fig. 10, Peng et al. found that nanotubular surface preferentially promoted proliferation and function in endothelial cells (EC) while decreased in vascular smooth muscle cell (VSMC) by measuring EdU, a thymidine analog which is incorporated by proliferating cells [161]. Furthermore, it is pointed out that surface wettability of the TiO₂ nanotube layers is recognized as a critical factor for cell behavior which can be adjusted by changing the diameter of the nanotubes. That is to say, water contact angles can be altered without changing the surface chemistry [158]. To get further understanding of the effect of TiO₂ nanotube layers to bone-forming cells as well as stem cells response, Park et al. seeded green fluorescent protein-labeled rat MSCs on TiO₂ nanotube layers with six different diameters (15, 20, 30, 50, 70, and 100 nm), resulting in cell activity that is sensitive to nanoscale surface topography with a maximum in cell activity obtained for tube diameters of approximately 15–30 nm. Such lateral spacing exactly corresponds to the predicted lateral spacing of integrin receptors in focal contacts on the extracellular matrix, forcing clustering of integrins into the closest packing, resulting in optimal integrin activation. While tube diameters larger than 50 nm, severely impaired cell spreading, adhesion, and spacing of 100 nm may lead to the cell apoptosis [94]. Besides adjusting the size of the nanotubes, surface modification loaded with bioactive factors should be highlighted, in which case biomedical properties can be further optimized. In the case of bone implants, hydroxyapatite (HA) formation is important for osseointegration. Recent works have shown hydroxyapatite nanocrystalline coating onto the nanotubular TiO₂ results in further enhanced osseointegration with strong adhesion and bond strength, and a drastic enhancement of deposition rate is observed [162, 163]. Nanotubular TiO₂ surface can greatly enhance the natural apatite growth rate in simulated body fluid (SBF) compared with flat surfaces [10, 164]. The alkaline-treated TiO₂ nanotubes with NaOH solutions are more bioactive in SBF, where sodium titanate can significantly accelerate nucleation and the growth of HA formation presenting a well-adhered bioactive surface layer on Ti due to its larger surface area and promoted mechanical interlocking between HA and TiO₂ nanotubes [165, 166]. Electrodeposited with hydroxyapatite, higher adhesion of TiO₂ nanotubes has been described in the literature by means of adhesive tape test and the live/dead cell staining study which is essential for early bone formation [166]. The results also showed that at the length of 560 nm the highest adhesion of HA surface on the nanotubes is observed. Also the nanotube surface can indeed strengthen Collagen type I expression in vivo experiment which is considered to be a basic initial bone matrix protein in bone formation [167]. Moreover, annealing of the amorphous nanotubes to anatase or a mixture of anatase and rutile was found to be an important factor in the apatite formation process [164].

Ratio of EdU positive a ECs and b VSMCs on flat or nanotube substrate. It is normalized by the average proportion of positive cells on flat surfaces on day 1 and 3. Data is presented as average ± standard deviation. *p < 0.05, **p < 0.01 versus same day flat control, n = 6 reproduced from ref. [161]

Drug Delivery and Antibacterial Ability

Furthermore, the tubular nature of TiO₂ in biomedical devices may be exploited as gene and drug delivery carriers with living matter due to its high surface area, controllable pore, and self-ordered structure [1, 15]. When the orthopedic bioimplant is placed into the bone defect, persistent and chronic infection is one of the most common and serious complications associated with biomedical implantation [16, 168]. Certain dimension and crystallinity may be useful to prevent bacteria adhesion and promote bone formation. The thermal annealing has decreased the number of bacteria adhering to the Ti surface. It could be in part because heat treatment removes the fluorine content which has a tendency to attract bacteria. The research also indicates that nanotubes with 60 or 80 nm in diameter decrease the number of live bacteria as compared to lower diameter (20 or 40 nm) nanotubes [169, 170].

Bauer et al. loaded epidermal growth factor (EGF) and bone morphogenetic protein-2(BMP-2) onto the TiO₂ nanotubes surface by covalent attachment. They observed positive influence on the behavior of MSCs on 100-nm nanotube arrays where cell count was at much higher levels compared to the untreated one [171]. Lately, titania nanotubes loaded with antibiotics contribute to suppressing bacterial infections. As gentamicin sulphate (GS) is mostly widely used with highly water solubility, Feng et al. loaded titania nanotubes with GS through physical adsorption and cyclic loading which can treat many types of bacterial infections [172]. Zhang et al. fabricated titania nanotubes loaded with vancomycin to investigate the increasing biocompatibility and obvious antibacterial effect on Staphylococcus aureus [173]. However, systemic antibiotics in clinical will bring many side effects. The release of antibiotics from the nanotubes is too fast to maintain the long-term antibacterial ability, and the use of antibiotics may develop resistant strains [126, 168, 174]. Ensuring a constant release rate becomes a crucial but difficult part in the field of drug delivery. In strategies like surface modification, controlling the dimension of nanotube arrays, biodegradable polymer coating have been employed to solve the issue [21]. Drug release of several drugs such as antibiotics or growth factors from titania nanotube arrays can be adjusted by varying their diameters and lengths [152, 175, 176]. Feng et al. covered a thin film comprising a mixture of GS and chitosan on GS-loaded titania nanotubes and showed a controlled release of the drug providing sustained release effects to a certain extent [172]. Titania nanotube arrays as drug nanoreservoirs on Ti surface for loading of BMP-2 were fabricated by Hu et al. and then further covered with gelatin/chitosan multilayers to control the release of the functional molecule meanwhile maintain the bioactivity for over 120 h via a spin-assisted layer-by-layer assembly technique which is mainly based on electrostatic interactions between polyanions and polycations as well as promote osteoblastic differentiation of MSCs [177]. Lai et al. successfully fabricated Chi/Gel multilayer on melatonin-loaded TiO₂ nanotube arrays to control the sustained release of melatonin and promote the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells [178]. Karan et al. synthesized titania nanotubes loaded with the water-insoluble anti-inflammatory drug indomethacin and modified lactic-co-glycolic acid on surface as a polymer film in order to extend the drug release time of titania nanotubes and produce favorable bone cell adhesion properties, with reduced burst release (from 77 to> 20%) and extended overall release from 4 days to more than 30 days [152]. As previous study reported that surface treatment of implants with N -acetyl cysteine (NAC) may reduce implant-induced inflammation and promote faster bone regeneration [179], Lee et al. examined the feasibility of N -acetyl cysteine-loaded titania nanotubes as a potential drug delivery system onto an implant surface, and the data indicates the enhanced osseointegration and the value of the small animal model in assessing diverse biological responses to dental implants. Besides, TiO₂ nanotube arrays are suitable for loading inorganic agents like Ag, Sr, and Zn to obtain long-term antibacterial ability and osseointegration [126, 180,181,182]. Ag nanoparticles have been incorporated into TiO₂ nanotube arrays previously with satisfactory small possibility to develop resistant strains, a broad-spectrum antibacterial property, low cytotoxicity, and good stability by immersion in a silver nitrate solution followed by ultraviolet light radiation [126]. Zhang et al. demonstrated that a series of porous TiO₂ coatings with different concentrations of silver had significant inhibition effect on Escherichia coli and Staphylococcus aureus . Besides, only with the optimum amount of silver can the coatings retain the antibacterial effect but without any measurable cytotoxicity to cells [183]. Due to cytotoxicity observed by the excessive release of Ag ⁺ subsequently, titania nanotube arrays with Ag₂ O nanoparticles embedded in the wall are prepared on Ti by TiAg magnetron sputtering and anodization in order to get slower and more controllable silver ion release [184]. That is because the TiO₂ barrier is surrounded thereby minimizing the cytotoxicity induced by burst or large Ag ⁺ release.

Similar to Ag, Zn possesses antibacterial and anti-inflammation properties, and osteogenesis induction [185,186,187]. Huo et al. produced anodic TiO₂ nanotube arrays at 10 V and 40 V (NT10 and NT40) incorporated with Zn by hydrothermal treatment at 200 °C for 1 and 3 h (NT10-Zn1, NT10-Zn3, NT40-Zn1, and NT40-Zn3) in Zn containing solutions, followed by annealing at 450 °C for 3 h in air. NT40-Zn3 has the largest Zn loading capacity and releases more Zn compared with other samples. The amounts of Zn released diminish gradually with time and nearly no Zn can be detected 1 month later except sample NT40-Zn3 (Fig. 11). The NT-Zn samples present different antibacterial ability. It is evident that NT40-Zn3 and NT10-Zn3 effectively kill more adherent bacteria as well as surrounding planktonic bacteria in the early stage. Figure 12a describes a synergistic effect of both released and surface incorporated Zn while Fig. 12b explains the effect of the released Zn [181].

un Total amounts of Zn incorporated into the NT-Zn samples for the 1 cm ² coatings and b non-cumulative Zn release profiles from NT-Zn into PBS. Reproduced from ref. [181]

un Antibacterial rates versus adherent bacteria on the specimen (Ra) and b antibacterial rates against planktonic bacteria in the medium (Rp) *, **p  < 0.05 and 0.01 vs NT10; ^# , ^## p  < 0.05 and 0.01 vs NT40; ^★ , ^★★ p  < 0.05 and 0.01 vs NT10-Zn1; ^% , ^%% p  < 0.05 and 0.01 vs NT10-Zn3; ^$ , ^$$ p  < 0.05 and 0.01 vs NT40-Zn1. Reproduced from ref. [181]

Conclusions

This review presents the historical developments and traditional formation mechanism of titania nanotube arrays grown by electrochemical anodization as well as the approaches to influence and modify morphology in order to improve their performances. We also focus on current efforts toward TiO₂ nanotubes applications in biomedical directions. Those steady progresses have demonstrated that TiO₂ nanotubes are playing and will continue to play an important role in material science, but there are still some aspects needed to be further improved.

1. 1.

   The synthesis of TiO₂ nanotube arrays is already comparatively mature so far in fact, but how to simplify the technology for the purpose of large-scale production in industry with extending practical operability and how to precisely control nanotube geometry efficiently by varying the anodic parameters so as to obtain optimized properties have yet to be further investigated.

2. 2.

   The formation mechanisms of anodic TiO₂ nanotubes have gradually become a hotspot of research due to their unique structure and excellent performances but the exact mechanism remains controversial. Conventional FAD explains the growth process and the porous structure of TiO₂ nanotubes, but the combination of viscous flow model and growth model of two currents can give a comprehensive explanation to the growth process. Notably, the validity of oxygen evolution resulting from electronic current has much room for investigation.

3. 3.

   Modification is key for improving performances of titania nanotube arrays. Thus, we need to explore more methods for modification and take full advantage of the self-organized nanostructure. Through self-assembling inorganic, organic, metallic, and magnetic nanoparticles into or onto the tubes as nanocomposites with broad spectral response to visible light, high quantum efficiency, and stabilizing properties, applications could be widened. Currently, ALD appears to be an option to coat the titania nanotube layers homogenously and precisely from the bottom to the tube mouth, resulting in many advanced functionalities of the newly prepared nanotube layers. Nevertheless, further optimization of the ALD process toward coatings and inner fillings is demanded.

4. 4.

   TiO₂ nanotube researches in biomedical directions are still in their infancy and have a long distance to go in clinical use. The biological reaction between cells and titania nanotubes has to develop from cellular level to molecular level and from morphological changes to molecular alterations. It has been shown that adhesion, spreading, and growth of osteoblast and mesenchymal stem cells strongly depends on nanotube diameter, so the regularity and principle of this phenomenon as well as other factors affecting cells’ behaviors need to be further explored.

Abréviations

ALD:

Atomic layer deposition

BMP-2:

Bone morphogenetic protein-2

DMSO:

Dimethyl sulfoxide

DSSCs:

Dye-sensitized solar cells

EBSD:

Electron Backscatter Diffraction

CE :

Endothelial cells

EdU:

A thymidine analog

EGF:

Epidermal growth factor

FAD:

Conventional field-assisted dissolution

FE-SEM:

Field-emission scanning electron microscopy

Fe-TNTs:

Fe-doped TiO2 nanotubes

FIB:

Focused ion beam

GO:

Graphene oxide

GS:

Gentamicin sulphate

HA:

Hydroxyapatite

hASCs:

Adipose-derived stem cells

IPCE:

Incident photon-to-electron conversion efficiency

MSCs:

Mesenchymal stem cells

NAC:

N -Acetyl cysteine

N-TNT:

N-doped TiO2 nanotubes

PEC:

Photoelectriochemical

SBF:

Simulated body fluid

UV:

Ultraviolet

VSMC:

Vascular smooth muscle cell