電気化学的に自己組織化されたチタニアナノチューブアレイに関するレビュー：合成、修飾、および生物医学的応用

はじめに

20世紀の初めから、二酸化チタン（TiO ₂ ）は、サンブロッカー、塗料、センサー、光触媒、太陽電池、エレクトロクロミックデバイス、ドラッグデリバリーなどの商業生産として使用されてきました[1,2,3,4,5,6,7]。 TiO ₂ という現象 照明照射下で光生成された電子正孔対を生成することができ、水を酸素と水素に分解するのに役立ち、最も潜在的な燃料として将来のエネルギー危機を解決するのに役立ちます。藤島と彼の同僚は、最初にTiO ₂ での光触媒水分解を報告しました。 紫外線（UV）光下の電極[8,9,10]、そしてそれ以来、二酸化チタンは材料科学で最も研究された化合物の1つになりました。すべての遷移金属酸化物の中で、化学的不活性、耐食性、安定性などの幅広い機能特性、特に生体適合性の向上[11]、電気的および光学的特性[1]を示します。飯島が1991年にカーボンナノチューブを発見して以来[12]、形状と機能性のユニークな組み合わせを示しており、特性は形状によって直接影響を受ける可能性があり、基本的に化学、物理、生物医学の分野でナノテクノロジーの分野で多大な努力が払われてきました。材料科学。

これまでで最も探求されたナノ材料は依然として炭素ですが、通常は遷移金属酸化物に基づく別のクラスのナノチューブ材料が、過去20年にわたってかなりの関心を集めてきました。陽極酸化チタニアナノチューブを形成する最初の試みは、アルカリ過酸化物処理とそれに続くクロム酸を含む電解質中での電気化学的陽極酸化を使用したAssefpour-Dezfuly [13]によって行われました。そして、Zwilling etal。 1999年にフッ素イオンを含むクロム酸電解質の電気化学的陽極酸化によってTi基板上に最初の自己組織化ナノチューブ層を生成したと報告し、この分野は急速に拡大しました[14]。過去10年間で、「チタニアナノチューブ」をキーワードにした33,800を超える論文が発表されました。図1は、TiO ₂ の分野における年間の総出版物の内訳を示しています。 ナノチューブと2002年から2017年の期間のさまざまな合成方法を比較します。これは、指数関数的な成長傾向を示すだけでなく、自己組織化された陽極TiO ₂ ナノチューブアレイは大きな可能性と利点で多くの注目を集めています。最近、リー等。は、陽極チタニアナノチューブの分野で包括的かつ最新の見解を示しており、成長、修飾、特性、およびさまざまな合成アプローチの概要を含むアプリケーションを含むほぼすべての側面をカバーしています[15]。水力/ソルボサーマル[16,17,18]やテンプレート支援法[19、20]のような他の調製方法と比較して、直接酸化は強力な操作性を備えた単純な技術であることがわかります。形状、および秩序度は、印加電位、時間、温度、pH、および電解質の組成などの酸化パラメーターを最適化することによって成長させることができます[15]。特定の形状により、高度に組織化された構造と表面積比を備えた自己配向酸化物ナノチューブ層は、非常に高い機械的強度や大きな比表面積などの独自の特性を表しており、高電子などの電子特性も提供します。移動度または量子閉じ込め効果[15、21]。さらに、電気化学的陽極酸化は低コストのプロセスであり、チタンに限らず、他の遷移金属Hf [22]、Zr [23]、Nb [24]、Ta [25]、V [26]または合金にも適しています。 TiAl [27]、およびTiZr [28]。現在のレビューでは、引き続きTiO ₂ に焦点を当てます。 Ti金属基板からの自己組織化電気化学陽極酸化によって成長したナノチューブ。さらに、このタイプの自己組織化チタニアナノチューブ層の合成と、4つの異なる世代を含む、陽極酸化パラメーターとその後の熱アニーリングを調整することにより、サイズ、形状、秩序度、および結晶化相に影響を与える手段を強調します。電解質種や定義された2段階陽極酸化などとは異なります。陽極酸化TiO ₂ の寸法と特性の関係 ナノチューブアレイを紹介します。陽極TiO ₂ の形成メカニズムに関する研究の最新の進歩と重要性 ナノチューブについて簡単に説明します。生物医学の方向で最近報告された最も有望なアプリケーションと、陽極形成されたTiO ₂ の特性を改善するためのドーピング、表面修飾、および熱アニーリングによって実行される修飾を示します。 ナノチューブ。また、この分野の未解決の問題と考えられる将来の方向性についても検討します。メイン段落のテキストはここに直接続きます。

研究動向。 TiO ₂ に関連する1年あたりの内訳論文数 2002年から2017年にかけて、さまざまな合成方法で差別化されたナノチューブ。（データは、チタニアナノチューブを使用して拡張された、Science Citation Indexから収集され、キーワードとして陽極酸化または熱水法またはテンプレートベースの方法）

TiO ₂ の合成 電気化学的陽極酸化によるナノチューブアレイ

近年、ナノロッド、ナノ粒子、ナノワイヤー、ナノチューブなど、さまざまな形のナノ構造二酸化チタンの開発に成功しているが[29,30,31]、ナノチューブは独自の自己組織化構造により技術的応用への関心が高まっている。大きな界面領域とサイズと形状の便利な制御。これは、より良い候補として表面積に依存するアプリケーションに適用できます。 TiO ₂ の機能を扱うために、多くの優れたレビュー[1、2、15、32、33、34]が利用可能です。 さまざまな合成方法で分類されたナノマテリアル。電気化学的陽極酸化は、簡単に自動化できる比較的単純な技術として、チタニアナノチューブを取得するための最も効果的な方法の1つであることが証明されています。陽極酸化TiO ₂ を製造するための主な技術を指定します 以下のナノチューブ。

自己組織化された陽極TiO ₂ ナノチューブアレイ

広く研究されているように、チタニアナノチューブ層は特定の設定された環境条件下で形成することができます。酸化装置は3つの部分で構成されています：（I）作用電極として準備されたTi箔を備えた3電極システム。これは、アセトン、エタノール、脱イオン水、対極としての白金、通常はAg / AgClで順次超音波処理することによって脱脂されます。参照電極として（図2a）、F ^- の最終濃度を得るためにpH電極が追加されることがあります HF [35]またはアノードとしてのTi箔とカソードとしての不活性金属電極で構成される別の単純な2電極システム（図2b）[36]。 （II）一般に、フッ化物イオン、塩化物イオン、クロムイオン、臭化物イオン、または過塩素酸塩含有電解質。 （III）DC電源。チタニアナノチューブの有望な用途に影響を与える形成の陽極酸化条件によって影響を受ける2つの主な特徴があります：（I）形状：サイズ、形状、秩序度、結晶化相など、および（II）化学的、物理的、および生物医学。言い換えれば、電気化学的陽極酸化パラメータ（印加電位、陽極酸化の持続時間、フッ素イオンの濃度を含む電解質システム、および電解質中の水、電解質温度、電解質pHなど）を制御することによって、より詳細に説明します「電気化学的陽極酸化によるTiO2ナノチューブアレイの合成」セクション）では、平坦なコンパクト酸化物[1]、多孔質層[1、36]、無秩序なTiO ₂ などのさまざまなチタニアナノ構造を製造できます。 束状に成長するナノチューブ層[37]、または最終的に高度に組織化された通常のTiO ₂ ナノチューブまたは高度なナノチューブ層：分岐管[38]、竹のような[38、39]、二重壁[40]、ナノレース[38]、または二重層[39]構造で、特性を異なる方法で見つけることができます。図3および4は、このようなTiO ₂ の典型的な例の電界放出型走査電子顕微鏡（FE-SEM）画像を示しています。 ナノチューブの形態。

回路図の設定。 a 準備されたTiフォイルを作用電極、白金を対電極、通常はAg / AgClを参照電極、pH電極をpHメーターとして使用した3電極システムの図解。参考文献から転載。 [35]。 b アノードとしてのTi箔とカソードとしての不活性金属電極で構成される単純な2電極システムの説明図。陽極酸化は、異なる条件下で異なる陽極酸化酸化物層をもたらします。ほとんどの中性および酸性電解質では、コンパクトなチタニアを形成できます。しかし、希薄なフッ化物電解質を使用すると、ナノチューブ/ナノポーラス酸化物層が金属表面に直接付着します。参考文献から転載。 [36]

陽極酸化されたTiO ₂ のSEM画像 Tiの異なる陽極酸化プロセスによるナノチューブ層。 a 高度に秩序化されたTiO ₂ ナノチューブ（上面図と側面図）は、有機電解質システムで得られ、自己秩序化された表面ディンプル（右）は、実際にはチューブ層が除去されたときに金属表面になります。参考文献から転載。 [1]。 b 無秩序なTiO ₂ ナノチューブは、表面積のパッチで成長し、急速分解陽極酸化（RBA）として知られる超高速陽極酸化技術によって、塩化物含有電解質の束に融合します。参考文献から転載。 [1]と[37]

高度なTiO ₂ のSEM画像 ナノチューブの形態。 a 竹型強化TiO ₂ ナノチューブは、0.2 mol / L HFからなるエチレングリコールで特定の交流電圧（AV）条件下で、120Vで1分および40Vで5分のシーケンスで製造されます。 [38]。 b 滑らかなものから竹のようなものへの移行 ₂ ナノチューブは、0.135 M NH ₄ への制御された水添加（含水量：1〜8％）による陽極酸化によって誘導できます。 F /エチレングリコール電解質

参考文献から複製。 [39]。 c 2Dナノレース構造は、フッ化物含有電解質中で長時間、120Vで50秒および0Vで600秒のシーケンスで実行される電圧サイクルの下で得られます。 [38]。 d 二重壁のTiO ₂ ナノチューブは、1°C s ^-1 の加熱速度で500°Cでアニーリングした後、120Vでフッ化物含有エチレングリコール電解質中でTiを陽極酸化することによって成長します。 。参考文献から転載。 [40]。 e 分岐したナノチューブは、最初に120 V（6時間）で、次に40 V（2時間）で電圧ステッピングによって観察できます。参考文献から転載。 [38]。 f チューブの直径が等しいか2つの異なる2層ナノチューブを見ることができます。参考文献から転載。 [38]

（現在、TiO ₂ チューブの直径が10〜500 nm、層の厚さが数百ナノメートル〜1000μm、壁の厚さが2〜80 nmのナノチューブアレイを得ることができます[15、41]。）

増田と福田が陽極酸化条件を最適に調整することで高度に秩序化された多孔質アルミナを初めて報告したのは20年前のことです[42]。その後、研究者たちはTiO ₂ についても同様に組織化された構造を作るために努力を費やしました。 ナノチューブ層。また、陽極TiO ₂ の秩序度に影響を与える3つの重要な要因があります。 ナノチューブアレイ（層内の多角形とチューブ直径の標準偏差による）：Ti基板、印加電圧、および反復陽極酸化[33、43]。絶縁破壊[33]を下回る可能な限り高い電圧で高純度の材料を使用し、理想的には六角形の自己秩序化TiO ₂ を使用すると、配置の欠陥が少なくなることは明らかです。 図5に示すナノチューブは、二次チューブの成長によって大幅に改善できます[43]。 Sopha etal。不純物は、2回目の陽極酸化後に得られるナノチューブの異なる寸法と順序に強く影響することを示しました[44]。さらに、Ti基板粒子の結晶学的配向は、TiO ₂ の成長特性に決定的な影響を与えることが明らかになっています。 電子後方散乱回折（EBSD）によるナノチューブアレイ。 Leonardi etal。ナノチューブは、バルブ金属酸化物が粒子上に形成され、1 M（NH ₄ ）H ₂ PO ₃ +0.5 wt％NH ₄ Fは電解質として使用されました[45]。同様に、Macakらは、最後の文献で知られているように、水性電解質を使用した場合と比較して、広く使用されているエチレングリコールベースの電解質では、粒子上でのナノチューブの成長が遅れないことを報告しました[46]。研磨されたTiシートでは、[0 0 0 1]配向またはこれに近い結晶粒が理想的な結晶粒であることがわかり、理想的な配向の単結晶Tiを利用することは、最も均一なナノチューブアレイを得るための大きな進歩となるでしょう[46]。 。

TiO ₂ のSEM画像 ナノチューブ。ナノチューブは、0.27 M NH ₄ を含むエチレングリコール電解質で形成されます。 Tiの繰り返し陽極酸化によるF。断面は、レイヤーの上部、中央、および下部で取得されます。参考文献から転載。 [43]

それにもかかわらず、秩序の程度に影響を与えるいくつかの欠陥がまだあります。最近では、均一なナノインプリントTiによってさらに拡張されています。近藤他理想的に秩序化された陽極TiO ₂ のスループット製造を考え出しました 秩序だった凸面を備えたNi型を使用して、上部にAl層、下部にTi層を備えたTi表面または2層試料をナノインプリントすることによって。そして、TiO ₂ 層は、NH ₄ でのその後の陽極酸化によって、事前にテクスチャ化されたパターンの浅い凹みが開始サイトとして機能する、より整然とした方法で生成できます。 Fエチレングリコール溶液[47、48]。密接に続いて、Sopha等。集束イオンビーム（FIB）によるプレテクスチャリングと、それに続くエチレングリコール電解質を使用した陽極酸化により、原子層堆積（ALD）によって準備されたTi基板上のTiN保護層を最初に覆い、厚さのある完全に六角形に配置されたナノチューブ層を生成します。 2μmであり、ナノチューブが特定の開始部位でのみ成長するように制限し、欠陥なしに陽極酸化時間を延長することができます[49]。

陽極TiOの形成メカニズム ₂ ナノチューブ

陽極酸化技術と陽極TiO ₂ の形成機構に関する研究 ナノチューブは、幅広い分野から長い間幅広い注目を集めてきました。 1969年にDiggleがコンパクトな陽極酸化膜と多孔質陽極酸化膜について報告したメカニズム研究[50]は、今でも非常に重要な指導的役割を果たしています。最近の研究のかなりの量は、細孔から管への移行が段階的な性質であることを示しています[1、27、36]。ただし、完全に理論的なモデルと推論は提供されていません。

従来のフィールドアシスト溶解（FAD）が最も受け入れられる理論です[1、33、51]。それは電気化学的陽極酸化の過程にあります、TiO ₂ ナノチューブアレイは、3つの比較的独立した手順のためにチタニアの自己組織化によって形成されます：TiのTiO ₂ への電気化学的酸化 、電界によって誘発されるTiO ₂ の溶解 、およびフッ素イオンによるTiO ₂ の化学的溶解 、微妙なバランスに達します。ナノチューブの形成につながるフッ化物を含む電解質の特徴的な電流時間曲線[51]と、図7に示す形成プロセスを概略的に説明するのに役立つ典型的な画像[33]として、過渡現象を分割できます。 （I）最初の部分では、新しく形成されたバリア酸化物によって引き起こされる電流の減衰があり、2つの主要なプロセスであるO ^2- の内側への移動が発生します。 金属/酸化物界面に向かうイオンとTi ⁴⁺ の外向きの移動 酸化物/電解質界面に向かうイオンは、バランスを実現します。 （II）2番目の部分では、アノードの表面積の増加によって引き起こされるタイムラグとともに、電流が再び上昇し始めます。ラグが短いほど、形成されたTiO ₂ のフッ化物による溶解によるフッ化物濃度が高くなります。 、および細孔はランダムに生成し始め、その後、TiO ₂ の最初の形成であることが判明します。 ナノチューブ。 （III）次に、金属酸化物界面での細孔成長速度と形成されたTiO ₂ の溶解速度が誘導されると、電流は定常状態に達します。 外側の境界面で平衡状態に達します。したがって、最終的なチューブはますますV字型になります。つまり、チューブの上部は、チューブが密集している下部よりも大幅に薄い壁を持っています。図5のチューブ壁の厚さの勾配は、チューブに沿った電解質への異なる曝露時間と濃度に起因する可能性があります[43]。

フッ化物を含む電解質の定電圧下での典型的な電流時間曲線。トランジェントは、3つの異なる領域（ I ）に分割できます。 – III ）。 （私 ）最初の部分では、急激な電流の減衰があります。 （ II ）2番目の部分では、電流はタイムラグを伴って再び上昇し始めます。 （ III ）第3部では、電流は参考文献から再現された定常状態に達します。 [51]

TiO ₂ の成形プロセス ナノチューブアレイ。 TiO ₂ の形成 ナノチューブアレイは、3つの異なる形態学的段階に分けることができます（ I – III ）。 （私 ）バリア酸化物が形成されます。 （ II ）表面は局所的に活性化され、細孔はランダムに成長し始めます。 （ III ）自己組織化ナノチューブ層は、参考文献から複製されて形成されます。 [33]

しかし、この理論は、ナノポーラス構造とは対照的に、チューブへの分離の現象をまだ明確に説明することはできません。適切な電圧の下で、フッ化物イオンを含まない硫酸溶液中でチタニアナノチューブを得ることが可能であることが観察されました。その場合、I-t曲線は上記で説明したものに似ていました[52]。 HouserとHebertが指摘したように、成長メカニズムは、チタニア多孔質膜のプロセスとI-t曲線の間の定量的関係を説明するためにまだ開発されていません[53]。解釈が十分に説得力がないため、粘性流モデルや2つの電流の成長モデルなど、メカニズムに関する新しいポイントが最近現れています。これらのメカニズムに関して、レビュー[51]は、従来のフィールド支援溶解理論に対する多くの制限を示し、粘性流モデルと2つの流れの成長モデルに関する研究の最新の進歩と重要性について説明しています。

形状と特性に影響を与える陽極酸化条件の影響

電解質の組成と濃度は、ナノチューブアレイの形成に大きな影響を及ぼします。使用する電解質の違いに応じて、開発は基本的に3つの段階に分けられます。表1は、陽極酸化条件と、得られたTiO ₂ の寸法をまとめたものです。 これまでにさまざまな研究グループによって調査された3世代のナノチューブアレイ。

第一世代：フッ化水素酸（HF）ベースの水性電解質

マイルストーンは、Gong etal。 HFベースの水性電解質中でのTiの陽極酸化による均一なチタニアナノチューブアレイを初めて発表しました[54]。 pHが比較的低く、水素イオンの濃度が高いことを意味するHF水溶液電解質では、TiO ₂ の化学的溶解 フッ素イオンによって誘発されるものは、陽極酸化プロセスにおいて支配的な状態を果たします[55]。チタニアナノチューブを形成する過程で短時間で動的平衡が達成されたため、達成可能なナノチューブの最大長は約0.5μmに制限されました[54,55,56]。

第2世代：緩衝電解質

その後の研究では、チューブを長くする化学溶解を減らすために、Cai etal。緩衝液にKFやNaFなどの弱酸を加え、硫酸や水酸化ナトリウムで弱酸性（pH =4.5）に調整することで、長さ約4.4μmのナノチューブが得られることを実証しました[57]。 PH値はチタンイオンの加水分解に影響を与え、電気化学的エッチングと化学的溶解を妨げることがわかります。カイらまた、pH値が低いとナノチューブは短くなりますがきれいになり、pH値が高くなるとナノチューブは長くなりますが不要な破片が生成されることも指摘されています[57]。 pH値が上がると、加水分解の速度が上がり、化学溶解が遅くなり、ナノチューブが長くなりますが、アルカリ性溶液はナノチューブの成長には適していません[57、58]。適切な電圧の中性NaF電解質では、Macak etal。によって酸性溶液よりもはるかに長いナノチューブが得られることが実証されています。 [58]。フッ化物含有電解質に特定の電圧が与えられると、pH勾配を調整することにより、必要なアスペクト比と層の厚さを達成できます[59]。

第3世代：極性有機電解質

NH ₄ などのフッ化物種を含む、グリセロール[59]、ジメチルスルホキシド[60]、ホルムアミドまたはジエチレングリコール[61、62]、エチレングリコール[41、63]などの電解質 F、NaF、KFが徐々に現れます。 Macakらは、粘性のあるグリセロール電解質を使用して、厚さが約7μm、平均管径が40nmのチタニアナノチューブアレイを製造することに主導権を握りました[59]。アスペクト比が高いTiO ₂ ナノチューブは、電解質のpHを適切に制御することにより、このような極性有機電解質で成長させることができ、チタニアの化学的溶解を低減します[64]。 Paulose etal。 0.25 wt％NH ₄ を含むエチレングリコールを使用して調製された、長さ約134μmの形成されたナノチューブ 60Vの陽極酸化電位で17時間のF [60]。その後まもなく、250μm以上の厚さのTiO ₂ ナノチューブアレイはAlbuによって報告されました[65]。その上、水分含有量はプロセスにおいて二重の役割を果たします：それはチタニアの形成に不可欠ですが、それはまた化学的溶解をスピードアップします[63]。したがって、TiO ₂ の厚さと秩序度を高めるには、含水量の影響を最小限に抑える方法が必要です。 ナノチューブアレイ。一般に、含水量を5％未満に制限することは、非常に長いナノチューブを成功させるための鍵であり[60]、十分に組織化されたチタニアナノチューブを形成するには最小量の含水量（0.18 wt％）が必要です[66]。水を加えると、記録された電流密度が減少し、無水エチレングリコール溶液で最も高かったことが報告されました[66]。 Paulose etal。 0.6 wt％NH ₄ を含むエチレングリコール中で、60 Vで216時間、長さが約1000μmの自己組織化六角形チタニアナノチューブアレイの形成が最初に報告されました。 Fと3.5％の水[41]。もう1つの注目すべき現象は、図4b [59、67]に示すように、滑らかな管壁が低含水量で成長する一方で、側壁の波紋が高含水量で形成されることです。最も使用されているタイプの電解質として、水とフッ化物イオンを含むエチレングリコールは常に二重壁のナノチューブ構造をもたらします（図4d）[40、68、69、70]が、内層は適切なアニーリング処理とそれに続く単純な化学エッチングプロセス。内側のシェルを取り外した後、幅の広いチューブにより、TiCl ₄ に基づく反復アプローチを使用して、ナノ粒子による層ごとの装飾が可能になります。 -加水分解[71]。単層チューブは、色素増感太陽電池（DSSC）[71、72]で大幅に向上した導電率と電子伝達時間を示しましたが、チューブ全体の厚さは基本的に同じで、内殻はもはや現れません。二重壁チューブと単壁チューブを比較し、1.5 M H ₂ の電解液にジメチルスルホキシド（DMSO）を添加した目的の単壁チューブを提示しました。 Oおよび0.1M NH ₄ F [72]。

最近、非フッ化物ベースの電解質がTiO ₂ を成長させることが報告されています。 塩酸、過酸化水素、過塩素酸溶液、およびそれらの混合物を含む、第4世代の合成と見なすことができるナノチューブアレイ[73、74]。 AllamaとGrimesは、長さ300 nm、内径15 nm、外径25 nmのよく発達したナノチューブアレイを、3 M塩酸（HCl）水性電解質で10〜13Vの酸化電圧で得たと説明しました。低濃度のH ₃ を追加する PO ₄ ナノチューブからロッドへの変化をもたらしました。彼らはさらに、3Mより低いまたは高い濃度でHCl含有電解質中で自己組織化ナノチューブアレイを達成することができないことを示唆しました[73]。アラマは、塩酸含有水溶液に過酸化水素を加えることで、より厚い酸化物層に続いて強い酸化特性を持つチタニアナノチューブを長くすることができる可能性があることを発見し、フッ化物イオンを成長中に塩化物イオンにうまく置き換えることができることを示しましたナノチューブアレイの[74]。さらに、遊離フッ化物種を添加していないイオン液体は、近年、チタニアナノチューブの別のタイプの溶媒システムとして扱われています[75、76]。

標準パラメータに加えて、得られるナノチューブの形状は、電解質の繰り返し使用に依存します（「使用済み溶液効果」）。一度使用した溶液を使用して新鮮な溶液で得られたチューブと比較して、ナノチューブの長さの増加とより良い品質を示し、達成されたナノチューブの成長速度は、60V以上で一度使用した溶液で一貫して高くなっています[77]。わずかに異なるが識別可能な過渡電流の振る舞いに注意することができます[66]。さらに、F ^- が枯渇したため、2回使用した溶液ではナノチューブ構造ではなく酸化膜が得られました。 種[78]。ただし、Sopha etal。 TiO ₂ の形態について、エチレングリコールベースの電解質のさまざまな年代を調査しました 古い電解質では、アレイがより低いアスペクト比を示すことを示すナノチューブ[79]。

応用の可能性

陽極酸化電圧は、チューブの直径を制御する重要な要素です[80、81]。ナノチューブアレイの寸法は、電極の両端に電位窓と呼ばれる適切な範囲の電圧を印加するだけで予測できます[67]。低電圧では、電界溶解が少なくなり、TiO ₂ が形成されます。 直径の小さいナノチューブ。電圧が低すぎる場合は、TiO ₂ 層はコンパクトになりますが、ナノチューブ構造は観察できません。逆に、電圧が高すぎると、スポンジ状の多孔質構造が見られます。制御可能な電圧では、ナノチューブの直径は電圧に比例します[81]。さらに、研究によると、ナノチューブを形成する電圧の範囲も電解質システムに関連していることが示されています。水性電解質では、電位窓を10〜25 Vに制御する必要があります。これは、有機電解質では、数ボルトから数百ボルトの間ではるかに広くなります。 WangとLinは、水性電解質では、陽極酸化の可能性がTiO ₂ の成長に大きな影響を与えることを発見しました。 この点で非水電解質にわずかな影響を示したナノチューブアレイ[82]。電圧依存性により、非水電解質が大幅に減少します。これは、有機電解質の導電率が低いことに大きく起因します[83、84]。

陽極酸化の持続時間

陽極酸化の持続時間は、主に2つの側面でナノチューブに影響を与えます：（I）チューブの形成かどうか、および（II）チューブの長さ。つまり、陽極酸化の初期段階では、コンパクトなTiO ₂ フィルムが形成されます。持続時間が短すぎて反応の平衡に達することができない場合、無秩序な多孔質層の代わりに通常のナノチューブアレイを達成することはできません[67]。陽極酸化時間が長くなると、多孔質構造は徐々に深くなり、TiO ₂ に変換されます。 ナノチューブアレイ[1、33、51]。他の電気化学的パラメータを変更せずに維持すると、定常状態が発生するまで、直径とチューブの壁の厚さに大きな影響を与えずに、ナノチューブの長さの増加が経時的に観察されます[67、85、86]。ただし、F ^- の減少により イオン輸送速度が低下した電解質中の濃度では、ナノチューブの成長速度が低下します。下部でのチューブの成長と上部での化学的/電気化学的溶解の間で安定した状態に達した後、ナノチューブの長さのそれ以上の増加は見られません[87]。時間が経つにつれて、パイプのオリフィスは不規則な多角形になり、結果としてTiO ₂ TiO ₂ の表面に見られるスパイクとカバー ナノチューブアレイ[36]。自己組織化多孔質アルミナのアルミニウム繰り返し陽極酸化の成功によって啓発され[88]、チタンのこのような高度に秩序化された六角形に充填されたチタニアのナノ構造に対するチタンの2段階陽極酸化が出現したことは言及する価値があります[43、77、89、 90,91]。最初のステップの陽極酸化後、Ti箔から最初のナノチューブ層を超音波で、または残りのTiが比較的秩序だったディンプルで覆われる表面につながる粘着テープを使用して除去する必要があります。研究によると、前者の処理は、Ti表面への潜在的な機械的損傷を回避し、TiO ₂ の構造的均一性を改善するのに役立ちます。 ナノチューブの大部分[77、90、91]。 2番目の陽極酸化ステップでは、前処理されたTi箔が、酸化条件のパラメーターの変更の有無にかかわらず、再び陽極として使用されます。その後、高度に秩序化され垂直に配向したチタニアナノチューブは、無秩序なナノチューブチタニアよりも、光触媒作用[77]、光電気化学活性[92、93]、細胞との生物学的相互作用[94]などの分野で大きな可能性を秘めていることがわかりました。

電解質温度

温度はチタニアナノチューブアレイの成長と品質を制限し、酸化物の成長速度、長さ、構造の壁の厚さに直接影響します[64、95]。 WangとLinは、チタンの陽極酸化に対する水性電解質と非水性電解質の両方の電解質温度の影響を最初に報告しました[82]。水性電解質では、温度が上昇すると、外径は同じままで、内径のわずかな減少が観察されました[68]。その理由は、電場によって引き起こされる溶解とフッ化物イオンが類似しているのに対し、酸化物の形成速度は低温の場合よりも速いためである可能性があります。フッ化物イオンを含む非水性電解質では、電解質温度の上昇によってナノチューブの外径が大幅に増加することがわかりました[82]。これは、低温では、粘性電解質中のフッ素のイオン移動度がさらに阻害され、新しく形成されたチタニアの溶解がはるかに遅くなり、その後ナノチューブの直径が小さくなるためである可能性があります。化学溶解速度が増加すると、TiO ₂ の表面 ナノチューブアレイは、過度の腐食を容易に引き起こし、ナノチューブの滞留と凝集を引き起こす可能性があります。したがって、安定したTiO ₂ のための適切な浴温度 ナノチューブアレイは室温です[82、95、96]。

ナノチューブのプロパティの変更

TiO ₂ のアプリケーションの増加 新規半導体としてのナノチューブは、その光電気化学（PEC）性能と密接に関連しています。ただし、2つの基本的な欠点によって防止される場合があります。（I）ワイドバンドギャップ（ルチル相では3.0 eV、アナターゼ相では3.2 eV）は、太陽光の10％未満を占める紫外線しか吸収できません[ 97]、その結果、太陽エネルギーの平均利用率が低くなり、（II）導電率が低いため、光生成されたキャリーを効率的に転送できません。同時に、光電子と空孔は簡単に再結合できるため、電子移動度や量子閉じ込め効果が低くなります[98]。したがって、TiO ₂ の後処理 ナノチューブは、その材料と関連デバイスの性能を向上させるための鍵です。光生成された電子正孔対速度の再結合を減らし、電子移動速度を速め、TiO ₂ の光電気化学活性を高めるための修正された方法について、かなりの研究が報告されています。 ナノチューブ。 TiO ₂ の光電気化学的性質を改善するための方法の研究 熱アニーリング、ドーピング、表面改質など、ナノチューブのレビューが行われます。生物医学分野での有望な変更については、アプリケーションセクションで紹介します。

熱アニーリング

ナノチューブアレイの結晶化度とその導電率、電荷キャリアの寿命、および光応答は、主に熱アニーリング温度と雰囲気に依存します[99、100]。準備されたままのTiO ₂ 上記のナノチューブは本質的にアモルファスですが、アナターゼ相またはルチル相、あるいは特定の温度に依存する両方の相の混合物にアニーリングすることができます[1、3、40、92、100]。フッ化物イオンを含むグリセロールベースの電解質で成長したアモルファスナノチューブ層は、多くの構造欠陥のために光電流が低く、入射光子から電子への変換効率（IPCE）が5％未満であるのに対し、アナターゼ相ナノチューブはIPCE値を示すことが実証されていますしたがって、最大60％が、色素増感太陽電池やペロブスカイト太陽電池などのアプリケーションにより多くの関心を集めています[93]。 F ^- との混合水-グリセロール電解質でも同様 、Das etal。自己組織化されたTiO ₂ 厚さ約1μmのナノチューブアレイを、TiO ₂ のアナターゼ相である約300〜500°Cでアニーリングしました。 最も好ましい結晶構造を観察することができたので。最高の光電気化学的特性と最低の抵抗率を備えたナノチューブの単一アナターゼ構造は、400°Cでアニールしたときに製造できます。 600°Cを超える温度では、典型的なルチルの軌跡が現れ、アニーリング温度がさらに上昇すると、ルチル相の割合と品質が向上しました[92]。 Jaroenworalucの研究では、NaF / Na ₂ 水溶液で成長した陽極ナノチューブ層でルチル相が検出されたことに注意してください。 SO ₄ 500°Cの熱処理で約1.5μmの厚さで、600°Cで支配的な相になりました。一方、550°Cでは、部分的なナノチューブが分解し始めました[101]。それは、水性NaF / Na ₂ で形成されたナノ構造全体の崩壊を引き起こし始めます SO ₄ 温度の継続的な上昇（800〜900°C）またはアニーリング時間の延長[3]。高温の場合、ナノチューブの結晶構造は900°C以上で完全にルチル相に変換されます[3]。一部の研究者は、アニールされた温度が580°Cを超えると、典型的な単層ナノチューブ層の形態が失われることを示しました[102]。アニーリングプロセス全体、特に加熱速度の制御に加えて、ナノチューブアレイ全体の形態学的構造[40]。エチレングリコール（0.2 wt％未満のH ₂ を含む）から調製された二重壁ナノチューブ層 O）、HFとH ₂ を追加 O ₂ 、1°Cs ^-1 の加熱速度で温度が900°Cより高くなるまで構造を無傷に保つことができるような高い安定性を持っています 。ただし、加熱速度が25°Cs ^-1 の場合、温度が500°Cに達するとすぐに二重壁ナノチューブが崩壊し始めます。 。最も驚くべきことに、50°Cの高速でs ^-1 分離されたナノチューブ全体が融合して、高度に秩序化された多孔質膜になります[40]。 Xiao etal。乾燥窒素、空気、アルゴンなどのさまざまなガスで焼成して得られた結晶化チタニアナノチューブアレイは、乾燥窒素中のナノチューブが電気化学的および光電的特性を強化しているように見え、温度の上昇とともに内径が減少し、壁の厚さが犠牲になっていることもわかりましたナノチューブの長さ[103]。

図8に示すように、TiO ₂ に沿った導電率 3つの異なる厚さのナノチューブは、アニーリング温度の影響を強く受けます。アモルファスナノチューブアレイが完全にアナターゼ層に変換される場合、約350〜450°Cで最小の抵抗が観察されます[99]。また、図8の挿入図に示すように、ナノチューブアレイが厚くなると比抵抗が増加することがわかります。さらに、アナターゼ型TiO _{2 ナノチューブ。図9aに示すように、300〜500°Cの温度上昇により、準備されたままのナノチューブアレイの厚さが13.6〜12.6μmにわずかに変化します。アニーリング温度が600°Cまで連続的に上昇すると、ナノチューブの平均長は6.6μmまで劇的に減少します。図9bは、アナターゼ型TiO 2 からの変換を示しています。 ルチル相へTiO 2 TiO 2 の底にルチルバリア層が形成されると、500°Cで発生します。 アニーリングされた温度がさらに上昇した場合、最下層を消費することにより、アナターゼナノチューブに沿ったナノチューブアレイ。これにより、長さが短くなり、対応する光触媒活性が低下します[104]。}

さまざまなナノチューブ層の厚さに対するアニーリング温度の関数としての電気抵抗。曲線は、HFと水を含むエチレングリコールベースの電解質でさまざまな温度で成長させたさまざまなチタニアナノチューブアレイの電気抵抗測定と、抵抗に対する厚さの影響を示しています。挿入図は、250°Cでアニールされたナノチューブアレイの厚さとそれらの比抵抗率との関係についての詳細を示しています。参考文献から転載。 [99]

異なる煆焼温度でのチタニアナノチューブアレイの進化。電解質は、0.3 wt％のフッ化アンモニウムと5 vol％の蒸留水を含むエチレングリコールでした。 a 300から600°Cまでのさまざまなアニーリング温度でのチタニアナノチューブアレイの厚さの減少。挿入図は対応するSEM画像であり、スケールバーは5μmです。 b 空気中で（1）450°C、（2）500°C、および（3）600°Cでアニールされた陽極チタニアナノチューブの結晶化プロセスの概略図。参考文献から転載。 [104]

ドーピング

イオンまたは原子をチタニア格子にドープします。これは、Ti ⁴⁺ での格子内の置換です。 またはO ^2- 一方では、サイトは格子定数と結合エネルギーを変更します。一方、光生成された電子と正孔のペアを分離することは有益であり、これによりバンドギャップが調整され、ナノチューブの光電気化学的性能が向上します[15]。不純物ドーピングは、一般的にTiO ₂ の光吸収開始を延長するために適用されてきました。 サブバンドギャップ状態を導入するか、そのバンドギャップ幅を調整することによるナノチューブ[105]。最近、バンドギャップを減らし、光電気化学反応を優先してエネルギーバンドレベルを調整するためのより効率的な方法として、同時ドーピングアプローチが提案されています[106、107]。ドープされた元素と調製方法にはさまざまな種類があり、表2は、いくつかの方法とドープされたチタニアナノチューブのドーピング効果をまとめたものです。

最も典型的なドープされたTiO ₂ ナノチューブは次のとおりです：

1. i。

   金属をドープしたTiO ₂ Nb [107]、Fe [108]、Cu [109]、Cr [110]、Zr [111]、Zn [112]、V [113]

   などのナノチューブ
2. ii。

   非金属ドープTiO ₂ N [105]、F [114]、B [115]、C [116]、S [117]、I [118]

   などのナノチューブ
3. iii。

   共ドープされたTiO ₂ N–Ta [105]、N–Nb [107]、C–N–Ni [119]

   などのナノチューブ

Choietは、21個の金属イオンをドープした量子サイズのTiO ₂ の光反応性を体系的に研究しました。 Fe、Mo、Ru、Os、Re、V、およびRhのドーピングは量子効率を大幅に向上させ、CoおよびAlのドーピングは光反応性を低下させます[120]。モメニら最近入手したFe-TiO ₂ さまざまな量の鉄を使用して陽極形成されたTiO ₂ を装飾するナノチューブ（Fe-TNT）複合材料 鉄源としてフェリシアン化カリウムを含むナノチューブは、Feドーピングが水分解の光触媒性能を効率的に加速することを示しています[108]。遷移金属に限らず、N [105]、F [114]、B [115]、C [116]、S [117]、I [118]などの他の元素の探索に成功しています。窒素ドープTiO ₂ ナノチューブは、可視光での光電流応答を高めてバンドギャップエネルギーを狭めるための有望な経路であることがわかり、チューブの長さは変換効率の大きさに影響を与えます[121、122]。キムと同僚は、TaOxNy層で装飾されたN-TNT（NドープTiO ₂ 二重修飾TNTとしてのナノチューブ）は、水分解の可視（3.6倍）とUV（1.8倍）の両方の活性を大幅に改善しました[105]。現在、光電気化学特性の大幅な改善をもたらす顕著な相乗効果を示す同時ドーピングを目的とした研究が増えています。チャイ他成長したGd–La共ドープTiO ₂ 超音波水熱法によるナノチューブ、可視光光触媒の強化[123]。 Cottineau etal。窒素とニオブでチタニアナノチューブを修飾して、可視光範囲で光電気化学変換効率が著しく向上した共ドープナノチューブを実現しました[107]。それにもかかわらず、共ドーピングに対するさまざまな元素の光伝導性と相乗効果を高めるメカニズムは、さらなる研究が残っています。

表面の変更

表面改質とは、TiO ₂ の表面を装飾することを意味します。 ナノ粒子（金属、半導体、有機色素）を含むナノチューブアレイ。ナノワイヤアレイは、酸化チタンナノチューブへの電着によって製造することもできます[124]。 TiO ₂ ナノチューブはバンドギャップが広い半導体であり、紫外線しか吸収できません[97、125]。バンドギャップが狭い、または可視光を吸収できる他のナノ材料は、チタニアナノチューブの増感剤として使用できます。銀ナノ粒子は、チタニアナノチューブアレイをAgNO ₃ に浸すことにより、チューブ壁に装飾することができます。 溶液と光触媒還元Ag ⁺ TiO ₂ で UV照明による表面[126]。 Ag / TiO ₂ ナノチューブは、ニートのTiO ₂ と比較して、著しく高い光触媒活性と優れた生物学的性能を示します。 ナノチューブ[126、127]。酸化グラフェンGO [128]、CdS [129]、CdSe [130]、およびZnFe ₂ などの一部の組成物 O ₄ [131]。 TiO ₂ で変更できます ナノチューブアレイ。最近、GOは、いくつかの化合物を構成するためにナノ構造材料と簡単に組み合わせることができるナノスケールのデバイスとセンサーに多くの科学的関心を集めています。 0.5 wt％のフッ化アンモニウム（NH ₄ ）からなる水-エチレングリコール電解質中での陽極酸化によって製造されたチタニアナノチューブ F）サイクリックボルタンメトリー法により、GOに組み込むことができます。これにより、未修飾のTiO ₂ よりも高い光触媒活性と太陽電池のより効果的な変換効率（GO修飾vs純粋なナノチューブ=26.55％：7.3％）が達成されます。 ナノチューブ[128]。半導体複合材料は、バンドギャップの異なる2種類の半導体を特定の方法で組み合わせることにより、チタニアナノチューブの性能を向上させる方法です[132]。ヤンら。 TiO ₂ の表面に装飾されたCdSeナノ粒子 外部電場を印加してナノチャネル内のCdSeナノ粒子を加速することによりナノチューブを生成し、可視光に対してより安定した、より高い光応答を示す材料を生成します。さらに、緑色光照射にさらされたときのアントラセン-9-カルボニル酸の変性率は、CdSeが可視光下での光触媒プロセスを支配していることを示しています[130]。

さらに、WO ₃ などの他の酸化物ナノ粒子の堆積 [133]またはTiO ₂ [134] TiO ₂ に 塩化物前駆体の加水分解によるナノチューブもまた、表面積を増大させ、太陽電池の効率を改善することが判明した。もう1つの非常に効果的なアプローチは、有機色素をTiO ₂ の増感剤として検討することです。 その光学特性を改善するためのナノチューブ[135]。最近、原子層堆積（ALD）は、TiO ₂ を変更するための確立された手順になります。 ナノチューブ層。 ALDは、Pd [136]、ZnO [137]、Al 2 O ₃ [138]、CdS [139]、またはTiO ₂ [140]。

生物医学アプリケーション

歴史的に、言及されたマイルストーンは、防食、セルフクリーニングコーティング、塗料からセンサー[141,142,143]、色素増感および固体に至るまでの分野で、過去20年間に有望なアプリケーションの拡大に貢献するチタニアナノチューブアレイの製造について報告されました。 -状態バルクヘテロ接合太陽電池[144,145,146]、光触媒[147、148]、電気触媒、および水の光電気分解[149、150]。それらはまた、強化されたオッセオインテグレーション、薬物送達システム、および高度な組織工学を備えた生物医学的コーティングに向けて、生体適合性材料として生物医学的方向で優れている[15、135、141、142、151]。次のセクションでは、TiO ₂ に向けた現在の取り組みの概要を説明します。 ナノチューブの生物医学的応用。チタニアナノチューブは、高い表面積対体積比と制御可能な寸法で、いくつかの抗菌特性、低い細胞毒性、良好な安定性、および骨芽細胞と間葉系幹細胞（MSC）の接着、増殖、分化の促進を含む細胞適合性を示すため、優れた生体適合性を備えています[152,153,154,155]。

ただし、Ti製品の抗菌能力は不十分であり、バイオインプラントなどの生物医学的用途向けのチタニアナノチューブの修飾など、抗菌特性を改善するための努力が払われています[126、156]。

生物学的コーティングと細胞との相互作用

多くのinvitroおよびinvivo研究は、MSC、骨芽細胞、破骨細胞がサイズ選択的応答を示すことを示しています。これは、サイズの影響が細胞相互作用において重要な位置を占め、細胞接着、増殖、成長、および分化の最適化されたサイズが15から100nmの範囲[153、157、158]。特に、TiO ₂ 直径70nmのナノチューブは、ヒト脂肪由来幹細胞（hASC）の骨形成分化に最適なナノスケールの形状でした[159]。スミスら。 TiO ₂ での真皮線維芽細胞の増加と表皮ケラチノサイトの接着、増殖、分化の減少が報告されています ナノチューブアレイ（直径70〜90 nm、長さ1〜1.5μm）[160]。図10に示すように、Peng etal。ナノチューブ表面は、増殖細胞によって組み込まれるチミジン類似体であるEdUを測定することにより、内皮細胞（EC）での増殖と機能を優先的に促進し、血管平滑筋細胞（VSMC）で減少することを発見しました[161]。さらに、TiO ₂ の表面湿潤性が指摘されています。 ナノチューブ層は、ナノチューブの直径を変えることによって調整できる細胞の挙動の重要な要素として認識されています。つまり、水との接触角は、表面の化学的性質を変えることなく変更できます[158]。 TiO ₂ の効果をさらに理解するため 骨形成細胞へのナノチューブ層と幹細胞の反応、Park etal。 TiO ₂ にシードされた緑色蛍光タンパク質標識ラットMSC 6つの異なる直径（15、20、30、50、70、および100 nm）のナノチューブ層により、ナノスケールの表面トポグラフィーに敏感な細胞活性が得られ、チューブの直径が約15〜30nmで最大の細胞活性が得られます。そのような横方向の間隔は、細胞外マトリックス上の焦点接触におけるインテグリン受容体の予測される横方向の間隔に正確に対応し、インテグリンのクラスター化を最も近いパッキングに強制し、最適なインテグリン活性化をもたらす。チューブの直径が50nmを超えると、細胞の広がり、接着、および100 nmの間隔が著しく損なわれ、細胞のアポトーシスにつながる可能性があります[94]。ナノチューブのサイズを調整することに加えて、生物活性因子をロードした表面修飾を強調する必要があります。その場合、生物医学的特性をさらに最適化することができます。骨インプラントの場合、ヒドロキシアパタイト（HA）の形成はオッセオインテグレーションにとって重要です。最近の研究では、ナノチューブのTiO ₂ へのヒドロキシアパタイトナノ結晶コーティングが示されています。 その結果、強力な接着力と結合強度を備えたオッセオインテグレーションがさらに強化され、沈着速度の劇的な向上が観察されます[162、163]。ナノチューブTiO ₂ 表面は、平坦な表面と比較して、シミュレートされた体液（SBF）の自然なアパタイトの成長速度を大幅に向上させることができます[10、164]。アルカリ処理したTiO ₂ NaOH溶液を含むナノチューブはSBFでより生物活性が高く、チタン酸ナトリウムは核形成とHA形成の成長を大幅に加速し、表面積が大きく、HAと​​TiOの間の機械的インターロックを促進するため、Ti上に十分に接着した生物活性表面層を示します。 ₂ ナノチューブ[165、166]。ハイドロキシアパタイトで電着、TiO ₂ の密着性が高い ナノチューブは、接着テープテストと初期の骨形成に不可欠な生/死細胞染色研究によって文献に記載されています[166]。結果はまた、560nmの長さでナノチューブへのHA表面の最も高い接着が観察されることを示した。また、ナノチューブ表面は、骨形成における基本的な初期骨基質タンパク質であると考えられているコラーゲンタイプIのinvivo実験を実際に強化することができます[167]。さらに、アモルファスナノチューブのアナターゼまたはアナターゼとルチルの混合物へのアニーリングは、アパタイト形成プロセスの重要な要因であることがわかりました[164]。

EdU陽性の比率 a ECと b フラットまたはナノチューブ基板上のVSMC。これは、1日目と3日目の平坦な表面上の陽性細胞の平均比率によって正規化されます。データは平均±標準偏差として表されます。 * p <0.05、** p <0.01対同日フラットコントロール、 n =6参考文献から複製。 [161]

ドラッグデリバリーと抗菌能力

さらに、TiO ₂ の管状の性質 生物医学装置では、その高い表面積、制御可能な細孔、および自己秩序化された構造により、生物を含む遺伝子および薬物送達担体として利用される可能性があります[1,15]。整形外科のバイオインプラントが骨欠損部に配置されると、持続的で慢性的な感染症は、生物医学的インプラントに関連する最も一般的で深刻な合併症の1つです[16、168]。特定の寸法と結晶化度は、細菌の付着を防ぎ、骨の形成を促進するのに役立つ場合があります。熱アニーリングにより、Ti表面に付着するバクテリアの数が減少しました。これは、熱処理によってバクテリアを引き寄せる傾向のあるフッ素含有量が除去されるためと考えられます。この研究はまた、直径60または80 nmのナノチューブは、直径の小さい（20または40 nm）ナノチューブと比較して、生きているバクテリアの数を減らすことを示しています[169、170]。

バウアー等。表皮成長因子（EGF）と骨形成タンパク質-2（BMP-2）をTiO ₂ にロードしました ナノチューブは共有結合により表面化します。彼らは、細胞数が未処理のものと比較してはるかに高いレベルであった100nmナノチューブアレイ上のMSCの挙動にプラスの影響を観察しました[171]。最近、抗生物質を充填したチタニアナノチューブは、細菌感染の抑制に貢献しています。ゲンタマイシン硫酸塩（GS）は主に広く使用されており、水溶性が高いため、Feng etal。多くの種類の細菌感染症を治療できる物理吸着と周期的負荷により、GSをチタニアナノチューブに負荷しました[172]。張ら。 黄色ブドウ球菌に対する生体適合性の増加と明らかな抗菌効果を調査するために、バンコマイシンをロードした製造されたチタニアナノチューブ [173]。しかし、臨床における全身性抗生物質は多くの副作用をもたらします。ナノチューブからの抗生物質の放出は速すぎて長期の抗菌能力を維持できず、抗生物質を使用すると耐性菌が発生する可能性があります[126、168、174]。一定の放出速度を確保することは、ドラッグデリバリーの分野では重要ですが難しい部分になります。表面改質、ナノチューブアレイの寸法の制御などの戦略では、この問題を解決するために生分解性ポリマーコーティングが採用されています[21]。抗生物質や成長因子などのいくつかの薬物のチタニアナノチューブアレイからの薬物放出は、それらの直径と長さを変えることによって調整することができます[152、175、176]。 Feng etal。 GSをロードしたチタニアナノチューブ上にGSとキトサンの混合物を含む薄膜を覆い、ある程度の徐放効果を提供する薬物の制御放出を示した[172]。 BMP-2をロードするためのTi表面上の薬物ナノリザーバーとしてのチタニアナノチューブアレイは、Huらによって製造されました。次に、ゼラチン/キトサン多層膜でさらに覆われ、機能性分子の放出を制御しながら、主にポリアニオンとポリカチオン間の静電相互作用に基づくスピン支援のレイヤーバイレイヤーアセンブリ技術を介して、120時間以上生物活性を維持しますMSCの骨芽細胞分化を促進するように[177]。 Lai etal。メラトニンをロードしたTiO ₂ 上にChi / Gel多層膜を正常に製造しました メラトニンの徐放を制御し、間葉系幹細胞の骨形成分化を促進するナノチューブアレイ[178]。カランら。チタニアナノチューブの薬物放出時間を延長し、バーストを低減して好ましい骨細胞接着特性を生み出すために、ポリマーフィルムとして表面に水不溶性抗炎症薬インドメタシンおよび修飾乳酸-co-グリコール酸をロードした合成チタニアナノチューブ放出（77から> 20％）および全体的な放出を4日から30日以上に延長しました[152]。以前の研究で報告されているように、 N によるインプラントの表面処理 -アセチルシステイン（NAC）は、インプラントによって誘発される炎症を軽減し、より速い骨再生を促進する可能性があります[179]、Lee etal。 N の実現可能性を検討しました -インプラント表面への潜在的な薬物送達システムとしてのアセチルシステイン負荷チタニアナノチューブ。データは、歯科インプラントに対する多様な生物学的反応を評価する際のオッセオインテグレーションの強化と小動物モデルの価値を示しています。 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].張ら。 demonstrated that a series of porous TiO₂ coatings with different concentrations of silver had significant inhibition effect on Escherichia coli および黄色ブドウ球菌 。 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].

a 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.参考文献から転載。 [181]

a 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-Zn1.参考文献から転載。 [181]

結論

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.

   TiO ₂ 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.

略語

ALD：

原子層堆積

BMP-2:

Bone morphogenetic protein-2

DMSO：

Dimethyl sulfoxide

DSSCs:

Dye-sensitized solar cells

EBSD:

Electron Backscatter Diffraction

EC：

Endothelial cells

EdU:

A thymidine analog

EGF：

表皮成長因子

FAD:

Conventional field-assisted dissolution

FE-SEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

Fe-TNTs:

Fe-doped TiO2 nanotubes

FIB：

集束イオンビーム

GO：

酸化グラフェン

GS:

Gentamicin sulphate

HA：

ヒドロキシアパタイト

hASCs:

Adipose-derived stem cells

IPCE:

Incident photon-to-electron conversion efficiency

MSC：

間葉系幹細胞

NAC:

N -Acetyl cysteine

N-TNT:

N-doped TiO2 nanotubes

PEC:

Photoelectriochemical

SBF:

Simulated body fluid

UV：

紫外線

VSMC:

Vascular smooth muscle cell