Ti and TiAlV foils enhanced with PLD and flash-deposited carbon: On cytocompatibility and antibacterial activity

Abstract

In this study, we investigated the effects of carbon layer deposition on titanium (Ti) and titanium alloy (TiAlV) substrates using "flash" vaporization and pulsed laser deposition (PLD) techniques. Raman spectroscopy revealed that the PLD method produced a higher sp3 carbon bond content than the evaporation method (61 vs. 47 %). Atomic force microscopy and surface wettability analyzes showed differences in surface roughness and contact angle, with PLD-deposited samples exhibiting enhanced hydrophilicity and wrinkled morphology. Subsequent laser annealing optimized surface properties by increasing hydrophobicity, which is critical for cell adhesion. Surface chemistry analysis via scanning electron microscopy and energy dispersive spectroscopy demonstrated significant carbon enrichment in the PLD-deposited samples, mainly for TiAlV substrate. Cytocompatibility tests using human osteosarcoma cells (U-2 OS) revealed varying cell adhesion and proliferation based on surface modification, with PLD-deposited layers promoting better cell interaction. Both carbon deposition techniques enhanced antibacterial effect. This suggests the potential of PLD-deposited carbon layers for biomedical applications, particularly in enhancing implant surfaces for improved cell growth and adhesion, and reduce bacteria, the nanostructured substrates may serve also for subsequent replication process into polymer.

V této studii jsme zkoumali účinky depozice uhlíkové vrstvy na substrátech z titanu (Ti) a slitin titanu (TiAlV) pomocí technik „zábleskového“ odpařování a pulzního laserového nanášení (PLD). Ramanova spektroskopie odhalila, že metoda PLD produkovala vyšší obsah uhlíkových vazeb sp3 než metoda odpařování (61 vs. 47 %). Mikroskopie atomárních sil a analýzy smáčivosti povrchu ukázaly rozdíly v drsnosti povrchu a kontaktním úhlu, přičemž vzorky nanesené PLD vykazovaly zvýšenou hydrofilitu a vrásčitou morfologii. Následné laserové žíhání optimalizovalo vlastnosti povrchu zvýšením hydrofobnosti, která je kritická pro adhezi buněk. Chemická analýza povrchu pomocí rastrovací elektronové mikroskopie a energeticky disperzní spektroskopie prokázala významné obohacení uhlíkem ve vzorcích nanesených pomocí PLD, zejména pro substrát TiAlV. Testy cytokompatibility s použitím buněk lidského osteosarkomu (U-2 OS) odhalily různou buněčnou adhezi a proliferaci založenou na povrchové modifikaci, přičemž vrstvy nanesené PLD podporují lepší buněčnou interakci. Obě techniky nanášení uhlíku zvýšily antibakteriální účinek. To naznačuje potenciál uhlíkových vrstev nanesených PLD pro biomedicínské aplikace, zejména při úpravě povrchů implantátů pro zlepšení buněčného růstu a adheze a redukci bakterií. Nanostrukturní substráty mohou sloužit i pro následný proces replikace do polymeru.