Atomistic Simulations of Wetting Dynamics of Water Nanodroplets on Nanotextured Titanium: Implications for Medical Implants - Université Jean-Monnet-Saint-Étienne
Article Dans Une Revue Applied Nanomaterials (ACS) Année : 2024

Atomistic Simulations of Wetting Dynamics of Water Nanodroplets on Nanotextured Titanium: Implications for Medical Implants

Simulations atomistiques de la dynamique de mouillage des nanogouttelettes d'eau sur du titane nanotexturé : implications pour les implants médicaux

Résumé

The development of high-performance biomedical implants requires a deep understanding of the molecular interactions between water molecules and titanium (Ti) surfaces. In this study, fully atomistic molecular dynamics simulations were used to study the static and dynamic wetting behavior of water nanodroplets on both flat and femtosecond laserinduced nanotextured Ti surfaces. Our findings reveal a clear transition from Wenzel to Cassie-Baxter wetting states as surface roughness increases, significantly affecting droplet spreading. We also observe the damping of nanodroplet vibrations and a roughness-dependent shift toward hydrophobicity, driven by stronger atomic interactions between water molecules and surface atoms. Furthermore, the interaction energy between water droplets and nano-textured Ti surfaces decreases with increasing roughness, reinforcing the observed changes in wettability. The discrepancies observed between classical wetting models and nanoscale behavior emphasize the limitations of current theoretical approaches and the importance of developing more advanced models. This study provides valuable insights into optimizing Ti surface properties for improved implant performance through controlled wettability.
Le développement d’implants biomédicaux hautes performances nécessite une compréhension approfondie des interactions moléculaires entre les molécules d’eau et les surfaces en titane (Ti). Dans cette étude, des simulations de dynamique moléculaire entièrement atomistiques ont été utilisées pour étudier le comportement de mouillage statique et dynamique des nanogouttelettes d'eau sur des surfaces de Ti nanotexturées plates et induites par laser femtoseconde. Nos résultats révèlent une transition nette entre les états de mouillage de Wenzel et de Cassie-Baxter à mesure que la rugosité de la surface augmente, affectant de manière significative la propagation des gouttelettes. Nous observons également l’amortissement des vibrations des nanogouttelettes et un déplacement vers l’hydrophobicité en fonction de la rugosité, entraîné par des interactions atomiques plus fortes entre les molécules d’eau et les atomes de surface. De plus, l’énergie d’interaction entre les gouttelettes d’eau et les surfaces de Ti nano-texturées diminue avec l’augmentation de la rugosité, renforçant les changements de mouillabilité observés. Les écarts observés entre les modèles de mouillage classiques et le comportement à l'échelle nanométrique soulignent les limites des approches théoriques actuelles et l'importance de développer des modèles plus avancés. Cette étude fournit des informations précieuses sur l’optimisation des propriétés de surface du Ti pour améliorer les performances des implants grâce à une mouillabilité contrôlée.
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Dates et versions

ujm-04746030 , version 1 (21-10-2024)

Identifiants

Citer

Ilemona S Omeje, Djafar Iabbaden, Patrick Ganster, Tatiana E Itina. Atomistic Simulations of Wetting Dynamics of Water Nanodroplets on Nanotextured Titanium: Implications for Medical Implants. Applied Nanomaterials (ACS) , inPress, 7 (21), https://doi.org/10.1021/acsanm.4c03946. ⟨10.1021/acsanm.4c03946⟩. ⟨ujm-04746030⟩
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