Infection and aseptic loosening caused by bacteria and poor osseointegration remain serious challenges for orthopedic implants. The advanced surface modification of implants is an effective strategy for addressing these challenges. This study presents a "pneumatic nanocannon" coating for titanium orthopedic implants to achieve on-demand release of antibacterial and sustained release of osteogenic agents. SrTiO3 nanotubes (SrNT) were constructed on the surface of Ti implants as "cannon barrel," the "cannonball" (antibiotic) and "propellant" (NH4HCO3) were codeposited into SrNT with assistance of mussel-inspired copolymerization of dopamine and subsequently sealed by a layer of polydopamine. The encapsulated NH4HCO3 within the nanotubes could be thermally decomposed into gases under near-infrared irradiation, propelling the on-demand delivery of antibiotics. This coating demonstrated significant efficacy in eliminating typical pathogenic bacteria both in planktonic and biofilm forms. Additionally, this coating exhibited a continuous release of strontium ions, which significantly enhanced the osteogenic differentiation of preosteoblasts. In an implant-associated infection rat model, this coating demonstrated substantial antibacterial efficiency (>99%) and significant promotion of osseointegration, along with alleviated postoperative inflammation. This pneumatic nanocannon coating presents a promising approach to achieving on-demand infection inhibition and sustained osseointegration enhancement for titanium orthopedic implants.

Non-phototrophic microorganism-semiconductor systems have been designed for solar-to-chemical conversion. However, the conversion mechanism remains unclear due to the lack of photosensitive enzymes in non-prototrophic pathways. Herein, the mechanism of non-phototrophic Shewanella woodyi to convert solar energy through CaTiO3 is investigated by untargeted metabolism. By controlling the amount of CaTiO3, the extracellular electron transfer pathway of S. woodyi is upregulated in light. Subsequently, the interfacial electron transfer between CaTiO3 and S. woodyi regulates microbial activity through tryptophan metabolism. Notably, the transformation of riboflavin to lumichrome under light is the key step that mediates upregulation of indole-3-acetic acid in tryptophan metabolism. As a result, the glycolysis and tricarboxylic acid cycle is promoted, leading to an increase in biomass. This study advances the understanding of energy harvesting mechanisms in non-prototrophic organisms and provides reference for designing effective semiconductor-microbe systems.