تلميع البلازما كخيار تلميع جديد لتقليل خشونة سطح سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D
Summary
تلميع البلازما هو تقنية معالجة سطحية واعدة ، ومناسبة بشكل خاص للطباعة 3D لقطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية. يمكنه إزالة المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث ، وبالتالي تقليل خشونة السطح بشكل فعال وتحسين جودة السطح.
Abstract
غرسات سبائك التيتانيوم المسامية مع محاكاة العظام التربيقية المصنعة بواسطة تقنية الطباعة 3D لها آفاق واسعة. ومع ذلك ، نظرا لحقيقة أن بعض المسحوق يلتصق بسطح قطعة العمل أثناء عملية التصنيع ، فإن خشونة السطح في قطع الطباعة المباشرة عالية نسبيا. في الوقت نفسه ، نظرا لأنه لا يمكن تلميع المسام الداخلية للهيكل المسامي عن طريق التلميع الميكانيكي التقليدي ، يجب إيجاد طريقة بديلة. كتقنية سطحية ، فإن تقنية تلميع البلازما مناسبة بشكل خاص للأجزاء ذات الأشكال المعقدة التي يصعب تلميعها ميكانيكيا. يمكن أن تزيل بشكل فعال الجسيمات وبقايا الرذاذ الدقيقة المرفقة بسطح قطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية المطبوعة 3D. لذلك ، يمكن أن تقلل من خشونة السطح. أولا ، يتم استخدام مسحوق سبائك التيتانيوم لطباعة البنية المسامية للعظم التربيقي المحاكي باستخدام طابعة 3D معدنية. بعد الطباعة ، تتم المعالجة الحرارية وإزالة الهيكل الداعم والتنظيف بالموجات فوق الصوتية. بعد ذلك ، يتم إجراء تلميع البلازما ، والذي يتكون من إضافة إلكتروليت تلميع مع ضبط الأس الهيدروجيني على 5.7 ، وتسخين الماكينة مسبقا إلى 101.6 درجة مئوية ، وتثبيت قطعة العمل على تركيبات التلميع ، وضبط الجهد (313 فولت) ، والتيار (59 أمبير) ، ووقت التلميع (3 دقائق). بعد التلميع ، يتم تحليل سطح قطعة العمل المسامية المصنوعة من سبائك التيتانيوم بواسطة مجهر متحد البؤر ، ويتم قياس خشونة السطح. يستخدم المجهر الإلكتروني الماسح لتوصيف حالة سطح التيتانيوم المسامي. أظهرت النتائج أن خشونة سطح قطعة العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم المسامية بأكملها تغيرت من Ra (متوسط الخشونة) = 126.9 ميكرومتر إلى Ra = 56.28 ميكرومتر ، وتغيرت خشونة سطح الهيكل التربيقي من Ra = 42.61 ميكرومتر إلى Ra = 26.25 ميكرومتر. وفي الوقت نفسه ، تتم إزالة المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث ، وتحسين جودة السطح.
Introduction
تم استخدام مواد التيتانيوم وسبائك التيتانيوم على نطاق واسع كمواد لزراعة الأسنان والعظام بسبب توافقها الحيوي الجيد ومقاومتها للتآكل وقوتها الميكانيكية1،2،3. ومع ذلك ، نظرا لمعامل المرونة العالي لسبائك التيتانيوم المدمجة التي تنتجها طرق المعالجة التقليدية ، فإن هذه الألواح ليست مناسبة لإصلاح العظام ، لأن القرب من سطح العظام لفترات طويلة يمكن أن يؤدي إلى حماية الإجهاد وتقصف العظام 4,5 . لذلك ، يجب استخدام البنية المجهرية المسامية لمحاكاة الترابيق العظمي في غرسات سبائك التيتانيوم من أجل تقليل معامل المرونة إلى المستوى المطابق للعظم 6,7. تم استخدام العديد من السقالات في مجال جراحة العظام لتحسين صلاحية الخلية ، والتعلق ، والانتشار والتوجيه ، والتمايز العظمي ، وتكوين الأوعية ، وتكامل المضيف ، وتحملالوزن 4،8،9. تشمل طرق التصنيع التقليدية للهياكل المعدنية المسامية طريقة القالب الهيكلي ، وطريقة تشكيل العيوب ، وطريقة الضغط أو ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ، وتقنية الترسيب الكهربائي10،11 ، إلخ. على الرغم من أن تقنيات الإنتاج هذه تقليدية للغاية ، إلا أنها تبدد أحيانا المواد الخام ولها تكاليف تحضيرية كبيرة عند مقارنتها بالطباعة ثلاثية الأبعاد12,13. الطباعة ثلاثية الأبعاد هي تقنية تستخدم مسحوقا معدنيا أو بلاستيكيا ومواد لاصقة أخرى لبناء كائنات ثلاثية الأبعاد صلبة من نماذج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) عبر ترسيب الطبقات العلوية14,15. تظهر الطباعة ثلاثية الأبعاد إمكانات كبيرة في التخصيص المباشر للسقالات الخلوية المعدنية لزراعة العظام وتفتح إمكانيات جديدة لتصنيع تصميمات معقدة قابلة للتخصيص مع مسام مترابطة للغاية. من بينها ، يعد الذوبان الانتقائي بالليزر (SLM) أحد أكثر تقنيات الطباعة والتصنيع ثلاثية الأبعاد تمثيلا لهياكل زرع التيتانيوم المسامية16.
تستخدم عملية SLM مسحوق سبائك التيتانيوم كمادة خام ، وهي في الأساس ذوبان المسحوق وتشكيل الهيكل. لذلك ، غالبا ما يلتصق عدد كبير من المساحيق شبه المنصهرة وطبقات أكسيد الاجتثاث بسطح غرسات سبائك التيتانيوم ، مما يؤدي إلى خشونة سطح عالية17. تؤدي الجودة الرديئة لسطح غرسات العظام التيتانيوم المسامية إلى الالتهاب ، وانخفاض أداء التعب ، وحتى المخاطر البيولوجية الجديدة18 . نظرا لأنه لا يمكن تلميع المسام الداخلية للهياكل المسامية عن طريق التلميع الميكانيكي التقليدي ، يجب إيجاد طريقة بديلة. تلميع البلازما هو طريقة تلميع خضراء جديدة لقطع العمل المعدنية التي يمكنها تلميع قطع العمل بكفاءة بأشكال معقدة دون تلوث19 . لديها إمكانات تطوير كبيرة في مجال المعالجة اللاحقة لزراعة سبائك التيتانيوم.
كنوع من تكنولوجيا السطح ، تعد تقنية تلميع البلازما مناسبة بشكل خاص لقطع العمل المعدنية ذات الأشكال المعقدة التي ليس من السهل صقلها ميكانيكيا. الهدف العام من خيار التلميع هذا هو الحصول على سطح مسامي من سبائك التيتانيوم مع خشونة منخفضة. يمكن لهذه التقنية أن تزيل بشكل فعال الجسيمات وبقايا الرذاذ الدقيقة المرتبطة بسطح غرسات العظام التيتانيوم المسامية المصنعة بواسطة الطباعة ثلاثية الأبعاد وتقليل خشونة السطح20. مبدأ تلميع البلازما هو عملية تفاعل مركب تعتمد على مزيج من الإزالة الكيميائية والفيزيائية التي يسببها التيار21 ؛ تشكل الدائرة بأكملها دائرة قصر عابرة ، وتشكل طبقة محيطة ببلازما البخار على سطح قطعة العمل20. تخترق هذه العملية طبقة الغاز لتشكيل قناة تفريغ ، مما يؤثر على سطح قطعة العمل. يؤثر التيار العالي على الجزء المحدب من سطح قطعة العمل ، مما يؤدي إلى إزالة أسرع للمسحوق شبه المنصهر وطبقة الأكسيد المحترق. يتغير التقعر والتحدب باستمرار ، ويصبح السطح الخشن ناعما تدريجيا ، مما يحسن خشونة سطح قطعة العمل لتحقيق الغرض من التلميع.
في الوقت نفسه ، هذه التكنولوجيا هي تقنية معالجة خضراء ، لا تسبب أي تلوث للبيئة ، ولها مزايا كبيرة مقارنة بطرق التلميع الأخرى. تشمل تقنيات التلميع الميكانيكية التقليدية بشكل أساسي التلميع الميكانيكي والتلميع الكيميائي والتلميع الكهروكيميائي22. التلميع الميكانيكي هو عملية التلميع التقليدية الأكثر استخداما. لها عيوب كفاءة التلميع المنخفضة ، وارتفاع الطلب على العمل اليدوي ، وعدم القدرة على تلميع الأجزاء ذات الأشكال الهندسية المعقدة. احتمال إصابة الموظف واحتمال تجاوز التفاوتات بسبب العوامل البشرية هي عيوب متكررة للتلميع الميكانيكي23. على عكس التلميع الكيميائي ، الذي يعتمد على استخدام محلول كيميائي لإزالة أجزاء من مادة قطعة العمل ، يستخدم التلميع الكهروكيميائي تيارا كهربائيا ومحلولا كيميائيا للحصول على نفس النتيجة. لسوء الحظ ، تنتج هاتان العمليتان غازات وسوائل خطرة كمنتجات ثانوية للاستخدام ، يعتمد تكوينها على قوة الكاشف الكيميائي الحمضي أو القلوي المستخدم. ونتيجة لذلك ، لا يعتبر العمال الحاضرون معرضين للخطر بسبب التعرض فحسب ، بل هناك أيضا احتمال حدوث أضرار جسيمة بالبيئة24. اقترح Aliakseyeu et al.25 استخدام تلميع البلازما لتلميع قطع العمل المصنوعة من سبائك التيتانيوم بتركيبة إلكتروليت بسيطة. وجدوا أنه بعد تلميع عينة التيتانيوم تتم إزالة الخدوش السطحية وتحسين لمعان السطح بشكل كبير. ناقش Smyslova et al.26 آفاق تطبيق تقنية تلميع البلازما لعلاج أسطح الغرسات الطبية.
من الناحية النظرية ، يمكن استخدام تقنية تلميع البلازما لتلميع هيكل أي جزء معدني. تم تطبيقه على نطاق واسع للطلاء ، في صناعات تشطيب المعادن ، وفي إلكترونيات 3C ، من بين أمور أخرى22،27،28. ومع ذلك ، فإن الدراسة الحالية لديها بعض القيود. بادئ ذي بدء ، تركز المخطوطة فقط على جودة السطح وخشونة السطح لسبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D قبل وبعد تلميع البلازما. التغييرات المتبقية غير متضمنة. ثانيا ، لم نقم بقياس وتسجيل النتائج بعد المعالجة الحرارية. قارن Jinyoung Kim et al.29 استراتيجيات تعديل سطح التيتانيوم لتعزيز التكامل العظمي. تظهر دراسة أخرى أن تقنية رش البلازما المستحثة بالأيونات المستهدفة (TIPS) يمكن أن تنقل وظائف بيولوجية ممتازة إلى سطح الغرسات الحيوية المعدنية30. من أجل مزيد من التحقيق في فعالية تلميع وسلامة سبائك التيتانيوم المسامية للطباعة 3D ، ستكون الخطوة التالية هي مواصلة دراسة الخصائص الأخرى لجزء SLM ، مثل أداء التعب والتمايز العظمي. وتحتاج هذه المسائل إلى مزيد من الصقل. يختلف هذا العمل عن دراسات تلميع البلازما السابقة من حيث أنه يركز على طباعة سبائك التيتانيوم المسامية 3D بدلا من سبائك التيتانيوم المدمجة. نتيجة لذلك ، يجب أن تتبنى عمليات التصنيع المختلفة معايير تلميع مختلفة. الغرض من هذه المخطوطة هو تقديم مخطط تلميع البلازما لطباعة سبائك التيتانيوم المسامية 3D بالتفصيل ، وذلك لتقليل خشونة سطح قطع العمل.
Protocol
Representative Results
Discussion
تستخدم خشونة السطح لوصف مقدار التموج وعدم التساوي للأشكال الهندسية الدقيقة على أسطح قطع العمل ضمن نطاق تباعد صغير. أبلغ عدد من الدراسات السابقة عن كيفية تلميع الأسطح المعدنية باستخدام إجراءات مختلفة ، مثل التلميع الميكانيكي ، والتلميع الكيميائي ، والتلميع الكهروكيميائي ، والمزيد<sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أود أن أشكر مشرفي ، Wenhua Huang ، على توفير شروط الدعم والتوجيه لهذه التجربة. تم تمويل هذا البحث من قبل مشروع بناء الانضباط بجامعة قوانغدونغ الطبية (4SG22260G) ، ومشروع المواهب المبتكرة الشابة لمؤسسات التعليم العالي في قوانغدونغ (2021KQNCX023) ، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (82205301) ، ومشروع أبحاث فوتيان للرعاية الصحية (FTWS2022051).
Materials
| Confocal microscope: Smartproof-5 | ZEISS | 4702000198 | |
| ConfoMap ST 8.0 | ZEISS | 4702000198 | |
| Electrical discharge machining (EDM) machine: MV1200S | Mitsubishi Electric Automation (China) Ltd. | 92U3038 | |
| Heat treatment furnace: HSQ1-644 | Jiangsu Huasu Industrial Furnace Manufacturing CO., LTD. | HSD20190812403 | |
| Metal 3D printer: Renishaw AM400 | Renishaw plc | 1HGW89 | |
| Middle speed wire-cut machine: HQ-400EZ | Suzhou Hanqi CNC Equipment CO., LTD. | W40ES20005 | |
| Permanent magnet frequency conversion screw air compressor M7-Y75AZ | KUNJI MACHINERY(SHANGHAI) MANUFACTURING CO.,LTD. | 19055065 | |
| Refrigeration compressed air dryer SY-230FG | Shanghai TaiLin Compressor Co., Ltd. | S190826698 | |
| Scanning electron microscope (SEM): JSM-IT100 | JEOL (BEIJING) CO., LTD. | MP1030004260426 | |
| Titanium alloy powder | Renishaw plc | H-5800-1086-01-A | |
| Ultrasonic cleaning machine: AK-030S | Shenzhen Yujie Cleaning Equipment Co., Ltd | 30820004 | |
| ZEN core v3.0 | ZEISS | 4702000198 |
References
- Puleo, D. A., Nanci, A. Understanding and controlling bone-implant interface. Biomaterials. 20 (23-24), 2311-2321 (1999).
- Schuler, M., Trentin, D., Textor, M., Tosatti, S. G. P. Biomedical interfaces: titanium surface technology for implants and cell carriers. Nanomedicine. 1 (4), 449-463 (2006).
- Li, S., et al. Functionally graded Ti-6Al-4V meshes with high strength and energy absorption. Advanced Engineering Materials. 18 (1), 34-38 (2016).
- Roseti, L., et al. Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 78, 1246-1262 (2017).
- Takizawa, T., et al. Titanium fiber plates for bone tissue repair. Advanced Materials. 30 (4), (2018).
- Jung, H. D., et al. Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants. Biomaterials. 37, 49-61 (2015).
- Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Song, J. Fabrication of mechanically tunable and bioactive metal scaffolds for biomedical applications. Journal of Visualized Experiments. (106), e53279 (2015).
- Lee, H., et al. Effect of HF/HNO3-treatment on the porous structure and cell penetrability of titanium (Ti) scaffold. Materials & Design. 145, 65-73 (2018).
- Lee, H., et al. Functionally assembled metal platform as lego-like module system for enhanced mechanical tunability and biomolecules delivery. Materials & Design. 207, 109840 (2021).
- Jang, T. S., Kim, D., Han, G., Yoon, C. B., Jung, H. D. Powder based additive manufacturing for biomedical application of titanium and its alloys: a review. Biomedical Engineering Letters. 10 (4), 505-516 (2020).
- Xu, Y., et al. Honeycomb-like porous 3D nickel electrodeposition for stable Li and Na metal anodes. Energy Storage Materials. 12, 69-78 (2018).
- Kostevšek, N., Rožman, K. &. #. 3. 8. 1. ;., Pečko, D., Pihlar, B., Kobe, S. A comparative study of the electrochemical deposition kinetics of iron-palladium alloys on a flat electrode and in a porous alumina template. Electrochimica Acta. 125, 320-329 (2014).
- Tan, K., Tian, M. B., Cai, Q. Effect of bromide ions and polyethylene glycol on morphological control of electrodeposited copper foam. Thin Solid Films. 518 (18), 5159-5163 (2010).
- Kumar, K. P. A., Pumera, M. 3D-printing to mitigate COVID-19 pandemic. Advanced Functional Materials. 31 (22), 2100450 (2021).
- Palmara, G., Frascella, F., Roppolo, I., Chiappone, A., Chiadò, A. Functional 3D printing: Approaches and bioapplications. Biosensors & Bioelectronics. 175, 112849 (2021).
- Tan, X. P., Tan, Y. J., Chow, C. S. L., Tor, S. B., Yeong, W. Y. Metallic powder-bed based 3D printing of cellular scaffolds for orthopaedic implants: A state-of-the-art review on manufacturing, topological design, mechanical properties and biocompatibility. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 76, 1328-1343 (2017).
- Wysocki, B., et al. The influence of chemical polishing of titanium scaffolds on their mechanical strength and in-vitro cell response. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 95, 428-439 (2019).
- Hasan, J., et al. Preventing peri-implantitis: the quest for a next generation of titanium dental implants. ACS Biomaterials Science & Engineering. 8 (11), 4697-4737 (2022).
- Bernhardt, A., et al. Surface conditioning of additively manufactured titanium implants and its influence on materials properties and in vitro biocompatibility. Materials Science & Engineering. C, Materials for Biological Applications. 119, 111631 (2021).
- Nestler, K., et al. Plasma electrolytic polishing – an overview of applied technologies and current challenges to extend the polishable material range. Procedia CIRP. 42, 503-507 (2016).
- Zeidler, H., Boettger-Hiller, F., Edelmann, J., Schubert, A. Surface finish machining of medical parts using plasma electrolytic polishing. Procedia CIRP. 49, 83-87 (2016).
- Huang, Y., et al. Principle, process, and application of metal plasma electrolytic polishing: a review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 114, 1893-1912 (2021).
- Belkin, P. N., Kusmanov, S. A., Parfenov, E. V. Mechanism and technological opportunity of plasma electrolytic polishing of metals and alloys surfaces. Applied Surface Science Advances. 1, 100016 (2020).
- Li, X., Binnemans, K. Oxidative dissolution of metals in organic solvents. Chemical Reviews. 121 (8), 4506-4530 (2021).
- Aliakseyeu, Y. G., Korolyov, A. Y., Niss, V. S., Parshuto, A. E., Budnitskiy, A. ES. Electrolyte-plasma polishing of titanium and niobium alloys. Science & Technique. 17 (3), 211-219 (2018).
- Smyslova, M. K., Tamindarov, D. R., Plotnikov, N. V., Modina, I. M., Semenova, I. P. Surface electrolytic-plasma polishing of Ti-6Al-4V alloy with ultrafine-grained structure produced by severe plastic deformation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 461 (1), 012079 (2018).
- Yerokhin, A. L., Nie, X., Leyland, A., Matthews, A., Dowey, S. J. Plasma electrolysis for surface engineering. Surface & Coatings Technology. 122 (2-3), 73-93 (1999).
- Walsh, F. C., et al. Plasma electrolytic oxidation (PEO) for production of anodised coatings on lightweight metal (Al, Mg, Ti) alloys. Transactions of the IMF. 87 (3), 122-135 (2009).
- Kim, J., et al. Characterization of titanium surface modification strategies for osseointegration enhancement. Metals. 11 (4), 618 (2021).
- Lee, M. K., et al. Nano-topographical control of Ti-Nb-Zr alloy surfaces for enhanced osteoblastic response. Nanomaterials. 11 (6), 1507 (2021).
- Barba, D., Alabort, E., Reed, R. C. Synthetic bone: Design by additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 97, 637-656 (2019).
- He, L., et al. The anterior and traverse cage can provide optimal biomechanical performance for both traditional and percutaneous endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion. Computers in Biology and Medicine. 131, 104291 (2021).
- Zhan, D., et al. Confined chemical etching for electrochemical machining with nanoscale accuracy. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2596-2604 (2016).
- Kwon, S. J., Lawson, N. C., McLaren, E. E., Nejat, A. H., Burgess, J. O. Comparison of the mechanical properties of translucent zirconia and lithium disilicate. The Journal of Prosthetic Dentistry. 120 (1), 132-137 (2018).
- Li, F., Li, S., Tong, H., Xu, H., Wang, Y. The application of chemical polishing in TEM sample preparation of zirconium alloys. Materials. 13 (5), 1036 (2020).
- Wu, Y., Zitelli, J. P., TenHuisen, K. S., Yu, X., Libera, M. R. Differential response of Staphylococci and osteoblasts to varying titanium surface roughness. Biomaterials. 32 (4), 951-960 (2011).
- Kunzler, T. P., Drobek, T., Schuler, M., Spencer, N. D. Systematic study of osteoblast and fibroblast response to roughness by means of surface-morphology gradients. Biomaterials. 28 (13), 2175-2182 (2007).
