Plasmapolijsten als een nieuwe polijstoptie om de oppervlakteruwheid van poreuze titaniumlegering voor 3D-printen te verminderen
Summary
Plasmapolijsten is een veelbelovende oppervlaktebewerkingstechnologie, vooral geschikt voor het 3D-printen van poreuze werkstukken van titaniumlegeringen. Het kan semi-gesmolten poeders en ablatieve oxidelagen verwijderen, waardoor de oppervlakteruwheid effectief wordt verminderd en de oppervlaktekwaliteit wordt verbeterd.
Abstract
Poreuze titaniumlegeringsimplantaten met gesimuleerd trabeculair bot vervaardigd door 3D-printtechnologie hebben brede vooruitzichten. Vanwege het feit dat sommige poeder zich tijdens het productieproces aan het oppervlak van het werkstuk hecht, is de oppervlakteruwheid in directe drukstukken echter relatief hoog. Tegelijkertijd, omdat de interne poriën van de poreuze structuur niet kunnen worden gepolijst door conventioneel mechanisch polijsten, moet een alternatieve methode worden gevonden. Als oppervlaktetechnologie is plasmapolijsttechnologie vooral geschikt voor onderdelen met complexe vormen die moeilijk mechanisch te polijsten zijn. Het kan effectief deeltjes en fijne spatresten verwijderen die zijn bevestigd aan het oppervlak van 3D-geprinte poreuze werkstukken van titaniumlegering. Daarom kan het de oppervlakteruwheid verminderen. Ten eerste wordt titaniumlegeringspoeder gebruikt om de poreuze structuur van het gesimuleerde trabeculaire bot te printen met een metalen 3D-printer. Na het afdrukken wordt warmtebehandeling, verwijdering van de ondersteunende structuur en ultrasone reiniging uitgevoerd. Vervolgens wordt plasmapolijsten uitgevoerd, bestaande uit het toevoegen van een polijstelektrolyt met de pH ingesteld op 5,7, het voorverwarmen van de machine tot 101,6 °C, het bevestigen van het werkstuk op de polijstarmatuur en het instellen van de spanning (313 V), stroom (59 A) en polijsttijd (3 min). Na het polijsten wordt het oppervlak van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering geanalyseerd door een confocale microscoop en wordt de oppervlakteruwheid gemeten. Scanning elektronenmicroscopie wordt gebruikt om de oppervlakteconditie van poreus titanium te karakteriseren. De resultaten laten zien dat de oppervlakteruwheid van het hele poreuze werkstuk van titaniumlegering veranderde van Ra (gemiddelde ruwheid) = 126,9 μm naar Ra = 56,28 μm, en de oppervlakteruwheid van de trabeculaire structuur veranderde van Ra = 42,61 μm naar Ra = 26,25 μm. Ondertussen worden semi-gesmolten poeders en ablatieve oxidelagen verwijderd en wordt de oppervlaktekwaliteit verbeterd.
Introduction
Titanium en titaniumlegeringsmaterialen zijn op grote schaal gebruikt als tandheelkundige en orthopedische implantaatmaterialen vanwege hun goede biocompatibiliteit, corrosiebestendigheid en mechanische sterkte 1,2,3. Vanwege de hoge elastische modulus van de compacte titaniumlegering die door traditionele verwerkingsmethoden wordt geproduceerd, zijn deze platen echter niet geschikt voor botreparatie, omdat de nabijheid van het botoppervlak gedurende lange perioden kan leiden tot spanningsafscherming en botbrosheid 4,5 . Daarom moet de poreuze microstructuur van gesimuleerde bottrabeculae worden gebruikt in implantaten van titaniumlegeringen om de elastische modulus te verminderen tot het niveau dat overeenkomt met het bot 6,7. Veel steigers zijn gebruikt op het gebied van orthopedie om de levensvatbaarheid van cellen, hechting, proliferatie en homing, osteogene differentiatie, angiogenese, gastheerintegratie en gewichtsdragend 4,8,9 te verbeteren. Traditionele fabricagemethoden van poreuze metalen structuren omvatten de structurele sjabloonmethode, defectvormingsmethode, compressie- of superkritische koolstofdioxidemethode, elektrodepositietechniek10,11, enz. Hoewel deze productietechnieken zeer traditioneel zijn, verspillen ze af en toe grondstoffen en hebben ze aanzienlijke voorbereidende kosten in vergelijking met 3D-printen12,13. 3D-printen is een technologie die metaal- of kunststofpoeder en andere kleefmaterialen gebruikt om solide 3D-objecten te bouwen van computerondersteunde ontwerpmodellen (CAD) via de afzetting van bovenliggende lagen14,15 . 3D-printen toont een groot potentieel in het direct aanpassen van metalen cellulaire steigers voor orthopedische implantaten en opent nieuwe mogelijkheden voor het produceren van aanpasbare complexe ontwerpen met sterk onderling verbonden poriën. Onder hen is selectief lasersmelten (SLM) een van de meest representatieve 3D-print- en productietechnologieën voor poreuze titanium implantaatstructuren16 .
Het SLM-proces maakt gebruik van titaniumlegeringspoeder als grondstof, in wezen poedersmelten en de structuur vormen. Daarom hecht een groot aantal semi-gesmolten poeders en ablatieve oxidelagen zich vaak aan het oppervlak van implantaten van titaniumlegeringen, wat leidt tot een hoge oppervlakteruwheid17. Slechte oppervlaktekwaliteit van poreuze titanium orthopedische implantaten leidt tot ontsteking, verminderde vermoeidheidsprestaties en zelfs nieuwe biologische risico’s18 . Omdat de interne poriën van poreuze structuren niet kunnen worden gepolijst door conventioneel mechanisch polijsten, moet een alternatieve methode worden gevonden. Plasmapolijsten is een nieuwe groene polijstmethode voor metalen werkstukken die werkstukken met complexe vormen efficiënt kunnen polijsten zonder vervuiling19 . Het heeft een groot ontwikkelingspotentieel op het gebied van titaniumlegering implantaat nabewerking.
Als een soort oppervlaktetechnologie is plasmapolijsttechnologie met name geschikt voor metalen werkstukken met complexe vormen die niet gemakkelijk mechanisch gepolijst kunnen worden. Het algemene doel van deze polijstoptie is om een poreus oppervlak van titaniumlegering met een lage ruwheid te verkrijgen. De technologie kan effectief deeltjes en fijne spatresten verwijderen die zijn bevestigd aan het oppervlak van poreuze titanium orthopedische implantaten vervaardigd door 3D-printen en de oppervlakteruwheid verminderen20. Het principe van plasmapolijsten is een samengesteld reactieproces op basis van een combinatie van stroomgeïnduceerde chemische en fysische verwijdering21; Het hele circuit vormt een voorbijgaande kortsluiting en vormt een dampplasma-omringende laag op het werkstukoppervlak20. Dit proces breekt door de gaslaag om een afvoerkanaal te vormen, waardoor het werkstukoppervlak wordt beïnvloed. De hogere stroom beïnvloedt het bolle deel van het werkstukoppervlak, wat leidt tot een snellere verwijdering van halfgesmolten poeder en de verbrande oxidelaag. De concaviteit en convexiteit veranderen voortdurend en het ruwe oppervlak wordt geleidelijk gladgestreken, waardoor de oppervlakteruwheid van het werkstuk wordt verbeterd om het doel van polijsten te bereiken.
Tegelijkertijd is deze technologie een groene verwerkingstechnologie, die geen vervuiling van het milieu veroorzaakt en grote voordelen heeft in vergelijking met andere polijstmethoden. Conventionele mechanische polijsttechnieken omvatten voornamelijk mechanisch polijsten, chemisch polijsten en elektrochemisch polijsten22. Mechanisch polijsten is het meest gebruikte conventionele polijstproces; Het heeft de nadelen van een lage polijstefficiëntie, een hogere vraag naar handmatige arbeid en het onvermogen om onderdelen met complexe geometrieën te polijsten. De kans op letsel van werknemers en de kans op het overschrijden van toleranties als gevolg van menselijke factoren zijn frequente nadelen van mechanisch polijsten23. In tegenstelling tot chemisch polijsten, dat is gebaseerd op het gebruik van een chemische oplossing om delen van het materiaal van een werkstuk te verwijderen, maakt elektrochemisch polijsten gebruik van een elektrische stroom en chemische oplossing om hetzelfde resultaat te verkrijgen. Helaas produceren beide processen gevaarlijke gassen en vloeistoffen als bijproducten van het gebruik, waarvan de samenstelling afhankelijk is van de sterkte van het gebruikte zure of alkalische chemische reagens. Als gevolg hiervan worden niet alleen de aanwezige werknemers geacht een risico te lopen als gevolg van blootstelling, maar is er ook het potentieel voor ernstige schade aan het milieu24. Aliakseyeu et al.25 stelden voor om plasmapolijsten te gebruiken voor het polijsten van werkstukken van titaniumlegeringen met een eenvoudige elektrolytsamenstelling. Ze ontdekten dat na het polijsten van titaniummonsters krassen op het oppervlak worden verwijderd en de oppervlakteglans aanzienlijk wordt verbeterd. Smyslova et al.26 beraadslaagden op de vooruitzichten van het toepassen van plasmapolijsttechnologie om de oppervlakken van medische implantaten te behandelen.
Theoretisch kan plasmapolijsttechnologie worden gebruikt om de structuur van elk metalen onderdeel te polijsten. Het is op grote schaal toegepast voor coating, in metaalafwerkingsindustrieën en in 3C-elektronica, onder andere22,27,28. De huidige studie heeft echter enkele beperkingen. Allereerst richt het manuscript zich alleen op de oppervlaktekwaliteit en oppervlakteruwheid van 3D-printen van poreuze titaniumlegering voor en na plasmapolijsten; de overige wijzigingen zijn niet betrokken. Ten tweede hebben we de resultaten na warmtebehandeling niet gemeten en vastgelegd. Jinyoung Kim et al.29 vergeleken titanium oppervlaktemodificatiestrategieën voor osseointegratieverbetering. Een andere studie toont aan dat de target-ion geïnduceerde plasma sputtering (TIPS) techniek uitstekende biologische functies kan geven aan het oppervlak van metalen bio-implantaten30. Om de polijstefficiëntie en veiligheid van poreuze titaniumlegering voor 3D-printen verder te onderzoeken, zal de volgende stap zijn om de andere eigenschappen van SLM-onderdelen, zoals vermoeiingsprestaties en osteogene differentiatie, verder te bestuderen. Deze kwesties moeten verder worden verfijnd. Dit werk verschilt van eerdere plasmapolijststudies doordat het zich richt op het 3D-printen van poreuze titaniumlegering in plaats van een compacte titaniumlegering. Als gevolg hiervan moeten verschillende productieprocessen verschillende polijstparameters aannemen. Het doel van dit manuscript is om het plasmapolijstschema van 3D-printen van poreuze titaniumlegering in detail te introduceren, om de oppervlakteruwheid van werkstukken te verminderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Oppervlakteruwheid wordt gebruikt om de hoeveelheid golving en oneffenheden van microgeometrische vormen op werkstukoppervlakken binnen een klein afstandsbereik te beschrijven. Een aantal eerdere studies hebben gerapporteerd hoe metalen oppervlakken te polijsten met behulp van verschillende procedures, zoals mechanisch polijsten, chemisch polijsten, elektrochemisch polijsten en meer 22,33,34,35.</sup…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ik wil graag mijn supervisor, Wenhua Huang, bedanken voor het bieden van ondersteuningsvoorwaarden en begeleiding voor dit experiment. Dit onderzoek werd gefinancierd door het Discipline-bouwproject van Guangdong Medical University (4SG22260G), Young Innovative Talents Project van Guangdong Higher Education Institutions (2021KQNCX023), National Natural Science Foundation of China (82205301) en Futian Healthcare Research Project (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).
