Plasmapolering som et nytt poleringsalternativ for å redusere overflateruheten til porøs titanlegering for 3D-utskrift

Summary

Plasmapolering er en lovende overflatebehandlingsteknologi, spesielt egnet for 3D-utskrift av porøse titanlegeringsemner. Det kan fjerne halvsmeltede pulver og ablative oksidlag, og dermed effektivt redusere overflateruhet og forbedre overflatekvaliteten.

Abstract

Porøse titanlegeringsimplantater med simulert trabekulært bein fremstilt av 3D-utskriftsteknologi har brede utsikter. På grunn av det faktum at noe pulver fester seg til overflaten av arbeidsstykket under produksjonsprosessen, er overflateruheten i direkte utskriftsstykker relativt høy. Samtidig, siden de indre porene i den porøse strukturen ikke kan poleres ved konvensjonell mekanisk polering, må man finne en alternativ metode. Som overflateteknologi er plasmapoleringsteknologi spesielt egnet for deler med komplekse former som er vanskelige å polere mekanisk. Det kan effektivt fjerne partikler og fine sprutrester festet til overflaten av 3D-printede porøse titanlegeringsemner. Derfor kan det redusere overflateruheten. For det første brukes titanlegeringspulver til å skrive ut den porøse strukturen til det simulerte trabekulære beinet med en metall 3D-skriver. Etter utskrift utføres varmebehandling, fjerning av støttestrukturen og ultralydrengjøring. Deretter utføres plasmapolering, bestående av å tilsette en poleringselektrolytt med pH satt til 5,7, forvarme maskinen til 101,6 °C, feste arbeidsstykket på poleringsarmaturen og stille inn spenningen (313 V), strømmen (59 A) og poleringstiden (3 min). Etter polering analyseres overflaten av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket med et konfokalmikroskop, og overflateruheten måles. Scanning elektronmikroskopi brukes til å karakterisere overflatetilstanden til porøs titan. Resultatene viser at overflateruheten til hele det porøse titanlegeringsarbeidsstykket endret seg fra Ra (gjennomsnittlig ruhet) = 126,9 μm til Ra = 56,28 μm, og overflateruheten til den trabekulære strukturen endret seg fra Ra = 42,61 μm til Ra = 26,25 μm. I mellomtiden fjernes halvsmeltede pulver og ablative oksidlag, og overflatekvaliteten forbedres.

Introduction

Titan- og titanlegeringsmaterialer har blitt mye brukt som dentale og ortopediske implantatmaterialer på grunn av deres gode biokompatibilitet, korrosjonsbestandighet og mekanisk styrke ^1,2,3. På grunn av den høye elastiske modulen til den kompakte titanlegeringen produsert ved tradisjonelle behandlingsmetoder, er disse platene imidlertid ikke egnet for beinreparasjon, siden nærhet til beinoverflaten i lange perioder kan resultere i spenningsskjerming og bensprøhet ^4,5 . Derfor bør den porøse mikrostrukturen til simulerte bentrabeculae brukes i titanlegeringsimplantater for å redusere den elastiske modulen til nivået som samsvarer med beinet ^6,7. Mange stillaser har blitt brukt innen ortopedi for å forbedre celle levedyktighet, vedlegg, spredning og homing, osteogen differensiering, angiogenese, vertsintegrasjon og vektbæring ^4,8,9. Tradisjonelle fabrikasjonsmetoder for porøse metallkonstruksjoner inkluderer strukturell malmetode, defektdannelsesmetode, kompresjon eller superkritisk karbondioksidmetode, elektroavsetningsteknikk^10,11, etc. Selv om disse produksjonsteknikkene er svært tradisjonelle, sløser de av og til med råvarer og har betydelige forberedende kostnader sammenlignet med 3D-utskrift^12,13. 3D-utskrift er en teknologi som bruker metall- eller plastpulver og andre limmaterialer for å bygge solide 3D-objekter fra dataassisterte konstruksjonsmodeller (CAD) via avsetning av overliggende lag^14,15. 3D-utskrift viser stort potensial i direkte tilpasning av metalliske cellulære stillaser for ortopediske implantater og åpner for nye muligheter for produksjon av tilpassbare komplekse design med svært sammenkoblede porer. Blant dem er selektiv lasersmelting (SLM) en av de mest representative 3D-utskrifts- og produksjonsteknologiene for porøse titanimplantatstrukturer¹⁶ .

SLM-prosessen bruker titanlegeringspulver som råmateriale, i hovedsak pulver som smelter og danner strukturen. Derfor fester et stort antall halvsmeltede pulver og ablative oksidlag ofte overflaten av titanlegeringsimplantater, noe som fører til høy overflateruhet¹⁷. Dårlig overflatekvalitet på porøse titan ortopediske implantater fører til betennelse, redusert tretthetsytelse og til og med nye biologiske risikoer¹⁸ . Siden de indre porene i porøse strukturer ikke kan poleres ved konvensjonell mekanisk polering, må man finne en alternativ metode. Plasmapolering er en ny grønn poleringsmetode for metallemner som effektivt kan polere arbeidsstykker med komplekse former uten forurensning¹⁹ . Det har stort utviklingspotensial innen etterbehandling av titanlegeringsimplantater.

Som en slags overflateteknologi er plasmapoleringsteknologi spesielt egnet for metallstykker med komplekse former som ikke er lett å bli mekanisk polert. Det overordnede målet med dette poleringsalternativet er å oppnå en porøs titanlegeringsoverflate med lav ruhet. Teknologien kan effektivt fjerne partikler og fine sprutrester festet til overflaten av porøse titan ortopediske implantater fremstilt av 3D-utskrift og redusere overflateruhet²⁰. Prinsippet om plasmapolering er en sammensatt reaksjonsprosess basert på en kombinasjon av strømindusert kjemisk og fysisk fjerning²¹; Hele kretsen danner en forbigående kortslutning som danner et dampplasma-omgivende lag på arbeidsstykkets overflate²⁰. Denne prosessen bryter gjennom gasslaget for å danne en utløpskanal, som påvirker arbeidsstykkets overflate. Den høyere strømmen påvirker den konvekse delen av arbeidsstykkets overflate, noe som fører til raskere fjerning av halvsmeltet pulver og det brente oksidlaget. Konkavitet og konveksiteten endrer seg stadig, og den ru overflaten blir gradvis glatt, noe som forbedrer arbeidsstykkets overflateruhet for å oppnå formålet med polering.

Samtidig er denne teknologien en grønn prosesseringsteknologi som ikke forårsaker forurensning til miljøet, og har store fordeler sammenlignet med andre poleringsmetoder. Konvensjonelle mekaniske poleringsteknikker inkluderer hovedsakelig mekanisk polering, kjemisk polering og elektrokjemisk polering²². Mekanisk polering er den mest brukte konvensjonelle poleringsprosessen; Det har ulempene med lav poleringseffektivitet, høyere etterspørsel etter manuell arbeidskraft og manglende evne til å polere deler med komplekse geometrier. Potensialet for personskade og sannsynligheten for å overskride toleranser på grunn av menneskelige faktorer er hyppige ulemper ved mekanisk polering²³. I motsetning til kjemisk polering, som er basert på å bruke en kjemisk løsning for å fjerne deler av et arbeidsstykkes materiale, bruker elektrokjemisk polering en elektrisk strøm og kjemisk løsning for å oppnå samme resultat. Dessverre produserer begge disse prosessene farlige gasser og væsker som biprodukter av bruk, hvis sammensetning er avhengig av styrken av syren eller alkalisk kjemisk reagens som brukes. Som et resultat anses ikke bare de tilstedeværende arbeidstakerne å være i fare på grunn av eksponering, men det er også potensial for alvorlig skade på miljøet²⁴. Aliakseyeu et ^al.25 foreslo å benytte plasmapolering for polering av titanlegeringsemner med enkel elektrolyttsammensetning. De fant ut at etter polering av titan fjernes overflateriper og overflateglansen forbedres betydelig. Smyslova et ^al.26 drøftet utsiktene til å anvende plasmapoleringsteknologi for å behandle overflatene til medisinske implantater.

Teoretisk sett kan plasmapoleringsteknologi brukes til å polere strukturen til en hvilken som helst metalldel. Det har blitt mye brukt til belegg, i metallbehandlingsindustrier, og i 3C-elektronikk, blant annet^22,27,28. Den foreliggende studien har imidlertid noen begrensninger. Først og fremst fokuserer manuskriptet bare på overflatekvaliteten og overflateruheten til 3D-utskrift av porøs titanlegering før og etter plasmapolering; De resterende endringene er ikke involvert. For det andre målte og registrerte vi ikke resultatene etter varmebehandling. Jinyoung Kim et ^al.29 sammenlignet titanoverflatemodifikasjonsstrategier for osseointegrasjonsforbedring. En annen studie viser at målionindusert plasma sputtering (TIPS) teknikk kan gi gode biologiske funksjoner til overflaten av metalliske bioimplantater³⁰. For å undersøke poleringseffektiviteten og sikkerheten til porøs titanlegering for 3D-utskrift, vil neste trinn være å studere SLM-delens andre egenskaper, som utmattingsytelse og osteogen differensiering. Disse problemene trenger ytterligere forbedring. Dette arbeidet skiller seg fra tidligere plasmapoleringsstudier ved at det fokuserer på 3D-utskrift av porøs titanlegering i stedet for kompakt titanlegering. Som et resultat bør forskjellige produksjonsprosesser vedta forskjellige poleringsparametere. Formålet med dette manuskriptet er å introdusere plasmapoleringsskjemaet for 3D-utskrift av porøs titanlegering i detalj, for å redusere overflateruheten på arbeidsstykkene.

Protocol

1. Utskrift og klargjøring av et arbeidsstykke i titanlegering Forbered et arbeidsstykke laget av porøs titanlegering ved hjelp av SLM-utskriftsteknikken. Importer filer i STL-format til metallskriveren, tilsett Ti-6Al-4V-pulver, installer byggesubstratet, sett opp viskerbladet, sett laserpunktstørrelsen til 70 μm og sett lagtykkelsen til 30 μm (figur 1). Grad 23 Ti-6Al-4V pulver med kjemisk sammensetning som vist i tabell 1 og en pu…

Representative Results

OverflatemorfologiFigur 3 viser SEM-resultatet av overflatemorfologien til det porøse titanlegeringsarbeidsstykket før og etter plasmapolering. Vi observerte at ved 30x og 100x forstørrelse synes overflaten av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket før plasmapolering å være grovere (figur 3A, B). Når forstørret til 500x, fant vi at en stor mengde halvsmeltede pulver og ablative oksidlag kunne observeres på overfla…

Discussion

Overflateruhet brukes til å beskrive mengden bølge og ujevnhet av mikrogeometriske former på arbeidsstykkeoverflater innenfor et lite avstandsområde. En rekke tidligere studier har rapportert hvordan man polerer metalloverflater ved hjelp av forskjellige prosedyrer, for eksempel mekanisk polering, kjemisk polering, elektrokjemisk polering og mer 22,33,34,35. Selv om mange studier har vist p…

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