Plasmapolering som ett nytt poleringsalternativ för att minska ytjämnheten hos porös titanlegering för 3D-utskrift
Summary
Plasmapolering är en lovande ytbehandlingsteknik, särskilt lämplig för 3D-utskrift av porösa arbetsstycken av titanlegering. Det kan ta bort halvsmälta pulver och ablativa oxidskikt, vilket effektivt minskar ytjämnheten och förbättrar ytkvaliteten.
Abstract
Porösa titanlegeringsimplantat med simulerat trabekulärt ben tillverkat av 3D-utskriftsteknik har breda utsikter. På grund av det faktum att en del pulver fäster vid arbetsstyckets yta under tillverkningsprocessen är ytjämnheten i direkttryckstycken relativt hög. Samtidigt, eftersom de inre porerna i den porösa strukturen inte kan poleras genom konventionell mekanisk polering, måste en alternativ metod hittas. Som ytteknik är plasmapoleringstekniken särskilt lämplig för delar med komplexa former som är svåra att polera mekaniskt. Det kan effektivt avlägsna partiklar och fina stänkrester fästa på ytan av 3D-tryckta porösa titanlegeringsstycken. Därför kan det minska ytjämnheten. För det första används titanlegeringspulver för att skriva ut den porösa strukturen hos det simulerade trabekulära benet med en metall 3D-skrivare. Efter utskrift utförs värmebehandling, avlägsnande av stödstrukturen och ultraljudsrengöring. Därefter utförs plasmapolering, bestående av tillsats av en polerelektrolyt med pH inställt på 5,7, förvärmning av maskinen till 101,6 °C, fixering av arbetsstycket på poleringsfixturen och inställning av spänningen (313 V), ström (59 A) och poleringstid (3 min). Efter polering analyseras ytan på det porösa titanlegeringsarbetsstycket med ett konfokalmikroskop och ytjämnheten mäts. Svepelektronmikroskopi används för att karakterisera ytförhållandet hos poröst titan. Resultaten visar att ytjämnheten hos hela det porösa titanlegeringsarbetsstycket ändrades från Ra (genomsnittlig grovhet) = 126,9 μm till Ra = 56,28 μm, och ytjämnheten hos den trabekulära strukturen ändrades från Ra = 42,61 μm till Ra = 26,25 μm. Under tiden avlägsnas halvsmälta pulver och ablativoxidskikt och ytkvaliteten förbättras.
Introduction
Titan och titanlegeringsmaterial har använts i stor utsträckning som dentala och ortopediska implantatmaterial på grund av deras goda biokompatibilitet, korrosionsbeständighet och mekaniska hållfasthet 1,2,3. På grund av den höga elastiska modulen hos den kompakta titanlegeringen som produceras med traditionella bearbetningsmetoder är dessa plattor emellertid inte lämpliga för benreparation, eftersom närhet till benytan under långa perioder kan resultera i spänningsavskärmning och bensprödhet 4,5 . Därför bör den porösa mikrostrukturen hos simulerade bentrabeculae användas i implantat av titanlegering för att reducera dess elastiska modul till den nivå som matchar benet 6,7. Många byggnadsställningar har använts inom ortopedi för att förbättra cellviabilitet, fastsättning, proliferation och homing, osteogen differentiering, angiogenes, värdintegration och viktbärande 4,8,9. Traditionella tillverkningsmetoder för porösa metallkonstruktioner inkluderar strukturmallmetoden, defektbildningsmetoden, kompressions- eller superkritisk koldioxidmetod, elektrodeponeringsteknik10,11 etc. Även om dessa produktionstekniker är mycket traditionella, slösar de ibland bort råvaror och har betydande förberedande kostnader jämfört med 3D-utskrift12,13. 3D-utskrift är en teknik som använder metall- eller plastpulver och andra limmaterial för att bygga solida 3D-objekt från datorstödd design (CAD) -modeller via avsättning av överliggande lager14,15 . 3D-utskrift visar stor potential i att direkt anpassa metalliska cellulära ställningar för ortopediska implantat och öppnar nya möjligheter för tillverkning av anpassningsbara komplexa mönster med mycket sammankopplade porer. Bland dem är selektiv lasersmältning (SLM) en av de mest representativa 3D-utskrifts- och tillverkningsteknikerna för porösa titanimplantatstrukturer16 .
SLM-processen använder titanlegeringspulver som råmaterial, i huvudsak pulversmältning och formning av strukturen. Därför fäster ett stort antal halvsmälta pulver och ablativa oxidskikt ofta på ytan av titanlegeringsimplantat, vilket leder till hög ytjämnhet17. Dålig ytkvalitet hos porösa titanortopediska implantat leder till inflammation, minskad trötthetsprestanda och till och med nya biologiska risker18 . Eftersom de inre porerna i porösa strukturer inte kan poleras genom konventionell mekanisk polering måste en alternativ metod hittas. Plasmapolering är en ny grön poleringsmetod för metallarbetsstycken som effektivt kan polera arbetsstycken med komplexa former utan förorening19 . Den har stor utvecklingspotential inom efterbehandling av titanlegeringsimplantat.
Som en slags ytteknik är plasmapoleringstekniken särskilt lämplig för metallarbetsstycken med komplexa former som inte är lätta att polera mekaniskt. Det övergripande målet med detta poleringsalternativ är att erhålla en porös titanlegeringsyta med låg grovhet. Tekniken kan effektivt avlägsna partiklar och fina stänkrester fästa på ytan av porösa titanortopediska implantat tillverkade genom 3D-utskrift och minska ytjämnheten20. Principen för plasmapolering är en sammansatt reaktionsprocess baserad på en kombination av ströminducerad kemisk och fysisk borttagning21; Hela kretsen bildar en övergående kortslutning och bildar ett ångplasmaomgivande skikt på arbetsstyckets yta20. Denna process bryter igenom gasskiktet för att bilda en urladdningskanal, vilket påverkar arbetsstyckets yta. Den högre strömmen påverkar den konvexa delen av arbetsstyckets yta, vilket leder till snabbare avlägsnande av halvsmält pulver och det brända oxidskiktet. Konkaviteten och konvexiteten förändras ständigt, och den grova ytan blir gradvis jämn, vilket förbättrar arbetsstyckets ytjämnhet för att uppnå syftet med polering.
Samtidigt är denna teknik en grön bearbetningsteknik som inte orsakar någon förorening av miljön och har stora fördelar jämfört med andra poleringsmetoder. Konventionella mekaniska poleringstekniker inkluderar huvudsakligen mekanisk polering, kemisk polering och elektrokemisk polering22. Mekanisk polering är den mest använda konventionella poleringsprocessen; Det har nackdelarna med låg poleringseffektivitet, högre efterfrågan på manuell arbetskraft och oförmåga att polera delar med komplexa geometrier. Risken för personalskada och sannolikheten för överskridande av toleranser på grund av mänskliga faktorer är vanliga nackdelar med mekanisk polering23. Till skillnad från kemisk polering, som bygger på att använda en kemisk lösning för att avlägsna delar av ett arbetsstyckes material, använder elektrokemisk polering en elektrisk ström och kemisk lösning för att uppnå samma resultat. Tyvärr producerar båda dessa processer farliga gaser och vätskor som biprodukter av användning, vars sammansättning är beroende av styrkan hos det syra eller alkaliska kemiska reagens som används. Till följd av detta anses inte bara de närvarande arbetstagarna vara utsatta för risker på grund av exponering, utan det finns också risk för allvarliga skador på miljön24. Aliakseyeu et al.25 föreslog att plasmapolering skulle användas för polering av arbetsstycken av titanlegering med enkel elektrolytsammansättning. De fann att efter polering av titanprov avlägsnas repor på ytan och ytglansen förbättras avsevärt. Smyslova et al.26 övervägde möjligheterna att tillämpa plasmapoleringsteknik för att behandla ytorna på medicinska implantat.
Teoretiskt kan plasmapoleringsteknik användas för att polera strukturen hos vilken metalldel som helst. Det har använts i stor utsträckning för beläggning, inom metallbearbetningsindustrin och i 3C-elektronik, bland annat22,27,28. Den aktuella studien har dock vissa begränsningar. Först och främst fokuserar manuskriptet endast på ytkvaliteten och ytjämnheten hos 3D-utskrift av porös titanlegering före och efter plasmapolering; De återstående ändringarna berörs inte. För det andra mätte och registrerade vi inte resultaten efter värmebehandling. Jinyoung Kim et al.29 jämförde strategier för modifiering av titanytan för förbättring av osseointegration. En annan studie visar att TIPS-tekniken (target-ion induced plasma sputtering) kan ge utmärkta biologiska funktioner till ytan av metalliska bioimplantat30. För att ytterligare undersöka poleringseffekten och säkerheten hos porös titanlegering för 3D-utskrift blir nästa steg att ytterligare studera SLM-delens övriga egenskaper, såsom utmattningsprestanda och osteogen differentiering. Dessa frågor behöver finslipas ytterligare. Detta arbete skiljer sig från tidigare plasmapoleringsstudier genom att det fokuserar på 3D-utskrift av porös titanlegering snarare än kompakt titanlegering. Som ett resultat bör olika tillverkningsprocesser anta olika poleringsparametrar. Syftet med detta manuskript är att introducera plasmapoleringsschemat för 3D-utskrift av porös titanlegering i detalj för att minska ytjämnheten hos arbetsstycken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ytjämnhet används för att beskriva mängden vågbildning och ojämnhet hos mikrogeometriska former på arbetsstyckets ytor inom ett litet avståndsområde. Ett antal tidigare studier har rapporterat hur man polerar metallytor med olika procedurer, såsom mekanisk polering, kemisk polering, elektrokemisk polering och mer 22,33,34,35. Även om många studier har visat prospektiva poleringseffe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Jag vill tacka min handledare, Wenhua Huang, för att ge stödvillkor och vägledning för detta experiment. Denna forskning finansierades av disciplinbyggnadsprojektet vid Guangdong Medical University (4SG22260G), Young Innovative Talents Project of Guangdong Higher Education Institutions (2021KQNCX023), National Natural Science Foundation of China (82205301) och 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).
