JoVE Journal > Medicine
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Medicina

3D baskı için gözenekli titanyum alaşımının yüzey pürüzlülüğünü azaltmak için yeni bir parlatma seçeneği olarak plazma parlatma

Published: April 28, 2023
doi:
10.3791/65108
, , , , , , ,
1Orthopedic Center,Affiliated Hospital of Guangdong Medical University, 2The School of Basic Medical Sciences,Guangdong Medical University, 3The School of Basic Medical Sciences,Fujian Medical University, 4Guangdong Engineering Research Center for Translation of Medical 3D Printing Application, Guangdong Provincial Key Laboratory of Digital Medicine and Biomechanics, National Key Discipline of Human Anatomy, School of Basic Medical Sciences,Southern Medical University, 5Integrated Hospital of Traditional Chinese Medicine,Southern Medical University, 6Shenzhen Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine (Futian)

Summary

Plazma parlatma, özellikle gözenekli titanyum alaşımlı iş parçalarının 3D baskısı için uygun, umut verici bir yüzey işleme teknolojisidir. Yarı erimiş tozları ve ablatif oksit tabakalarını giderebilir, böylece yüzey pürüzlülüğünü etkili bir şekilde azaltabilir ve yüzey kalitesini artırabilir.

Abstract

3D baskı teknolojisi ile üretilen simüle edilmiş trabeküler kemiğe sahip gözenekli titanyum alaşımlı implantlar geniş beklentilere sahiptir. Bununla birlikte, üretim işlemi sırasında bir miktar tozun iş parçasının yüzeyine yapışması nedeniyle, doğrudan baskı parçalarındaki yüzey pürüzlülüğü nispeten yüksektir. Aynı zamanda, gözenekli yapının iç gözenekleri geleneksel mekanik parlatma ile parlatılamayacağından, alternatif bir yöntemin bulunması gerekir. Bir yüzey teknolojisi olarak, plazma parlatma teknolojisi özellikle mekanik olarak parlatılması zor olan karmaşık şekillere sahip parçalar için uygundur. 3D baskılı gözenekli titanyum alaşımlı iş parçalarının yüzeyine tutturulmuş parçacıkları ve ince sıçrama kalıntılarını etkili bir şekilde temizleyebilir. Bu nedenle, yüzey pürüzlülüğünü azaltabilir. İlk olarak, simüle edilmiş trabeküler kemiğin gözenekli yapısını metal bir 3D yazıcı ile yazdırmak için titanyum alaşımlı toz kullanılır. Baskıdan sonra, ısıl işlem, destekleyici yapının çıkarılması ve ultrasonik temizleme gerçekleştirilir. Daha sonra, pH değeri 5.7’ye ayarlanmış bir parlatma elektroliti eklenmesi, makinenin önceden 101.6 ° C’ye ısıtılması, iş parçasının parlatma fikstürüne sabitlenmesi ve voltajın (313 V), akımın (59 A) ve parlatma süresinin (3 dakika) ayarlanmasından oluşan plazma parlatma işlemi gerçekleştirilir. Parlatma işleminden sonra, gözenekli titanyum alaşımlı iş parçasının yüzeyi konfokal bir mikroskopla analiz edilir ve yüzey pürüzlülüğü ölçülür. Taramalı elektron mikroskobu, gözenekli titanyumun yüzey durumunu karakterize etmek için kullanılır. Sonuçlar, tüm gözenekli titanyum alaşımlı iş parçasının yüzey pürüzlülüğünün Ra (ortalama pürüzlülük) = 126.9 μm’den Ra = 56.28 μm’ye değiştiğini ve trabeküler yapının yüzey pürüzlülüğünün Ra = 42.61 μm’den Ra = 26.25 μm’ye değiştiğini göstermektedir. Bu arada, yarı erimiş tozlar ve ablatif oksit tabakaları uzaklaştırılır ve yüzey kalitesi iyileştirilir.

Introduction

Titanyum ve titanyum alaşımlı malzemeler, iyi biyouyumlulukları, korozyon direnci ve mekanik dayanımları nedeniyle dental ve ortopedik implant malzemeleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır 1,2,3. Bununla birlikte, geleneksel işleme yöntemleriyle üretilen kompakt titanyum alaşımının yüksek elastik modülü nedeniyle, bu plakalar kemik onarımı için uygun değildir, çünkü kemik yüzeyine uzun süre yakın olması stres kalkanı ve kemik gevrekleşmesine neden olabilir 4,5 . Bu nedenle, simüle edilmiş kemik trabeküllerinin gözenekli mikroyapısı, elastik modülünü kemik 6,7 ile eşleşen seviyeye düşürmek için titanyum alaşımlı implantlarda kullanılmalıdır. Ortopedi alanında hücre canlılığını, bağlanmayı, proliferasyonu ve homing’i, osteojenik farklılaşmayı, anjiyogenezi, konak entegrasyonunu ve ağırlık taşımayı geliştirmek için birçok iskele kullanılmıştır 4,8,9. Gözenekli metal yapıların geleneksel imalat yöntemleri, yapısal şablon yöntemini, kusur oluşturma yöntemini, sıkıştırma veya süperkritik karbondioksit yöntemini, elektro-biriktirme tekniğini10,11, vb. İçerir. Bu üretim teknikleri son derece geleneksel olmasına rağmen, zaman zaman hammaddeleri israf ederler ve 3D baskı ile karşılaştırıldığında önemli hazırlık maliyetlerine sahiptirler12,13. 3D baskı, üstteki katmanların birikmesi yoluyla bilgisayar destekli tasarım (CAD) modellerinden katı 3D nesneler oluşturmak için metal veya plastik toz ve diğer yapışkan malzemeleri kullanan bir teknolojidir14,15 . 3D baskı, ortopedik implantlar için metalik hücresel iskelelerin doğrudan özelleştirilmesinde büyük bir potansiyel gösterir ve birbirine yüksek oranda bağlı gözeneklere sahip özelleştirilebilir karmaşık tasarımlar üretmek için yeni olanaklar sunar. Bunlar arasında, seçici lazer eritme (SLM), gözenekli titanyum implant yapıları için en temsili 3D baskı ve üretim teknolojilerinden biridir16 .

SLM prosesi, hammadde olarak titanyum alaşımlı toz kullanır, esas olarak toz eritir ve yapıyı oluşturur. Bu nedenle, çok sayıda yarı erimiş toz ve ablatif oksit tabakası genellikle titanyum alaşımlı implantların yüzeyine yapışır ve bu da yüksek yüzey pürüzlülüğüne yol açar17. Gözenekli titanyum ortopedik implantların düşük yüzey kalitesi inflamasyona, yorgunluk performansının düşmesine ve hatta yeni biyolojik risklere yol açar18 . Gözenekli yapıların iç gözenekleri geleneksel mekanik parlatma ile parlatılamayacağından, alternatif bir yöntemin bulunması gerekir. Plazma parlatma, karmaşık şekillere sahip iş parçalarını kirlilik olmadan verimli bir şekilde parlatabilen metal iş parçaları için yeni bir yeşil parlatma yöntemidir19 . Titanyum alaşımlı implant post-processing alanında büyük gelişme potansiyeline sahiptir.

Bir tür yüzey teknolojisi olarak, plazma parlatma teknolojisi, mekanik olarak parlatılması kolay olmayan karmaşık şekillere sahip metal iş parçaları için özellikle uygundur. Bu parlatma seçeneğinin genel amacı, düşük pürüzlülüğe sahip gözenekli bir titanyum alaşımlı yüzey elde etmektir. Teknoloji, 3D baskı ile üretilen gözenekli titanyum ortopedik implantların yüzeyine yapışan parçacıkları ve ince sıçrama kalıntılarını etkili bir şekilde temizleyebilir ve yüzey pürüzlülüğünü azaltabilir20. Plazma parlatma prensibi, akıma bağlı kimyasal ve fiziksel uzaklaştırma21’in bir kombinasyonuna dayanan kompozit bir reaksiyon işlemidir; Tüm devre geçici bir kısa devre oluşturur ve iş parçası yüzeyi20 üzerinde buhar plazmasını çevreleyen bir tabaka oluşturur. Bu işlem, bir boşaltma kanalı oluşturmak için gaz tabakasını kırar ve iş parçası yüzeyini etkiler. Daha yüksek akım, iş parçası yüzeyinin dışbükey kısmını etkiler ve yarı erimiş tozun ve yanmış oksit tabakasının daha hızlı uzaklaştırılmasına yol açar. Konkavite ve dışbükeylik sürekli değişmektedir ve pürüzlü yüzey yavaş yavaş pürüzsüzleşerek parlatma amacına ulaşmak için iş parçasının yüzey pürüzlülüğünü arttırır.

Aynı zamanda, bu teknoloji çevreye kirliliğe neden olmayan yeşil bir işleme teknolojisidir ve diğer parlatma yöntemlerine kıyasla büyük avantajlara sahiptir. Geleneksel mekanik parlatma teknikleri esas olarak mekanik parlatma, kimyasal parlatma ve elektrokimyasal parlatma22’yi içerir. Mekanik parlatma, en yaygın kullanılan geleneksel parlatma işlemidir; Düşük parlatma verimliliği, el emeği için daha yüksek talep ve karmaşık geometrilere sahip parçaların parlatamamasının dezavantajlarına sahiptir. Çalışanların yaralanma potansiyeli ve insan faktörleri nedeniyle toleransları aşma olasılığı, mekanik parlatmanın sık görülen dezavantajlarıdır23. Bir iş parçasının malzemesinin parçalarını çıkarmak için kimyasal bir çözelti kullanmaya dayanan kimyasal parlatmanın aksine, elektrokimyasal parlatma aynı sonucu elde etmek için bir elektrik akımı ve kimyasal çözelti kullanır. Ne yazık ki, her iki işlem de, bileşimi kullanılan asit veya alkali kimyasal reaktifin gücüne bağlı olan kullanım yan ürünleri olarak tehlikeli gazlar ve sıvılar üretir. Sonuç olarak, sadece mevcut işçilerin maruz kalma nedeniyle risk altında olduğu düşünülmekle kalmaz, aynı zamanda çevreye ciddi zarar verme potansiyeli de vardır24. Aliakseyeu ve ark.25 , titanyum alaşımlı iş parçalarını basit elektrolit bileşimi ile parlatmak için plazma parlatma kullanılmasını önerdi. Titanyum numunesinin parlatılmasından sonra yüzey çiziklerinin giderildiğini ve yüzey parlaklığının önemli ölçüde iyileştirildiğini bulmuşlardır. Smyslova ve ark.26 , tıbbi implantların yüzeylerini tedavi etmek için plazma parlatma teknolojisinin uygulanması umutları üzerinde tartıştılar.

Teorik olarak, plazma parlatma teknolojisi herhangi bir metal parçanın yapısını parlatmak için kullanılabilir. Kaplama için, metal terbiye endüstrilerinde ve 3C elektronikte, diğerlerinin yanı sıra22,27,28 yaygın olarak uygulanmıştır. Bununla birlikte, bu çalışmanın bazı sınırlamaları vardır. Her şeyden önce, makale sadece plazma parlatma öncesi ve sonrası 3D baskı gözenekli titanyum alaşımının yüzey kalitesine ve yüzey pürüzlülüğüne odaklanmaktadır; kalan değişiklikler dahil değildir. İkincisi, ısıl işlemden sonra sonuçları ölçmedik ve kaydetmedik. Jinyoung Kim ve ark.29, osseointegrasyon artışı için titanyum yüzey modifikasyon stratejilerini karşılaştırdılar. Başka bir çalışma, hedef iyon kaynaklı plazma püskürtme (TIPS) tekniğinin metalik biyo-implantların yüzeyine mükemmel biyolojik fonksiyonlar kazandırabileceğini göstermektedir30. 3D baskı için gözenekli titanyum alaşımının parlatma etkinliğini ve güvenliğini daha fazla araştırmak için bir sonraki adım, SLM parçasının yorulma performansı ve osteojenik farklılaşma gibi diğer özelliklerini daha fazla incelemek olacaktır. Bu konuların daha da iyileştirilmesi gerekiyor. Bu çalışma, kompakt titanyum alaşımından ziyade 3D baskı gözenekli titanyum alaşımına odaklandığı için önceki plazma parlatma çalışmalarından farklıdır. Sonuç olarak, farklı üretim süreçleri farklı parlatma parametrelerini benimsemelidir. Bu makalenin amacı, iş parçalarının yüzey pürüzlülüğünü azaltmak için 3D baskı gözenekli titanyum alaşımının plazma parlatma şemasını ayrıntılı olarak tanıtmaktır.

Protocol

1. Titanyum alaşımlı bir iş parçasının basılması ve hazırlanması SLM baskı tekniğini kullanarak gözenekli titanyum alaşımından yapılmış bir iş parçası hazırlayın. STL formatındaki dosyaları metal yazıcıya aktarın, Ti-6Al-4V tozu ekleyin, yapı alt tabakasını takın, silecek lastiğini ayarlayın, lazer spot boyutunu 70 μm olarak ayarlayın ve katman kalınlığını 30 μm olarak ayarlayın (Şekil 1). Sınıf 23 Ti-6Al-4V…

Representative Results

Yüzey morfolojisiŞekil 3 , gözenekli titanyum alaşımlı iş parçasının plazma parlatma işleminden önceki ve sonraki yüzey morfolojisinin SEM sonucunu göstermektedir. 30x ve 100x büyütmede, gözenekli titanyum alaşımlı iş parçasının plazma parlatma işleminden önceki yüzeyinin daha pürüzlü göründüğünü gözlemledik (Şekil 3A, B). 500x’e kadar büyütüldüğünde, gözenekli titanyum alaşımı…

Discussion

Yüzey pürüzlülüğü, küçük bir aralık aralığındaki iş parçası yüzeylerindeki mikro geometrik şekillerin dalgalanma ve düzensizlik miktarını tanımlamak için kullanılır. Daha önce yapılan bir dizi çalışma, mekanik parlatma, kimyasal parlatma, elektrokimyasal parlatma ve daha fazlasıgibi farklı prosedürler kullanarak metal yüzeylerin nasıl parlatılacağını bildirmiştir 22,33,34,35.<s…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Süpervizörüm Wenhua Huang’a bu deney için destek koşulları ve rehberlik sağladığı için teşekkür etmek istiyorum. Bu araştırma, Guangdong Tıp Üniversitesi Disiplin inşaat projesi (4SG22260G), Guangdong Yüksek Öğretim Kurumları Genç Yenilikçi Yetenekler Projesi (2021KQNCX023), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (82205301) ve Futian Sağlık Araştırma Projesi (FTWS2022051) tarafından finanse edilmiştir.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Puleo, D. A., Nanci, A. Understanding and controlling bone-implant interface. Biomaterials. 20 (23-24), 2311-2321 (1999).
  2. 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).
  3. Li, S., et al. Functionally graded Ti-6Al-4V meshes with high strength and energy absorption. Advanced Engineering Materials. 18 (1), 34-38 (2016).
  4. 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).
  5. Takizawa, T., et al. Titanium fiber plates for bone tissue repair. Advanced Materials. 30 (4), (2018).
  6. Jung, H. D., et al. Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants. Biomaterials. 37, 49-61 (2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Xu, Y., et al. Honeycomb-like porous 3D nickel electrodeposition for stable Li and Na metal anodes. Energy Storage Materials. 12, 69-78 (2018).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Kumar, K. P. A., Pumera, M. 3D-printing to mitigate COVID-19 pandemic. Advanced Functional Materials. 31 (22), 2100450 (2021).
  15. Palmara, G., Frascella, F., Roppolo, I., Chiappone, A., Chiadò, A. Functional 3D printing: Approaches and bioapplications. Biosensors & Bioelectronics. 175, 112849 (2021).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Li, X., Binnemans, K. Oxidative dissolution of metals in organic solvents. Chemical Reviews. 121 (8), 4506-4530 (2021).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Kim, J., et al. Characterization of titanium surface modification strategies for osseointegration enhancement. Metals. 11 (4), 618 (2021).
  30. Lee, M. K., et al. Nano-topographical control of Ti-Nb-Zr alloy surfaces for enhanced osteoblastic response. Nanomaterials. 11 (6), 1507 (2021).
  31. Barba, D., Alabort, E., Reed, R. C. Synthetic bone: Design by additive manufacturing. Acta Biomaterialia. 97, 637-656 (2019).
  32. 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).
  33. Zhan, D., et al. Confined chemical etching for electrochemical machining with nanoscale accuracy. Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2596-2604 (2016).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).

Tags

Keywords: Plasma PolishingPorous Titanium Alloy3D PrintingSurface RoughnessConfocal MicroscopyRA ParameterAmmonium Sulfate ElectrolytePlasma Polishing Parameters
check_url/pt/65108?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Lin, Z., Luo, L., Lin, D., Deng, Y., Yang, Y., Huang, X., Wu, T., Huang, W. Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing. J. Vis. Exp. (194), e65108, doi:10.3791/65108 (2023).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image