ליטוש פלזמה כאפשרות ליטוש חדשה להפחתת חספוס פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית להדפסה תלת-ממדית
Summary
ליטוש פלזמה היא טכנולוגיית עיבוד פני שטח מבטיחה, המתאימה במיוחד להדפסה תלת מימדית של יצירות עבודה מסגסוגת טיטניום נקבוביות. הוא יכול להסיר אבקות מותכות למחצה ושכבות תחמוצת אבלטיבית, ובכך להפחית ביעילות את חספוס פני השטח ולשפר את איכות פני השטח.
Abstract
לשתלי סגסוגת טיטניום נקבוביים עם עצם טרבקולרית מדומה המיוצרת על ידי טכנולוגיית הדפסה תלת ממדית יש סיכויים רחבים. עם זאת, בשל העובדה כי אבקה מסוימת דבקה על פני השטח של חומר העבודה במהלך תהליך הייצור, חספוס פני השטח חתיכות הדפסה ישירה הוא גבוה יחסית. יחד עם זאת, מכיוון שלא ניתן ללטש את הנקבוביות הפנימיות של המבנה הנקבובי על ידי ליטוש מכני קונבנציונלי, יש למצוא שיטה חלופית. כטכנולוגיית פני שטח, טכנולוגיית ליטוש פלזמה מתאימה במיוחד לחלקים בעלי צורות מורכבות שקשה ללטש מכנית. זה יכול להסיר ביעילות חלקיקים ושאריות התזה עדינות המחוברות לפני השטח של יצירות עבודה מסגסוגת טיטניום נקבובית מודפסת בתלת-ממד. לכן, זה יכול להפחית את חספוס פני השטח. ראשית, אבקת סגסוגת טיטניום משמש להדפסת המבנה הנקבובי של עצם trabecular מדומה עם מדפסת מתכת 3D. לאחר ההדפסה, טיפול בחום, הסרת המבנה התומך, ניקוי קולי מתבצע. לאחר מכן, מתבצע ליטוש פלזמה, המורכב מהוספת אלקטרוליט ליטוש עם ה- pH מוגדר ל -5.7, חימום מראש של המכונה ל -101.6 מעלות צלזיוס, קיבוע חומר העבודה על מתקן הליטוש והגדרת המתח (313 V), זרם (59 A) וזמן ליטוש (3 דקות). לאחר ליטוש, פני השטח של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי מנותחים על ידי מיקרוסקופ קונפוקלי, וחספוס פני השטח נמדד. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק משמש לאפיון מצב פני השטח של טיטניום נקבובי. התוצאות מראות כי חספוס פני השטח של כל חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי השתנה מ- Ra (חספוס ממוצע) = 126.9 מיקרומטר ל- Ra = 56.28 מיקרומטר, וחספוס פני השטח של המבנה הטרבקולרי השתנה מ- Ra = 42.61 מיקרומטר ל- Ra = 26.25 מיקרומטר. בינתיים, אבקות מותכות למחצה ושכבות תחמוצת אבלטיבי מוסרים, ואיכות פני השטח משופרת.
Introduction
חומרי סגסוגת טיטניום וטיטניום נמצאים בשימוש נרחב כחומרי שתלים דנטליים ואורתופדיים בגלל התאימות הביולוגית הטובה שלהם, עמידות בפני קורוזיה וחוזק מכני 1,2,3. עם זאת, בשל המודולוס האלסטי הגבוה של סגסוגת הטיטניום הקומפקטית המיוצרת בשיטות עיבוד מסורתיות, לוחות אלה אינם מתאימים לתיקון עצם, שכן קרבה לפני השטח של העצם לתקופות ארוכות עלולה לגרום למיגון מתח וחריקת עצם 4,5 . לכן, יש להשתמש במיקרו-מבנה הנקבובי של טרבקולה מדומה של עצם בשתלי סגסוגת טיטניום על מנת להפחית את המודולוס האלסטי שלה לרמה התואמת את העצם 6,7. פיגומים רבים שימשו בתחום האורתופדיה לשיפור כדאיות התא, התקשרות, התרבות וביות, התמיינות אוסטאוגנית, אנגיוגנזה, אינטגרציה של מארח ונשיאת משקל 4,8,9. שיטות ייצור מסורתיות של מבני מתכת נקבוביים כוללות את שיטת התבנית המבנית, שיטת היווצרות הפגמים, שיטת דחיסה או פחמן דו חמצני סופר-קריטי, טכניקת אלקטרו-דפוזיציה10,11 וכו ‘. למרות שטכניקות ייצור אלה הן מסורתיות מאוד, הן מבזבזות מדי פעם חומרי גלם ויש להן עלויות הכנה משמעותיות בהשוואה להדפסת תלת מימד12,13. הדפסה תלת מימדית היא טכנולוגיה המשתמשת באבקת מתכת או פלסטיק וחומרי דבק אחרים לבניית אובייקטים תלת-ממדיים מוצקים ממודלים של תכנון בעזרת מחשב (CAD) באמצעות שיקוע שכבות14,15 מעל. הדפסה בתלת-ממד מראה פוטנציאל גדול בהתאמה אישית ישירה של פיגומים תאיים מתכתיים עבור שתלים אורתופדיים ופותחת אפשרויות חדשות לייצור עיצובים מורכבים הניתנים להתאמה אישית עם נקבוביות מחוברות מאוד. ביניהם, התכת לייזר סלקטיבית (SLM) היא אחת מטכנולוגיות ההדפסה והייצור התלת-ממדיות המייצגות ביותר עבור מבני שתלי טיטניום נקבוביים16 .
תהליך SLM משתמש באבקת סגסוגת טיטניום כחומר הגלם, למעשה האבקה נמסה ויוצרת את המבנה. לכן, מספר רב של אבקות מותכות למחצה ושכבות תחמוצת אבלטיביות נצמדות לעתים קרובות לפני השטח של שתלי סגסוגת טיטניום, מה שמוביל לחספוס פני שטח גבוה17. איכות פני שטח ירודה של שתלים אורתופדיים מטיטניום נקבובי מובילה לדלקת, ירידה בביצועי עייפות ואפילו סיכונים ביולוגיים חדשים18 . מכיוון שלא ניתן ללטש את הנקבוביות הפנימיות של מבנים נקבוביים על ידי ליטוש מכני קונבנציונלי, יש למצוא שיטה חלופית. ליטוש פלזמה היא שיטת ליטוש ירוקה חדשה לעבודות מתכת שיכולה ללטש ביעילות יצירות עבודה עם צורות מורכבות ללא זיהום19 . יש לו פוטנציאל פיתוח גדול בתחום שתל סגסוגת טיטניום לאחר עיבוד.
כסוג של טכנולוגיית פני שטח, טכנולוגיית ליטוש פלזמה מתאימה במיוחד לעבודות מתכת בעלות צורות מורכבות שלא קל ללטש מכנית. המטרה הכוללת של אפשרות ליטוש זו היא להשיג משטח סגסוגת טיטניום נקבובי עם חספוס נמוך. הטכנולוגיה יכולה להסיר ביעילות חלקיקים ושאריות התזה עדינות המחוברות לפני השטח של שתלים אורתופדיים נקבוביים מטיטניום המיוצרים על ידי הדפסה תלת ממדית ולהפחית את חספוס פני השטח20. עקרון ליטוש הפלזמה הוא תהליך תגובה מרוכב המבוסס על שילוב של הסרה כימית ופיזיקלית הנגרמת על ידי זרם21; המעגל כולו יוצר קצר חולף, ויוצר שכבת אדים המקיפה פלזמה על משטח חומר העבודה20. תהליך זה פורץ דרך שכבת הגז ויוצר תעלת פריקה, ומשפיע על משטח חומר העבודה. הזרם הגבוה יותר משפיע על החלק הקמור של משטח חומר העבודה, מה שמוביל להסרה מהירה יותר של אבקה מותכת למחצה ושכבת התחמוצת השרופה. הקמירות והקמור משתנים ללא הרף, והמשטח המחוספס מוחלק בהדרגה, ומשפר את חספוס פני השטח של חומר העבודה כדי להשיג את מטרת הליטוש.
יחד עם זאת, טכנולוגיה זו היא טכנולוגיית עיבוד ירוקה, שאינה גורמת לזיהום הסביבה, ויש לה יתרונות גדולים בהשוואה לשיטות ליטוש אחרות. טכניקות ליטוש מכניות קונבנציונליות כוללות בעיקר ליטוש מכני, ליטוש כימי וליטוש אלקטרוכימי22. ליטוש מכני הוא תהליך הליטוש הקונבנציונלי הנפוץ ביותר; יש לו את החסרונות של יעילות ליטוש נמוכה, ביקוש גבוה יותר לעבודה ידנית, וחוסר יכולת ללטש חלקים עם גיאומטריות מורכבות. הפוטנציאל לפגיעה בעובד והסבירות לחרוג מהטולרנסים עקב גורמים אנושיים הם חסרונות תכופים של ליטוש מכני23. בניגוד לליטוש כימי, המבוסס על שימוש בתמיסה כימית להסרת חלקים מחומר העבודה, ליטוש אלקטרוכימי משתמש בזרם חשמלי ובתמיסה כימית כדי להשיג את אותה תוצאה. למרבה הצער, שני תהליכים אלה מייצרים גזים מסוכנים ונוזלים כתוצרי לוואי של שימוש, הרכב אשר תלוי בחוזק של חומצה או מגיב כימי אלקליין בשימוש. כתוצאה מכך, לא זו בלבד שהעובדים הנוכחים נמצאים בסיכון עקב החשיפה, אלא קיים גם פוטנציאל לפגיעה חמורה בסביבה24 . Aliakseyeu et al.25 הציעו להשתמש בליטוש פלזמה לליטוש יצירות עבודה מסגסוגת טיטניום עם הרכב אלקטרוליטים פשוט. הם מצאו כי לאחר ליטוש דגימת טיטניום מסירים שריטות משטח ומבריק פני השטח משופר באופן משמעותי. Smyslova et al.26 דנו בסיכויים ליישם טכנולוגיית ליטוש פלזמה לטיפול במשטחים של שתלים רפואיים.
תיאורטית, ניתן להשתמש בטכנולוגיית ליטוש פלזמה כדי ללטש את המבנה של כל חלק מתכת. זה כבר מיושם נרחב עבור ציפוי, בתעשיות גימור מתכת, ובאלקטרוניקה 3C, בין היתר22,27,28. עם זאת, למחקר הנוכחי יש כמה מגבלות. ראשית, כתב היד מתמקד רק באיכות פני השטח ובחספוס פני השטח של הדפסת תלת מימד מסגסוגת טיטניום נקבובית לפני ואחרי ליטוש פלזמה; שאר השינויים אינם מעורבים. שנית, לא מדדנו ותיעדנו את התוצאות לאחר הטיפול בחום. Jinyoung Kim et al.29 השוו אסטרטגיות לשינוי פני השטח מטיטניום לשיפור אוסאואינטגרציה. מחקר אחר מראה כי טכניקת ה-TIPS (ראשי תיבות של target-ion induced plasma sputtering) יכולה להקנות פונקציות ביולוגיות מצוינות לפני השטח של שתלים ביולוגיים מתכתיים30. על מנת להמשיך לחקור את יעילות הליטוש והבטיחות של סגסוגת טיטניום נקבובית להדפסה תלת-ממדית, השלב הבא יהיה להמשיך ולחקור את התכונות האחרות של חלק SLM, כגון ביצועי עייפות והתמיינות אוסטאוגנית. נושאים אלה זקוקים לחידוד נוסף. עבודה זו שונה ממחקרי ליטוש פלזמה קודמים בכך שהיא מתמקדת בהדפסה תלת ממדית של סגסוגת טיטניום נקבובית ולא בסגסוגת טיטניום קומפקטית. כתוצאה מכך, תהליכי ייצור שונים צריכים לאמץ פרמטרים שונים של ליטוש. מטרת כתב היד הזה היא להציג את ערכת ליטוש הפלזמה של הדפסת תלת מימד סגסוגת טיטניום נקבובית בפירוט, כדי להפחית את חספוס פני השטח של עבודות עבודה.
Protocol
Representative Results
Discussion
חספוס פני השטח משמש לתיאור כמות הגליות וחוסר האחידות של צורות מיקרו גיאומטריות על משטחי חומר עבודה בטווח מרווח קטן. מספר מחקרים קודמים דיווחו כיצד ללטש משטחי מתכת באמצעות הליכים שונים, כגון ליטוש מכני, ליטוש כימי, ליטוש אלקטרוכימי, ועוד 22,33,34,35.<sup class="xr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אני רוצה להודות למנחה שלי, וונהואה הואנג, על מתן תנאי תמיכה והדרכה לניסוי הזה. מחקר זה מומן על ידי פרויקט בניית המשמעת של האוניברסיטה הרפואית גואנגדונג (4SG22260G), פרויקט כישרונות חדשניים צעירים של מוסדות גואנגדונג להשכלה גבוהה (2021KQNCX023), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (82205301), ופרויקט מחקר הבריאות Futian (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 |
Referências
- 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).
