Plasmapolering som en ny poleringsmulighed for at reducere overfladeruheden af porøs titaniumlegering til 3D-udskrivning

Summary

Plasmapolering er en lovende overfladebehandlingsteknologi, der især er velegnet til 3D-print af porøse emner af titanlegering. Det kan fjerne halvsmeltet pulver og ablative oxidlag og derved effektivt reducere overfladens ruhed og forbedre overfladekvaliteten.

Abstract

Porøse titaniumlegeringsimplantater med simuleret trabekulær knogle fremstillet af 3D-printteknologi har brede udsigter. På grund af det faktum, at noget pulver klæber til overfladen af emnet under fremstillingsprocessen, er overfladens ruhed i direkte trykstykker relativt høj. På samme tid, da de indre porer i den porøse struktur ikke kan poleres ved konventionel mekanisk polering, skal der findes en alternativ metode. Som overfladeteknologi er plasmapoleringsteknologi især velegnet til dele med komplekse former, der er vanskelige at polere mekanisk. Det kan effektivt fjerne partikler og fine stænkrester, der er fastgjort til overfladen af 3D-printede porøse titaniumlegeringsemner. Derfor kan det reducere overfladens ruhed. For det første bruges titanlegeringspulver til at udskrive den porøse struktur af den simulerede trabekulære knogle med en metal 3D-printer. Efter udskrivning udføres varmebehandling, fjernelse af understøtningsstrukturen og ultralydsrensning. Derefter udføres plasmapolering, der består i at tilsætte en poleringselektrolyt med pH indstillet til 5,7, forvarme maskinen til 101,6 ° C, fastgøre emnet på poleringsarmaturet og indstille spændingen (313 V), strøm (59 A) og poleringstid (3 min). Efter polering analyseres overfladen af det porøse titaniumlegeringsemne af et konfokalmikroskop, og overfladens ruhed måles. Scanningelektronmikroskopi bruges til at karakterisere overfladetilstanden af porøst titanium. Resultaterne viser, at overfladeruheden af hele det porøse titaniumlegeringsemne ændrede sig fra Ra (gennemsnitlig ruhed) = 126,9 μm til Ra = 56,28 μm, og overfladeruheden af den trabekulære struktur ændrede sig fra Ra = 42,61 μm til Ra = 26,25 μm. I mellemtiden fjernes halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag, og overfladekvaliteten forbedres.

Introduction

Titanium- og titaniumlegeringsmaterialer er blevet brugt i vid udstrækning som dentale og ortopædiske implantatmaterialer på grund af deres gode biokompatibilitet, korrosionsbestandighed og mekaniske styrke ^1,2,3. På grund af det høje elastiske modul i den kompakte titanlegering, der produceres ved traditionelle forarbejdningsmetoder, er disse plader imidlertid ikke egnede til knoglereparation, da nærhed til knogleoverfladen i lange perioder kan resultere i stressafskærmning og knogleskørhed ^4,5 . Derfor bør den porøse mikrostruktur af simulerede knogletrabeculae anvendes i titanlegeringsimplantater for at reducere dets elastiske modul til det niveau, der matcher^{knoglen 6,7}. Mange stilladser er blevet brugt inden for ortopædi til at forbedre cellelevedygtighed, vedhæftning, proliferation og homing, osteogen differentiering, angiogenese, værtsintegration og vægtbærende ^4,8,9. Traditionelle fremstillingsmetoder for porøse metalstrukturer inkluderer strukturskabelonmetoden, defektdannelsesmetoden, kompressions- eller superkritisk kuldioxidmetode, elektroaflejringsteknik^10,11 osv. Selvom disse produktionsteknikker er meget traditionelle, spilder de lejlighedsvis råmaterialer og har betydelige forberedende omkostninger sammenlignet med 3D-udskrivning^12,13. 3D-udskrivning er en teknologi, der bruger metal- eller plastpulver og andre klæbende materialer til at bygge faste 3D-objekter fra computerstøttede designmodeller (CAD) via deponering af overliggende lag^14,15 . 3D-udskrivning viser stort potentiale i direkte tilpasning af metalliske cellulære stilladser til ortopædiske implantater og åbner nye muligheder for fremstilling af tilpassede komplekse designs med stærkt sammenkoblede porer. Blandt dem er selektiv lasersmeltning (SLM) en af de mest repræsentative 3D-print- og fremstillingsteknologier til porøse titaniumimplantatstrukturer¹⁶ .

SLM-processen bruger titaniumlegeringspulver som råmateriale, i det væsentlige pulversmeltning og dannelse af strukturen. Derfor klæber et stort antal halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag ofte til overfladen af titanlegeringsimplantater, hvilket fører til høj overfladeruhed¹⁷. Dårlig overfladekvalitet af porøse titanium ortopædiske implantater fører til betændelse, nedsat træthedsevne og endda nye biologiske risici¹⁸ . Da de indre porer i porøse strukturer ikke kan poleres ved konventionel mekanisk polering, skal der findes en alternativ metode. Plasmapolering er en ny grøn poleringsmetode til metalemner, der effektivt kan polere emner med komplekse former uden forurening¹⁹ . Det har et stort udviklingspotentiale inden for efterbehandling af titaniumlegeringsimplantater.

Som en slags overfladeteknologi er plasmapoleringsteknologi særligt velegnet til metalemner med komplekse former, der ikke er lette at polere mekanisk. Det overordnede mål med denne poleringsmulighed er at opnå en porøs titaniumlegeringsoverflade med lav ruhed. Teknologien kan effektivt fjerne partikler og fine stænkrester, der er fastgjort til overfladen af porøse titaniumortopædiske implantater fremstillet ved 3D-udskrivning og reducere overfladeruhed²⁰. Princippet om plasmapolering er en sammensat reaktionsproces baseret på en kombination af strøminduceret kemisk og fysisk fjernelse²¹; Hele kredsløbet danner en forbigående kortslutning, der danner et dampplasmaomgivende lag på emnets overflade²⁰. Denne proces bryder gennem gaslaget for at danne en udledningskanal, der påvirker emnets overflade. Den højere strøm påvirker den konvekse del af emnets overflade, hvilket fører til hurtigere fjernelse af halvsmeltet pulver og det brændte oxidlag. Konkaviteten og konveksiteten ændrer sig konstant, og den ru overflade glattes gradvist, hvilket forbedrer emnets overfladeruhed for at opnå formålet med polering.

Samtidig er denne teknologi en grøn behandlingsteknologi, der ikke forårsager forurening af miljøet og har store fordele sammenlignet med andre poleringsmetoder. Konventionelle mekaniske poleringsteknikker omfatter hovedsageligt mekanisk polering, kemisk polering og elektrokemisk polering²². Mekanisk polering er den mest udbredte konventionelle poleringsproces; Det har ulemperne ved lav poleringseffektivitet, højere efterspørgsel efter manuel arbejdskraft og manglende evne til at polere dele med komplekse geometrier. Risikoen for medarbejderskader og sandsynligheden for overskridelse af tolerancer på grund af menneskelige faktorer er hyppige ulemper ved mekanisk polering²³. I modsætning til kemisk polering, der er baseret på at bruge en kemisk opløsning til at fjerne dele af et emnes materiale, bruger elektrokemisk polering en elektrisk strøm og kemisk opløsning for at opnå det samme resultat. Desværre producerer begge disse processer farlige gasser og væsker som biprodukter til brug, hvis sammensætning afhænger af styrken af det syre- eller alkaliske kemiske reagens, der anvendes. Som følge heraf anses de tilstedeværende arbejdstagere ikke blot for at være udsat for risiko på grund af eksponering, men der er også risiko for alvorlige skader på miljøet²⁴. Aliakseyeu et ^al.25 foreslog at anvende plasmapolering til polering af titaniumlegeringsemner med simpel elektrolytsammensætning. De fandt ud af, at efter polering af titaniumprøven fjernes ridser, og overfladeglansen forbedres betydeligt. Smyslova et ^al.26 overvejede udsigterne til at anvende plasmapoleringsteknologi til behandling af overfladerne på medicinske implantater.

Teoretisk set kan plasmapoleringsteknologi bruges til at polere strukturen af enhver metaldel. Det er blevet anvendt bredt til belægning, i metalfinishindustrier og i 3C-elektronik, blandt andet^22,27,28. Denne undersøgelse har dog visse begrænsninger. Først og fremmest fokuserer manuskriptet kun på overfladekvaliteten og overfladeruheden af 3D-print porøs titaniumlegering før og efter plasmapolering; De resterende ændringer er ikke involveret. For det andet målte og registrerede vi ikke resultaterne efter varmebehandling. Jinyoung Kim et ^al.29 sammenlignede titaniumoverflademodifikationsstrategier til osseointegrationsforbedring. En anden undersøgelse viser, at den målioninducerede plasmaforstøvningsteknik (TIPS) kan give fremragende biologiske funktioner til overfladen af metalliske bioimplantater³⁰. For yderligere at undersøge poleringseffekten og sikkerheden af porøs titanlegering til 3D-udskrivning vil det næste skridt være at undersøge SLM-delens andre egenskaber yderligere, såsom træthedsydelse og osteogen differentiering. Disse spørgsmål skal finpudses yderligere. Dette arbejde adskiller sig fra tidligere plasmapoleringsundersøgelser ved, at det fokuserer på 3D-udskrivning af porøs titaniumlegering snarere end kompakt titaniumlegering. Som følge heraf bør forskellige fremstillingsprocesser vedtage forskellige poleringsparametre. Formålet med dette manuskript er at introducere plasmapoleringsskemaet for 3D-udskrivning af porøs titaniumlegering i detaljer for at reducere overfladeruheden af emner.

Protocol

1. Udskrivning og klargøring af et emne af titanlegering Forbered et emne lavet af porøs titanlegering ved hjælp af SLM-trykteknikken. Importer filer i STL-format til metalprinteren, tilsæt Ti-6Al-4V-pulver, installer byggesubstratet, opsæt viskerbladet, indstil laserspotstørrelsen til 70 μm, og indstil lagtykkelsen til 30 μm (figur 1). Grad 23 Ti-6Al-4V pulver med kemisk sammensætning som vist i tabel 1 og en pulverpartikelstør…

Representative Results

Overflade morfologiFigur 3 viser SEM-resultatet af overflademorfologien af det porøse titaniumlegeringsemne før og efter plasmapolering. Vi observerede, at ved 30x og 100x forstørrelse synes overfladen af det porøse titaniumlegeringsemne før plasmapolering at være grovere (figur 3A, B). Når det blev forstørret til 500x, fandt vi, at en stor mængde halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag kunne observeres på overfla…

Discussion

Overfladeruhed bruges til at beskrive mængden af bølgende og ujævnheder i mikrogeometriske former på emneoverflader inden for et lille afstandsområde. En række tidligere undersøgelser har rapporteret, hvordan man polerer metaloverflader ved hjælp af forskellige procedurer, såsom mekanisk polering, kemisk polering, elektrokemisk polering og mere 22,33,34,35. Selvom adskillige undersøge…

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