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 matcherknoglen 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, elektroaflejringsteknik10,11 osv. Selvom disse produktionsteknikker er meget traditionelle, spilder de lejlighedsvis råmaterialer og har betydelige forberedende omkostninger sammenlignet med 3D-udskrivning12,13. 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 lag14,15 . 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 andet22,27,28. 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 pulverpartikelstørrelse på 15-53 μm.
- Design den porøse titaniumlegeringsstruktur med simuleret trabekulær knogle baseret på Tyson polygonanisotropi ved hjælp af parametrisk modellering med en blændestørrelse på 400-600 μm, lille strålediameter på 100-300 μm og porøsitet på 70%31 .
- Sørg for, at det porøse emne af titaniumlegering har form som det medicinske lændebur32. Til den porøse struktur og lændehvirvelburet skal du bruge boolske operationer til at opnå den porøse emnestruktur.
2. Varmebehandling
- En høj temperaturgradient under SLM-udskrivning vil forårsage restspænding i emnet. Brug varmebehandling til at fjerne restbelastningen inde i emnet og opretholde emnets sejhed, plasticitet, trækstyrke og andre fysiske egenskaber.
- Det porøse emne af titanlegering adskilles fra tryksubstratet efter udskrivning ved hjælp af en trådskæremaskine med medium hastighed. Installer titaniumpladen på trådskæremaskinen med medium hastighed for at gøre pladen vinkelret på jorden, og sørg for, at ledningen bare kommer i kontakt med støttefladen. Skær derefter langs understøtningen og titaniumpladen for at adskille det porøse emne af titanlegering fra tryksubstratet.
- Placer det porøse titaniumlegeringsemne i ultralydsrensemaskinen med deioniseret vand i 15 minutter og temperaturen kontrolleret ved 30 ° C. Hold ultralydfrekvensen på 40.000 Hz. Ultralydsrensningen sigter mod at fjerne titanlegeringspulveret, der er tilbage i den porøse struktur.
- Gentag den førnævnte ultralydsrensningsprocedure fire gange for at fjerne resterende titanlegeringspulver og deioniseret vand fra den porøse struktur. Derefter rettes højtryksluft mod den porøse struktur i 20 s for at blæse det resterende pulver og væske væk. Højtryksluftens tryk er 0,71 MPa, som genereres af en luftkompressor og lufttørrer.
- Sæt titaniumkurven i varmebehandlingsovnen ved stuetemperatur. Titaniumkurven er udstyret med titaniumlegeringsemner adskilt fra underlaget. Hold forskellige emner fra at røre hinanden, og luk ovndøren.
- Åbn gasventilen, tag luften ud, og hold vakuumgraden på 3,9 x 10-3 Pa.
- Indstil varmebehandlingsprocessen. Opvarm først ovnen til 800 ° C i 1,5 time, hold temperaturen i 2 timer, og afkøl derefter emnet inde i ovnen. Denne proces sikrer, at vakuumtrykket forbliver uændret.
- Efter varmebehandlingen afkøles ovnen til stuetemperatur og fyldes ovnen med luft. Når du er vendt tilbage til atmosfærisk tryk, som det ses på panelet, skal du tage det porøse titaniumlegeringsemne ud.
3. Fjernelse af understøttelsen
- Efter varmebehandling har de porøse titaniumlegeringsemner ingen intern restspænding, så emnets overflade vil ikke revne og/eller knække, når understøtningen fjernes.
- Mål støttetykkelsen ved hjælp af en verniertykkelse, fastgør emnet på EDM-maskinen (low-speed wire-cutting electrical discharge) maskine, og sørg for, at kobbertråden bare kommer i kontakt med støtteoverfladen.
- Indstil skæredybden svarende til understøtningstykkelsen. Det er uundgåeligt, at fjernelse af støtten fra den trådskærende EDM-maskine vil danne et ablationsoxidlag. Når du fjerner understøtningen, skal du sikre dig, at emnet er nedsænket i deioniseret vand for at minimere forbrændinger på emnets overflade.
- Et rimeligt understøtningsdesign sikrer nøjagtighed, når understøtningen fjernes. Hvis der stadig er nogle støtterester, skal du polere emnet med sandpapir.
4. Ultralyd rengøring
- Da emnet er nedsænket i deioniseret vand under fjernelse af understøtning, skal du udføre ultralydsrensning før plasmapolering for at fjerne andre urenheder.
- Sæt det porøse titaniumlegeringsemne i ultralydsrensemaskinen med deioniseret vand, indstil vandtemperaturen til 30 ° C, og rengør den i 5 minutter. Efter 5 minutter tages emnet ud og blæses resterende væske ud med højtryksluft.
5. Første karakterisering
- Scanningelektronmikroskop (SEM): Billede overfladerne med en SEM ved 15 og 20 kV accelererende spænding efter ultralydsrensning og før plasmapolering.
- Tag billeder i 30x, 100x og 500x visuelle felter. Overhold den generelle overflademorfologi, partikelvedhæftning og porestørrelse af det porøse titaniumlegeringsemne, og vurder kvalitativt plasmapoleringseffekten.
- Konfokalmikroskop: Billede overfladerne ved hjælp af et konfokalmikroskop.
- Placer emnet vandret på lagerplatformen. Mål parameteren for overfladearitmetisk gennemsnitlig ruhed (Ra). Brug ZEN core v3.0 og ConfoMap ST 8.0 software.
- Vælg 2,5x forstørrelse, vælg Bred for live-tilstand, klik på Automatisk intensitet, og gå derefter til 5x forstørrelse for at observere den overordnede situation. Klik på Automatisk intensitet, og indstil live-tilstanden til Comp. Vælg interesseområdet, klik på Angiv først på det laveste punkt og Angiv sidst på det højeste punkt, og angiv derefter anskaffelsen til Normal.
- Efter ca. 5 minutter importeres resultaterne til et nyt dokument i ConfoMap ST 8.0. Ra er let at få i parametertabellen i ConfoMap ST.
- Overhold emnets overordnede tilstand med et femdobbelt spejl, skift derefter til et spejl med høj effekt og fokuser synsfeltet på en trabecula. Evaluer plasmapoleringseffekten kvantitativt ved at beskrive Ra for det porøse titaniumlegeringsemne før plasmapolering.
6. Polering af plasma
- Til dette skal du bruge en elektrolytisk celle til at nedsænke emnet i en elektrolyt forbundet som en anode20. Brug 4% ammoniumsulfatopløsning [(NH4) 2SO4], pH mellem 5,7-6,1, som elektrolytten. Forvarm poleringselektrolytten til 80 °C før plasmapolering.
- Indstil poleringsstrømmen til 59 A, spændingen til 313 V og poleringselektrolyttemperaturen til 101,6 °C (figur 2A). Udfør plasmapolering i henhold til disse parametre.
- Placer overfladen på det porøse titaniumlegeringsemne, der skal poleres, vandret, og fastgør det på armaturet, og sæt derefter armaturet i plasmapoleringsmaskinen (figur 2B). Udfør plasmapolering i 90 s, og tag derefter armaturet ud af plasmapoleringsmaskinen.
- Da det porøse titaniumlegeringsemne er fastgjort på armaturet gennem fastspændingspunktet, er klempunktet ikke i kontakt med poleringsopløsningen, og den tilsvarende elektrokemiske reaktion forekommer ikke ved fastspændingspunktet. Skift derfor klempunktets position lidt, efter at armaturet er taget ud.
- Udfør plasmapolering igen i 90 sekunder, og tag armaturet ud af plasmapoleringsmaskinen. Fjern det porøse titaniumlegeringsemne fra armaturet, og sæt det derefter i ultralydsrensemaskinen med deioniseret vand.
- Indstil vandtemperaturen til 30 °C og rengør emnet i 2 min. Efter 2 minutter tages emnet ud og blæses den resterende væske ud med højtryksluft.
7. Anden karakterisering
- Efter afslutningen af plasmapoleringen skal du afbilde overfladerne ved hjælp af en SEM og et konfokalmikroskop på samme måde som i trin 5. Vurder plasmapoleringens indflydelse på overfladeruhed og overfladekvalitet af 3D-print porøs titaniumlegering ved at sammenligne ovenstående to optagelsesresultater.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Overflade morfologi
Figur 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 overfladen af den porøse titanlegering (figur 3C). Imidlertid blev de fleste af de halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag på overfladen af den porøse titanlegering fjernet efter plasmapolering (figur 3F). Samtidig var porestørrelsen og trabekulær diameter i overensstemmelse med designet, som ikke blev beskadiget (figur 3D, E). Dette viser, at plasmapolering kan forbedre overfladekvaliteten af 3D-udskrivning af porøse titaniumlegeringsemner og ikke beskadiger den oprindelige designporestruktur.
Måling af overfladeruhed
Hele og en del af det porøse titaniumlegeringsemne blev afbildet ved hjælp af det hurtige roterende konfokalmikroskop, som vist i figur 4, og overfladens ruhed blev målt. Overfladens ruhed er høj, uanset om det er hele overfladen af den porøse titaniumlegering eller en lille bjælke, der danner en porøs struktur, før plasmapolering (figur 4A, B). Overfladens ruhed af porøs struktur reduceres betydeligt; Ra for den samlede overflade er 56,28 μm (figur 4C), mens Ra for en del af det porøse titanlegeringsemne er 26,65 μm (figur 4D).
Figur 1: SLM metal 3D-print. SLM-udskrivningsteknologi anvendes, og 23 Ti-6Al-4V-pulver klassificeres til fremstilling af et porøst emne af titanlegering. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Plasmapoleringsmaskine og poleringsarmatur. (A) Parametre for indstilling af plasmapoleringsmaskine: poleringsstrømmen indstilles til 59 A, spændingen indstilles til 313 V, og poleringselektrolyttemperaturen indstilles til 101,6 °C efter forvarmning af poleringselektrolytten. (B) Poleringsarmatur. Overfladen på det porøse titaniumlegeringsemne, der skal poleres, placeres vandret og fastgøres på armaturet, hvilket sikrer, at armaturet nedsænkes i poleringselektrolytten. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Billederne af det 3D-printede porøse titaniumlegeringsemne ved hjælp af en SEM. Før plasmapolering, (A) ved 30x, kan hele den porøse struktur observeres. (B) Ved 100x kan porestrukturen observeres. Overfladen på det porøse titaniumlegeringsemne før plasmapolering synes at være grovere. (C) Ved 500x kan der observeres en stor mængde halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag på overfladen af den trabekulære struktur. Efter plasmapolering, (D) ved 30x, kan hele den porøse struktur observeres. (E) Ved 100x kan porestrukturen observeres. Porestørrelsen og trabekulær diameter var i overensstemmelse med designet, som ikke blev beskadiget. (F) Ved 500x blev de fleste af de halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag på overfladen af den porøse titanlegering fjernet. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Billederne af det 3D-printede porøse titaniumlegeringsemne ved hjælp af et konfokalmikroskop. Billedet viser overflademorfologien af den porøse titaniumlegering, hvor koordinataksen repræsenterer længden. Efter plasmapolering udviser overfladen af porøs titanlegering et skinnende metallisk udseende. (A) Hele emnet af porøs titanlegering blev afbildet før plasmapolering, Ra = 126,9 μm. (B) En del af emnet af den porøse titanlegering blev afbildet før plasmapolering, Ra = 42,61 μm. (C) Hele emnet af porøs titanlegering blev afbildet efter plasmapolering, Ra = 56,28 μm. Den samlede overfladeruhed kan reduceres ved plasmapolering. (D) En del af det porøse titaniumlegeringsemne blev afbildet efter plasmapolering, Ra = 26,65 μm. Overfladen ruhed af den trabekulære struktur kan reduceres ved plasmapolering. Klik her for at se en større version af denne figur.
| Element | Masse(%) |
| Titan | Saldo |
| Aluminium | 5.50 til 6.50 |
| Vanadium | 3.50 til 4.50 |
| Jern | < 0,25 |
| Ilt | < 0,13 |
| Kulstof | < 0,08 |
| Kvælstof | < 0,05 |
| Brint | < 0,012 |
| Resterende | < 0,10 hver, 0,40 i alt |
Tabel 1: Kemisk sammensætning af Ti-6Al-4V legeringspulver.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 undersøgelser har vist potentielle poleringseffekter baseret på disse konventionelle mekaniske poleringsteknikker, er poleringsmetoden til 3D-udskrivning af porøs titaniumlegering afgørende for at reducere overfladens ruhed. Plasmapolering kan effektivt polere emner med komplekse former uden forurening. Derfor kan overfladeruhed måle overfladekvaliteten af 3D-printet porøs titaniumlegering. Overfladeruheden af metalliske ortopædiske implantater kan ikke kun optimere implantat-knogleinteraktioner, men samtidig minimere implantat-bakterieinteraktioner36 . Metalliske cellulære stilladser kan give et sted for celler og blodkar at vokse ind i, mens osteoblaster synes at foretrække grovere overflader37. I dette eksperiment opretholdes overfladeruheden af 3D-printet porøs titaniumlegering på 26,65 μm efter plasmapolering, hvilket opfylder de grundlæggende krav til fremme af vækst af celler og blodkar.
Det er vigtigt at foretage ultralydsrensning før varmebehandling for at forhindre, at den porøse struktur blokeres af smeltet titanpulver. Det porøse titaniumlegeringsemne sættes i ultralydsmaskinen med deioniseret vand i 15 minutter til rengøring. Resterende titanlegeringspulver blæses af med højtryksluft efter rengøring, og ultralydsrensning og blæsning af restpulver gentages tre gange. Med andre ord udføres 1 time ultralydsrensning og fire forekomster af højtryksluftblæsning for at fjerne resterende titanlegeringspulver.
Under plasmapolering skal emnet forsigtigt fastgøres på armaturet for at beskytte trabecula af den porøse struktur mod skader, da en smule af poleringsarmaturerne bliver skarpere efter hyppig polering. Armaturet tages ud af plasmapoleringsmaskinen, klempunktets position ændres lidt efter polering i 90 s, og derefter udføres plasmapolering i de resterende 90 s. Hvis plasmapolering varer i 180 s ad gangen uden at ændre klempunktets position, vil poleringen omkring klempunktet være vellykket, men klempunktet, der er dækket af armaturet af porøs titanlegering, vil præsentere en upoleret overfladetilstand.
Denne poleringsteknologi har dog også nogle begrænsninger, såsom højt energiforbrug. På grund af badstørrelsesbegrænsningen kan plasmapoleringsudstyr ikke behandle store dele. Denne teknologi kan også undersøges yderligere. Det anbefales at bruge flere modellerings- og simuleringsundersøgelser til nøjagtigt at forudsige optimale procesparameterværdier med det formål at opnå forudsagte emneforbedringer, samtidig med at den tid og de omkostninger, der kræves til eksperimentering, minimeres. Vi kan gennemføre yderligere undersøgelser for at bestemme de optimale parametre for plasmapolering af porøse titaniumlegeringsemner22.
Fra et mikroskopisk perspektiv er plasmapolering en proces, hvor overfladen af et metal smeltes af varme, der genereres ved højhastighedselektronpåvirkning. Det er en ny udviklingstrend inden for grøn fremstilling og præcisionsbearbejdning og er meget velegnet til 3D-printet porøs titaniumlegering. Afslutningsvis vil denne protokol til polering af 3D-udskrivning af porøse titaniumlegeringsemner være en ny mulighed for at reducere overfladeruhed og forbedre overfladekvaliteten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Jeg vil gerne takke min vejleder, Wenhua Huang, for at give støttebetingelser og vejledning til dette eksperiment. Denne forskning blev finansieret af disciplinkonstruktionsprojektet fra Guangdong Medical University (4SG22260G), Young Innovative Talents Project of Guangdong Higher Education Institutions (2021KQNCX023), National Natural Science Foundation of China (82205301) og Futian Healthcare Research Project (FTWS2022051).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. Ž, 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).
