Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

ליטוש פלזמה כאפשרות ליטוש חדשה להפחתת חספוס פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית להדפסה תלת-ממדית

Published: April 28, 2023 doi: 10.3791/65108
Automatic Translation
*1,2, *3, *4, 4,5, 4, 6, 1, 1,2,4
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)
* These authors contributed equally

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הדפסה והכנה של חומר עבודה מסגסוגת טיטניום

  1. הכן חומר עבודה עשוי מסגסוגת טיטניום נקבובית באמצעות טכניקת ההדפסה SLM. ייבא קבצים בפורמט STL למדפסת המתכת, הוסף אבקת Ti-6Al-4V, התקן את מצע הבנייה, הגדר את להב המגב, הגדר את גודל ספוט הלייזר ל- 70 מיקרומטר והגדר את עובי השכבה ל- 30 מיקרומטר (איור 1).
  2. אבקת Ti-6Al-4V דרגה 23 עם הרכב כימי כפי שמוצג בטבלה 1 וגודל חלקיקי אבקה של 15-53 מיקרומטר.
  3. תכנן את מבנה סגסוגת הטיטניום הנקבובי עם עצם טרבקולרית מדומה המבוססת על אנאיזוטרופיה מצולע טייסון באמצעות מודלים פרמטריים, עם גודל צמצם של 400-600 מיקרומטר, קוטר קרן קטנה של 100-300 מיקרומטר, ונקבוביות של 70%31 .
  4. ודא שחומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי הוא בצורת כלוב מותנירפואי 32. עבור המבנה הנקבובי והכלוב המותני, השתמש בפעולות בוליאניות כדי להשיג את מבנה חומר העבודה הנקבובי.

2. טיפול בחום

  1. מעבר צבע בטמפרטורה גבוהה במהלך הדפסת SLM יגרום ללחץ שיורי בחומר העבודה. השתמש בטיפול בחום כדי לחסל את הלחץ השיורי בתוך חומר העבודה ולשמור על הקשיחות, הפלסטיות, חוזק המתיחה ותכונות פיזיות אחרות של חומר העבודה.
  2. הפרד את חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי ממצע ההדפסה לאחר ההדפסה באמצעות מכונת חיתוך חוטים במהירות בינונית. התקן את צלחת הטיטניום במכונת חיתוך החוטים במהירות בינונית, על מנת להפוך את הצלחת בניצב לקרקע, וודא שהחוט רק יוצר קשר עם משטח התמיכה. לאחר מכן, חתכו לאורך התמיכה ולוח הטיטניום כדי להפריד את חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי ממצע ההדפסה.
  3. הכנס את חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי למכונת הניקוי העל-קולית עם מים נטולי יונים, למשך 15 דקות והטמפרטורה נשלטת ב-30°C. שמור על התדר הקולי על 40,000 הרץ. הניקוי האולטרסוני נועד להסיר את אבקת סגסוגת הטיטניום שנותרה במבנה הנקבובי.
  4. חזור על הליך הניקוי הקולי הנ"ל ארבע פעמים כדי להסיר אבקת סגסוגת טיטניום שיורית ומים deionized מן המבנה נקבובי. לאחר מכן, כוונו אוויר בלחץ גבוה לעבר המבנה הנקבובי במשך 20 שניות כדי לנשוף את שאריות האבקה והנוזל. הלחץ של האוויר בלחץ גבוה הוא 0.71 מגפ"ס, שנוצר על ידי מדחס אוויר ומייבש אוויר.
  5. הכניסו את סל הטיטניום לכבשן לטיפול בחום בטמפרטורת החדר. סל הטיטניום מצויד בחלקי עבודה מסגסוגת טיטניום המופרדים מהמצע. שמור על חתיכות עבודה שונות מלגעת זו בזו וסגור את דלת הכבשן.
  6. פתחו את שסתום הגז, הוציאו את האוויר ושמרו על דרגת ואקום של 3.9 x 10-3 Pa.
  7. הגדר את תהליך הטיפול בחום. ראשית, לחמם את התנור ל 800 ° C במשך 1.5 שעות, לשמור על הטמפרטורה במשך 2 שעות, ולאחר מכן לקרר את workpiece בתוך הכבשן. תהליך זה מבטיח כי לחץ הוואקום נשאר ללא שינוי.
  8. לאחר הטיפול בחום, מקררים את הכבשן לטמפרטורת החדר וממלאים את הכבשן באוויר. לאחר החזרה ללחץ האטמוספרי, כפי שניתן לראות בלוח, הוציאו את חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי.

3. הסרת התמיכה

  1. לאחר טיפול בחום, לחומרי העבודה מסגסוגת טיטניום נקבוביים אין לחץ שיורי פנימי, כך שמשטח חומר העבודה לא ייסדק ו / או ייסדק בעת הסרת התמיכה.
  2. מדוד את עובי התמיכה באמצעות קליפר ורנייר, תקן את חומר העבודה במכונת עיבוד פריקה חשמלית (EDM) לחיתוך חוטים במהירות נמוכה, וודא שחוט הנחושת רק בא במגע עם משטח התמיכה.
  3. הגדר את עומק החיתוך שווה לעובי התמיכה. זה בלתי נמנע כי הסרת התמיכה על ידי מכונת EDM חיתוך חוט תיצור שכבת תחמוצת אבלציה. בעת הסרת התמיכה, ודא שחומר העבודה שקוע במים שעברו דה-יוניזציה כדי למזער כוויות במשטח חומר העבודה.
  4. עיצוב תמיכה סביר מבטיח דיוק בעת הסרת התמיכה. אם עדיין יש שאריות תמיכה, לטש את חומר העבודה עם נייר זכוכית.

4. ניקוי קולי

  1. מכיוון שחומר העבודה שקוע במים נטולי יונים, במהלך הסרת התמיכה, בצע ניקוי קולי לפני ליטוש הפלזמה כדי להסיר זיהומים אחרים.
  2. הכנס את חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי למכונת הניקוי העל-קולית עם מים נטולי יונים, הגדר את טמפרטורת המים ל -30 מעלות צלזיוס ונקה אותה למשך 5 דקות. לאחר 5 דקות, להוציא את חומר העבודה ולנשוף החוצה נוזל שיורי עם אוויר בלחץ גבוה.

5. אפיון ראשון

  1. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM): צלם את המשטחים עם SEM במתח האצה של 15 ו- 20 קילו-וולט, לאחר ניקוי על-קולי ולפני ליטוש פלזמה.
  2. צלם תמונות בשדות חזותיים של 30x, 100x ו- 500x. שימו לב למורפולוגיה הכללית של פני השטח, להידבקות החלקיקים ולגודל הנקבוביות של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי, והעריכו איכותית את אפקט ליטוש הפלזמה.
  3. מיקרוסקופ קונפוקלי: צלם את המשטחים באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי.
  4. מקם את חומר העבודה על פלטפורמת האחסון בצורה אופקית. מדוד את הפרמטר חספוס ממוצע אריתמטי משטח (Ra). השתמש בתוכנת ZEN core v3.0 ובתוכנת ConfoMap ST 8.0.
    1. בחר הגדלה של 2.5x, בחר רחב למצב חי, לחץ על עוצמה אוטומטית ולאחר מכן עבור אל הגדלה פי 5 כדי לבחון את המצב הכולל. לחץ על עוצמה אוטומטית והגדר את מצב השידור החי לקומפ. בחר את תחום העניין, לחץ על הגדר תחילה בנקודה הנמוכה ביותר ועל הגדר אחרון בנקודה הגבוהה ביותר ולאחר מכן הגדר את הרכישה לרגילה.
    2. לאחר כ- 5 דקות, יבא את התוצאות למסמך חדש ב- ConfoMap ST 8.0. קל להשיג את ה- Ra בטבלת הפרמטרים ב- ConfoMap ST.
  5. התבונן במצב הכללי של חומר העבודה עם מראה פי חמישה, ולאחר מכן עבור למראה בעלת עוצמה גבוהה ומקד את שדה הראייה בטרבקולה. הערך את אפקט ליטוש הפלזמה באופן כמותי על ידי תיאור ה- Ra של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי לפני ליטוש פלזמה.

6. ליטוש פלזמה

  1. לשם כך, השתמש בתא אלקטרוליטי כדי לטבול את חומר העבודה באלקטרוליט המחובר כאנודה20. השתמש בתמיסת אמוניום סולפט 4% [(NH 4)2SO4], pH בין 5.7-6.1, כאלקטרוליט. מחממים את אלקטרוליט הליטוש ל-80°C לפני ליטוש הפלזמה.
  2. כוונו את זרם הליטוש ל-59 A, את המתח ל-313 וולט ואת טמפרטורת אלקטרוליט הליטוש ל-101.6 מעלות צלזיוס (איור 2A). לבצע ליטוש פלזמה על פי פרמטרים אלה.
  3. הניחו את פני השטח של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי כדי ללטש אופקית וקבעו אותו על גוף התאורה, ולאחר מכן הכניסו את גוף התאורה למכונת ליטוש הפלזמה (איור 2B). בצעו ליטוש פלזמה במשך 90 שניות, ולאחר מכן הוציאו את גוף התאורה ממכונת ליטוש הפלזמה.
  4. מכיוון שחומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי קבוע על גוף התאורה דרך נקודת ההידוק, נקודת ההידוק אינה במגע עם תמיסת הליטוש, והתגובה האלקטרוכימית המתאימה אינה מתרחשת בנקודת ההידוק . לכן, שנו מעט את מיקום נקודת ההידוק לאחר הוצאת גוף התאורה.
  5. בצעו שוב ליטוש פלזמה במשך 90 שניות והוציאו את גוף התאורה ממכונת ליטוש הפלזמה. הסר את חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי מהמתקן ולאחר מכן הכנס אותו למכונת הניקוי האולטרסונית עם מים נטולי יונים.
  6. כוונו את טמפרטורת המים ל-30°C ונקו את חומר העבודה למשך 2 דקות. לאחר 2 דקות, להוציא את חומר העבודה ולפוצץ את הנוזל השיורי עם אוויר בלחץ גבוה.

7. אפיון שני

  1. לאחר השלמת ליטוש הפלזמה, צלם את המשטחים באמצעות SEM ומיקרוסקופ קונפוקלי באותו אופן כמו בשלב 5. הערך את ההשפעה של ליטוש פלזמה על חספוס פני השטח ואיכות פני השטח של הדפסת תלת מימד סגסוגת טיטניום נקבובית על ידי השוואת שתי תוצאות הצילום לעיל.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מורפולוגיה של פני השטח
איור 3 מראה את תוצאת SEM של מורפולוגיית פני השטח של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי לפני ואחרי ליטוש פלזמה. ראינו שבהגדלה של 30x ו-100x, פני השטח של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובית לפני ליטוש פלזמה נראים מחוספסים יותר (איור 3A,B). כאשר הגדלנו ל-500x, מצאנו שניתן לראות כמות גדולה של אבקות מותכות למחצה ושכבות תחמוצת אבלטיבית על פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית (איור 3C). אולם רוב האבקות המותכות למחצה ושכבות התחמוצת האבלטיבית על פני השטח של סגסוגת הטיטניום הנקבובית הוסרו לאחר ליטוש פלזמה (איור 3F). יחד עם זאת, גודל הנקבוביות וקוטר הטרבקולר תאמו את העיצוב, שלא נפגע (איור 3D,E). זה מראה כי ליטוש פלזמה יכול לשפר את איכות פני השטח של הדפסה תלת מימדית סגסוגת טיטניום נקבובית workpieces ואינו פוגע במבנה נקבוביות העיצוב המקורי.

מדידת חספוס פני השטח
כל וחלק מסגסוגת הטיטניום הנקבובית צולמו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי סיבובי מהיר, כפי שמוצג באיור 4, וחספוס פני השטח נמדד. חספוס פני השטח גבוה, בין אם מדובר בכל פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית או קרן קטנה היוצרת מבנה נקבובי, לפני ליטוש פלזמה (איור 4A,B). חספוס פני השטח של מבנה נקבובי מופחת באופן משמעותי; ה-Ra של המשטח הכולל הוא 56.28 מיקרומטר (איור 4C), בעוד שה-Ra של חלק מסגסוגת הטיטניום הנקבובית הוא 26.65 מיקרומטר (איור 4D).

Figure 1
איור 1: הדפסת תלת-ממד ממתכת SLM. נעשה שימוש בטכנולוגיית הדפסה SLM ואבקת 23 Ti-6Al-4V מדורגת להכנת חומר עבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: מכונת ליטוש פלזמה ומתקן ליטוש. (A) פרמטרים להגדרת מכונת ליטוש פלזמה: זרם הליטוש מוגדר כ- 59 A, המתח מוגדר כ- 313 V, וטמפרטורת אלקטרוליט הליטוש מוגדרת כ- 101.6 ° C, לאחר חימום מוקדם של אלקטרוליט הליטוש. (ב) מתקן ליטוש. משטח העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי שיש ללטש ממוקם אופקית ומקובע על גוף התאורה, מה שמבטיח שהמתקן שקוע באלקטרוליט הליטוש. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: התמונות של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי מודפס בתלת-ממד באמצעות SEM. לפני ליטוש פלזמה, (A) ב 30x, ניתן לראות את כל המבנה הנקבובי. (B) ברזולוציה של 100x, ניתן להבחין במבנה הנקבוביות. פני השטח של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי לפני ליטוש פלזמה נראים מחוספסים יותר. (C) ב 500x, כמות גדולה של אבקות מותכות למחצה ושכבות תחמוצת אבלטיבי ניתן לראות על פני השטח של המבנה trabecular. לאחר ליטוש פלזמה, (D) ב 30x, ניתן לראות את כל המבנה הנקבובי. (E) ברזולוציה של 100x, ניתן להבחין במבנה הנקבוביות. גודל הנקבוביות וקוטר הטרבקולר תאמו את העיצוב, שלא נפגע. (F) במהירות של 500x, רוב האבקות המותכות למחצה ושכבות התחמוצת האבלטיבית על פני סגסוגת הטיטניום הנקבובית הוסרו. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: התמונות של חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובית שהודפסו בתלת-ממד באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי. התמונה מציגה את מורפולוגיית פני השטח של סגסוגת הטיטניום הנקבובית, כאשר ציר הקואורדינטות מייצג את האורך. לאחר ליטוש פלזמה, פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובי מציג מראה מתכתי מבריק. (A) כל חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי צולם לפני ליטוש פלזמה, Ra = 126.9 מיקרומטר. (B) חלק מחומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי צולם לפני ליטוש פלזמה, Ra = 42.61 מיקרומטר. (C) כל חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי צולם לאחר ליטוש פלזמה, Ra = 56.28 מיקרומטר. ניתן להפחית את חספוס פני השטח הכולל על ידי ליטוש פלזמה. (D) חלק מסגסוגת טיטניום נקבובית צולם לאחר ליטוש פלזמה, Ra = 26.65 מיקרומטר. חספוס פני השטח של המבנה הטרבקולרי יכול להיות מופחת על ידי ליטוש פלזמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

אלמנט מסה (%)
טיטניום מאזניים
אלומיניום 5.50 עד 6.50
ונדיום 3.50 עד 4.50
ברזל < 0.25
חמצן < 0.13
פחמן < 0.08
חנקן < 0.05
מימן < 0.012
שיורית < 0.10 ליחידה, 0.40 סה"כ

טבלה 1: הרכב כימי של אבקת סגסוגת Ti-6Al-4V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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. למרות שמחקרים רבים הראו השפעות ליטוש פרוספקטיביות המבוססות על טכניקות ליטוש מכניות קונבנציונליות אלה, שיטת הליטוש להדפסה תלת ממדית של סגסוגת טיטניום נקבובית היא חיונית על מנת להפחית את חספוס פני השטח. ליטוש פלזמה יכול ללטש ביעילות יצירות עבודה עם צורות מורכבות ללא זיהום. לכן, חספוס פני השטח יכול למדוד את איכות פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית מודפסת בתלת-ממד. חספוס פני השטח של שתלים אורתופדיים מתכתיים יכול לא רק לייעל את אינטראקציות השתל-עצם, אלא בו זמנית למזער אינטראקציות שתל-חיידקים36 . פיגומים תאיים מתכתיים יכולים לספק מקום לתאים ולכלי דם לגדול לתוכו, בעוד שאוסטאובלסטים מעדיפים משטחים מחוספסים יותר37. בניסוי זה, חספוס פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית מודפסת בתלת ממד נשמר על 26.65 מיקרומטר לאחר ליטוש פלזמה, אשר עונה על הדרישות הבסיסיות של קידום הצמיחה של תאים וכלי דם.

חיוני לבצע ניקוי קולי לפני הטיפול בחום, כדי למנוע את המבנה הנקבובי מלהיחסם על ידי אבקת טיטניום מותכת. חומר העבודה מסגסוגת טיטניום נקבובי מוכנס למכונה קולית עם מים deionized במשך 15 דקות לניקוי. אבקת סגסוגת טיטניום שיורית מפוצצת באוויר בלחץ גבוה לאחר הניקוי, והניקוי האולטרסוני והנשיפה של האבקה השיורית חוזרת על עצמה שלוש פעמים נוספות. במילים אחרות, 1 שעה של ניקוי קולי וארבעה מקרים של ניפוח אוויר בלחץ גבוה מתבצעים כדי להסיר אבקת סגסוגת טיטניום שיורית.

במהלך ליטוש פלזמה, יש לקבע את חומר העבודה בעדינות על גוף התאורה כדי להגן על הטרבקולה של המבנה הנקבובי מפני נזק, מכיוון שחלק מגופי הליטוש מתחדדים לאחר ליטוש תכוף. המתקן נלקח ממכונת ליטוש הפלזמה, מיקום נקודת ההידוק משתנה מעט לאחר ליטוש במשך 90 שניות, ולאחר מכן מתבצע ליטוש פלזמה במשך 90 שניות הנותרות. אם ליטוש פלזמה נמשך 180 שניות בו זמנית מבלי לשנות את מיקום נקודת ההידוק , הליטוש סביב נקודת ההידוק יהיה מוצלח, אך נקודת ההידוק המכוסה על ידי גוף התאורה של סגסוגת טיטניום נקבובית תציג מצב משטח לא מלוטש.

עם זאת, לטכנולוגיית ליטוש זו יש גם כמה מגבלות, כגון צריכת אנרגיה גבוהה. בשל מגבלת גודל האמבטיה, ציוד ליטוש פלזמה אינו יכול לעבד חלקים גדולים. טכנולוגיה זו ניתן גם ללמוד עוד. מומלץ להשתמש ביותר מחקרי מידול וסימולציה כדי לחזות במדויק ערכים אופטימליים של פרמטרים בתהליך, מתוך כוונה להשיג שיפורים חזויים בחומר העבודה תוך מזעור הזמן וההוצאות הנדרשים לניסויים. אנו יכולים לערוך מחקרים נוספים כדי לקבוע את הפרמטרים האופטימליים עבור ליטוש פלזמה של workpieces סגסוגת טיטניום נקבובי22.

מנקודת מבט מיקרוסקופית, ליטוש פלזמה הוא תהליך שבו פני השטח של מתכת מותכים על ידי חום שנוצר על ידי פגיעת אלקטרונים במהירות גבוהה. זוהי מגמת פיתוח חדשה בתחום הייצור הירוק ועיבוד שבבי מדויק והיא מתאימה מאוד לסגסוגת טיטניום נקבובית מודפסת בתלת מימד. לסיכום, פרוטוקול זה לליטוש הדפסה תלת מימדית של פריטי עבודה מסגסוגת טיטניום נקבוביים יהיה אפשרות חדשה להפחתת חספוס פני השטח ולשיפור איכות פני השטח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

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

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. 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).
  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

רפואה גיליון 194 ליטוש פלזמה חספוס פני השטח איכות פני השטח הדפסת תלת מימד סגסוגת טיטניום נקבובית
ליטוש פלזמה כאפשרות ליטוש חדשה להפחתת חספוס פני השטח של סגסוגת טיטניום נקבובית להדפסה תלת-ממדית
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lin, Z., Luo, L., Lin, D., Deng, Y., … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter