Summary
Plasmapolering er en lovende overflatebehandlingsteknologi, spesielt egnet for 3D-utskrift av porøse titanlegeringsemner. Det kan fjerne halvsmeltede pulver og ablative oksidlag, og dermed effektivt redusere overflateruhet og forbedre overflatekvaliteten.
Abstract
Porøse titanlegeringsimplantater med simulert trabekulært bein fremstilt av 3D-utskriftsteknologi har brede utsikter. På grunn av det faktum at noe pulver fester seg til overflaten av arbeidsstykket under produksjonsprosessen, er overflateruheten i direkte utskriftsstykker relativt høy. Samtidig, siden de indre porene i den porøse strukturen ikke kan poleres ved konvensjonell mekanisk polering, må man finne en alternativ metode. Som overflateteknologi er plasmapoleringsteknologi spesielt egnet for deler med komplekse former som er vanskelige å polere mekanisk. Det kan effektivt fjerne partikler og fine sprutrester festet til overflaten av 3D-printede porøse titanlegeringsemner. Derfor kan det redusere overflateruheten. For det første brukes titanlegeringspulver til å skrive ut den porøse strukturen til det simulerte trabekulære beinet med en metall 3D-skriver. Etter utskrift utføres varmebehandling, fjerning av støttestrukturen og ultralydrengjøring. Deretter utføres plasmapolering, bestående av å tilsette en poleringselektrolytt med pH satt til 5,7, forvarme maskinen til 101,6 °C, feste arbeidsstykket på poleringsarmaturen og stille inn spenningen (313 V), strømmen (59 A) og poleringstiden (3 min). Etter polering analyseres overflaten av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket med et konfokalmikroskop, og overflateruheten måles. Scanning elektronmikroskopi brukes til å karakterisere overflatetilstanden til porøs titan. Resultatene viser at overflateruheten til hele det porøse titanlegeringsarbeidsstykket endret seg fra Ra (gjennomsnittlig ruhet) = 126,9 μm til Ra = 56,28 μm, og overflateruheten til den trabekulære strukturen endret seg fra Ra = 42,61 μm til Ra = 26,25 μm. I mellomtiden fjernes halvsmeltede pulver og ablative oksidlag, og overflatekvaliteten forbedres.
Introduction
Titan- og titanlegeringsmaterialer har blitt mye brukt som dentale og ortopediske implantatmaterialer på grunn av deres gode biokompatibilitet, korrosjonsbestandighet og mekanisk styrke 1,2,3. På grunn av den høye elastiske modulen til den kompakte titanlegeringen produsert ved tradisjonelle behandlingsmetoder, er disse platene imidlertid ikke egnet for beinreparasjon, siden nærhet til beinoverflaten i lange perioder kan resultere i spenningsskjerming og bensprøhet 4,5 . Derfor bør den porøse mikrostrukturen til simulerte bentrabeculae brukes i titanlegeringsimplantater for å redusere den elastiske modulen til nivået som samsvarer med beinet 6,7. Mange stillaser har blitt brukt innen ortopedi for å forbedre celle levedyktighet, vedlegg, spredning og homing, osteogen differensiering, angiogenese, vertsintegrasjon og vektbæring 4,8,9. Tradisjonelle fabrikasjonsmetoder for porøse metallkonstruksjoner inkluderer strukturell malmetode, defektdannelsesmetode, kompresjon eller superkritisk karbondioksidmetode, elektroavsetningsteknikk10,11, etc. Selv om disse produksjonsteknikkene er svært tradisjonelle, sløser de av og til med råvarer og har betydelige forberedende kostnader sammenlignet med 3D-utskrift12,13. 3D-utskrift er en teknologi som bruker metall- eller plastpulver og andre limmaterialer for å bygge solide 3D-objekter fra dataassisterte konstruksjonsmodeller (CAD) via avsetning av overliggende lag14,15. 3D-utskrift viser stort potensial i direkte tilpasning av metalliske cellulære stillaser for ortopediske implantater og åpner for nye muligheter for produksjon av tilpassbare komplekse design med svært sammenkoblede porer. Blant dem er selektiv lasersmelting (SLM) en av de mest representative 3D-utskrifts- og produksjonsteknologiene for porøse titanimplantatstrukturer16 .
SLM-prosessen bruker titanlegeringspulver som råmateriale, i hovedsak pulver som smelter og danner strukturen. Derfor fester et stort antall halvsmeltede pulver og ablative oksidlag ofte overflaten av titanlegeringsimplantater, noe som fører til høy overflateruhet17. Dårlig overflatekvalitet på porøse titan ortopediske implantater fører til betennelse, redusert tretthetsytelse og til og med nye biologiske risikoer18 . Siden de indre porene i porøse strukturer ikke kan poleres ved konvensjonell mekanisk polering, må man finne en alternativ metode. Plasmapolering er en ny grønn poleringsmetode for metallemner som effektivt kan polere arbeidsstykker med komplekse former uten forurensning19 . Det har stort utviklingspotensial innen etterbehandling av titanlegeringsimplantater.
Som en slags overflateteknologi er plasmapoleringsteknologi spesielt egnet for metallstykker med komplekse former som ikke er lett å bli mekanisk polert. Det overordnede målet med dette poleringsalternativet er å oppnå en porøs titanlegeringsoverflate med lav ruhet. Teknologien kan effektivt fjerne partikler og fine sprutrester festet til overflaten av porøse titan ortopediske implantater fremstilt av 3D-utskrift og redusere overflateruhet20. Prinsippet om plasmapolering er en sammensatt reaksjonsprosess basert på en kombinasjon av strømindusert kjemisk og fysisk fjerning21; Hele kretsen danner en forbigående kortslutning som danner et dampplasma-omgivende lag på arbeidsstykkets overflate20. Denne prosessen bryter gjennom gasslaget for å danne en utløpskanal, som påvirker arbeidsstykkets overflate. Den høyere strømmen påvirker den konvekse delen av arbeidsstykkets overflate, noe som fører til raskere fjerning av halvsmeltet pulver og det brente oksidlaget. Konkavitet og konveksiteten endrer seg stadig, og den ru overflaten blir gradvis glatt, noe som forbedrer arbeidsstykkets overflateruhet for å oppnå formålet med polering.
Samtidig er denne teknologien en grønn prosesseringsteknologi som ikke forårsaker forurensning til miljøet, og har store fordeler sammenlignet med andre poleringsmetoder. Konvensjonelle mekaniske poleringsteknikker inkluderer hovedsakelig mekanisk polering, kjemisk polering og elektrokjemisk polering22. Mekanisk polering er den mest brukte konvensjonelle poleringsprosessen; Det har ulempene med lav poleringseffektivitet, høyere etterspørsel etter manuell arbeidskraft og manglende evne til å polere deler med komplekse geometrier. Potensialet for personskade og sannsynligheten for å overskride toleranser på grunn av menneskelige faktorer er hyppige ulemper ved mekanisk polering23. I motsetning til kjemisk polering, som er basert på å bruke en kjemisk løsning for å fjerne deler av et arbeidsstykkes materiale, bruker elektrokjemisk polering en elektrisk strøm og kjemisk løsning for å oppnå samme resultat. Dessverre produserer begge disse prosessene farlige gasser og væsker som biprodukter av bruk, hvis sammensetning er avhengig av styrken av syren eller alkalisk kjemisk reagens som brukes. Som et resultat anses ikke bare de tilstedeværende arbeidstakerne å være i fare på grunn av eksponering, men det er også potensial for alvorlig skade på miljøet24. Aliakseyeu et al.25 foreslo å benytte plasmapolering for polering av titanlegeringsemner med enkel elektrolyttsammensetning. De fant ut at etter polering av titan fjernes overflateriper og overflateglansen forbedres betydelig. Smyslova et al.26 drøftet utsiktene til å anvende plasmapoleringsteknologi for å behandle overflatene til medisinske implantater.
Teoretisk sett kan plasmapoleringsteknologi brukes til å polere strukturen til en hvilken som helst metalldel. Det har blitt mye brukt til belegg, i metallbehandlingsindustrier, og i 3C-elektronikk, blant annet22,27,28. Den foreliggende studien har imidlertid noen begrensninger. Først og fremst fokuserer manuskriptet bare på overflatekvaliteten og overflateruheten til 3D-utskrift av porøs titanlegering før og etter plasmapolering; De resterende endringene er ikke involvert. For det andre målte og registrerte vi ikke resultatene etter varmebehandling. Jinyoung Kim et al.29 sammenlignet titanoverflatemodifikasjonsstrategier for osseointegrasjonsforbedring. En annen studie viser at målionindusert plasma sputtering (TIPS) teknikk kan gi gode biologiske funksjoner til overflaten av metalliske bioimplantater30. For å undersøke poleringseffektiviteten og sikkerheten til porøs titanlegering for 3D-utskrift, vil neste trinn være å studere SLM-delens andre egenskaper, som utmattingsytelse og osteogen differensiering. Disse problemene trenger ytterligere forbedring. Dette arbeidet skiller seg fra tidligere plasmapoleringsstudier ved at det fokuserer på 3D-utskrift av porøs titanlegering i stedet for kompakt titanlegering. Som et resultat bør forskjellige produksjonsprosesser vedta forskjellige poleringsparametere. Formålet med dette manuskriptet er å introdusere plasmapoleringsskjemaet for 3D-utskrift av porøs titanlegering i detalj, for å redusere overflateruheten på arbeidsstykkene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Utskrift og klargjøring av et arbeidsstykke i titanlegering
- Forbered et arbeidsstykke laget av porøs titanlegering ved hjelp av SLM-utskriftsteknikken. Importer filer i STL-format til metallskriveren, tilsett Ti-6Al-4V-pulver, installer byggesubstratet, sett opp viskerbladet, sett laserpunktstørrelsen til 70 μm og sett lagtykkelsen til 30 μm (figur 1).
- Grad 23 Ti-6Al-4V pulver med kjemisk sammensetning som vist i tabell 1 og en pulverpartikkelstørrelse på 15-53 μm.
- Design den porøse titanlegeringsstrukturen med simulert trabekulært bein basert på Tyson-polygonanisotropi ved hjelp av parametrisk modellering, med en blenderåpningsstørrelse på 400-600 μm, liten strålediameter på 100-300 μm og porøsitet på 70%31 .
- Forsikre deg om at det porøse titanlegeringsstykket er i form av det medisinske lumbalburet32. For den porøse strukturen og lumbalburet, bruk boolske operasjoner for å oppnå den porøse arbeidsstykkestrukturen.
2. Varmebehandling
- En høy temperaturgradient under SLM-utskrift vil forårsake restspenning i arbeidsstykket. Bruk varmebehandling for å eliminere restspenningen inne i arbeidsstykket og opprettholde seigheten, plastisiteten, strekkfastheten og andre fysiske egenskaper til arbeidsstykket.
- Skill det porøse titanlegeringsarbeidsstykket fra trykksubstratet etter utskrift med en middels hastighets wire-cutting maskin. Monter titanplaten på trådskjæremaskinen med middels hastighet for å gjøre platen vinkelrett på bakken, og sørg for at ledningen bare kommer i kontakt med støtteflaten. Skjær deretter langs støtten og titanplaten for å skille det porøse titanlegeringsarbeidsstykket fra trykksubstratet.
- Plasser det porøse titanlegeringsarbeidsstykket i ultralydrengjøringsmaskinen med avionisert vann i 15 minutter og temperaturen kontrollert ved 30 °C. Hold ultralydfrekvensen på 40.000 Hz. Ultralydrengjøringen tar sikte på å fjerne titanlegeringspulveret som er igjen i den porøse strukturen.
- Gjenta den nevnte ultralydrengjøringsprosedyren fire ganger for å fjerne gjenværende titanlegeringspulver og avionisert vann fra den porøse strukturen. Deretter sikter høytrykksluft mot den porøse strukturen i 20 s for å blåse bort restpulveret og væsken. Trykket i høytrykksluften er 0, 71 MPa, som genereres av en luftkompressor og lufttørker.
- Sett titankurven inn i varmebehandlingsovnen ved romtemperatur. Titankurven er utstyrt med arbeidsstykker i titanlegering skilt fra underlaget. Hold forskjellige arbeidsstykker fra å berøre hverandre og lukk ovnsdøren.
- Åpne gassventilen, ta ut luften og hold vakuumgraden på 3,9 x 10-3 Pa.
- Still inn varmebehandlingsprosessen. Varm først ovnen til 800 ° C i 1,5 timer, oppretthold temperaturen i 2 timer, og avkjøl deretter arbeidsstykket inne i ovnen. Denne prosessen sikrer at vakuumtrykket forblir uendret.
- Etter varmebehandlingen, avkjøl ovnen til romtemperatur og fyll ovnen med luft. Etter å ha gått tilbake til atmosfærisk trykk, som sett på panelet, ta ut det porøse arbeidsstykket i titanlegering.
3. Fjerne støtten
- Etter varmebehandling har de porøse titanlegeringsemnene ingen indre restspenning, slik at arbeidsstykkets overflate ikke vil sprekke og/eller sprekke når støtten fjernes.
- Mål støttetykkelsen ved hjelp av en vernier-tykkelse, fest arbeidsstykket på EDM-maskinen (Wire-cutting electrical discharge machining), og sørg for at kobbertråden bare kommer i kontakt med støtteflaten.
- Sett skjæredybden lik støttetykkelsen. Det er uunngåelig at fjerning av støtten fra den trådskjærende EDM-maskinen vil danne et ablasjonsoksidlag. Når du fjerner støtten, må du sørge for at arbeidsstykket er nedsenket i avionisert vann for å minimere forbrenning på arbeidsstykkets overflate.
- En rimelig støttedesign sikrer nøyaktighet når du fjerner støtten. Hvis det fortsatt er noen støtterester, polerer du arbeidsstykket med sandpapir.
4. Ultralyd rengjøring
- Siden arbeidsstykket er nedsenket i avionisert vann under fjerning av støtte, utfør ultralydrengjøring før plasmapolering for å fjerne andre urenheter.
- Sett det porøse titanlegeringsarbeidsstykket inn i ultralydrengjøringsmaskinen med avionisert vann, sett vanntemperaturen til 30 ° C og rengjør den i 5 minutter. Etter 5 minutter, ta ut arbeidsstykket og blås ut gjenværende væske med høytrykksluft.
5. Første karakterisering
- Skanning elektronmikroskop (SEM): Bilde overflatene med en SEM ved 15 og 20 kV akselererende spenning, etter ultralydrengjøring og før plasmapolering.
- Ta bilder med 30x, 100x og 500x visuelle felt. Observer den generelle overflatemorfologien, partikkeladhesjonen og porestørrelsen til det porøse titanlegeringsemnet, og kvalitativt evaluere plasmapoleringseffekten.
- Konfokalmikroskop: Se for deg overflatene ved hjelp av et konfokalmikroskop.
- Plasser arbeidsstykket på lagringsplattformen horisontalt. Mål parameteren for overflatearitmetisk gjennomsnittlig ruhet (Ra). Bruk ZEN core v3.0 og ConfoMap ST 8.0-programvare.
- Velg 2,5x forstørrelse, velg Bred for live-modus, klikk Automatisk intensitet, og gå deretter til 5x forstørrelse for å observere den generelle situasjonen. Klikk på Autointensitet og sett live-modus til Comp. Velg interesseområdet, klikk Sett først på det laveste punktet og Angi sist på det høyeste punktet, og sett deretter anskaffelsen til Normal.
- Etter ca. 5 min importerer du resultatene til et nytt dokument i ConfoMap ST 8.0. Ra er lett å få tak i parametertabellen i ConfoMap ST.
- Vær oppmerksom på arbeidsstykkets generelle tilstand med et femfoldig speil, bytt deretter til et kraftig speil og fokuser synsfeltet på en trabekula. Evaluer plasmapoleringseffekten kvantitativt ved å beskrive Ra for det porøse titanlegeringsarbeidsstykket før plasmapolering.
6. Plasma polering
- For dette, bruk en elektrolysecelle for å fordype arbeidsstykket i en elektrolytt koblet som en anode20. Bruk 4% ammoniumsulfatløsning [(NH 4) 2SO4], pH mellom 5,7-6,1, som elektrolytt. Forvarm poleringselektrolytten til 80 °C før plasmapolering.
- Sett poleringsstrømmen til 59 A, spenningen til 313 V, og poleringselektrolytttemperaturen til 101,6 °C (figur 2A). Utfør plasmapolering i henhold til disse parametrene.
- Plasser overflaten på det porøse titanlegeringsarbeidsstykket som skal poleres horisontalt, og fest det på armaturen, og sett deretter armaturen inn i plasmapoleringsmaskinen (figur 2B). Utfør plasmapolering i 90 s, og ta deretter armaturen ut av plasmapoleringsmaskinen.
- Siden det porøse titanlegeringsarbeidsstykket er festet på armaturen gjennom klemmepunktet, er klempunktet ikke i kontakt med poleringsløsningen, og den tilsvarende elektrokjemiske reaksjonen forekommer ikke ved klemmepunktet. Endre derfor klempunktets posisjon litt etter at armaturen er tatt ut.
- Utfør plasmapolering igjen i 90 s og ta armaturen ut av plasmapoleringsmaskinen. Fjern det porøse titanlegeringsarbeidsstykket fra armaturen og sett det deretter inn i ultralydrengjøringsmaskinen med avionisert vann.
- Sett vanntemperaturen på 30 °C og rengjør arbeidsstykket i 2 minutter. Etter 2 minutter, ta ut arbeidsstykket og blås ut gjenværende væske med høytrykksluft.
7. Andre karakterisering
- Etter at plasmapoleringen er fullført, avbilder du overflatene ved hjelp av et SEM og et konfokalmikroskop på samme måte som i trinn 5. Vurdere påvirkningen av plasmapolering på overflateruheten og overflatekvaliteten til 3D-utskrift av porøs titanlegering ved å sammenligne de to opptaksresultatene ovenfor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Overflatemorfologi
Figur 3 viser SEM-resultatet av overflatemorfologien til det porøse titanlegeringsarbeidsstykket før og etter plasmapolering. Vi observerte at ved 30x og 100x forstørrelse synes overflaten av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket før plasmapolering å være grovere (figur 3A, B). Når forstørret til 500x, fant vi at en stor mengde halvsmeltede pulver og ablative oksidlag kunne observeres på overflaten av den porøse titanlegeringen (figur 3C). Imidlertid ble de fleste halvsmeltede pulver og ablative oksidlag på overflaten av den porøse titanlegeringen fjernet etter plasmapolering (figur 3F). Samtidig var porestørrelsen og trabekulær diameter i samsvar med designet, som ikke ble skadet (figur 3D,E). Dette viser at plasmapolering kan forbedre overflatekvaliteten på 3D-utskrift av porøse titanlegeringsemner og skader ikke den opprinnelige porestrukturen.
Måling av overflateruhet
Hele og deler av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket ble avbildet ved hjelp av det raske roterende konfokalmikroskopet, som vist i figur 4, og overflateruheten ble målt. Overflateruheten er høy, enten det er hele overflaten av den porøse titanlegeringen eller en liten stråle som danner en porøs struktur, før plasmapolering (figur 4A,B). Overflateruheten i porøs struktur er betydelig redusert; Ra på den totale overflaten er 56,28 μm (figur 4C), mens Ra på en del av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket er 26,65 μm (figur 4D).
Figur 1: SLM metall 3D-utskrift. SLM-utskriftsteknologi brukes og 23 Ti-6Al-4V pulver er gradert for å forberede et porøst titanlegeringsemne. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Plasmapoleringsmaskin og poleringsarmatur. (A) Innstillingsparametere for plasmapoleringsmaskin: poleringsstrømmen er satt til 59 A, spenningen er satt til 313 V, og poleringselektrolytttemperaturen er satt til 101,6 ° C, etter forvarming av poleringselektrolytten. (B) Poleringsarmatur. Overflaten på det porøse titanlegeringsarbeidsstykket som skal poleres, plasseres horisontalt og festes på armaturen, slik at armaturen er nedsenket i poleringselektrolytten. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Bildene av det 3D-printede porøse titanlegeringsarbeidsstykket ved hjelp av en SEM. Før plasmapolering, (A) ved 30x, kan hele den porøse strukturen observeres. (B) Ved 100x kan porestrukturen observeres. Overflaten på det porøse titanlegeringsarbeidsstykket før plasmapolering ser ut til å være grovere. (C) Ved 500x kan en stor mengde halvsmeltede pulver og ablative oksidlag observeres på overflaten av den trabekulære strukturen. Etter plasmapolering, (D) ved 30x, kan hele den porøse strukturen observeres. (E) Ved 100x kan porestrukturen observeres. Porestørrelsen og trabekulær diameter var i samsvar med designet, som ikke ble skadet. Ved 500x ble de fleste halvsmeltede pulver og ablative oksidlag på overflaten av den porøse titanlegeringen fjernet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Bildene av det 3D-printede porøse titanlegeringsarbeidsstykket ved hjelp av et konfokalmikroskop. Bildet viser overflatemorfologien til den porøse titanlegeringen, der koordinataksen representerer lengden. Etter plasmapolering viser overflaten av porøs titanlegering et skinnende metallisk utseende. (A) Hele det porøse titanlegeringsarbeidsstykket ble avbildet før plasmapolering, Ra = 126,9 μm. (B) En del av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket ble avbildet før plasmapolering, Ra = 42,61 μm. (C) Hele det porøse titanlegeringsarbeidsstykket ble avbildet etter plasmapolering, Ra = 56,28 μm. Den totale overflateruheten kan reduseres ved plasmapolering. (D) En del av det porøse titanlegeringsarbeidsstykket ble avbildet etter plasmapolering, Ra = 26,65 μm. Overflateruheten i den trabekulære strukturen kan reduseres ved plasmapolering. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
| Element | Masse(%) |
| Titan | Balanse |
| Aluminium | 5,50 til 6,50 |
| Vanadium | 3,50 til 4,50 |
| Jern | < 0,25 |
| Oksygen | < 0,13 |
| Karbon | < 0,08 |
| Nitrogen | < 0,05 |
| Hydrogen | < 0,012 |
| Gjenværende | < 0,10 hver, 0,40 totalt |
Tabell 1: Kjemisk sammensetning av Ti-6Al-4V legeringspulver.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Overflateruhet brukes til å beskrive mengden bølge og ujevnhet av mikrogeometriske former på arbeidsstykkeoverflater innenfor et lite avstandsområde. En rekke tidligere studier har rapportert hvordan man polerer metalloverflater ved hjelp av forskjellige prosedyrer, for eksempel mekanisk polering, kjemisk polering, elektrokjemisk polering og mer 22,33,34,35. Selv om mange studier har vist potensielle poleringseffekter basert på disse konvensjonelle mekaniske poleringsteknikkene, er poleringsmetoden for 3D-utskrift av porøs titanlegering avgjørende for å redusere overflateruheten. Plasmapolering kan effektivt polere arbeidsstykker med komplekse former uten forurensning. Derfor kan overflateruhet måle overflatekvaliteten på 3D-printet porøs titanlegering. Overflateruheten til metalliske ortopediske implantater kan ikke bare optimalisere implantat-beininteraksjoner, men samtidig minimere implantat-bakterie-interaksjoner36 . Metalliske cellulære stillas kan gi et sted for celler og blodkar å vokse inn i, mens osteoblaster ser ut til å foretrekke grovere overflater37. I dette eksperimentet opprettholdes overflateruheten til 3D-trykt porøs titanlegering ved 26,65 μm etter plasmapolering, som oppfyller de grunnleggende kravene til å fremme veksten av celler og blodkar.
Det er viktig å utføre ultralydrengjøring før varmebehandling, for å forhindre at den porøse strukturen blir blokkert av smeltet titanpulver. Det porøse titanlegeringsarbeidsstykket settes inn i ultralydsmaskinen med avionisert vann i 15 minutter for rengjøring. Resterende titanlegeringspulver blåses av med høytrykksluft etter rengjøring, og ultralydrengjøring og avblåsning av gjenværende pulver gjentas tre ganger. Med andre ord utføres 1 time ultralydrengjøring og fire forekomster av høytrykksluftblåsing for å fjerne gjenværende titanlegeringspulver.
Under plasmapolering skal arbeidsstykket festes forsiktig på armaturen for å beskytte trabekulaen til den porøse strukturen mot skade, siden litt av poleringsarmaturene blir skarpere etter freuqent polering. Armaturen tas ut av plasmapoleringsmaskinen, klemmepunktets posisjon endres litt etter polering i 90 s, og deretter utføres plasmapolering i de resterende 90 s. Hvis plasmapolering varer i 180 s på en gang uten å endre klemmepunktets posisjon, vil poleringen rundt klemmepunktet lykkes, men klempunktet dekket av feste av porøs titanlegering vil presentere en upolert overflatetilstand.
Denne poleringsteknologien har imidlertid også noen begrensninger, for eksempel høyt energiforbruk. På grunn av begrensningen av badestørrelsen kan ikke plasmapoleringsutstyr behandle store deler. Denne teknologien kan også studeres videre. Det anbefales å bruke flere modellerings- og simuleringsstudier for nøyaktig å forutsi optimale prosessparameterverdier, med den hensikt å oppnå forventede forbedringer av arbeidsstykket samtidig som tiden og utgiftene som kreves for eksperimentering, minimeres. Vi kan gjennomføre videre studier for å bestemme de optimale parametrene for plasmapolering av porøse titanlegeringsemner22.
Fra et mikroskopisk perspektiv er plasmapolering en prosess der overflaten av et metall smelter av varme som genereres ved høyhastighets elektronpåvirkning. Det er en ny utviklingstrend innen grønn produksjon og presisjonsbearbeiding og er veldig egnet for 3D-trykt porøs titanlegering. Avslutningsvis vil denne protokollen for polering av 3D-utskrift av porøse titanlegeringsstykker være et nytt alternativ for å redusere overflateruhet og forbedre overflatekvaliteten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Jeg vil gjerne takke min veileder, Wenhua Huang, for å gi støttebetingelser og veiledning for dette eksperimentet. Denne forskningen ble finansiert av disiplinbyggeprosjektet til 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).
