Waiting
Elaborazione accesso...

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

Medicine

Плазменная полировка как новый вариант полировки для снижения шероховатости поверхности пористого титанового сплава для 3D-печати

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

Плазменная полировка является перспективной технологией обработки поверхности, особенно подходящей для 3D-печати заготовок из пористого титанового сплава. Он может удалять полурасплавленные порошки и абляционные оксидные слои, тем самым эффективно уменьшая шероховатость поверхности и улучшая качество поверхности.

Abstract

Широкие перспективы имеют имплантаты из пористого титанового сплава с имитацией трабекулярной кости, изготовленные по технологии 3D-печати. Однако из-за того, что некоторое количество порошка прилипает к поверхности заготовки в процессе изготовления, шероховатость поверхности у деталей прямой печати относительно высока. В то же время, поскольку внутренние поры пористой структуры не могут быть отполированы обычной механической полировкой, необходимо найти альтернативный метод. В качестве технологии обработки поверхностей технология плазменной полировки особенно подходит для деталей сложной формы, которые трудно поддаются механической полировке. Он может эффективно удалять частицы и мелкие остатки брызг, прикрепленные к поверхности напечатанных на 3D-принтере заготовок из пористого титанового сплава. Следовательно, он может уменьшить шероховатость поверхности. Во-первых, порошок титанового сплава используется для печати пористой структуры моделируемой трабекулярной кости металлическим 3D-принтером. После печати проводится термообработка, снятие несущей конструкции, ультразвуковая очистка. Затем выполняется плазменная полировка, состоящая из добавления полировального электролита с рН, установленным на 5,7, предварительного нагрева машины до 101,6 °C, фиксации заготовки на полировальном приспособлении и установки напряжения (313 В), тока (59 А) и времени полировки (3 мин). После полировки поверхность заготовки из пористого титанового сплава анализируется конфокальным микроскопом и измеряется шероховатость поверхности. Сканирующая электронная микроскопия используется для характеристики состояния поверхности пористого титана. Результаты показывают, что шероховатость поверхности всей заготовки из пористого титанового сплава изменялась от Ra (средняя шероховатость) = 126,9 мкм до Ra = 56,28 мкм, а шероховатость поверхности трабекулярной структуры изменялась от Ra = 42,61 мкм до Ra = 26,25 мкм. Между тем, полурасплавленные порошки и абляционные оксидные слои удаляются, а качество поверхности улучшается.

Introduction

Материалы из титана и титановых сплавов широко используются в качестве материалов для стоматологических и ортопедических имплантатов из-за их хорошей биосовместимости, коррозионной стойкости и механической прочности 1,2,3. Однако из-за высокого модуля упругости компактного титанового сплава, полученного традиционными методами обработки, эти пластины не подходят для восстановления кости, поскольку непосредственная близость к поверхности кости в течение длительного времени может привести к экранированию напряжений и охрупчиванию кости 4,5. Поэтому пористую микроструктуру моделируемых костных трабекул следует использовать в имплантатах из титанового сплава с целью снижения ее модуля упругости до уровня, соответствующего кости 6,7. Многие скаффолды использовались в области ортопедии для улучшения жизнеспособности клеток, прикрепления, пролиферации и самонаведения, остеогенной дифференцировки, ангиогенеза, интеграции хозяина и несущей способности 4,8,9. Традиционные методы изготовления пористых металлических конструкций включают метод структурного шаблона, метод образования дефектов, метод сжатия или сверхкритического углекислого газа, метод электроосаждения10,11 и т. Д. Хотя эти методы производства очень традиционны, они иногда растрачивают сырье и имеют значительные подготовительные затраты по сравнению с 3D-печатью12,13. 3D-печать - это технология, которая использует металлический или пластиковый порошок и другие клейкие материалы для создания твердых 3D-объектов из моделей автоматизированного проектирования (САПР) путем осаждения вышележащих слоев14,15. 3D-печать демонстрирует большой потенциал в непосредственной настройке металлических ячеистых каркасов для ортопедических имплантатов и открывает новые возможности для изготовления настраиваемых сложных конструкций с высоко взаимосвязанными порами. Среди них селективное лазерное плавление (SLM) является одной из наиболее представительных технологий 3D-печати и производства пористых титановых конструкцийимплантатов 16 .

В процессе SLM в качестве сырья используется порошок титанового сплава, по сути, плавление порошка и формирование структуры. Поэтому большое количество полурасплавленных порошков и абляционных оксидных слоев часто прилипает к поверхности имплантатов из титанового сплава, что приводит к высокой шероховатости поверхности17. Плохое качество поверхности пористых титановых ортопедических имплантатов приводит к воспалению, снижению усталостной работоспособности и даже новым биологическим рискам18 . Поскольку внутренние поры пористых структур не могут быть отполированы обычной механической полировкой, необходимо найти альтернативный метод. Плазменная полировка - это новый метод зеленой полировки металлических заготовок, который может эффективно полировать заготовки сложной формы без загрязнения19 . Он имеет большой потенциал развития в области постобработки имплантатов из титанового сплава.

Как разновидность технологии поверхности, технология плазменной полировки особенно подходит для металлических заготовок сложной формы, которые нелегко поддаются механической полировке. Общей целью этого варианта полировки является получение пористой поверхности из титанового сплава с низкой шероховатостью. Технология может эффективно удалять частицы и мелкие остатки брызг, прикрепленные к поверхности пористых титановых ортопедических имплантатов, изготовленных с помощью 3D-печати, и уменьшать шероховатость поверхности20. Принцип плазменной полировки представляет собой композитный реакционный процесс, основанный на сочетании индуцированного током химического и физического удаления21; Вся схема образует переходное короткое замыкание, образуя слой, окружающий парообразную плазму, на поверхностизаготовки 20. Этот процесс прорывается через слой газа, образуя выпускной канал, воздействуя на поверхность заготовки. Более высокий ток воздействует на выпуклую часть поверхности заготовки, что приводит к более быстрому удалению полурасплавленного порошка и обожженного оксидного слоя. Вогнутость и выпуклость постоянно меняются, а шероховатая поверхность постепенно сглаживается, улучшая шероховатость поверхности заготовки для достижения цели полировки.

В то же время эта технология является экологически чистой технологией обработки, не вызывающей загрязнения окружающей среды, и имеет большие преимущества по сравнению с другими методами полировки. Обычные методы механической полировки в основном включают механическую полировку, химическую полировку и электрохимическую полировку22. Механическая полировка является наиболее широко используемым традиционным процессом полировки; Он имеет недостатки низкой эффективности полировки, более высокую потребность в ручном труде и невозможность полировки деталей сложной геометрии. Возможность травмирования сотрудников и вероятность превышения допусков из-за человеческого фактора являются частыми недостатками механической полировки23. В отличие от химической полировки, которая основана на использовании химического раствора для удаления частей материала заготовки, электрохимическая полировка использует электрический ток и химический раствор для получения того же результата. К сожалению, оба этих процесса производят опасные газы и жидкости в качестве побочных продуктов использования, состав которых зависит от силы используемого кислотного или щелочного химического реагента. В результате не только присутствующие рабочие считаются подверженными риску из-за воздействия, но также существует вероятность серьезного ущерба окружающей среде24. Алексеев и др.25 предложили использовать плазменную полировку для полировки заготовок из титановых сплавов с простым составом электролита. Они обнаружили, что после полировки титанового образца царапины на поверхности удаляются, а блеск поверхности значительно улучшается. Смыслова и соавт.26 рассуждали о перспективах применения технологии плазменной полировки для обработки поверхностей медицинских имплантатов.

Теоретически технология плазменной полировки может быть использована для полировки структуры любой металлической детали. Он широко применяется для нанесения покрытий, в металлообрабатывающей промышленности, а также в электронике 3C, среди прочего22,27,28. Однако настоящее исследование имеет некоторые ограничения. Прежде всего, в рукописи основное внимание уделяется только качеству поверхности и шероховатости поверхности пористого титанового сплава для 3D-печати до и после плазменной полировки; Остальные изменения не затрагиваются. Во-вторых, мы не измеряли и не записывали результаты после термической обработки. Jinyoung Kim et al.29 сравнили стратегии модификации поверхности титана для усиления остеоинтеграции. Другое исследование показывает, что метод плазменного распыления, индуцированного мишенями-ионами (TIPS), может придать превосходные биологические функции поверхности металлических биоимплантатов30. Для дальнейшего изучения эффективности полировки и безопасности пористого титанового сплава для 3D-печати следующим шагом будет дальнейшее изучение других свойств детали SLM, таких как усталостные характеристики и остеогенная дифференциация. Эти вопросы нуждаются в дальнейшей доработке. Эта работа отличается от более ранних исследований плазменной полировки тем, что она фокусируется на 3D-печати пористого титанового сплава, а не на компактном титановом сплаве. В результате разные производственные процессы должны использовать разные параметры полировки. Целью данной рукописи является подробное ознакомление со схемой плазменной полировки пористого титанового сплава для 3D-печати, чтобы уменьшить шероховатость поверхности заготовок.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Печать и подготовка заготовки из титанового сплава

  1. Подготовьте заготовку из пористого титанового сплава в технике SLM-печати. Импортируйте файлы формата STL в металлический принтер, добавьте порошок Ti-6Al-4V, установите подложку для сборки, настройте щетку стеклоочистителя, установите размер лазерного пятна на 70 мкм и установите толщину слоя на 30 мкм (рис. 1).
  2. Порошок Ti-6Al-4V марки 23 с химическим составом, указанным в таблице 1 , и размером частиц порошка 15-53 мкм.
  3. Проектирование структуры пористого титанового сплава с имитацией трабекулярной кости на основе анизотропии полигонов Тайсона с использованием параметрического моделирования с размером апертуры 400-600 мкм, малым диаметром пучка 100-300 мкм и пористостью 70%31 .
  4. Убедитесь, что заготовка из пористого титанового сплава имеет форму медицинской поясничной клетки32. Для пористой структуры и поясничной клетки используйте логические операции для получения пористой структуры заготовки.

2. Термическая обработка

  1. Высокий температурный градиент во время SLM-печати вызовет остаточное напряжение в заготовке. Используйте термическую обработку, чтобы устранить остаточное напряжение внутри заготовки и сохранить ударную вязкость, пластичность, прочность на растяжение и другие физические свойства заготовки.
  2. Отделите пористую заготовку из титанового сплава от печатной подложки после печати с помощью среднескоростного станка для резки проволоки. Установите титановую пластину на среднескоростной станок для резки проволоки, чтобы пластина была перпендикулярна земле, и убедитесь, что проволока просто соприкасается с опорной поверхностью. Затем разрежьте вдоль опоры и титановой пластины, чтобы отделить пористую заготовку из титанового сплава от печатной подложки.
  3. Поместите пористую заготовку из титанового сплава в ультразвуковую очистительную машину с деионизированной водой на 15 минут и температурой, контролируемой на уровне 30 °C. Поддерживайте ультразвуковую частоту на уровне 40 000 Гц. Ультразвуковая очистка направлена на удаление порошка титанового сплава, оставшегося в пористой структуре.
  4. Повторите вышеупомянутую процедуру ультразвуковой очистки четыре раза, чтобы удалить остатки порошка титанового сплава и деионизированной воды из пористой структуры. После этого направьте воздух под высоким давлением на пористую структуру в течение 20 с, чтобы сдуть остаточный порошок и жидкость. Давление воздуха высокого давления составляет 0,71 МПа, который создается воздушным компрессором и осушителем воздуха.
  5. Поместите титановую корзину в печь для термообработки при комнатной температуре. Титановая корзина оснащена заготовками из титанового сплава, отделенными от подложки. Следите за тем, чтобы разные заготовки не соприкасались друг с другом, и закройте дверцу печи.
  6. Откройте газовый клапан, выдохните воздух и поддерживайте степень вакуума на уровне 3.9 x 10-3 Па.
  7. Установите процесс термообработки. Сначала нагревают печь до 800 °C в течение 1,5 ч, поддерживают температуру в течение 2 ч, а затем охлаждают заготовку внутри печи. Этот процесс гарантирует, что давление вакуума остается неизменным.
  8. После термической обработки охладите печь до комнатной температуры и наполните печь воздухом. После возвращения к атмосферному давлению, как видно на панели, выньте пористую заготовку из титанового сплава.

3. Удаление опоры

  1. После термической обработки заготовки из пористого титанового сплава не имеют внутренних остаточных напряжений, поэтому поверхность заготовки не трескается и/или не сломается при снятии опоры.
  2. Измерьте толщину опоры с помощью штангенциркуля, закрепите заготовку на низкоскоростном электроэрозионном станке для резки проволоки (EDM) и убедитесь, что медная проволока просто соприкасается с опорной поверхностью.
  3. Установите глубину реза, равную толщине опоры. Неизбежно, что удаление опоры электроэрозионным станком для резки проволоки приведет к образованию абляционного оксидного слоя. При снятии опоры убедитесь, что заготовка погружена в деионизированную воду, чтобы свести к минимуму ожоги поверхности заготовки.
  4. Разумная конструкция опоры обеспечивает точность при снятии опоры. Если остатки опоры все же остались, отполируйте заготовку наждачной бумагой.

4. Ультразвуковая чистка

  1. Поскольку заготовка погружается в деионизированную воду во время снятия опоры, перед плазменной полировкой выполните ультразвуковую очистку, чтобы удалить другие загрязнения.
  2. Поместите пористую заготовку из титанового сплава в ультразвуковую очистительную машину с деионизированной водой, установите температуру воды на 30 °C и очищайте ее в течение 5 минут. Через 5 мин выньте заготовку и выдуйте остатки жидкости воздухом под высоким давлением.

5. Первая характеристика

  1. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ): Изображение поверхностей с помощью СЭМ при ускоряющем напряжении 15 и 20 кВ после ультразвуковой очистки и перед плазменной полировкой.
  2. Делайте снимки с 30-кратным, 100-кратным и 500-кратным полем зрения. Наблюдайте за общей морфологией поверхности, адгезией частиц и размером пор заготовки из пористого титанового сплава и качественно оценивайте эффект плазменной полировки.
  3. Конфокальный микроскоп: Изображение поверхностей с помощью конфокального микроскопа.
  4. Поместите заготовку на платформу для хранения горизонтально. Измерьте по среднему параметру шероховатости поверхности (Ra). Используйте ядро ZEN v3.0 и программное обеспечение ConfoMap ST 8.0.
    1. Выберите 2,5-кратное увеличение, выберите « Широкий » для режима реального времени, нажмите « Автоматическая интенсивность», а затем перейдите к 5-кратному увеличению, чтобы наблюдать за общей ситуацией. Нажмите «Автоматическая интенсивность » и установите режим реального времени на «Комп». Выберите интересующую область, нажмите « Установить первым в самой нижней точке» и « Установить последней в самой высокой точке», а затем установите для получения значение «Обычный».
    2. Примерно через 5 минут импортируйте результаты в новый документ в ConfoMap ST 8.0. Ra легко получить в таблице параметров ConfoMap ST.
  5. Наблюдайте за общим состоянием заготовки пятикратным зеркалом, затем переключитесь на мощное зеркало и сфокусируйте поле зрения на трабекуле. Количественно оцените эффект плазменной полировки, описав Ra заготовки из пористого титанового сплава перед плазменной полировкой.

6. Плазменная полировка

  1. Для этого с помощью электролитической ячейки погрузите заготовку в электролит, соединенный в качестве анода20. В качестве электролита используйте 4% раствор сульфата аммония [(NH 4)2SO4] с pH от 5,7 до 6,1. Перед плазменной полировкой нагрейте полировальный электролит до 80 °C.
  2. Установите ток полировки на 59 А, напряжение на 313 В и температуру полировального электролита на 101.6 °C (рис. 2A). Проведите плазменную полировку по этим параметрам.
  3. Поместите поверхность пористой заготовки из титанового сплава, подлежащую полировке, горизонтально и закрепите ее на приспособлении, а затем поместите приспособление в станок плазменной полировки (рис. 2B). Проведите плазменную полировку в течение 90 с, а затем выньте приспособление из машины для плазменной полировки.
  4. Поскольку пористая заготовка из титанового сплава закреплена на приспособлении через точку зажима, точка зажима не контактирует с полировальным раствором, и соответствующая электрохимическая реакция в точке зажима не происходит. Поэтому немного измените положение точки зажима после того, как приспособление будет вынуто.
  5. Снова проведите плазменную полировку в течение 90 секунд и выньте приспособление из машины для плазменной полировки. Снимите пористую заготовку из титанового сплава с приспособления, а затем поместите ее в ультразвуковую очистительную машину с деионизированной водой.
  6. Установите температуру воды 30 °C и очищайте заготовку в течение 2 минут. Через 2 минуты выньте заготовку и выдуйте остатки жидкости воздухом под высоким давлением.

7. Вторая характеристика

  1. После завершения плазменной полировки нанесите изображение поверхностей с помощью СЭМ и конфокального микроскопа так же, как и на шаге 5. Оцените влияние плазменной полировки на шероховатость поверхности и качество поверхности пористого титанового сплава для 3D-печати, сравнив два вышеуказанных результата съемки.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Морфология поверхности
На рисунке 3 показан результат СЭМ морфологии поверхности заготовки из пористого титанового сплава до и после плазменной полировки. Мы наблюдали, что при 30-кратном и 100-кратном увеличении поверхность пористой заготовки из титанового сплава перед плазменной полировкой кажется более шероховатой (рис. 3A, B). При увеличении до 500x мы обнаружили, что на поверхности пористого титанового сплава можно наблюдать большое количество полурасплавленных порошков и абляционных оксидных слоев (рис. 3C). Однако большая часть полурасплавленных порошков и абляционных оксидных слоев на поверхности пористого титанового сплава была удалена после плазменной полировки (рис. 3F). При этом размер пор и трабекулярный диаметр соответствовали конструкции, которая не была повреждена (рис. 3D,E). Это показывает, что плазменная полировка может улучшить качество поверхности заготовок из пористого титанового сплава для 3D-печати и не повредить исходную структуру пор конструкции.

Измерение шероховатости поверхности
Всю пористую заготовку из титанового сплава и ее часть визуализировали с помощью быстрого вращающегося конфокального микроскопа, как показано на рисунке 4, и измеряли шероховатость поверхности. Шероховатость поверхности высокая, будь то вся поверхность пористого титанового сплава или небольшая балка, образующая пористую структуру, перед плазменной полировкой (рис. 4A, B). Шероховатость поверхности пористой структуры значительно снижается; Ra общей поверхности составляет 56,28 мкм (рис. 4C), а Ra части заготовки из пористого титанового сплава составляет 26,65 мкм (рис. 4D).

Figure 1
Рисунок 1: 3D-печать металла SLM. Используется технология печати SLM и 23 порошка Ti-6Al-4V для приготовления заготовки из пористого титанового сплава. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Машина для плазменной полировки и приспособление для полировки. (A) Параметры настройки машины плазменной полировки: ток полировки устанавливается равным 59 А, напряжение устанавливается как 313 В, а температура полировального электролита устанавливается как 101,6 °C после предварительного нагрева полировального электролита. (B) Полировальное приспособление. Поверхность полируемой детали из пористого титанового сплава размещается горизонтально и фиксируется на приспособлении, обеспечивая погружение приспособления в полировальный электролит. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Изображения заготовки из пористого титанового сплава, напечатанной на 3D-принтере, с помощью SEM. Перед плазменной полировкой (A) при 30x можно наблюдать всю пористую структуру. (B) При 100x можно наблюдать структуру пор. Поверхность заготовки из пористого титанового сплава перед плазменной полировкой кажется более шероховатой. (C) При 500x на поверхности трабекулярной структуры можно наблюдать большое количество полурасплавленных порошков и абляционных оксидных слоев. После плазменной полировки (D) при 30x можно наблюдать всю пористую структуру. (E) При 100x можно наблюдать структуру пор. Размер пор и трабекулярный диаметр соответствовали конструкции, которая не была повреждена. (F) При 500x большая часть полурасплавленных порошков и абляционных оксидных слоев на поверхности пористого титанового сплава была удалена. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Изображения заготовки из пористого титанового сплава, напечатанной на 3D-принтере с помощью конфокального микроскопа. На изображении показана морфология поверхности пористого титанового сплава, а координатная ось представляет длину. После плазменной полировки поверхность пористого титанового сплава приобретает блестящий металлический вид. (A) Вся заготовка из пористого титанового сплава была изображена перед плазменной полировкой, Ra = 126,9 мкм. (B) Часть заготовки из пористого титанового сплава была изображена перед плазменной полировкой, Ra = 42,61 мкм. (C) Вся заготовка из пористого титанового сплава была изображена после плазменной полировки, Ra = 56,28 мкм. Общая шероховатость поверхности может быть уменьшена плазменной полировкой. (D) Часть заготовки из пористого титанового сплава была изображена после плазменной полировки, Ra = 26,65 мкм. Шероховатость поверхности трабекулярной структуры может быть уменьшена плазменной полировкой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Элемент Масса (%)
Титан Равновесие
Алюминий 5.50 до 6.50
Ванадий 3.50 до 4.50
Железо < 0,25
Кислород < 0,13
Углерод < 0,08
Азот < 0,05
Водород < 0,012
Остаточный < по 0,10, всего 0,40

Таблица 1: Химический состав порошка сплава Ti-6Al-4V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Шероховатость поверхности используется для описания степени волнистости и неровности микрогеометрических фигур на поверхностях заготовки в небольшом диапазоне интервалов. В ряде предыдущих исследований сообщалось, как полировать металлические поверхности с использованием различных процедур, таких как механическая полировка, химическая полировка, электрохимическая полировка и многое другое 22,33,34,35. Несмотря на то, что многочисленные исследования показали перспективные эффекты полировки, основанные на этих традиционных методах механической полировки, метод полировки для 3D-печати пористого титанового сплава имеет решающее значение для уменьшения шероховатости поверхности. Плазменная полировка позволяет эффективно полировать заготовки сложной формы без загрязнения. Таким образом, шероховатость поверхности может измерять качество поверхности пористого титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере. Шероховатость поверхности металлических ортопедических имплантатов может не только оптимизировать взаимодействие имплантата с костью, но и одновременно свести к минимуму взаимодействие имплантата с бактериями36 . Металлические клеточные каркасы могут обеспечить место для роста клеток и кровеносных сосудов, в то время как остеобласты, по-видимому, предпочитают более шероховатые поверхности37. В этом эксперименте шероховатость поверхности пористого титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере, поддерживается на уровне 26,65 мкм после плазменной полировки, что отвечает основным требованиям стимулирования роста клеток и кровеносных сосудов.

Перед термообработкой необходимо провести ультразвуковую очистку, чтобы предотвратить блокировку пористой структуры расплавленным порошком титана. Пористая заготовка из титанового сплава помещается в ультразвуковую машину с деионизированной водой на 15 минут для очистки. Остаточный порошок титанового сплава сдувается воздухом под высоким давлением после очистки, а ультразвуковая очистка и продувка остаточного порошка повторяется еще три раза. Другими словами, для удаления остатков порошка титанового сплава проводится 1 час ультразвуковой очистки и четыре случая продувки воздухом под высоким давлением.

Во время плазменной полировки заготовка должна быть аккуратно закреплена на приспособлении, чтобы защитить трабекулу пористой структуры от повреждений, так как часть полировальных приспособлений становится острее после быстрой полировки. Приспособление вынимается из машины плазменной полировки, положение точки зажима немного изменяется после полировки в течение 90 с, а затем плазменная полировка проводится в течение оставшихся 90 с. Если плазменная полировка длится 180 с за один раз без изменения положения точки зажима, полировка вокруг точки зажима будет успешной, но точка зажима, покрытая приспособлением из пористого титанового сплава, будет представлять неполированное состояние поверхности.

Однако эта технология полировки также имеет некоторые ограничения, такие как высокое энергопотребление. Из-за ограничения размера ванны оборудование для плазменной полировки не может обрабатывать большие детали. Эта технология также может быть дополнительно изучена. Рекомендуется использовать больше исследований по моделированию и имитационному моделированию для точного прогнозирования оптимальных значений параметров процесса с целью достижения прогнозируемых улучшений заготовки при минимизации времени и затрат, необходимых для экспериментов. Мы можем провести дальнейшие исследования для определения оптимальных параметров плазменной полировки заготовок из пористых титановых сплавов22.

С микроскопической точки зрения плазменная полировка — это процесс, при котором поверхность металла расплавляется под действием тепла, выделяемого высокоскоростным электронным ударом. Это новая тенденция развития в области экологически чистого производства и прецизионной обработки, которая очень подходит для 3D-печатного пористого титанового сплава. В заключение, этот протокол для полировки заготовок из пористого титанового сплава для 3D-печати станет новым вариантом для уменьшения шероховатости поверхности и улучшения качества поверхности.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам раскрывать нечего.

Acknowledgments

Я хотел бы поблагодарить моего руководителя Вэньхуа Хуана за предоставление условий поддержки и руководство для этого эксперимента. Это исследование было профинансировано проектом строительства дисциплины Медицинского университета Гуандун (4SG22260G), проектом молодых инновационных талантов высших учебных заведений провинции Гуандун (2021KQNCX023), Национальным фондом естественных наук Китая (82205301) и Исследовательским проектом в области здравоохранения Футянь (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

Медицина выпуск 194 плазменная полировка шероховатость поверхности качество поверхности 3D-печать пористый титановый сплав
Плазменная полировка как новый вариант полировки для снижения шероховатости поверхности пористого титанового сплава для 3D-печати
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