Summary
Plasmapolijsten is een veelbelovende oppervlaktebewerkingstechnologie, vooral geschikt voor het 3D-printen van poreuze werkstukken van titaniumlegeringen. Het kan semi-gesmolten poeders en ablatieve oxidelagen verwijderen, waardoor de oppervlakteruwheid effectief wordt verminderd en de oppervlaktekwaliteit wordt verbeterd.
Abstract
Poreuze titaniumlegeringsimplantaten met gesimuleerd trabeculair bot vervaardigd door 3D-printtechnologie hebben brede vooruitzichten. Vanwege het feit dat sommige poeder zich tijdens het productieproces aan het oppervlak van het werkstuk hecht, is de oppervlakteruwheid in directe drukstukken echter relatief hoog. Tegelijkertijd, omdat de interne poriën van de poreuze structuur niet kunnen worden gepolijst door conventioneel mechanisch polijsten, moet een alternatieve methode worden gevonden. Als oppervlaktetechnologie is plasmapolijsttechnologie vooral geschikt voor onderdelen met complexe vormen die moeilijk mechanisch te polijsten zijn. Het kan effectief deeltjes en fijne spatresten verwijderen die zijn bevestigd aan het oppervlak van 3D-geprinte poreuze werkstukken van titaniumlegering. Daarom kan het de oppervlakteruwheid verminderen. Ten eerste wordt titaniumlegeringspoeder gebruikt om de poreuze structuur van het gesimuleerde trabeculaire bot te printen met een metalen 3D-printer. Na het afdrukken wordt warmtebehandeling, verwijdering van de ondersteunende structuur en ultrasone reiniging uitgevoerd. Vervolgens wordt plasmapolijsten uitgevoerd, bestaande uit het toevoegen van een polijstelektrolyt met de pH ingesteld op 5,7, het voorverwarmen van de machine tot 101,6 °C, het bevestigen van het werkstuk op de polijstarmatuur en het instellen van de spanning (313 V), stroom (59 A) en polijsttijd (3 min). Na het polijsten wordt het oppervlak van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering geanalyseerd door een confocale microscoop en wordt de oppervlakteruwheid gemeten. Scanning elektronenmicroscopie wordt gebruikt om de oppervlakteconditie van poreus titanium te karakteriseren. De resultaten laten zien dat de oppervlakteruwheid van het hele poreuze werkstuk van titaniumlegering veranderde van Ra (gemiddelde ruwheid) = 126,9 μm naar Ra = 56,28 μm, en de oppervlakteruwheid van de trabeculaire structuur veranderde van Ra = 42,61 μm naar Ra = 26,25 μm. Ondertussen worden semi-gesmolten poeders en ablatieve oxidelagen verwijderd en wordt de oppervlaktekwaliteit verbeterd.
Introduction
Titanium en titaniumlegeringsmaterialen zijn op grote schaal gebruikt als tandheelkundige en orthopedische implantaatmaterialen vanwege hun goede biocompatibiliteit, corrosiebestendigheid en mechanische sterkte 1,2,3. Vanwege de hoge elastische modulus van de compacte titaniumlegering die door traditionele verwerkingsmethoden wordt geproduceerd, zijn deze platen echter niet geschikt voor botreparatie, omdat de nabijheid van het botoppervlak gedurende lange perioden kan leiden tot spanningsafscherming en botbrosheid 4,5 . Daarom moet de poreuze microstructuur van gesimuleerde bottrabeculae worden gebruikt in implantaten van titaniumlegeringen om de elastische modulus te verminderen tot het niveau dat overeenkomt met het bot 6,7. Veel steigers zijn gebruikt op het gebied van orthopedie om de levensvatbaarheid van cellen, hechting, proliferatie en homing, osteogene differentiatie, angiogenese, gastheerintegratie en gewichtsdragend 4,8,9 te verbeteren. Traditionele fabricagemethoden van poreuze metalen structuren omvatten de structurele sjabloonmethode, defectvormingsmethode, compressie- of superkritische koolstofdioxidemethode, elektrodepositietechniek10,11, enz. Hoewel deze productietechnieken zeer traditioneel zijn, verspillen ze af en toe grondstoffen en hebben ze aanzienlijke voorbereidende kosten in vergelijking met 3D-printen12,13. 3D-printen is een technologie die metaal- of kunststofpoeder en andere kleefmaterialen gebruikt om solide 3D-objecten te bouwen van computerondersteunde ontwerpmodellen (CAD) via de afzetting van bovenliggende lagen14,15 . 3D-printen toont een groot potentieel in het direct aanpassen van metalen cellulaire steigers voor orthopedische implantaten en opent nieuwe mogelijkheden voor het produceren van aanpasbare complexe ontwerpen met sterk onderling verbonden poriën. Onder hen is selectief lasersmelten (SLM) een van de meest representatieve 3D-print- en productietechnologieën voor poreuze titanium implantaatstructuren16 .
Het SLM-proces maakt gebruik van titaniumlegeringspoeder als grondstof, in wezen poedersmelten en de structuur vormen. Daarom hecht een groot aantal semi-gesmolten poeders en ablatieve oxidelagen zich vaak aan het oppervlak van implantaten van titaniumlegeringen, wat leidt tot een hoge oppervlakteruwheid17. Slechte oppervlaktekwaliteit van poreuze titanium orthopedische implantaten leidt tot ontsteking, verminderde vermoeidheidsprestaties en zelfs nieuwe biologische risico's18 . Omdat de interne poriën van poreuze structuren niet kunnen worden gepolijst door conventioneel mechanisch polijsten, moet een alternatieve methode worden gevonden. Plasmapolijsten is een nieuwe groene polijstmethode voor metalen werkstukken die werkstukken met complexe vormen efficiënt kunnen polijsten zonder vervuiling19 . Het heeft een groot ontwikkelingspotentieel op het gebied van titaniumlegering implantaat nabewerking.
Als een soort oppervlaktetechnologie is plasmapolijsttechnologie met name geschikt voor metalen werkstukken met complexe vormen die niet gemakkelijk mechanisch gepolijst kunnen worden. Het algemene doel van deze polijstoptie is om een poreus oppervlak van titaniumlegering met een lage ruwheid te verkrijgen. De technologie kan effectief deeltjes en fijne spatresten verwijderen die zijn bevestigd aan het oppervlak van poreuze titanium orthopedische implantaten vervaardigd door 3D-printen en de oppervlakteruwheid verminderen20. Het principe van plasmapolijsten is een samengesteld reactieproces op basis van een combinatie van stroomgeïnduceerde chemische en fysische verwijdering21; Het hele circuit vormt een voorbijgaande kortsluiting en vormt een dampplasma-omringende laag op het werkstukoppervlak20. Dit proces breekt door de gaslaag om een afvoerkanaal te vormen, waardoor het werkstukoppervlak wordt beïnvloed. De hogere stroom beïnvloedt het bolle deel van het werkstukoppervlak, wat leidt tot een snellere verwijdering van halfgesmolten poeder en de verbrande oxidelaag. De concaviteit en convexiteit veranderen voortdurend en het ruwe oppervlak wordt geleidelijk gladgestreken, waardoor de oppervlakteruwheid van het werkstuk wordt verbeterd om het doel van polijsten te bereiken.
Tegelijkertijd is deze technologie een groene verwerkingstechnologie, die geen vervuiling van het milieu veroorzaakt en grote voordelen heeft in vergelijking met andere polijstmethoden. Conventionele mechanische polijsttechnieken omvatten voornamelijk mechanisch polijsten, chemisch polijsten en elektrochemisch polijsten22. Mechanisch polijsten is het meest gebruikte conventionele polijstproces; Het heeft de nadelen van een lage polijstefficiëntie, een hogere vraag naar handmatige arbeid en het onvermogen om onderdelen met complexe geometrieën te polijsten. De kans op letsel van werknemers en de kans op het overschrijden van toleranties als gevolg van menselijke factoren zijn frequente nadelen van mechanisch polijsten23. In tegenstelling tot chemisch polijsten, dat is gebaseerd op het gebruik van een chemische oplossing om delen van het materiaal van een werkstuk te verwijderen, maakt elektrochemisch polijsten gebruik van een elektrische stroom en chemische oplossing om hetzelfde resultaat te verkrijgen. Helaas produceren beide processen gevaarlijke gassen en vloeistoffen als bijproducten van het gebruik, waarvan de samenstelling afhankelijk is van de sterkte van het gebruikte zure of alkalische chemische reagens. Als gevolg hiervan worden niet alleen de aanwezige werknemers geacht een risico te lopen als gevolg van blootstelling, maar is er ook het potentieel voor ernstige schade aan het milieu24. Aliakseyeu et al.25 stelden voor om plasmapolijsten te gebruiken voor het polijsten van werkstukken van titaniumlegeringen met een eenvoudige elektrolytsamenstelling. Ze ontdekten dat na het polijsten van titaniummonsters krassen op het oppervlak worden verwijderd en de oppervlakteglans aanzienlijk wordt verbeterd. Smyslova et al.26 beraadslaagden op de vooruitzichten van het toepassen van plasmapolijsttechnologie om de oppervlakken van medische implantaten te behandelen.
Theoretisch kan plasmapolijsttechnologie worden gebruikt om de structuur van elk metalen onderdeel te polijsten. Het is op grote schaal toegepast voor coating, in metaalafwerkingsindustrieën en in 3C-elektronica, onder andere22,27,28. De huidige studie heeft echter enkele beperkingen. Allereerst richt het manuscript zich alleen op de oppervlaktekwaliteit en oppervlakteruwheid van 3D-printen van poreuze titaniumlegering voor en na plasmapolijsten; de overige wijzigingen zijn niet betrokken. Ten tweede hebben we de resultaten na warmtebehandeling niet gemeten en vastgelegd. Jinyoung Kim et al.29 vergeleken titanium oppervlaktemodificatiestrategieën voor osseointegratieverbetering. Een andere studie toont aan dat de target-ion geïnduceerde plasma sputtering (TIPS) techniek uitstekende biologische functies kan geven aan het oppervlak van metalen bio-implantaten30. Om de polijstefficiëntie en veiligheid van poreuze titaniumlegering voor 3D-printen verder te onderzoeken, zal de volgende stap zijn om de andere eigenschappen van SLM-onderdelen, zoals vermoeiingsprestaties en osteogene differentiatie, verder te bestuderen. Deze kwesties moeten verder worden verfijnd. Dit werk verschilt van eerdere plasmapolijststudies doordat het zich richt op het 3D-printen van poreuze titaniumlegering in plaats van een compacte titaniumlegering. Als gevolg hiervan moeten verschillende productieprocessen verschillende polijstparameters aannemen. Het doel van dit manuscript is om het plasmapolijstschema van 3D-printen van poreuze titaniumlegering in detail te introduceren, om de oppervlakteruwheid van werkstukken te verminderen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Afdrukken en voorbereiden van een werkstuk van een titaniumlegering
- Bereid een werkstuk voor van een poreuze titaniumlegering met behulp van de SLM-druktechniek. Importeer STL-bestanden in de metaalprinter, voeg Ti-6Al-4V-poeder toe, installeer het bouwsubstraat, stel het ruitenwisserblad in, stel de laserspotgrootte in op 70 μm en stel de laagdikte in op 30 μm (figuur 1).
- Grade 23 Ti-6Al-4V poeder met chemische samenstelling zoals weergegeven in tabel 1 en een poederdeeltjesgrootte van 15-53 μm.
- Ontwerp de poreuze titaniumlegeringsstructuur met gesimuleerd trabeculair bot op basis van Tyson-polygoonanisotropie met behulp van parametrische modellering, met een diafragmagrootte van 400-600 μm, kleine bundeldiameter van 100-300 μm en porositeit van 70% 31 .
- Zorg ervoor dat het poreuze werkstuk van titaniumlegering de vorm heeft van de medische lendenkooi32. Gebruik voor de poreuze structuur en de lumbale kooi Booleaanse bewerkingen om de poreuze werkstukstructuur te verkrijgen.
2. Warmtebehandeling
- Een hoge temperatuurgradiënt tijdens SLM-printen veroorzaakt restspanning in het werkstuk. Gebruik warmtebehandeling om de restspanning in het werkstuk te elimineren en de taaiheid, plasticiteit, treksterkte en andere fysieke eigenschappen van het werkstuk te behouden.
- Scheid het poreuze werkstuk van de titaniumlegering van het druksubstraat na het afdrukken met behulp van een draadsnijmachine met gemiddelde snelheid. Installeer de titaniumplaat op de draadsnijmachine met gemiddelde snelheid om de plaat loodrecht op de grond te maken en zorg ervoor dat de draad net contact maakt met het ondersteuningsoppervlak. Snijd vervolgens langs de steun en titaniumplaat om het poreuze werkstuk van de titaniumlegering van het printsubstraat te scheiden.
- Plaats het poreuze werkstuk van titaniumlegering gedurende 15 minuten in de ultrasone reinigingsmachine met gedeïoniseerd water en de temperatuur wordt geregeld op 30 °C. Houd de ultrasone frequentie op 40.000 Hz. De ultrasone reiniging is bedoeld om het poeder van de titaniumlegering dat achterblijft in de poreuze structuur te verwijderen.
- Herhaal de bovengenoemde ultrasone reinigingsprocedure vier keer om resterend titaniumlegeringspoeder en gedeïoniseerd water uit de poreuze structuur te verwijderen. Richt daarna hogedruklucht gedurende 20 s op de poreuze structuur om het resterende poeder en de vloeistof weg te blazen. De druk van de hogedruklucht is 0,71 MPa, die wordt gegenereerd door een luchtcompressor en luchtdroger.
- Plaats de titanium mand in de warmtebehandelingsoven bij kamertemperatuur. De titanium mand is uitgerust met titaniumlegering werkstukken gescheiden van de ondergrond. Voorkom dat verschillende werkstukken elkaar raken en sluit de ovendeur.
- Open de gasklep, haal de lucht eruit en houd de vacuümgraad op 3,9 x 10-3 Pa.
- Stel het warmtebehandelingsproces in. Verwarm eerst de oven gedurende 1,5 uur tot 800 °C, handhaaf de temperatuur gedurende 2 uur en koel vervolgens het werkstuk in de oven. Dit proces zorgt ervoor dat de vacuümdruk ongewijzigd blijft.
- Koel na de warmtebehandeling de oven af tot kamertemperatuur en vul de oven met lucht. Nadat u bent teruggekeerd naar de atmosferische druk, zoals te zien op het paneel, verwijdert u het poreuze werkstuk van titaniumlegering.
3. De ondersteuning verwijderen
- Na warmtebehandeling hebben de poreuze werkstukken van titaniumlegering geen interne restspanning, zodat het werkstukoppervlak niet zal barsten en/of breken bij het verwijderen van de steun.
- Meet de steundikte met behulp van een vernier remklauw, bevestig het werkstuk op de low-speed wire-cutting electrical discharge machining (EDM) machine en zorg ervoor dat de koperdraad net contact maakt met het steunoppervlak.
- Stel de snijdiepte in op de dikte van de steun. Het is onvermijdelijk dat het verwijderen van de ondersteuning door de draadsnijdende EDM-machine een ablatieoxidelaag zal vormen. Zorg er bij het verwijderen van de steun voor dat het werkstuk is ondergedompeld in gedeïoniseerd water om brandwonden aan het werkstukoppervlak te minimaliseren.
- Een redelijk ondersteuningsontwerp zorgt voor nauwkeurigheid bij het verwijderen van de ondersteuning. Als er nog wat steunresten zijn, polijst het werkstuk dan met schuurpapier.
4. Ultrasoon reinigen
- Omdat het werkstuk tijdens het verwijderen van de ondersteuning wordt ondergedompeld in gedeïoniseerd water, voert u ultrasone reiniging uit voordat u plasma polijst om andere onzuiverheden te verwijderen.
- Plaats het poreuze werkstuk van titaniumlegering in de ultrasone reinigingsmachine met gedeïoniseerd water, stel de watertemperatuur in op 30 ° C en reinig het gedurende 5 minuten. Haal na 5 minuten het werkstuk eruit en blaas restvloeistof uit met hogedruklucht.
5. Eerste karakterisering
- Scanning elektronenmicroscoop (SEM): Beeld de oppervlakken af met een SEM bij 15 en 20 kV versnellende spanning, na ultrasone reiniging en voor plasmapolijsten.
- Maak foto's met een visueel veld van 30x, 100x en 500x. Observeer de algemene oppervlaktemorfologie, deeltjesadhesie en poriegrootte van het poreuze werkstuk van titaniumlegering en evalueer kwalitatief het plasmapolijsteffect.
- Confocale microscoop: Beeld de oppervlakken af met een confocale microscoop.
- Plaats het werkstuk horizontaal op het opslagplatform. Meet de parameter voor de rekenkundige gemiddelde ruwheid (Ra) van het oppervlak. Gebruik ZEN core v3.0 en ConfoMap ST 8.0 software.
- Selecteer 2,5x vergroting, kies Breed voor livemodus, klik op Automatische intensiteit en ga vervolgens naar 5x vergroting om de algehele situatie te observeren. Klik op Automatische intensiteit en stel de livemodus in op Comp. Selecteer het interessegebied, klik op Eerst instellen op het laagste punt en Als laatste instellen op het hoogste punt en stel de acquisitie in op Normaal.
- Importeer na ongeveer 5 minuten de resultaten in een nieuw document in ConfoMap ST 8.0. De Ra is eenvoudig te verkrijgen in de parameterstabel in ConfoMap ST.
- Observeer de algehele toestand van het werkstuk met een vijfvoudige spiegel, schakel dan over naar een krachtige spiegel en richt het gezichtsveld op een trabecula. Evalueer het plasmapolijsteffect kwantitatief door de Ra van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering te beschrijven vóór het plasmapolijsten.
6. Plasma polijsten
- Gebruik hiervoor een elektrolytische cel om het werkstuk onder te dompelen in een elektrolyt die is verbonden als een anode20. Gebruik 4% ammoniumsulfaatoplossing [(NH 4)2SO4], pH tussen 5,7-6,1, als elektrolyt. Verwarm de polijstelektrolyt voor op 80 °C voordat u het plasma polijst.
- Stel de polijststroom in op 59 A, de spanning op 313 V en de polijstelektrolyttemperatuur op 101,6 °C (figuur 2A). Voer plasmapolijsten uit volgens deze parameters.
- Plaats het oppervlak van het te polijsten werkstuk van de poreuze titaniumlegering horizontaal en bevestig het op het armatuur en plaats het armatuur vervolgens in de plasmapolijstmachine (figuur 2B). Voer plasmapolijsten uit gedurende 90 s en haal vervolgens het armatuur uit de plasmapolijstmachine.
- Omdat het poreuze werkstuk van de titaniumlegering via het klempunt op het armatuur wordt bevestigd, is het klempunt niet in contact met de polijstoplossing en treedt de overeenkomstige elektrochemische reactie niet op het klempunt op. Verander daarom de positie van het klempunt iets nadat het armatuur is verwijderd.
- Voer het plasmapolijsten opnieuw uit gedurende 90 s en haal het armatuur uit de plasmapolijstmachine. Verwijder het poreuze werkstuk van de titaniumlegering uit het armatuur en plaats het vervolgens in de ultrasone reinigingsmachine met gedeïoniseerd water.
- Stel de watertemperatuur in op 30 °C en reinig het werkstuk gedurende 2 minuten. Haal na 2 minuten het werkstuk eruit en blaas de restvloeistof eruit met hogedruklucht.
7. Tweede karakterisering
- Na het voltooien van het plasmapolijsten, beeldt u de oppervlakken af met behulp van een SEM en een confocale microscoop op dezelfde manier als in stap 5. Beoordeel de invloed van plasmapolijsten op de oppervlakteruwheid en oppervlaktekwaliteit van 3D-printen poreuze titaniumlegering door de bovenstaande twee opnameresultaten te vergelijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Oppervlaktemorfologie
Figuur 3 toont het SEM-resultaat van de oppervlaktemorfologie van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering voor en na het plasmapolijsten. We zagen dat bij 30x en 100x vergroting het oppervlak van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering vóór het plasmapolijsten ruwer lijkt te zijn (figuur 3A, B). Bij uitvergroting tot 500x ontdekten we dat een grote hoeveelheid halfgesmolten poeders en ablatieve oxidelagen konden worden waargenomen op het oppervlak van de poreuze titaniumlegering (figuur 3C). De meeste halfgesmolten poeders en ablatieve oxidelagen op het oppervlak van de poreuze titaniumlegering werden echter verwijderd na plasmapolijsten (figuur 3F). Tegelijkertijd waren de poriegrootte en trabeculaire diameter consistent met het ontwerp, dat niet was beschadigd (figuur 3D, E). Dit toont aan dat plasmapolijsten de oppervlaktekwaliteit van 3D-printen van poreuze werkstukken van titaniumlegering kan verbeteren en de oorspronkelijke poriestructuur van het ontwerp niet beschadigt.
Meting van de oppervlakteruwheid
Het geheel en een deel van het poreuze werkstuk van titaniumlegering werden in beeld gebracht met behulp van de snelle roterende confocale microscoop, zoals weergegeven in figuur 4, en de oppervlakteruwheid werd gemeten. De oppervlakteruwheid is hoog, of het nu gaat om het hele oppervlak van de poreuze titaniumlegering of een kleine bundel die een poreuze structuur vormt, voordat het plasma wordt gepolijst (figuur 4A, B). De oppervlakteruwheid van poreuze structuur wordt aanzienlijk verminderd; de Ra van het totale oppervlak is 56,28 μm (figuur 4C), terwijl de Ra van een deel van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering 26,65 μm is (figuur 4D).
Figuur 1: SLM metaal 3D printen. SLM-printtechnologie wordt gebruikt en 23 Ti-6Al-4V-poeder wordt gesorteerd om een poreus werkstuk van titaniumlegering te bereiden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Plasmapolijstmachine en polijstarmatuur. (A) Parameters van de plasmapolijstmachine: de polijststroom wordt ingesteld op 59 A, de spanning wordt ingesteld op 313 V en de temperatuur van de polijstelektrolyt wordt ingesteld op 101,6 °C, na voorverwarming van de polijstelektrolyt. (B) Polijstarmatuur. Het oppervlak van het te polijsten werkstuk van een poreuze titaniumlegering wordt horizontaal geplaatst en op het armatuur bevestigd, zodat het armatuur wordt ondergedompeld in de polijstelektrolyt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: De afbeeldingen van het 3D-geprinte poreuze werkstuk van titaniumlegering met behulp van een SEM. Vóór het polijsten van plasma, (A) bij 30x, kan de hele poreuze structuur worden waargenomen. (B) Bij 100x kan de poriestructuur worden waargenomen. Het oppervlak van het poreuze werkstuk van titaniumlegering vóór het plasmapolijsten lijkt ruwer te zijn. (C) Bij 500x kan een grote hoeveelheid halfgesmolten poeders en ablatieve oxidelagen worden waargenomen op het oppervlak van de trabeculaire structuur. Na plasmapolijsten, (D) bij 30x, kan de hele poreuze structuur worden waargenomen. (E) Bij 100x kan de poriestructuur worden waargenomen. De poriegrootte en trabeculaire diameter waren consistent met het ontwerp, dat niet werd beschadigd. (F) Bij 500x werden de meeste halfgesmolten poeders en ablatieve oxidelagen op het oppervlak van de poreuze titaniumlegering verwijderd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: De beelden van het 3D-geprinte poreuze werkstuk van titaniumlegering met behulp van een confocale microscoop. De afbeelding toont de oppervlaktemorfologie van de poreuze titaniumlegering, waarbij de coördinaatas de lengte vertegenwoordigt. Na plasmapolijsten vertoont het oppervlak van een poreuze titaniumlegering een glanzend metalen uiterlijk. (A) Het hele poreuze werkstuk van een titaniumlegering werd afgebeeld vóór het polijsten van het plasma, Ra = 126,9 μm. (B) Een deel van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering werd afgebeeld vóór het plasmapolijsten, Ra = 42,61 μm. (C) Het hele poreuze werkstuk van een titaniumlegering werd afgebeeld na plasmapolijsten, Ra = 56,28 μm. De totale oppervlakteruwheid kan worden verminderd door plasmapolijsten. (D) Een deel van het poreuze werkstuk van de titaniumlegering werd afgebeeld na plasmapolijsten, Ra = 26,65 μm. De oppervlakteruwheid van de trabeculaire structuur kan worden verminderd door plasmapolijsten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Element | Massa(%) |
| Titaan | Evenwicht |
| Aluminium | 5,50 tot 6,50 |
| Vanadium | 3,50 tot 4,50 |
| Ijzer | < 0,25 |
| Zuurstof | < 0.13 |
| Koolstof | < 0,08 |
| Stikstof | < 0,05 |
| Waterstof | < 0,012 |
| Overgebleven | < 0,10 elk, 0,40 totaal |
Tabel 1: Chemische samenstelling van Ti-6Al-4V legeringspoeder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Oppervlakteruwheid wordt gebruikt om de hoeveelheid golving en oneffenheden van microgeometrische vormen op werkstukoppervlakken binnen een klein afstandsbereik te beschrijven. Een aantal eerdere studies hebben gerapporteerd hoe metalen oppervlakken te polijsten met behulp van verschillende procedures, zoals mechanisch polijsten, chemisch polijsten, elektrochemisch polijsten en meer 22,33,34,35. Hoewel talrijke studies prospectieve polijsteffecten hebben aangetoond op basis van deze conventionele mechanische polijsttechnieken, is de polijstmethode voor het 3D-printen van poreuze titaniumlegering cruciaal om de oppervlakteruwheid te verminderen. Plasmapolijsten kan werkstukken met complexe vormen efficiënt polijsten zonder vervuiling. Daarom kan oppervlakteruwheid de oppervlaktekwaliteit van een 3D-geprinte poreuze titaniumlegering meten. De oppervlakteruwheid van metalen orthopedische implantaten kan niet alleen implantaat-botinteracties optimaliseren, maar tegelijkertijd de interacties tussen implantaten en bacteriën minimaliseren36 . Metalen cellulaire steigers kunnen een plek bieden voor cellen en bloedvaten om in te groeien, terwijl osteoblasten de voorkeur lijken te geven aan ruwere oppervlakken37. In dit experiment wordt de oppervlakteruwheid van een 3D-geprinte poreuze titaniumlegering gehandhaafd op 26,65 μm na plasmapolijsten, wat voldoet aan de basisvereisten voor het bevorderen van de groei van cellen en bloedvaten.
Het is essentieel om ultrasoon reinigen uit te voeren vóór de warmtebehandeling, om te voorkomen dat de poreuze structuur wordt geblokkeerd door gesmolten titaniumpoeder. Het poreuze werkstuk van titaniumlegering wordt gedurende 15 minuten in de ultrasone machine met gedeïoniseerd water geplaatst voor reiniging. Resterend titaniumlegeringspoeder wordt na reiniging afgeblazen met hogedruklucht en het ultrasoon reinigen en afblazen van restpoeder wordt nog drie keer herhaald. Met andere woorden, 1 uur ultrasoon reinigen en vier gevallen van hogedrukluchtblazen worden uitgevoerd om resterend poeder van titaniumlegeringen te verwijderen.
Tijdens het plasmapolijsten moet het werkstuk voorzichtig op het armatuur worden bevestigd om het trabecula van de poreuze structuur te beschermen tegen schade, omdat een deel van de polijstarmaturen scherper wordt na freuqent polijsten. Het armatuur wordt uit de plasmapolijstmachine gehaald, de positie van het klempunt wordt na het polijsten gedurende 90 s enigszins gewijzigd en vervolgens wordt plasmapolijsten uitgevoerd voor de resterende 90 s. Als plasmapolijsten 180 s tegelijk duurt zonder de positie van het klempunt te veranderen, zal het polijsten rond het klempunt succesvol zijn, maar het klempunt bedekt door het armatuur van poreuze titaniumlegering zal een ongepolijste oppervlaktetoestand vertonen.
Deze polijsttechnologie heeft echter ook enkele beperkingen, zoals een hoog energieverbruik. Vanwege de beperking van de badgrootte kan plasmapolijstapparatuur geen grote onderdelen verwerken. Deze technologie kan ook verder worden bestudeerd. Het wordt aanbevolen om meer modellerings- en simulatiestudies te gebruiken om optimale procesparameterwaarden nauwkeurig te voorspellen, met de bedoeling om voorspelde werkstukverbeteringen te bereiken en tegelijkertijd de tijd en kosten die nodig zijn voor experimenten te minimaliseren. We kunnen verdere studies uitvoeren om de optimale parameters te bepalen voor het plasmapolijsten van poreuze werkstukken van titaniumlegeringen22.
Vanuit een microscopisch perspectief is plasmapolijsten een proces waarbij het oppervlak van een metaal wordt gesmolten door warmte die wordt gegenereerd door een snelle elektroneninslag. Het is een nieuwe ontwikkelingstrend op het gebied van groene productie en precisiebewerking en is zeer geschikt voor 3D-geprinte poreuze titaniumlegering. Kortom, dit protocol voor het polijsten van poreuze werkstukken van titaniumlegering zal een nieuwe optie zijn om de oppervlakteruwheid te verminderen en de oppervlaktekwaliteit te verbeteren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Ik wil graag mijn supervisor, Wenhua Huang, bedanken voor het bieden van ondersteuningsvoorwaarden en begeleiding voor dit experiment. Dit onderzoek werd gefinancierd door het Discipline-bouwproject van Guangdong Medical University (4SG22260G), Young Innovative Talents Project van Guangdong Higher Education Institutions (2021KQNCX023), National Natural Science Foundation of China (82205301) en 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).
