Name: plasma polishing as a new polishing option to reduce the surface roughness of porous titanium alloy for 3d printing
Uploaded: 2023-04-28T12:50:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing at JoVE.com

Jeg vil gerne takke min vejleder, Wenhua Huang, for at give støttebetingelser og vejledning til dette eksperiment. Denne forskning blev finansieret af disciplinkonstruktionsprojektet fra Guangdong Medical University (4SG22260G), Young Innovative Talents Project of Guangdong Higher Education Institutions (2021KQNCX023), National Natural Science Foundation of China (82205301) og Futian Healthcare Research Project (FTWS2022051).

1. Udskrivning og klargøring af et emne af titanlegering
<ol><li>Forbered et emne lavet af porøs titanlegering ved hjælp af SLM-trykteknikken. Importer filer i STL-format til metalprinteren, tilsæt Ti-6Al-4V-pulver, installer byggesubstratet, opsæt viskerbladet, indstil laserspotstørrelsen til 70 μm, og indstil lagtykkelsen til 30 μm (figur 1).</li>
	<li>Grad 23 Ti-6Al-4V pulver med kemisk sammensætning som vist i tabel 1 og en pulverpartikelstør...

<ol>
	<li>Puleo, D. A., Nanci, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+controlling+bone-implant+interface.">Understanding and controlling bone-implant interface.</a> Biomaterials. 20 (23-24), 2311-2321 (1999).</li><li>Schuler, M., Trentin, D., Textor, M., Tosatti, S. G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomedical+interfaces:+titanium+surface+technology+for+implants+and+cell+carriers.">Biomedical interfaces: titanium surface technology for implants and cell carriers.</a> Nanomedicine. 1 (4), 449-463 (2006).</li><li>Li, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionally+graded+Ti-6Al-4V+meshes+with+high+strength+and+energy+absorption.">Functionally graded Ti-6Al-4V meshes with high strength and energy absorption.</a> Advanced Engineering Materials. 18 (1), 34-38 (2016).</li><li>Roseti, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaffolds+for+bone+tissue+engineering:+state+of+the+art+and+new+perspectives.">Scaffolds for bone tissue engineering: state of the art and new perspectives.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 78, 1246-1262 (2017).</li><li>Takizawa, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Titanium+fiber+plates+for+bone+tissue+repair.">Titanium fiber plates for bone tissue repair.</a> Advanced Materials. 30 (4), (2018).</li><li>Jung, H. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+strategy+for+mechanically+tunable+and+bioactive+metal+implants.">Novel strategy for mechanically tunable and bioactive metal implants.</a> Biomaterials. 37, 49-61 (2015).</li><li>Jung, H. D., Lee, H., Kim, H. E., Koh, Y. H., Song, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+mechanically+tunable+and+bioactive+metal+scaffolds+for+biomedical+applications.">Fabrication of mechanically tunable and bioactive metal scaffolds for biomedical applications.</a> Journal of Visualized Experiments. (106), e53279 (2015).</li><li>Lee, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+HF/HNO3-treatment+on+the+porous+structure+and+cell+penetrability+of+titanium+(Ti)+scaffold.">Effect of HF/HNO3-treatment on the porous structure and cell penetrability of titanium (Ti) scaffold.</a> Materials &amp; Design. 145, 65-73 (2018).</li><li>Lee, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionally+assembled+metal+platform+as+lego-like+module+system+for+enhanced+mechanical+tunability+and+biomolecules+delivery.">Functionally assembled metal platform as lego-like module system for enhanced mechanical tunability and biomolecules delivery.</a> Materials &amp; Design. 207, 109840 (2021).</li><li>Jang, T. S., Kim, D., Han, G., Yoon, C. B., Jung, H. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Powder+based+additive+manufacturing+for+biomedical+application+of+titanium+and+its+alloys:+a+review.">Powder based additive manufacturing for biomedical application of titanium and its alloys: a review.</a> Biomedical Engineering Letters. 10 (4), 505-516 (2020).</li><li>Xu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Honeycomb-like+porous+3D+nickel+electrodeposition+for+stable+Li+and+Na+metal+anodes.">Honeycomb-like porous 3D nickel electrodeposition for stable Li and Na metal anodes.</a> Energy Storage Materials. 12, 69-78 (2018).</li><li>Kostev&#353;ek, N., Ro&#382;man, K. &. #. 3. 8. 1. ;., Pe&#269;ko, D., Pihlar, B., Kobe, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+comparative+study+of+the+electrochemical+deposition+kinetics+of+iron-palladium+alloys+on+a+flat+electrode+and+in+a+porous+alumina+template.">A comparative study of the electrochemical deposition kinetics of iron-palladium alloys on a flat electrode and in a porous alumina template.</a> Electrochimica Acta. 125, 320-329 (2014).</li><li>Tan, K., Tian, M. B., Cai, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+bromide+ions+and+polyethylene+glycol+on+morphological+control+of+electrodeposited+copper+foam.">Effect of bromide ions and polyethylene glycol on morphological control of electrodeposited copper foam.</a> Thin Solid Films. 518 (18), 5159-5163 (2010).</li><li>Kumar, K. P. A., Pumera, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D-printing+to+mitigate+COVID-19+pandemic.">3D-printing to mitigate COVID-19 pandemic.</a> Advanced Functional Materials. 31 (22), 2100450 (2021).</li><li>Palmara, G., Frascella, F., Roppolo, I., Chiappone, A., Chiad&#242;, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+3D+printing:+Approaches+and+bioapplications.">Functional 3D printing: Approaches and bioapplications.</a> Biosensors &amp; Bioelectronics. 175, 112849 (2021).</li><li>Tan, X. P., Tan, Y. J., Chow, C. S. L., Tor, S. B., Yeong, W. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=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.">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.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 76, 1328-1343 (2017).</li><li>Wysocki, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+chemical+polishing+of+titanium+scaffolds+on+their+mechanical+strength+and+in-vitro+cell+response.">The influence of chemical polishing of titanium scaffolds on their mechanical strength and in-vitro cell response.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 95, 428-439 (2019).</li><li>Hasan, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preventing+peri-implantitis:+the+quest+for+a+next+generation+of+titanium+dental+implants.">Preventing peri-implantitis: the quest for a next generation of titanium dental implants.</a> ACS Biomaterials Science &amp; Engineering. 8 (11), 4697-4737 (2022).</li><li>Bernhardt, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+conditioning+of+additively+manufactured+titanium+implants+and+its+influence+on+materials+properties+and+in+vitro+biocompatibility.">Surface conditioning of additively manufactured titanium implants and its influence on materials properties and in vitro biocompatibility.</a> Materials Science &amp; Engineering. C, Materials for Biological Applications. 119, 111631 (2021).</li><li>Nestler, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+electrolytic+polishing+-+an+overview+of+applied+technologies+and+current+challenges+to+extend+the+polishable+material+range.">Plasma electrolytic polishing - an overview of applied technologies and current challenges to extend the polishable material range.</a> Procedia CIRP. 42, 503-507 (2016).</li><li>Zeidler, H., Boettger-Hiller, F., Edelmann, J., Schubert, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+finish+machining+of+medical+parts+using+plasma+electrolytic+polishing.">Surface finish machining of medical parts using plasma electrolytic polishing.</a> Procedia CIRP. 49, 83-87 (2016).</li><li>Huang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principle,+process,+and+application+of+metal+plasma+electrolytic+polishing:+a+review.">Principle, process, and application of metal plasma electrolytic polishing: a review.</a> The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 114, 1893-1912 (2021).</li><li>Belkin, P. N., Kusmanov, S. A., Parfenov, E. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+and+technological+opportunity+of+plasma+electrolytic+polishing+of+metals+and+alloys+surfaces.">Mechanism and technological opportunity of plasma electrolytic polishing of metals and alloys surfaces.</a> Applied Surface Science Advances. 1, 100016 (2020).</li><li>Li, X., Binnemans, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oxidative+dissolution+of+metals+in+organic+solvents.">Oxidative dissolution of metals in organic solvents.</a> Chemical Reviews. 121 (8), 4506-4530 (2021).</li><li>Aliakseyeu, Y. G., Korolyov, A. Y., Niss, V. S., Parshuto, A. E., Budnitskiy, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ES.+Electrolyte-plasma+polishing+of+titanium+and+niobium+alloys.">ES. Electrolyte-plasma polishing of titanium and niobium alloys.</a> Science &amp; Technique. 17 (3), 211-219 (2018).</li><li>Smyslova, M. K., Tamindarov, D. R., Plotnikov, N. V., Modina, I. M., Semenova, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+electrolytic-plasma+polishing+of+Ti-6Al-4V+alloy+with+ultrafine-grained+structure+produced+by+severe+plastic+deformation.">Surface electrolytic-plasma polishing of Ti-6Al-4V alloy with ultrafine-grained structure produced by severe plastic deformation.</a> IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 461 (1), 012079 (2018).</li><li>Yerokhin, A. L., Nie, X., Leyland, A., Matthews, A., Dowey, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+electrolysis+for+surface+engineering.">Plasma electrolysis for surface engineering.</a> Surface &amp; Coatings Technology. 122 (2-3), 73-93 (1999).</li><li>Walsh, F. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+electrolytic+oxidation+(PEO)+for+production+of+anodised+coatings+on+lightweight+metal+(Al,+Mg,+Ti)+alloys.">Plasma electrolytic oxidation (PEO) for production of anodised coatings on lightweight metal (Al, Mg, Ti) alloys.</a> Transactions of the IMF. 87 (3), 122-135 (2009).</li><li>Kim, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+titanium+surface+modification+strategies+for+osseointegration+enhancement.">Characterization of titanium surface modification strategies for osseointegration enhancement.</a> Metals. 11 (4), 618 (2021).</li><li>Lee, M. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-topographical+control+of+Ti-Nb-Zr+alloy+surfaces+for+enhanced+osteoblastic+response.">Nano-topographical control of Ti-Nb-Zr alloy surfaces for enhanced osteoblastic response.</a> Nanomaterials. 11 (6), 1507 (2021).</li><li>Barba, D., Alabort, E., Reed, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+bone:+Design+by+additive+manufacturing.">Synthetic bone: Design by additive manufacturing.</a> Acta Biomaterialia. 97, 637-656 (2019).</li><li>He, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+anterior+and+traverse+cage+can+provide+optimal+biomechanical+performance+for+both+traditional+and+percutaneous+endoscopic+transforaminal+lumbar+interbody+fusion.">The anterior and traverse cage can provide optimal biomechanical performance for both traditional and percutaneous endoscopic transforaminal lumbar interbody fusion.</a> Computers in Biology and Medicine. 131, 104291 (2021).</li><li>Zhan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confined+chemical+etching+for+electrochemical+machining+with+nanoscale+accuracy.">Confined chemical etching for electrochemical machining with nanoscale accuracy.</a> Accounts of Chemical Research. 49 (11), 2596-2604 (2016).</li><li>Kwon, S. J., Lawson, N. C., McLaren, E. E., Nejat, A. H., Burgess, J. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+mechanical+properties+of+translucent+zirconia+and+lithium+disilicate.">Comparison of the mechanical properties of translucent zirconia and lithium disilicate.</a> The Journal of Prosthetic Dentistry. 120 (1), 132-137 (2018).</li><li>Li, F., Li, S., Tong, H., Xu, H., Wang, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+application+of+chemical+polishing+in+TEM+sample+preparation+of+zirconium+alloys.">The application of chemical polishing in TEM sample preparation of zirconium alloys.</a> Materials. 13 (5), 1036 (2020).</li><li>Wu, Y., Zitelli, J. P., TenHuisen, K. S., Yu, X., Libera, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differential+response+of+Staphylococci+and+osteoblasts+to+varying+titanium+surface+roughness.">Differential response of Staphylococci and osteoblasts to varying titanium surface roughness.</a> Biomaterials. 32 (4), 951-960 (2011).</li><li>Kunzler, T. P., Drobek, T., Schuler, M., Spencer, N. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Systematic+study+of+osteoblast+and+fibroblast+response+to+roughness+by+means+of+surface-morphology+gradients.">Systematic study of osteoblast and fibroblast response to roughness by means of surface-morphology gradients.</a> Biomaterials. 28 (13), 2175-2182 (2007).</li></ol>

Overfladeruhed bruges til at beskrive mængden af bølgende og ujævnheder i mikrogeometriske former på emneoverflader inden for et lille afstandsområde. En række tidligere undersøgelser har rapporteret, hvordan man polerer metaloverflader ved hjælp af forskellige procedurer, såsom mekanisk polering, kemisk polering, elektrokemisk polering og mere 22,33,34,35. Selvom adskillige undersøge...

Titanium- og titaniumlegeringsmaterialer er blevet brugt i vid udstrækning som dentale og ortopædiske implantatmaterialer på grund af deres gode biokompatibilitet, korrosionsbestandighed og mekaniske styrke 1,2,3. På grund af det høje elastiske modul i den kompakte titanlegering, der produceres ved traditionelle forarbejdningsmetoder, er disse plader imidlertid ikke egnede til knoglereparation, da nærhed til knogleoverfladen i lange perioder kan resultere i stressafskærmning og knogleskørhed 4,5 . Derfor bør den porøse mikrostruktur af simulerede knogletrabeculae anvendes i titanlegeringsimplantater for at reducere dets elastiske modul til det niveau, der matcherknoglen 6,7. Mange stilladser er blevet brugt inden for ortopædi til at forbedre cellelevedygtighed, vedhæftning, proliferation og homing, osteogen differentiering, angiogenese, værtsintegration og vægtbærende 4,8,9. Traditionelle fremstillingsmetoder for porøse metalstrukturer inkluderer strukturskabelonmetoden, defektdannelsesmetoden, kompressions- eller superkritisk kuldioxidmetode, elektroaflejringsteknik10,11 osv. Selvom disse produktionsteknikker er meget traditionelle, spilder de lejlighedsvis råmaterialer og har betydelige forberedende omkostninger sammenlignet med 3D-udskrivning12,13. 3D-udskrivning er en teknologi, der bruger metal- eller plastpulver og andre klæbende materialer til at bygge faste 3D-objekter fra computerstøttede designmodeller (CAD) via deponering af overliggende lag14,15 . 3D-udskrivning viser stort potentiale i direkte tilpasning af metalliske cellulære stilladser til ortopædiske implantater og åbner nye muligheder for fremstilling af tilpassede komplekse designs med stærkt sammenkoblede porer. Blandt dem er selektiv lasersmeltning (SLM) en af de mest repræsentative 3D-print- og fremstillingsteknologier til porøse titaniumimplantatstrukturer16 .
SLM-processen bruger titaniumlegeringspulver som råmateriale, i det væsentlige pulversmeltning og dannelse af strukturen. Derfor klæber et stort antal halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag ofte til overfladen af titanlegeringsimplantater, hvilket fører til høj overfladeruhed17. Dårlig overfladekvalitet af porøse titanium ortopædiske implantater fører til betændelse, nedsat træthedsevne og endda nye biologiske risici18 . Da de indre porer i porøse strukturer ikke kan poleres ved konventionel mekanisk polering, skal der findes en alternativ metode. Plasmapolering er en ny grøn poleringsmetode til metalemner, der effektivt kan polere emner med komplekse former uden forurening19 . Det har et stort udviklingspotentiale inden for efterbehandling af titaniumlegeringsimplantater.
Som en slags overfladeteknologi er plasmapoleringsteknologi særligt velegnet til metalemner med komplekse former, der ikke er lette at polere mekanisk. Det overordnede mål med denne poleringsmulighed er at opnå en porøs titaniumlegeringsoverflade med lav ruhed. Teknologien kan effektivt fjerne partikler og fine stænkrester, der er fastgjort til overfladen af porøse titaniumortopædiske implantater fremstillet ved 3D-udskrivning og reducere overfladeruhed20. Princippet om plasmapolering er en sammensat reaktionsproces baseret på en kombination af strøminduceret kemisk og fysisk fjernelse21; Hele kredsløbet danner en forbigående kortslutning, der danner et dampplasmaomgivende lag på emnets overflade20. Denne proces bryder gennem gaslaget for at danne en udledningskanal, der påvirker emnets overflade. Den højere strøm påvirker den konvekse del af emnets overflade, hvilket fører til hurtigere fjernelse af halvsmeltet pulver og det brændte oxidlag. Konkaviteten og konveksiteten ændrer sig konstant, og den ru overflade glattes gradvist, hvilket forbedrer emnets overfladeruhed for at opnå formålet med polering.
Samtidig er denne teknologi en grøn behandlingsteknologi, der ikke forårsager forurening af miljøet og har store fordele sammenlignet med andre poleringsmetoder. Konventionelle mekaniske poleringsteknikker omfatter hovedsageligt mekanisk polering, kemisk polering og elektrokemisk polering22. Mekanisk polering er den mest udbredte konventionelle poleringsproces; Det har ulemperne ved lav poleringseffektivitet, højere efterspørgsel efter manuel arbejdskraft og manglende evne til at polere dele med komplekse geometrier. Risikoen for medarbejderskader og sandsynligheden for overskridelse af tolerancer på grund af menneskelige faktorer er hyppige ulemper ved mekanisk polering23. I modsætning til kemisk polering, der er baseret på at bruge en kemisk opløsning til at fjerne dele af et emnes materiale, bruger elektrokemisk polering en elektrisk strøm og kemisk opløsning for at opnå det samme resultat. Desværre producerer begge disse processer farlige gasser og væsker som biprodukter til brug, hvis sammensætning afhænger af styrken af det syre- eller alkaliske kemiske reagens, der anvendes. Som følge heraf anses de tilstedeværende arbejdstagere ikke blot for at være udsat for risiko på grund af eksponering, men der er også risiko for alvorlige skader på miljøet24. Aliakseyeu et al.25 foreslog at anvende plasmapolering til polering af titaniumlegeringsemner med simpel elektrolytsammensætning. De fandt ud af, at efter polering af titaniumprøven fjernes ridser, og overfladeglansen forbedres betydeligt. Smyslova et al.26 overvejede udsigterne til at anvende plasmapoleringsteknologi til behandling af overfladerne på medicinske implantater.
Teoretisk set kan plasmapoleringsteknologi bruges til at polere strukturen af enhver metaldel. Det er blevet anvendt bredt til belægning, i metalfinishindustrier og i 3C-elektronik, blandt andet22,27,28. Denne undersøgelse har dog visse begrænsninger. Først og fremmest fokuserer manuskriptet kun på overfladekvaliteten og overfladeruheden af 3D-print porøs titaniumlegering før og efter plasmapolering; De resterende ændringer er ikke involveret. For det andet målte og registrerede vi ikke resultaterne efter varmebehandling. Jinyoung Kim et al.29 sammenlignede titaniumoverflademodifikationsstrategier til osseointegrationsforbedring. En anden undersøgelse viser, at den målioninducerede plasmaforstøvningsteknik (TIPS) kan give fremragende biologiske funktioner til overfladen af metalliske bioimplantater30. For yderligere at undersøge poleringseffekten og sikkerheden af porøs titanlegering til 3D-udskrivning vil det næste skridt være at undersøge SLM-delens andre egenskaber yderligere, såsom træthedsydelse og osteogen differentiering. Disse spørgsmål skal finpudses yderligere. Dette arbejde adskiller sig fra tidligere plasmapoleringsundersøgelser ved, at det fokuserer på 3D-udskrivning af porøs titaniumlegering snarere end kompakt titaniumlegering. Som følge heraf bør forskellige fremstillingsprocesser vedtage forskellige poleringsparametre. Formålet med dette manuskript er at introducere plasmapoleringsskemaet for 3D-udskrivning af porøs titaniumlegering i detaljer for at reducere overfladeruheden af emner.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Confocal microscope: Smartproof-5</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>4702000198</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ConfoMap ST 8.0</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>4702000198</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrical discharge machining (EDM) machine: MV1200S</td>
			<td>Mitsubishi Electric Automation (China) Ltd.</td>
			<td>92U3038</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heat treatment furnace: HSQ1-644</td>
			<td>Jiangsu Huasu Industrial Furnace Manufacturing CO., LTD.</td>
			<td>HSD20190812403</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal 3D printer: Renishaw AM400</td>
			<td>Renishaw plc</td>
			<td>1HGW89</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Middle speed wire-cut machine: HQ-400EZ</td>
			<td>Suzhou Hanqi CNC Equipment CO., LTD.</td>
			<td>W40ES20005</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Permanent magnet frequency conversion screw air compressor M7-Y75AZ</td>
			<td>KUNJI MACHINERY(SHANGHAI) MANUFACTURING CO.,LTD.&#160;</td>
			<td>19055065</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigeration compressed air dryer SY-230FG</td>
			<td>Shanghai TaiLin Compressor Co., Ltd.</td>
			<td>S190826698</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning electron microscope (SEM): JSM-IT100</td>
			<td>JEOL (BEIJING) CO., LTD.</td>
			<td>MP1030004260426</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Titanium alloy powder</td>
			<td>Renishaw plc</td>
			<td>H-5800-1086-01-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaning machine: AK-030S</td>
			<td>Shenzhen Yujie Cleaning Equipment Co., Ltd</td>
			<td>30820004</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ZEN core v3.0</td>
			<td>ZEISS</td>
			<td>4702000198</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

plasma polishing as a new polishing option to reduce the surface roughness of porous titanium alloy for 3d printing

Porøse titaniumlegeringsimplantater med simuleret trabekulær knogle fremstillet af 3D-printteknologi har brede udsigter. På grund af det faktum, at noget pulver klæber til overfladen af emnet under fremstillingsprocessen, er overfladens ruhed i direkte trykstykker relativt høj. På samme tid, da de indre porer i den porøse struktur ikke kan poleres ved konventionel mekanisk polering, skal der findes en alternativ metode. Som overfladeteknologi er plasmapoleringsteknologi især velegnet til dele med komplekse former, der er vanskelige at polere mekanisk. Det kan effektivt fjerne partikler og fine stænkrester, der er fastgjort til overfladen af 3D-printede porøse titaniumlegeringsemner. Derfor kan det reducere overfladens ruhed. For det første bruges titanlegeringspulver til at udskrive den porøse struktur af den simulerede trabekulære knogle med en metal 3D-printer. Efter udskrivning udføres varmebehandling, fjernelse af understøtningsstrukturen og ultralydsrensning. Derefter udføres plasmapolering, der består i at tilsætte en poleringselektrolyt med pH indstillet til 5,7, forvarme maskinen til 101,6 ° C, fastgøre emnet på poleringsarmaturet og indstille spændingen (313 V), strøm (59 A) og poleringstid (3 min). Efter polering analyseres overfladen af det porøse titaniumlegeringsemne af et konfokalmikroskop, og overfladens ruhed måles. Scanningelektronmikroskopi bruges til at karakterisere overfladetilstanden af porøst titanium. Resultaterne viser, at overfladeruheden af hele det porøse titaniumlegeringsemne ændrede sig fra Ra (gennemsnitlig ruhed) = 126,9 μm til Ra = 56,28 μm, og overfladeruheden af den trabekulære struktur ændrede sig fra Ra = 42,61 μm til Ra = 26,25 μm. I mellemtiden fjernes halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag, og overfladekvaliteten forbedres.

Overflade morfologi Figur 3 viser SEM-resultatet af overflademorfologien af det porøse titaniumlegeringsemne før og efter plasmapolering. Vi observerede, at ved 30x og 100x forstørrelse synes overfladen af det porøse titaniumlegeringsemne før plasmapolering at være grovere (figur 3A, B). Når det blev forstørret til 500x, fandt vi, at en stor mængde halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag kunne observeres på overfla...

Watch this Scientific Journal Video about Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing at JoVE.com

Plasma Polishing as a New Polishing Option to Reduce the Surface Roughness of Porous Titanium Alloy for 3D Printing

Plasmapolering er en lovende overfladebehandlingsteknologi, der især er velegnet til 3D-print af porøse emner af titanlegering. Det kan fjerne halvsmeltet pulver og ablative oxidlag og derved effektivt reducere overfladens ruhed og forbedre overfladekvaliteten.

Plasmapolering som en ny poleringsmulighed for at reducere overfladeruheden af porøs titaniumlegering til 3D-udskrivning

Porous titanium alloy implants with simulated trabecular bone fabricated by 3D printing technology have broad prospects. However, due to the fact that ...

Da den indre puls af porøse strukturer ikke kan poleres af konventionel mekanisk forurening, skal der findes en alternativ metode. Plasmaforurening er en miljøvenlig behandlingsmetode, der er særlig effektiv til mentale emner med komplekse former. Til at begynde med skal du placere de adskilte emner af titanlegering i titaniumkurven, uden at de forskellige emner rører hinanden.Sæt titaniumkurven i varmebehandlingsovnen ved stuetemperatur, og luk ovndøren. Åbn gasventilen for at fjerne luften og opretholde den passende grad af vakuum. For at indstille varmebehandlingsprocessen først opvarmes ovnen til 800 grader Celsius i 1,5 timer, og derefter opretholdes temperaturen i to timer før afkøling.Efter varmebehandlingen afkøles ovnen til stuetemperatur og fyldes ovnen med luft. Når ovnen vender tilbage til atmosfærisk tryk som set på panelet, skal du tage det porøse titaniumlegeringsemne ud. For at afbilde overfladerne på emnet ved hjælp af et konfokalmikroskop skal du placere emnet vandret på lagerplatformen.Mål overfladens aritmetiske gennemsnitlige ruhed eller RA-parameter. Vælg 2,5x forstørrelse, og vælg bred for live-tilstand. For at observere den overordnede situation skal du klikke på automatisk intensitet og gå til 5x forstørrelse.Klik på Automatisk intensitet, og indstil live-tilstanden til Comp. Vælg interesseområdet, klik på sæt først på det laveste punkt og indstil sidst på det højeste punkt, og indstil erhvervelsen til normal. Efter ca. fem minutter skal du importere resultaterne til et nyt dokument i ConfoMap ST8-softwaren.RA er let at få fat i parametertabellen i ConfoMap ST. Overhold emnets overordnede tilstand med et femdobbelt spejl. Skift derefter til et spejl med høj effekt og fokuser synsfeltet på en trabecular. Kvantificer plasmapoleringseffekten ved hjælp af emnets RA før plasmapolering.Til plasmapolering skal du bruge 4% ammoniumsulfatopløsning med pH mellem 5,7 og 6,1 som elektrolytten. Placer overfladen på det porøse titaniumlegeringsemne, der skal poleres vandret, og fastgør det på armaturet. Sæt derefter armaturet i plasmapoleringsmaskinen.Indstil poleringsstrømmen til 59 amp par, spændingen til 313 volt og poleringselektrolyttemperaturen til 101,6 grader Celsius, og udfør plasmapolering i henhold til disse parametre. Efter plasmapolering i 90 sekunder skal du tage armaturet ud af plasmapoleringsmaskinen. Skift derefter let placeringen af klempunktet, hvor emnet er fastgjort til armaturet.Der opstod ingen elektrokemisk reaktion der, da den ikke var i kontakt med poleringsopløsningen. Udfør plasmapolering igen i 90 sekunder, og tag armaturet ud af plasmapoleringsmaskinen. Fjern emnet fra armaturet og sæt det i ultralydsrensemaskinen med deioniseret vand.Indstil vandtemperaturen til 30 grader Celsius og rengør emnet i to minutter. Efter to minutter skal du tage emnet ud og blæse den resterende væske ud med højtryksluft. Efter afslutningen af plasmapoleringen skal du afbilde overfladerne ved hjælp af scanningelektronmikroskopi og konfokalmikroskopi på samme måde som demonstreret før.Scanningelektronmikroskopibillederne afslørede forskellen i overflademorfologierne af det porøse titaniumlegeringsemne før og efter plasmapolering. Ved 30x og 100x forstørrelse syntes overfladen før plasmapolering grovere. Når de blev forstørret til 500x, blev de halvsmeltede pulvere og ablative oxidlag, der blev observeret på legeringsoverfladen før plasmapolering, for det meste fundet at være fraværende efter poleringen.Interessant nok var den porøse størrelse og trabekulære diametre i overensstemmelse med designet, selv efter polering. Hele og en del af det porøse titaniumlegeringsemne blev afbildet ved hjælp af det hurtige roterende konfokale mikroskop. Overfladens ruhed var i begge tilfælde høj før plasmapolering.Overfladens ruhed af porøse strukturer som afsløret af RA, signifikant reduceret efter polering. Denne teknologi har forklaret, at porøse titaniumlegeringsemner kan reducere overfladeruhed gennem plasmaforureningsteknologi. Yderligere undersøgelser kan udføres for at bestemme de optimale parametre.

Research

JoVE Journal

Medicine

Human Neuroendocrine Tumor Cell Lines as a Three-Dimensional Model for the Study of Human Neuroendocrine Tumor Therapy

Humane Neuroendokrine tumorcellelinier som en tredimensional model for studiet af den menneskelige Neuroendokrine Tumor Therapy

Neuroendocrine tumors (NETs) are rare tumors, with an incidence of two per 100,&#x200A;000 individuals per year, and they account for 0.5% of all human ...

Osteopathic Manipulative Treatment as a Useful Adjunctive Tool for Pneumonia

Osteopatisk Manipulerende Behandling som et nyttigt Adjuverende værktøj til lungebetændelse

Pneumonia, the inflammatory state of lung tissue primarily due to microbial infection, claimed 52,306 lives in the United States in 20071 and resulted in ...

Construction of Vapor Chambers Used to Expose Mice to Alcohol During the Equivalent of all Three Trimesters of Human Development

Konstruktion af Vapor Chambers Bruges til Expose Mus til alkohol i Equivalent af alle tre trimestre af Human Development

Exposure to alcohol during development can result in a constellation of morphological and behavioral abnormalities that are collectively known as Fetal ...

Multicolor 3D Printing of Complex Intracranial Tumors in Neurosurgery

Flerfarvet 3D-udskrivning af komplekse intrakranielle tumorer i neurosurgery

Three-dimensional (3D) printing technologies offer the possibility of visualizing patient-specific pathologies in a physical model of correct dimensions. ...

Combining Augmented Reality and 3D Printing to Display Patient Models on a Smartphone

Kombination af Augmented Reality og 3D-udskrivning for at vise patient modeller på en smartphone

Augmented reality (AR) has great potential in education, training, and surgical guidance in the medical field. Its combination with three-dimensional (3D) ...

Cooling or Warming the Esophagus to Reduce Esophageal Injury During Left Atrial Ablation in the Treatment of Atrial Fibrillation

Køling eller opvarmning af spiserøret for at reducere esophageal skade under venstre atriedannelse ablation i behandlingen af atrieflimren

Ablation of the left atrium using either radiofrequency (RF) or cryothermal energy is an effective treatment for atrial fibrillation (AF) and is the most ...

3D Planning and Printing of Patient Specific Implants for Reconstruction of Bony Defects

3D planlægning og udskrivning af patientspecifikke implantater til rekonstruktion af knogledefekter

We are in the midst of the 3D era in most aspects of life, and especially in medicine. The surgical discipline is one of the major players in the medical ...

Combining 3D-Printing and Electrospinning to Manufacture Biomimetic Heart Valve Leaflets

Kombination af 3D-udskrivning og elektrospinding til fremstilling af biomimetiske hjerteklapfoldere

Electrospinning has become a widely used technique in cardiovascular tissue engineering as it offers the possibility to create (micro-)fibrous scaffolds ...

Platelet-Rich Plasma Lysate for Treatment of Eye Surface Diseases

Blodpladerig plasmalysats til behandling af øjenoverfladesygdomme

Various ocular surface diseases are treated with blood-derived eye drops. Their use has been introduced in clinical practice because of their metabolite ...