نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

اصلاح سطح داربست های تیتانیومی تولیدشده به روش ذوب الکترونی توسط اچ شیمیایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
2 مرکز ساخت افزایشی، دانشکده مدیریت و مهندسی تولید، دانشگاه پلی تکنیک تورین، تورین، ایتالیا
چکیده
اصلاح سطح هدفمند راهکاری اثربخش برای بهبود عملکرد داربست های فلزی به شمار می‌آید. هدف از مطالعه حاضر ارزیابی نقش اصلاح سطح به روش اچ شیمیایی بر رفتار الکتروشیمیایی و رهایش یون داربست های از جنس آلیاژ Ti-6Al-4V ساخته شده به روش ذوب با پرتو الکترونی (EBM) بود. بدین منظور، نمونه ها ابتدا برای حذف ذرات تف جوشی نشده و/یا با پیوند ضعیف، تحت عملیات ذره پاشی با پودر Ti-6Al-4V توسط هوای فشرده قرار گرفتند. در ادامه، داربست ها به طور هدفمند تحت عملیات اچ شیمیایی قرار گرفتند تا سطح آنها به یک زبری مشخص برسد. یافته ها مؤید آن بود که با اچ شیمیایی به خوبی می توان به میزان حداکثری، ذرات پودری چسبیده به سطح را حذف کرد. نتایج نشان داد که بسته به نوع و اندازه شبکه داربست، انتخاب زمان اچ شیمیایی از اهمیت زیادی برخوردار است به گونه ای که هر چقدر تراکم داربست بیشتر بوده و/یا میله های داربست ضخیم تر باشند، زمان اچ طولانی تری لازم است. رفتار خوردگی داربست ها در محلول شبیه ساز محیط بدن (PBS) در دمای °C 37 نشان داد که اچ شیمیایی، رفتار خوردگی داربست ها را به دلیل ایجاد یک سطح صاف و هموار و تسهیل در ایجاد یک لایه روئین و پایدار بهبود می بخشد. میزان رهایش یون های تیتانیوم و وانادیوم نیز پس از انجام عملیات اچ شیمیایی به میزان چشم گیری کاهش یافت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]         Ahmadi, S.M., Kumar, R., Borisov, E. V, Petrov, R., Leeflang, S., Li, Y., Tümer, N., Huizenga, R., et al., "From microstructural design to surface engineering: A tailored approach for improving fatigue life of additively manufactured meta-biomaterials", Acta Biomaterialia, Vol. 83, No. 1, pp. 153–166, 2019.
[2]         Elkazaz, M., Koptan, M., Alshatoury, H., Alkosha, H., Abou-Madawi, A., "Cervical Intervertebral Cages: Past, Present, Innovations, and Future Trends with Review of the Literature.", Egyptian Spine Journal, Vol. 35, No. 1, pp. 2–29, 2020.
[3]         Maleki, E., Bagherifard, S., Bandini, M., Guagliano, M., "Surface post-treatments for metal additive manufacturing: Progress, challenges, and opportunities", Additive Manufacturing, Vol. 37, pp. 101619, 2021.
[4]         McGaffey, M., zur Linden, A., Bachynski, N., Oblak, M., James, F., Weese, J.S., "Manual polishing of 3D printed metals produced by laser powder bed fusion reduces biofilm formation", PLOS ONE, Vol. 14, No. 2, pp. e0212995, 2019.
[5]         Bandekhoda, M.R., Mosallanejad, M.H., Atapour, M., Iuliano, L., Saboori, A., "Investigation on the Potential of Laser and Electron Beam Additively Manufactured Ti–6Al–4V Components for Orthopedic Applications", Metals and Materials International, 2023.
[6]         Soro, N., Saintier, N., Attar, H., Dargusch, M.S., "Surface and morphological modification of selectively laser melted titanium lattices using a chemical post treatment", Surface and Coatings Technology, Vol. 393, No. April, pp. 125794, 2020.
[7]         Moore, B., Asadi, E., Lewis, G., "Deposition Methods for Microstructured and Nanostructured Coatings on Metallic Bone Implants: A Review", Advances in Materials Science and Engineering, Vol. 2017, pp. 5812907, 2017.
[8]         Yang, J., Yu, X., Zhang, Z., Xu, R., Wu, F., Wang, T., Liu, Y., Ouyang, J., et al., "Surface modification of titanium manufactured through selective laser melting  inhibited osteoclast differentiation through mitogen-activated protein kinase signaling pathway.", Journal of biomaterials applications, Vol. 35, No. 2, pp. 169–181, 2020.
[9]         Takezawa, A., Yonekura, K., Koizumi, Y., Zhang, X., Kitamura, M., "Isotropic Ti-6Al-4V lattice via topology optimization and electron-beam melting", Additive Manufacturing, Vol. 22, pp. 634–642, 2018.
[10]      Ataee, A., Li, Y., Fraser, D., Song, G., Wen, C., "Anisotropic Ti-6Al-4V gyroid scaffolds manufactured by electron beam melting (EBM) for bone implant applications", Materials and Design, Vol. 137, pp. 345–354, 2018.
[11]      Pal, S., Finšgar, M., Bončina, T., Lojen, G., Brajlih, T., Drstvenšek, I., "Effect of surface powder particles and morphologies on corrosion of Ti-6Al-4 V fabricated with different energy densities in selective laser melting", Materials and Design, Vol. 211, 2021.
[12]      Hu, J., Xue, J., Liu, L., Liu, Y., Li, M., Wang, F., Peng, W., "Study on the effect of dynamic chemical polishing treatment on porous titanium alloy scaffolds fabricated using laser powder bed fusion", Materials and Design, Vol. 237, No. December 2023, pp. 112580, 2024.
[13]      Downing, D., Leary, M., McMillan, M., Alghamdi, A., Brandt, M., "Heat transfer in lattice structures during metal additive manufacturing: numerical exploration of temperature field evolution", Rapid Prototyping Journal, Vol. 26, No. 5, pp. 911–928, 2020.
[14]      Safdar, A., He, H.Z., Wei, L.Y., Snis, A., Chavez De Paz, L.E., "Effect of process parameters settings and thickness on surface roughness of EBM produced Ti-6Al-4V", Rapid Prototyping Journal, Vol. 18, No. 5, pp. 401–408, 2012.
[15]      de Damborenea, J.J., Arenas, M.A., Larosa, M.A., Jardini, A.L., de Carvalho Zavaglia, C.A., Conde, A., "Corrosion of Ti-6Al-4V pins produced by direct metal laser sintering", Applied Surface Science, Vol. 393, pp. 340–347, 2017.
[16]      de Formanoir, C., Suard, M., Dendievel, R., Martin, G., Godet, S., "Improving the mechanical efficiency of electron beam melted titanium lattice structures by chemical etching", Additive Manufacturing, Vol. 11, pp. 71–76, 2016.
[17]      Yang, Y., He, C., Dianyu E, Yang, W., Qi, F., Xie, D., Shen, L., Peng, S., et al., "Mg bone implant: Features, developments and perspectives", Materials and Design, Vol. 185, pp. 108259, 2020.
[18]      Chen, C., Hao, Y., Bai, X., Ni, J., Chung, S.M., Liu, F., Lee, I.S., "3D printed porous Ti-6Al-4V cage: Effects of additive angle on surface properties and biocompatibility; bone ingrowth in Beagle tibia model", Materials and Design, Vol. 175, 2019.
[19]      Liu, Z., Gong, H., Gao, J., Liu, L., "Topological design, mechanical responses and mass transport characteristics of high strength-high permeability TPMS-based scaffolds", International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 217, 2022.
[20]      Sichani, H.R., Atapour, M., Ashrafizadeh, F., Galati, M., Saboori, A., "Mechanical, electrochemical and permeability behaviour of Ti6Al–4V scaffolds fabricated by electron beam powder bed fusion for orthopedic implant applications: The role of cell type and cell size", Journal of Materials Research and Technology, Vol. 28, No. August 2023, pp. 3240–3257, 2024.
[21]      Galati, M., Iuliano, L., "A literature review of powder-based electron beam melting focusing on numerical simulations", Additive Manufacturing, Vol. 19, pp. 1–20, 2018.
[22]      Ebrahimi, M., Kermanpur, A., Kharaziha, M., "The effects of pore size and heat treatment on compression and corrosion behaviors of Ti–6Al–4V sheet-based gyroid implants fabricated by laser powder-bed fusion process", Journal of Materials Research and Technology, Vol. 26, pp. 7707–7721, 2023.
[23]      Chen, L.Y., Zhang, H.Y., Zheng, C., Yang, H.Y., Qin, P., Zhao, C., Lu, S., Liang, S.X., et al., "Corrosion behavior and characteristics of passive films of laser powder bed fusion produced Ti–6Al–4V in dynamic Hank’s solution", Materials and Design, Vol. 208, 2021.
[24]      Gai, X., Liu, R., Bai, Y., Li, S., Yang, Y., Wang, S., Zhang, J., Hou, W., et al., "Electrochemical behavior of open-cellular structured Ti-6Al-4V alloy fabricated by electron beam melting in simulated physiological fluid: the significance of pore characteristics", Journal of Materials Science and Technology, Vol. 97, pp. 272–282, 2022.
[25]      Gai, X., Bai, Y., Li, S., Hou, W., Hao, Y., Zhang, X., Yang, R., Misra, R.D.K., "In-situ monitoring of the electrochemical behavior of cellular structured biomedical Ti-6Al-4V alloy fabricated by electron beam melting in simulated physiological fluid", Acta Biomaterialia, Vol. 106, pp. 387–395, 2020.
[26]      Berbel, L.O., Banczek, E. do P., Karousis, I.K., Kotsakis, G.A., Costa, I., "Determinants of corrosion resistance of Ti-6Al-4V alloy dental implants in an in vitro model of peri-implant inflammation", PLoS ONE, Vol. 14, No. 1, 2019.
[27]      Hemmasian, A., Zeng, C., Guo, S., Raush, J., "Corrosion behavior of additively manufactured Ti-6Al-4V parts and the effect of post annealing", Additive Manufacturing, Vol. 28, No. March, pp. 252–258, 2019.