Gli impianti 3D stampati medicali Ti6Al4V e la pallinatura laser

Sottoporre gli impianti 3D stampati medicali Ti6Al4V alla pallinatura laser potrebbe aumentare la resistenza all’usura

Quando si tratta di produrre impianti biomedici , che siano stampati o meno in 3D , vengono spesso utilizzate leghe di titanio , e uno dei più comuni è il Ti6Al4V medico, grazie alla sua biocompatibilità, alle proprietà meccaniche e all’eccellente resistenza alla corrosione. Tuttavia, il suo uso non è molto diffuso a causa della sua scarsa resistenza all’usura. Inoltre, l’azione simultanea di corrosione e usura potrebbe causare un aumento della degradazione degli impianti realizzati con questa lega, oltre a generare detriti ad elevata usura, che limitano la stabilità. Quindi è importante migliorare la resistenza all’usura della lega nel fluido corporeo corrosivo, al fine di prolungare la durata di vita degli impianti stampati 3D realizzati con Ti6Al4V medicale.

Molti ricercatori stanno usando tecniche di modifica della superficie, come l’ossidazione termica e la lega di superficie del plasma, per rinforzare la resistenza all’usura. Ma gli effetti termici di questi metodi possono causare tensioni residue di trazione nello strato superficiale dei materiali trattati, che può quindi ridurre la resistenza a fatica.

Ecco perché un gruppo di ricercatori  dell’Università di Jiangsu si rivolgono invece al laser peening (LP), una tecnologia di modifica della superficie del laser. Recentemente hanno pubblicato un documento sui loro sforzi, intitolato ” Effetto della pallinatura laser sull’attrito e il comportamento di usura della lega medica Ti6Al4V “.

L’abstract recita: “Lo scopo di questo studio era di studiare gli effetti della pallinatura laser (LP) sull’attrito e le proprietà di usura della lega medica Ti6Al4V. Test di usura sono stati condotti sui campioni prima e dopo LP con un tester di usura su disco nella soluzione di Hank. Sono state misurate la rugosità superficiale e la microdurezza dei campioni trattati in modo diverso. Le proprietà di attrito e usura dei campioni sono state valutate confrontando il loro coefficiente di attrito (COF) e la perdita di massa dell’usura. Le morfologie della cicatrice da usura e del meccanismo di usura sono state caratterizzate da microscopio ottico (OM), microscopio elettronico a scansione (SEM) e spettrometro a dispersione di energia (EDS). I risultati hanno mostrato che la micro-durezza superficiale del campione sottoposto a LP era significativamente aumentata del 25,7% e la corrispondente profondità dello strato indurito era maggiore di 0. 3 mm. Il COF medio e la perdita di massa dell’usura sono stati significativamente ridotti al 50% e al 29,2%, rispettivamente, come risultato dell’aumento di energia laser e dei tempi di impatto. Dopo LP, il meccanismo di usura si è trasformato dalla grave usura ossidativa a una leggera usura adesiva e all’usura abrasiva. I risultati sperimentali hanno dimostrato che il trattamento con LP potrebbe migliorare efficacemente l’attrito e le proprietà di usura della lega medica Ti6Al4V. ”

La pallinatura laser utilizza una grave deformazione plastica, indotta dall’onda di shock plasmatico, per modificare le proprietà meccaniche e microstrutturali di un materiale, e altri studi hanno dimostrato che il metodo può affinare la grana e migliorare la microdurezza dello strato superficiale di un materiale. Se utilizzato con i parametri di trattamento appropriati, LP può anche migliorare la resistenza alla corrosione e il comportamento a fatica di metalli e leghe – buone notizie per gli impianti stampati 3D. Ma non ci sono state molte ricerche condotte sulle proprietà di usura e attrito della lega di Ti6Al4V medicale sottoposta a LP … fino ad ora, comunque.

“Questo documento si propone di studiare gli effetti dell’LP sul comportamento di usura e attrito della lega di Ti6Al4V medica con diversi parametri di peering laser nella soluzione salina bilanciata di Hank (HBSS)”, hanno spiegato i ricercatori. “Sono state misurate rugosità superficiale e micro-durezza dei campioni, mentre sono stati studiati anche il loro coefficiente di attrito e la perdita di massa dell’usura. Le morfologie superficiali della cicatrice da usura sul campione sono state osservate con un microscopio ottico 3D, e i meccanismi di usura dei campioni prima e dopo LP in fluidi del corpo umano simulati sono stati discussi sulla base di immagini SEM e dati EDS. ”
Il team ha utilizzato una lega di Ti6Al4V medica disponibile in commercio per l’esperimento e ha tagliato campioni in forme rettangolari di 40 x 20 x 4 mm, con uno spessore di 4 mm.

I campioni di Ti6Al4V non trattati e trattati con LP sono stati testati per rugosità superficiale e micro-durezza e sono stati effettuati test di usura scorrevole presso l’  Università di Nanchino di aerospaziale e astronautica in Cina.

“Durante il test, il campione è stato immerso nella soluzione di Hank a temperatura ambiente e fissato nella tazza rotante”, hanno spiegato i ricercatori.

“La coppa rotante è stata utilizzata per ruotare i campioni ad una velocità di 120 giri / min per 30 minuti con raggio di usura di 3 mm. Come materiale del contatore è stata utilizzata la sfera GCr15 (750 HV, Ra <0.1 μm) di 8 mm di diametro. Il carico di prova è stato di 5 N per tutto il processo, che è più vicino alla condizione di applicazione di un impianto biomedico. In tutti i test il COF è stato monitorato contro il tempo direttamente attraverso il cantilever elastico e i sensori di questo sistema. ”

I campioni sono stati puliti dopo i test e hanno misurato la loro perdita di massa di usura. Inoltre, è stato utilizzato un microscopio ottico 3D per osservare la morfologia 3D delle cicatrici da usura e SEM, combinato con uno spettrometro a dispersione di energia, ha osservato le loro superfici usurate.

Il team ha concluso che, rispetto al campione non trattato, il valore di micro-durezza superficiale del campione di Ti6Al4V trattato con LP è aumentato del 25,7%, dimostrando che l’LP è stato in grado di rafforzare la sua superficie. Inoltre, i risultati dell’esperimento hanno dimostrato che, dopo essere stati trattati con LP, il campione aveva una resistenza all’usura migliore rispetto a quello non trattato; l’energia del laser e il tempo di impatto hanno anche contribuito a migliorare la resistenza all’usura del campione di LP.

“Dopo il trattamento con LP, il meccanismo di usura del campione di Ti6Al4V è passato da una grave usura ossidativa a una leggera usura adesiva e all’usura abrasiva”, hanno scritto i ricercatori. Il processo LP potrebbe contribuire all’inibizione di elementi tossici che vengono rilasciati nel corpo umano quando vengono utilizzati gli impianti in lega Ti6Al4V. ”
I coautori del giornale sono Jianzhong  Zhou,  Yunjie  Sun,  Shu  Huang,  Jie  Sheng,  Jing  Li ed  Emmanuel  Agyenim-Boateng.

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