På grund av dess utmärkta fysikaliska egenskaper och motståndskraft mot infektioner är titanlegeringar ett utmärkt val för tillverkning av ortopediska enheter som knä-/höftimplantat. Nyligen fann ett forskarlag från Singapores Agency for Science, Technology and Research att skräddarsydda implantat med bättre förmåga att absorbera stress kan 3D-skrivas ut med titan- och tantalpulver med intressanta egenskaper. Hittills har forskare främst använt selektiv lasersmältningsteknik (SLM) och titan-aluminiumbaserade pulver för att 3D-printa biologiska prototyper. SLM-teknik använder vanligtvis högeffektlasrar för att bygga 3D-objekt lager för lager baserat på datordesignmodeller. Men eftersom aluminium har långvariga negativa effekter på mänskliga nerver, hoppas forskarna hitta andra material för att ersätta det.
För detta ändamål har Florencia Edith Wiria från Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), ett dotterbolag till A*STAR, och Wai Yee Yeong från Singapore 3D Printing Center vid Nanyang Technological University lanserat ett forskningsprojekt för att utveckla en innovativ metall blanda med SLM-teknik för 3D-utskrift. Skriv ut bättre biomedicinska produkter i titan.
Teoretiskt är det absolut inga problem med legeringar som består av titan och tantalelement, eftersom båda metallerna är biokompatibla och deras mekaniska egenskaper beror på rent titan. Men smältpunkten för tantalmetall är mycket hög (över 3000 grader Celsius), vilket gör att det i princip inte är ekonomiskt genomförbart att förvandla titanmetall till sfäriskt metallpulver som kan användas i SLM-teknik. Det vanliga tantalpulvret på marknaden är vanligtvis långformade grova partiklar som bildas genom gasatomisering.
För att övervinna detta problem blandade forskargruppen detta grova tantalmetallpulver med ett annat kommersiellt tillgängligt mikrosfäriskt titanmetallpulver. Efter att ha blandat de två materialen i en halv dag, observerade de att blandningen kunde läggas ut jämnare, vilket gjorde det lättare att använda med SLM-teknik. Mikroskopiska experiment avslöjade att den sfäriska formen av titanmetallen kvarstod efter blandning, vilket var nyckeln till framgångsrik användning av blandningen i 3D-utskrift.
"Titanpulvret fungerar som ett rullande medium här", förklarar Wiria. "Det pressar tantalpulvret och gör SLM-bearbetningen möjlig." Genom att applicera ett schackbrädeliknande laserskanningsmönster smälts metallen växelvis upp och ner eller från ena sidan till den andra. När forskarna flyttade till andra sidan för att minska termisk stress använde forskarna framgångsrikt SLM-teknik för att skapa 3D-former av titan-tantallegeringen. Oväntat visade röntgen och andra avbildningstekniker att tillsatsen av tantalmetall, i kombination med snabb stelning, främjar och stabiliserar bildningen av höghållfasta, skiktade titankorn.
Forskare förväntar sig att denna titan-tantallegering kommer att kunna lindra den "stressavskärmande" effekten. Den så kallade "stress shielding"-effekten innebär att implantatets hårdhet är för hög och de intilliggande benen inte får tillräckligt med mekanisk stimulering, vilket resulterar i benförlust. Löst fenomen. "Dessa legeringar är speciellt designade för ortopediska applikationer och kan till och med visa vissa formminnesförmåga efter deformation.
