The process of design and manufacturing of titanium scaffolds in the SLM technology for tissue engineering

• Autorzy: Makuch A. , Wysocki B. , Jankowski K. , Święszkowski W. , Skalski K.

Warianty tytułu

EN

Proces projektowania i wytwarzania w technologii SLM tytanowych rusztowań na potrzeby inżynierii tkankowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the process of design and 3D printing of titanium scaffolds for the culture of chondrocytes for the purpose of reconstructive surgery. Using CAD techniques, 4 variants of geometric models were developed which were diversified in internal architecture (2 net-like ones with the pore size of 450 μm and 600 μm, and 2 hexagonal ones with the pores in the shape of a hexagon inscribed in a circle with a diameter of 1097 μm and 1386 μm). Each of them was made in the technology of selective laser melting of titanium powder Grade 4 with larger (40 W) and smaller (35 W) laser power, and then subjected to the process of chemical polishing. Dimensional accuracy and surface quality of the produced prototypes of scaffolds were verified macro- and microscopically. The studies allowed to identify optimal process parameters for the manufacturing titanium scaffolds with the best representation of the CAD geometrical models.

PL

W pracy przedstawiono proces projektowania i wytwarzania rusztowań tytanowych technologią selektywnego stapiania laserowego pod hodowle chondrocytów na potrzeby chirurgii rekonstrukcyjnej. Przy wykorzystaniu technik CAD opracowano 4 warianty modeli geometrycznych zróżnicowane kształtowo (2 siatkowe o wymiarach porów 450 µm i 600 µm oraz 2 heksagonalne o porach w kształcie sześciokąta wpisanego w okrąg o średnicy 1097 µm i 1386 µm). Każdy z nich został wykonany w technologii selektywnego stapiania laserowego z proszku tytanu Grade 4 przy większej (40 W) i mniejszej mocy lasera (35 W), a następnie poddany procesowi polerowania chemicznego. Przy wykorzystaniu badań makro- i mikroskopowych zweryfikowano dokładność wymiarową i jakość powierzchni wykonanych prototypów rusztowań, co pozwoliło wskazać najkorzystniejsze parametry procesu wytwarzania rusztowań tytanowych wiernie odwzorowujących modele CAD.

Słowa kluczowe

EN

selective laser melting; scaffolds; titanium; tissue engineering; cartilage; chemical polishing

PL

selektywne stapianie laserowe; rusztowania; tytan; inżynieria tkankowa; chrząstka; polerowanie chemiczne

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 4
• Strony: 45--57
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Makuch A.

• Institute of Precision Mechanics

autor

Wysocki B.

• Warsaw University of Technology Faculty of Materials Science and Engineering

autor

Jankowski K.

• Warsaw University of Technology Faculty of Production Engineering

autor

Święszkowski W.

• Warsaw University of Technology Faculty of Materials Science and Engineering

autor

Skalski K.

• Institute of Precision Mechanics

Bibliografia

• 1. Alvarez K., Nakajima H.: Metallic Scaffolds for Bone Regeneration. „Materials” 2009, vol. 2, p. 790–832.
• 2. Chlebus E., Kuźnicka B., Kurzynowski T., Dybała B.: Microstructure and mechanical behaviour of Ti-6Al-7Nb alloy produced by selective laser melting. „Materials Characterization” 2011, vol. 62, p. 488–495.
• 3. Durejko T., Ziętala M., Łazińska M., Lipiński S., Polkowski W., Czujko T. et al.: Structure and properties of the Fe3Al-type intermetallic alloy fabricated by laser engineered net shaping (LENS). „Materials Science and Engineering A” 2016, vol. 650, p. 374–381.
• 4. Hollander D.A., von Walter M., Wirtz T., Sellei R., Schmidt-Rohlfing B., Paar O., Erli H.J.: Structural, mechanical and in vitro characterization of individually structured Ti–6Al–4V produced by direct laser forming. „Biomaterials” 2006, vol. 27, p. 955–963.
• 5. Koike M., Greer P., Owen K., Lilly G., Murr LE., Gaytan S.M. et al.: Evaluation of Titanium Alloys Fabricated Using Rapid Prototyping Technologies-Electron Beam Melting and Laser Beam Melting. „Materials” 2011, vol. 4, p. 1776.
• 6. Łyczkowska E., Szymczyk P., Dybała B., Chlebus E.: Chemical polishing of scaffolds made of Ti-6Al-7Nb alloy by additive manufacturing. „Arch. Civil Mech. Eng.” 2014, vol. 14, p. 586–594.
• 7. Miao X., Sun D.: Graded/gradient porousbiomate-rials. „Materials” 2009, vol. 3, p. 26–47.
• 8. Parthasarathy J., Starly B., Raman S., Christensen A.: Mechanical evaluation of porosity tanium (Ti6Al4V) structures with electron beam melting (EBM). „Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials” 2010, vol. 3, issue 3, p. 249–259.
• 9. Schmidt M., Vollertsen F., Geiger M., Yves-Christian H., Jan W., Wilhelm M. et al.: Laser Assisted Net Shape Engineering 6, Proceedings of the LANE 2010, Part 2Net shaped high performance oxide ceramic parts by selective laser melting. „Physics Procedia” 2010, vol. 5, p. 587–594.
• 10. Skarżyński H., Miszka K., Żarowski A.: Technika chirurgiczna rekonstrukcji małżowiny usznej z chrząstki pacjenta. „Audiofonologia” 2000, nr 18, s. 195–201.
• 11. Skibinski J., Cwieka K., Kowalkowski T., Wysocki B., Wejrzanowski T., Kurzydlowski K.J.: The influence of pore size variation on the pressure drop in open-cell foams. „Materials & Design” 2015, vol. 87, p. 650–6555.
• 12. Strondl A., Lyckfeldt O., Brodin H., Ackelid U.: Characterization and Control of Powder Properties for Additive Manufacturing. „JOM” 2015, vol. 67, p. 549–554.
• 13. Tomanik M., Pawelska A., Nikodem A., Filipiak J.: Microstructural characterisation of the subcortical bone as an indication for gradient scaffold design. Materiały konferencyjne „Biomechanics” 2016, Biała Podlaska, p. 287–288.
• 14. Vaezi M., Seitz H., Yang S.: A review on 3D micro-additive manufacturing technologies. „Int J Adv Manuf Technol.” 2013, vol. 67, p. 1721–1754.
• 15. Wysocki B., Idaszek J., Szlązak K., Strzelczyk K., Brynk T., Kurzydłowski K.J., Święszkowski W.: Post Processing and Biological Evaluation of the Titanium Scaffolds for Bone Tissue Engineering. „Materials” 2016, vol. 9, p. 197.