Aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen Eigenschaften und Infektionsresistenz sind Titanlegierungen eine erstklassige Wahl für die Herstellung orthopädischer Geräte wie Knie-/Hüftimplantate. Kürzlich hat ein Forschungsteam der Singapurer Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung herausgefunden, dass kundenspezifische Implantate mit besseren Fähigkeiten zur Spannungsabsorption mithilfe von Titan- und Tantalpulvern mit interessanten Eigenschaften in 3D gedruckt werden können. Bisher verwendeten Forscher hauptsächlich die Technologie des selektiven Laserschmelzens (SLM) und Pulver auf Titan-Aluminium-Basis, um biologische Prototypen in 3D zu drucken. Bei der SLM-Technologie werden typischerweise Hochleistungslaser verwendet, um 3D-Objekte Schicht für Schicht auf der Grundlage von Computerentwurfsmodellen aufzubauen. Da Aluminium jedoch langfristig schädliche Auswirkungen auf die menschlichen Nerven hat, hoffen Wissenschaftler, andere Materialien zu finden, um es zu ersetzen.
Zu diesem Zweck haben Florencia Edith Wiria vom Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), einer Tochtergesellschaft von A*STAR, und Wai Yee Yeong vom Singapore 3D Printing Centre der Nanyang Technological University ein gemeinsames Forschungsprojekt zur Entwicklung eines innovativen Metalls gestartet Mischung mit SLM-Technologie für den 3D-Druck. Drucken Sie bessere biomedizinische Produkte aus Titan.
Theoretisch stellen Legierungen aus den Elementen Titan und Tantal keinerlei Probleme dar, da beide Metalle biokompatibel sind und ihre mechanischen Eigenschaften auf reines Titan zurückzuführen sind. Der Schmelzpunkt von Tantalmetall ist jedoch sehr hoch (über 3000 Grad Celsius), was bedeutet, dass es grundsätzlich wirtschaftlich nicht machbar ist, Titanmetall in kugelförmiges Metallpulver umzuwandeln, das in der SLM-Technologie verwendet werden kann. Das auf dem Markt übliche Tantalpulver besteht normalerweise aus länglichen, groben Partikeln, die durch Gaszerstäubung gebildet werden.
Um dieses Problem zu lösen, mischte das Forschungsteam dieses raue Tantalmetallpulver mit einem anderen kommerziell erhältlichen mikrokugelförmigen Titanmetallpulver. Nachdem sie die beiden Materialien einen halben Tag lang gemischt hatten, stellten sie fest, dass die Mischung gleichmäßiger aufgetragen werden konnte, was die Verwendung mit der SLM-Technologie erleichterte. Mikroskopische Experimente ergaben, dass die Kugelform des Titanmetalls nach dem Mischen erhalten blieb, was der Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz der Mischung im 3D-Druck war.
„Das Titanpulver fungiert hier als Rollmedium“, erklärt Wiria. „Es drückt das Tantalpulver und ermöglicht die SLM-Verarbeitung.“ Durch die Anwendung eines schachbrettartigen Laserscanmusters wird das Metall abwechselnd auf und ab oder von einer Seite zur anderen geschmolzen. Um die thermische Belastung zu reduzieren, nutzten die Forscher die SLM-Technologie erfolgreich, um 3D-Formen aus der Titan-Tantal-Legierung zu erzeugen. Unerwarteterweise zeigten Röntgen- und andere bildgebende Verfahren, dass die Zugabe von Tantalmetall in Verbindung mit einer schnellen Erstarrung die Bildung hochfester, geschichteter Titankörner fördert und stabilisiert.
Forscher gehen davon aus, dass diese Titan-Tantal-Legierung den „Stress Shielding“-Effekt abmildern kann. Der sogenannte „Stress Shielding“-Effekt führt dazu, dass die Härte des Implantats zu hoch ist und die angrenzenden Knochen nicht ausreichend mechanisch stimuliert werden, was zu Knochenschwund führt. Loses Phänomen. „Diese Legierungen wurden speziell für orthopädische Anwendungen entwickelt und können nach der Verformung sogar ein gewisses Formgedächtnis aufweisen.“
