[論文レビュー] Microstructure, mechanical properties, corrosion resistance and cytocompatibility of WE43 Mg alloy scaffolds fabricated by laser powder bed fusion for biomedical applications

M. Li, Felix Benn+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Magnesium Alloys: Properties and Applications参考文献 42被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、医療用インプラント用に、レーザー粉末床溶融（LPBF）を用いた開孔構造WE43 Mg合金スクラップの作製を検討し、ストラット径とその後処理の熱処理が微細組織、機械的特性および腐食抵抗性に顕著な影響を及ぼすことを示した。 as-printedおよび溶液処理されたスクラップでは腐食速度が最小（2–3 mm/年）に達し、さらに亜酸化物電解酸化（PEO）処理により約0.1 mm/年にまで低減された。PEO被膜を有するスクラップは、生体適合性の向上により持続的な細胞増殖を可能にした。

ABSTRACT

Open-porous scaffolds of WE43 Mg alloy with a body-center cubic cell pattern were manufactured by laser powder bed fusion with different strut diameters. The geometry of the unit cells was adequately reproduced during additive manufacturing and the porosity within the struts was minimized. The microstructure of the scaffolds was modified by means of thermal solution and ageing heat treatments and was analysed in detail by means of X-ray microtomography, optical, scanning and transmission electron microscopy. Moreover, the corrosion rates and the mechanical properties of the scaffolds were measured as a function of the strut diameter and metallurgical condition. The microstructure of the as-printed scaffolds contained a mixture of Y-rich oxide particles and Rare Earth-rich intermetallic precipitates. The latter could be modified by heat treatments. The lowest corrosion rates of 2-3 mm/year were found in the as-printed and solution treated scaffolds and they could be reduced to ~0.1 mm/year by surface treatments using plasma electrolytic oxidation. The mechanical properties of the scaffolds improved with the strut diameter: the yield strength increased from 8 to 40 MPa and the elastic modulus improved from 0.2 to 0.8 GPa when the strut diameter increased from 275 μm to 800 μm. Nevertheless, the strength of the scaffolds without plasma electrolytic oxidation treatment decreased rapidly when immersed in simulated body fluid. In vitro biocompatibility tests showed surface treatments by plasma electrolytic oxidation were necessary to ensure cell proliferation in scaffolds with high surface-to-volume ratio.

研究の動機と目的

• ロードベアリング用医療インプラントとしてのWE43 Mg合金スクラップをレーザー粉末床溶融法で開発すること。
• ストラット径と熱処理が微細組織および機械的挙動に与える影響を調査すること。
• 模擬体液における腐食抵抗性を評価し、表面処理により最適化すること。
• in vitroでの細胞適合性を評価し、細胞増殖に表面修飾が必要かどうかを特定すること。

提案手法

• 体心立方単位セルを有する開孔構造スクラップを、WE43 Mg合金粉末を用いてレーザー粉末床溶融法で作製した。
• ストラット径を275 µmから800 µmに変化させ、寸法依存の機械的および腐食応答を調査した。
• 微細組織および析出相を変更するために、熱的溶液処理およびアンローディング熱処理を実施した。
• 微細組織および多孔度の分析に、X線マイクロトモグラフィー、光学顕微鏡、走査および透過電子顕微鏡を用いた。
• 模擬体液（SBF）中での腐食速度を、PEO表面処理を含むさまざまな条件下で測定した。
• 細胞増殖の評価のために、PEO被膜有無のスクラップを用いてin vitroでの細胞適合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストラット径がLPBFで作製されたWE43 Mgスクラップの降伏強度および縁率弾性率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 溶液処理およびアンローディング熱処理が、as-printed状態のWE43 Mgスクラップの微細組織および腐食抵抗性に与える影響は何か？
• RQ3 亜酸化物電解酸化（PEO）処理が、WE43 Mgスクラップの腐食速度を顕著に低減できるか？
• RQ4 PEO被膜は、高比表面積を有するWE43 Mgスクラップ上での持続的細胞増殖を可能にするか？
• RQ5 熱処理されたWE43 Mgスクラップにおける微細組織の進化と機械的性能の関係は何か？

主な発見

• ストラット径が275 µmから800 µmに増加するに従い、降伏強度は8 MPaから40 MPaへ、縁率弾性率は0.2 GPaから0.8 GPaへと上昇した。
• as-printedスクラップは、Yを富含する酸化物粒子および希土類元素富含のインタメタルリック析出相を含む微細組織を示したが、熱処理によりその構造が変化した。
• as-printedおよび溶液処理されたスクラップでは腐食速度が2–3 mm/年であったが、亜酸化物電解酸化（PEO）処理により約0.1 mm/年にまで低減された。
• PEO処理を施さないスクラップは、模擬体液への浸漬後、急速に強度が低下し、生理的環境下での不安定性を示した。
• PEO被膜を有するスクラップは持続的な細胞増殖を支持した。これは、高比表面積比スクラップにおいて表面処理が生体適合性に不可欠であることを確認した。
• X線マイクロトモグラフィーにより、ストラット内部に最小限の内部多孔度が存在することが確認され、LPBFで作製されたスクラップの高い幾何学的忠実性が裏付けられた。