[논문 리뷰] Microstructure, mechanical properties, corrosion resistance and cytocompatibility of WE43 Mg alloy scaffolds fabricated by laser powder bed fusion for biomedical applications

M. Li, Felix Benn외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 08.

Magnesium Alloys: Properties and Applications참고 문헌 42인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 생물의학용 임플랜트를 위한 개방 다공성 WE43 Mg 합금 스캐폴드의 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF) 제조를 조사하며, 레이어 두께와 후처리 열처리가 미세구조, 기계적 성질 및 부식 내성에 중대한 영향을 미친다는 것을 입증한다. as-printed 및 솔루션 처리된 스캐폴드에서 가장 낮은 부식 속도(연간 2–3 mm)를 기록하였으며, 플라즈마 염료 산화(PEO) 처리를 통해 약 0.1 mm/년으로 더욱 감소시켰다. PEO 코팅된 스캐폴드는 생체친화성 향상으로 인해 지속적인 세포 증식을 가능하게 하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• Load-bearing 생물의학용 임플랜트를 위한 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF)을 이용한 WE43 Mg 합금 스캐폴드 개발
• 레이어 두께와 열처리가 미세구조 및 기계적 거동에 미치는 영향 조사
• 시뮬레이션 체액에서의 부식 내성 평가 및 표면 처리를 통한 최적화
• in vitro 세포친화성 평가 및 세포 증식을 위한 표면 개질의 필요성 규명

제안 방법

• 체심입방체 단위세포를 갖는 개방 다공성 스캐폴드를 WE43 Mg 합금 분말을 사용해 레이저 풍선 베드 퓨전(LPBF)으로 제조하였다.
• 레이어 두께를 275 µm에서 800 µm로 다양하게 조절하여 크기 의존적 기계적 및 부식 반응을 연구하였다.
• 미세구조 및 침전상 변화를 위해 열처리(솔루션 및 애지닝)를 적용하였다.
• 미세구조 및 다공도 분석을 위해 X선 마이크로토모그래피, 광학, 주사 및 투과형 전자현미경을 사용하였다.
• 시뮬레이션 체액(SBF)에서 다양한 조건(PEO 표면 처리 포함)에서의 부식 속도를 측정하였다.
• 세포 증식 평가를 위해 PEO 코팅 여부에 따라 다른 스캐폴드에서 in vitro 세포친화성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LPBF 제조 WE43 Mg 스캐폴드의 레이어 두께가 항복강도와 탄성율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 솔루션 및 애지닝 열처리가 as-printed WE43 Mg 스캐폴드의 미세구조 및 부식 내성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 플라즈마 염료 산화(PEO) 처리가 WE43 Mg 스캐폴드의 부식 속도를 현저하게 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 PEO 코팅은 고표면적 WE43 Mg 스캐폴드에서 지속적인 세포 증식을 가능하게 하는가?
• RQ5 열처리된 WE43 Mg 스캐폴드에서 미세구조 변화와 기계적 성능 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 레이어 두께가 275 µm에서 800 µm로 증가함에 따라 항복강도는 8 MPa에서 40 MPa로, 탄성율은 0.2 GPa에서 0.8 GPa로 증가하였다.
• as-printed 스캐폴드는 Y을 rich로 함유한 산화물 입자와 희토류를 rich로 함유한 인터메탈릭 침전상을 포함한 미세구조를 보였으며, 이는 열처리에 의해 수정되었다.
• as-printed 및 솔루션 처리된 스캐폴드에서 부식 속도는 2–3 mm/년으로 관찰되었으며, 플라즈마 염료 산화(PEO) 처리 후 약 0.1 mm/년으로 감소하였다.
• PEO 처리가 없는 스캐폴드는 시뮬레이션 체액에 침지된 후 급격한 강도 저하를 보였으며, 생리적 환경에서의 안정성이 낮음을 시사하였다.
• PEO 코팅된 스캐폴드는 지속적인 세포 증식을 지원하였으며, 고표면적대비체적비 스캐폴드에서 생체친화성 확보를 위한 표면 처리의 필수성을 확인하였다.
• X선 마이크로토모그래피를 통해 스캐폴드 레이어 내부에 최소한의 내부 다공도가 있음을 확인하였으며, LPBF 제조 스캐폴드의 높은 기하학적 정밀도를 입증하였다.