直接レーザー表面改質法による添加チタンおよび鍛錬チタン上の相選択的かつ局所的なTiOコーティング

Phase-Selective and Localized TiO Coating on Additive and Wrought Titanium by a Direct Laser Surface Modification Approach.

• Parvin Fathi-Hafshejani
• Haden Johnson
• Zabihollah Ahmadi
• Michael Roach
• Nima Shamsaei
• Masoud Mahjouri-Samani

抄録

チタンは、そのユニークな機械的特性と生体適合性により、生体インプラント用途で注目されている材料です。その設計は、複雑で患者に合わせた部品の製作を可能にする添加剤製造技術の出現により、現在急速に成長しています。異なる相（アナターゼ、ルチルなど）と形態を持つ二酸化チタン（TiO）コーティングは、骨統合と抗菌挙動の強化に効果的であることが示されています。この強化された抗菌挙動は、結晶性ＴｉＯコーティングから生成される光触媒活性に由来する。アナターゼは、その大きなバンドギャップにもかかわらず、ルチルと比較してより光触媒性の高い酸化物相であることが一般的に示されてきた。しかし、最近の研究では、アナターゼとルチルの両方の相を含む酸化物の組み合わせにより、光触媒活性の向上につながる相乗効果が得られる可能性が示唆されている。ここでは、アナターゼ相、ルチル相、混合相を含む酸化物を用いて、チタンの添加剤や錬成品上にTiOナノ構造を選択的かつ局所的に形成することを、レーザー誘起変態法を用いて実証した。従来のコーティングプロセスと比較して、この技術は、必要に応じて酸素環境下でチタン部品に制御されたレーザーを照射するだけで、所望のTiO相を生成する。レーザー出力,走査速度,レーザーパルス時間,周波数,ガス流量などの加工条件が選択的変態に及ぼす影響を研究した。また、様々な特性評価技術を用いて、形態学的及び構造的な変化を調べました。この方法は、添加剤製造技術によって作製されたものを含む、チタンベースのバイオインプラント上に位相選択的なTiO表面を作製することに特に大きな関心を寄せています。

Titanium has been the material of interest in biological implant applications due to its unique mechanical properties and biocompatibility. Their design is now growing rapidly due to the advent of additive manufacturing technology that enables the fabrication of complex and patient-customized parts. Titanium dioxides (TiO) coatings with different phases (e.g., anatase, rutile) and morphologies have shown to be effective in enhancing osteointegration and antibacterial behavior. This enhanced antibacterial behavior stems from the photocatalytic activity generated from crystalline TiO coatings. Anatase has commonly been shown to be a more photocatalytic oxide phase compared to rutile despite its larger band gap. However, more recent studies have suggested that a synergistic effect leading to increased photocatalytic activity may be produced with a combination of oxides containing both anatase and rutile phases. Here, we demonstrate the selective and localized formation of TiO nanostructures on additive and wrought titanium parts with anatase, rutile, and mixed phases by a laser-induced transformation approach. Compared to conventional coating processes, this technique produces desired TiO phases simply by controlled laser irradiation of titanium parts in an oxygen environment, where needed. The effects of processing conditions such as laser power, scanning speed, laser pulse duration, frequency, and gas flow on the selective transformation were studied. The morphological and structural evolutions were investigated using various characterization techniques. This method is specifically of significant interest in creating phase-selective TiO surfaces on titanium-based bioimplants, including those fabricated by additive manufacturing technologies.

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