Osteoblast Response to Commercially Available Ti-6Al-4V and Novel Porous Tantalum. In Vitro Biocompatibility Studies

The response of human osteoblasts to materials is crucial for evaluating biocompatibility of an implant material for bone defects. Previous work in our lab demonstrated that the response of human osteoblasts to orthopaedic and dental materials in vitro varies depending on the sex and age of the patient [1]. Osteoblasts from female patients older than 60 years old, adhered less and produced less matrix proteins and calcification than osteoblasts from younger female patients and all ages of male patients. Recently developed, porous tantalum demonstrates improved biomechanical properties for bone and good biocompatibility in in vivo human studies, however there are few, if any, in vitro biocompatibility studies on this material. In this project, we aimed to compare the phenotypic expression of human osteoblasts from young and old female patients to commercially available Ti-6Al-4V and porous tantalum in a well-developed in vitro system. 1. Zhang H, Lewis CG, Aronow MS, Gronowicz G. The effect of patient age on human osteoblasts’ response to Ti-6Al-4V implants in vitro. J. Orthop. Res. 2004;22(1):30-8.

Avaliação de massa e rugosidade superficial de pastilhas de Ti-6Al-4V com aplicação de nanopartículas de prata submetidos ao teste de escovação

Este estudo teve por objetivo avaliar a variação da massa e rugosidade de pastilhas de Ti-6Al-4V com e sem aplicação superficial de nanopartículas de prata coloidal (BSafe®) de dimensões 1,5 cm; 0,5 cm e 0,2 cm, submetidas à teste de escovação e imersão pelo período experimental de 10 anos. No teste de escovação, quinze espécimes de Ti-6Al-4V (TE), quinze com B-Safe® (BE) e quinze de PMMA (PE) como controle foram subdivididos em três condições de escovação: dentifrício comum (DC), dentifrício experimental (DE) e controle com água destilada (H2O) por 200 mil ciclos em máquina de escovação. Os resultados foram submetidos ao teste ANOVA a 2 critérios (condição de escovação e ciclos) e teste de Tukey (α=0,05) para comparações múltiplas. Foi observada variação de massa apenas quando a condição de escovação foi DC nos espécimes do grupo PE e TE. Houve diferença estatisticamente significante nos valores da variação de rugosidade no grupo TE e PE quando a condição de escovação foi DC; no grupo BE, houve diferença quando a condição foi DC e DE, porém em DE houve redução dos valores médios. No teste de imersão, objetivando analisar a ação dos dentifrícios sem o atrito das cerdas, seis espécimes de Ti-6Al-4V (TI) e seis com B-Safe® (BI) foram subdivididos em três condições de imersão: DC, DE e H2O pelo período de 244 horas. Os resultados foram submetidos ao teste t de student pareado. Não foi observada diferença estatística entre as variações de massa e rugosidade de nenhum dos corpos de prova após o teste. Complementar aos ensaios, foi realizado um protocolo de desinfecção com terapia fotodinâmica com azul de metileno pelo período de 4 semanas nos espécimes escovados. Após todos os testes, foi realizada espectrometria de energia dispersiva de raios-X (EDS) para caracterização dos elementos químicos presentes nos espécimes, onde não se observou variações. Os resultados sugerem que o DE é mais indicado para utilização com implantes, enquanto DC apresenta um poder abrasivo capaz de danificar a superfície do Ti-6Al- 4V. Não foi observado nenhum indício de corrosão em nenhum grupo testado.

Avaliação do processamento por atrito linear em chapas da liga de titânio Ti-6Al-4V.

Esta tese tem por objetivo a aplicação do processamento por atrito linear na liga de titânio Ti-6Al-4V. Derivado da solda por atrito linear, é um processo recente desenvolvido na década de 90 para união de alumínio. Sua aplicação em outros tipos de materiais como aços e ligas de alto desempenho, em especial o titânio, tem interessado a industria. A metodologia utilizada nesta tese para avaliar o processamento por atrito linear, consistiu na execução de ensaios mecânicos de tração em condições mistas em chapas da liga de titânio Ti-6Al-4V. A máquina utilizada para o processamento das chapas foi um centro de usinagem CNC convencional, adaptado com dispositivos especiais. Além dos ensaios de tração em condições mistas, foram executadas medições de microdurezas nas regiões atingidas pelo processo, avaliação das microestruturas resultantes e medições de tensão residual para uma caracterização mais ampla do processo. As microestruturas na região processada são caracterizadas por uma estrutura totalmente transformada. As temperaturas de pico na região processada excederam a temperatura -transus durante o processamento e a transformação da fase + ocorreu durante a fase de resfriamento. A transformação da fase para resultou na formação de agulhas de fase nos contornos e pelo interior dos grãos da fase . Pequenas regiões com estrutura equiaxial de grãos ( globular) foram observados na zona de processamento. A abordagem dos resultados quantitativos foi feita de forma estatística, visando identificar os parâmetros de maior interação com os resultados observados. Foi identificado nesta tese que a rotação da ferramenta apresentou a maior influência nos resultados de tensão residual, microdureza e tensão de escoamento. Uma importante contribuição à modelagem da tensão de escoamento para materiais anisotrópicos é proposta, baseado em um critério de escoamento ortotrópico. Equações complementares baseadas nos testes mistos de tração e cisalhamento são propostas para modificar o modelo ortotrópico. O intuito deste modelo é indicar em que condições o material tem seu regime de escoamento atingido, podendo servir de base para simulações práticas de peças em condições similares.

In-Vivo Corrosion and Fretting of Modular TI-6AL-4V/CO-CR-MO Hip Prostheses: The Influence of Microstructure and Design Parameters

The purpose of this study was to evaluate the incidence of corrosion and fretting in 48 retrieved titanium-6aluminum-4vanadium and/or cobalt-chromium-molybdenum modular total hip prosthesis with respect to alloy material microstructure and design parameters. The results revealed vastly different performance results for the wide array of microstructures examined. Severe corrosion/fretting was seen in 100% of as-cast, 24% of low carbon wrought, 9% of high carbon wrought and 5% of solution heat treated cobalt-chrome. Severe corrosion/fretting was observed in 60% of Ti-6Al-4V components. Design features which allow for fluid entry and stagnation, amplification of contact pressure and/or increased micromotion were also shown to play a role. 75% of prosthesis with high femoral head-trunnion offset exhibited poor performance compared to 15% with a low offset. Large femoral heads (>32mm) did not exhibit poor corrosion or fretting. Implantation time was not sufficient to cause poor performance; 54% of prosthesis with greater than 10 years in-vivo demonstrated none or mild corrosion/fretting.

FEM Analysis to Optimally Design End Mill cutters for Milling of Ti-6Al-4V

This paper presents an FEM analysis conducted for optimally designing end mill cutters through verifying the cutting tool forces and stresses for milling Titanium alloy Ti-6Al-4 V. Initially, the theoretical tool forces are calculated by considering the cutting edge on a cutting tool as the curve of an intersection over a spherical/flat surface based on the model developed by Lee & Altinas [1]. Considering the lowest tool forces the cutting tool parameters are taken and optimal design of end mill is decided for different sizes. Then the 3D CAD models of the end mills are developed and used for Finite Element Method to verify the cutting forces for milling Ti-6Al-4 V. The cutting tool forces, stress, strain concentration (s), tool wear, and temperature of the cutting tool with the different geometric shapes are simulated considering Ti-6Al-4 V as work piece material. Finally, the simulated and theoretical values are compared and the optimal design of cutting tool for different sizes are validated. The present approach considers to improve the quality of machining surface and tool life with effects of the various parameters concerning the oblique cutting process namely axial, radial and tangential forces. Various simulated test cases are presented to highlight the approach on optimally designing end mill cutters.

Microstructure and texture evolution during beta extrusion of boron modified Ti-6A1-4V alloy

Boron addition to conventional titanium alloys below the eutectic limit refines the cast microstructure and improves mechanical properties. The present work explores the influence of hypoeutectic boron addition on the microstructure and texture evolution in Ti-6Al-4V alloy under beta extrusion. The beta extruded microstructure of Ti-6Al-4V is characterized by shear bands parallel to the extrusion direction. In contrast, the extruded Ti-6Al-4V-0.1B alloy shows a regular beta worked microstructure consisting of fine prior beta grains and acicular alpha-lamellae with no signs of the microstructural instability. Crystallographic texture after extrusion was almost identical for the two alloys indicating the similarity in their transformation behavior, which is attributed to complete dynamic recrystallization during beta processing. Microstructural features as well as crystallographic texture indicate dominant grain boundary related deformation processes for the boron modified alloy that leads to homogeneous deformation without instability formation. The absence of shear bands has significant technological importance as far as the secondary processing of boron added alloys in (alpha + beta)-phase field are concerned. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Effects of the high-temperature plasma immersion ion-implantation treatment on corrosion behavior of Ti-6Al1-4V

Nitrogen implantation into Ti alloys at higher temperatures improves their mechanical and corrosion resistance properties by forming a thicker nitride layer. In this paper, two different sets of Ti-6Al-4V samples were plasma immersion ion implantation (PIII)-treated using nitrogen plasma, varying the treatment time from 30 to 150 min (800 degrees C) and the process temperature from 400 degrees C to 800 degrees C (t = 60 min). Nanoindentation measurements of the PIII-treated samples at 800 C during 150 min showed the highest hardness value, 24 GPa, which is about four times bigger than untreated sample hardness. The N penetration at these conditions reached approximately 150 nm as analyzed by Auger spectroscopy. on the other hand, the lowest passive current density (3 x 10(-7) A. cm(-2)) was obtained for a PIII-treated sample during 30 min at higher temperature (800 degrees C). The corrosion resistance of this sample is almost the same as for the untreated specimen. Corrosion behavior evidenced that in strong oxidizing media, all PIII-treated samples are more corrosion resistant than the untreated one. PIII processing at higher temperatures promotes smoothing of the sample surface as observed by scanning electron microscopy (SEM). Grazing incidence X-ray diffraction analyses of the untreated samples identified the two typical Ti phases, Ti alpha and Ti beta. After the implantation, Ti2N and TiO2 phases were also detected.

Rough turning of titanium alloy (6Al-4V)

Metal machining is the complex process due the used cutting parameters. In metal cutting process, materials of workpiece differ widely in their ability to deform plastically, to fracture and to sustain tensile stresses. Moreover, the material involved in the process has a great influence in these operations. The Ti-6Al-4V alloy is very used in the aeronautical industry, mainly in the manufacture of engines, has very important properties such the mechanical and corrosion resistance in high te mperatures. The turning of the Ti-Al-4V alloy is very difficult due the rapid tool wear. Such behavior result of the its low thermal conductivity in addition the high reactivity with the cutting tool. The formed chip is segmented and regions of the large deformation named shear bands plows formed. The machinability of the cutting process can be evaluated by several measures including power consume, machined surface quality, tool wear, tool life, microstructure and morphology of the obtained chip. This paper studies the effect of cutting parameters, speed and feed rates, in the tool wear and chip properties using uncoating cemented carbide tool. Microe-structural characterization of the chip and tool wear was performed using scanning electron microscopy (SEM) and Light Optical Mcroscopy (LOM).

Estudo das modificações na superfície do Ti cp titânio comercialmente puro e da liga Ti-6AI-4V usados como biomateriais utilizando-se deposição por plasma spray

Pós-graduação em Química - IQ

Influência da temperatura final do ciclo de aquecimento do revestimento na fluidez e na resistência à tração do Ti c.p. e da liga Ti-6AI-4V

Pós-graduação em Reabilitação Oral - FOAR

Stoichiometry, crystallinity, and nano-scale surface morphology of the graded calcium phosphate-based bio-ceramic interlayer on Ti-Al-V

A plasma-assisted concurrent Rf sputtering technique for fabrication of biocompatible, functionally graded CaP-based interlayer on Ti-6Al-4V orthopedic alloy is reported. Each layer in the coating is designed to meet a specific functionality. The adherent to the metal layer features elevated content of Ti and supports excellent ceramic-metal interfacial stability. The middle layer features nanocrystalline structure and mimics natural bone apatites. The technique allows one to reproduce Ca/P ratios intrinsic to major natural calcium phosphates. Surface morphology of the outer, a few to few tens of nanometers thick, layer, has been tailored to fit the requirements for the bio-molecule/protein attachment factors. Various material and surface characterization techniques confirm that the optimal surface morphology of the outer layer is achieved for the process conditions yielding nanocrystalline structure of the middle layer. Preliminary cell culturing tests confirm the link between the tailored nano-scale surface morphology, parameters of the middle nanostructured layer, and overall biocompatibility of the coating.

SEM and EDS Characterisation of Layering TiOx Growth onto the Cutting Tool Surface in Hard Drilling Processes of Ti-Al-V Alloys

10 p.