Designing and manufacturing of porous spinal cages using Ti6Al4V foamed metal

Abstract

Farklı gözenek oranlarına sahip (%50, %60 ve %70) açık hücreli Ti6Al4Vköpükler amonyum bikarbonat parçaları (315 - 500 ?m) boşluk yapıcı madde olarakkullanılarak ve 1200 - 1350°C arası sıcaklılarda sinterlenerek hazırlanmıştır. Çalışmadaiki tip, biyomedikal kullanıma uygun, ticari, gaz atomizasyonu yöntemiyle elde edilenküresel Ti6Al4V tozları kullanılmiştır. Toz 1 45 - 150 ?m ve Toz 2 30 - 90 ?m arasıtanecik boyutuna sahiptir. Köpükler sıkıca yalıtılmış tüp fırın içerisinde argon atmosferialtında sinterlenmiştir. Elde edilen hücresel yapıdaki köpüklerde 300 - 500 ?m arasımakro ve 1 - 30 ?m arası mikro olmak üzere iki tip gözenek modelinin oluştuğugözlenmiştir. Köpük numuneler üzerinde uygulanan basma testleri artan sinterlenmesıcaklığının ve/veya azalan gözenek yüzdesinin, yapının elastik modülünü, akmamukavemetini, basma dayanımını ve ayrılma deformasyon oranını yükselttiğigöstermiştir. Daha düşük tanecik boyutuna sahip Ti6Al4V tozun kullanılmasıyla köpükyapının mekanik özelliklerinin iyileştiği, bu iyileşmenin artan tanecik temas noktası vetoplam sinterlenme bölgesi alanına bağlı olduğu belirlenmiştir. Kemik entegrasyonu içinoptimum gözenek boyutu, gözenek yüzdesi ve mekanik özelliklerine sahip köpükyapılar, spinal cerrahide vertebra sabitlenmesinde sıkça kullanılan, gözenekli spinalkafes prototiplerinin üretilmesinde kullanılmıştır. Spinal kafes prototiplerinin şekillerive boyutları insan omurgasından alınan ölçümlere göre belirlenmiştir. Köpükler önceplaka şeklinde üretilmiş, sonra spinal kafesler su jeti ile keseme yöntemiyle, plakalardanher vertebra segmenti için tasarlanan şekillere göre kesilerek çıkartılmıştır.

Open cell Ti6Al4V foams with varying porosities (50, 60 and 70%) wereprepared at sintering temperatures between 1200 and 1350°C using ammoniumbicarbonate particles (315 - 500 ?m) as space holder. Two different biomedical gradecommercial, gas atomized spherical Ti6Al4V powders were used to prepare foams.Powder 1 was in size range of between 45 - 150 ?m and Powder 2 in size range ofbetween 30 - 90 ?m. The foams were sintered under argon atmosphere in a tightlyenclosed tube furnace. The resulting cellular structure of the foams showed bimodalpore size distribution, comprising macro pores (300 - 500 ?m) and micro pores (1 - 30?m). Compression tests of foam samples have shown that increasing sinteringtemperature or decreasing porosity increased the elastic modulus, yield and compressivestrength and failure strain. The improvement in the mechanical properties of foamsprepared using smaller size Ti6Al4V powder with bimodal particle distribution wereattributed to the increased number of sintering necks and contact areas between theparticles. The foam prepared with optimum porosity, pore size and mechanicalproperties for bone in-growth was further used to produce prototype porous spinalcages which are widely used in spinal surgery for vertebrae fixation. The geometriesand size of the prototype spinal cages were determined through the measurements takenfrom human vertebrae. The foams for spinal cage preparation were first prepared in theform of plates and then core-drilled using water jet based on the design geometricalparameters determined for each vertebra segment.