Comparison of Ti6Al4V titanium alloy membrane prototypes for bone defect repair made by laser sintering and electron beam melting

A comparative analysis of the microstructure and mechanical properties of guided bone regeneration frame membranes made from Ti6Al4V titanium alloy powder using 3D printing technology is presented in this paper. Two different methods were used to produce the samples: direct laser sintering of metals (DMLS) and electron beam melting (EBM). The plates, measuring 30×10×1 mm, were formed from layers 30 µm thick. The surface morphology of the samples was studied at both the micro and macro levels using scanning electron microscopy (SEM) and scanning impulse acoustic microscopy (SIAM). Biocompatibility was assessed both in vitro with mesenchymal stem cell (MSC) cultures and in vivo with laboratory animals. Mechanical properties were evaluated using a three-point bending test, which revealed differences in surface profile depth that was 100 and 150 µm for the DMLS and EBM correspondingly. Samples produced using DMLS technology demonstrated higher strength 2,180±20.7 MPa and elasticity 53,449±200 MPa than those produced by EBM strength 1500±26.1 and elasticity 25,633±125 MPa, according to the results of the mechanical tests. A more active proliferation of MSCs was observed in vitro in the DMLS samples, which was 70% higher compared to EMB and the control group. The bone tissue response to both types of titanium implants was good, with high levels of osseointegration, as confirmed by X-ray microtomography (µCT).

В данной работе представлен сравнительный анализ микроструктуры и механических свойств мембран для направленной костой регенерации, изготовленных из порошкового титанового сплава Ti6Al4V с использованием технологии 3D-печати. Для изготовления образцов применялись два различных метода: прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и электронно-лучевая плавка (EBM). Пластины размером 30×10×1 мм были сформированы из слоев толщиной 30 мкм. Морфология поверхности образцов была исследована на микро- и макроуровнях методом сканирующей электронной (SEM) и импульсной акустической (SIAM) микроскопии. Биосовместимость оценивали in vitro на культурах мезенхимальных стволовых клеток (МСК) и in vivo на лабораторных животных. Механические свойства оценивались методом трехточечного изгиба, что выявило различия в глубине профиля поверхности - 100 и 150 мкм для DMLS и EBM соответственно. Согласно результатам механических испытаний, изготовленные по технологии DMLS образцы продемонстрировали более высокую прочность (2180±20,7 МПа) и модуль упругости (53 449±200 МПа), чем EBM-образцы - 1500±26,1 и 25 632,6±125 МПа соответственно. Было отмечено, что более активная пролиферация мезенхимальных стволовых клеток наблюдалась in vitro в образцах DMLS. Реакция костной ткани на оба типа титановых имплантатов была хорошей с высоким уровнем остеоинтеграции, что было подтверждено рентгеновской микротомографией (µКТ).