Een vergelijkende studie naar de corrosieweerstand van Ti-6Al-4V geproduceerd via materiaalextrusie en andere additieve productietechnologieën

Waarom 3D-geprinte titaniumimplantaten ertoe doen

Veel moderne heupvervangingen, botplaten en tandheelkundige schroeven zijn gemaakt van een titaniumlegering genaamd Ti-6Al-4V. Dit metaal is sterk, licht en gewoonlijk zeer resistent tegen roestachtige aantasting in het lichaam. Nieuwe 3D-printmethoden beloven goedkopere, meer aangepaste implantaten, maar ze veranderen ook de fijne interne structuur en porositeit van het metaal. Deze studie stelt een eenvoudige vraag met grote medische implicaties: maken verschillende 3D-printprocedés deze vertrouwde legering gevoeliger voor corrosie en het vrijkomen van metaal in het lichaam?

Verschillende manieren om hetzelfde metaal te printen

De onderzoekers vergeleken drie geavanceerde 3D-printmethoden plus een traditionele gesmede versie van Ti-6Al-4V. Twee methoden, electron beam melting (EBM) en laser powder bed fusion (LPBF), gebruiken intense bundels om lagen los poeder tot dichte onderdelen te smelten. De nieuwere materiaalextrusie (MEX) route print daarentegen een metaalgevulde kunststoffilament in een vorm, verwijdert de kunststof en sintert vervolgens het ingepakte metaalpoeder tot een vaste massa. Hoewel alle vier routes starten van hetzelfde recept van titanium, aluminium en vanadium, laten ze zeer verschillende oppervlakken, poriën en interne kristalpatronen achter in het metaal. Deze verborgen verschillen beïnvloeden sterk hoe vloeistoffen en opgelost zuurstof het metaal bereiken wanneer het in gebruik is als implantaat.

Ruwe oppervlakken en verborgen holtes

Met 3D-oppervlakescans en microscopen vond het team dat alle 3D-geprinte monsters ruwe, golvende buitenoppervlakken hadden. Die ruwheid kan een zegen of een vloek zijn. Aan de ene kant helpt het bot om op implantaten te groeien, wat de verankering verbetert. Aan de andere kant kan het ook beschutting bieden aan bacteriën. Het belangrijkste contrast bleek in de delen zelf. EBM en LPBF creëerden grotendeels dicht metaal met slechts een paar kleine, afgeronde poriën. MEX daarentegen bevatte een periodiek netwerk van grotere, langgerekte holtes uitgelijnd met de geprinte filamenten en lagen. Dit ingebouwde poriënnetwerk is niet slechts een paar geïsoleerde fouten: het vormt paden die vloeistof potentieel diep in het onderdeel kunnen laten doordringen. Alle monsters deelden dezelfde basale ‘tweepasige’ kristalstructuur, maar de vorm en rangschikking van die fasen verschilden, wat subtiel kan verschuiven hoe verschillende regio’s van de legering reageren op corrosieve omstandigheden.

Hoe de legering zich gedraagt in lichaamsachtige vloeistoffen

Om blootstelling in het menselijk lichaam na te bootsen, dompelden de onderzoekers de monsters onder in zoutgebaseerde oplossingen op lichaamstemperatuur en monitoren ze de stroom die vloeit tijdens elektrochemische tests, een maat voor corrosieactiviteit. In een mild agressieve, lichaamsachtige fosfaatgebufferde oplossing vormden alle 3D-geprinte legeringen — inclusief MEX — een stabiele, beschermende oxidelaag op hun oppervlakken, vergelijkbaar met het traditionele gewalste metaal. Na lange uren stabiliseerden de stromen op zeer lage waarden, wat wijst op uitstekende algehele weerstand. Kleine verschillen kwamen naar voren wanneer de oppervlakken glad gepolijst waren. In dat geval toonden MEX-onderdelen iets hogere stromen, wat erop duidt dat polijsten in hun grote poriën had gesneden en interne oppervlakken blootstelde aan de vloeistof, waardoor het effectieve oppervlak waar corrosie kon beginnen toenam. Toch gedroeg MEX zich zelfs in deze zachte omgeving acceptabel.

Wat er gebeurt in strengere, zure omstandigheden

Het verhaal veranderde in meer extreme omstandigheden, bedoeld om lokale omgevingen te simuleren die rond implantaten kunnen ontstaan, zoals in nauwe spleten of ontstoken weefsel, waar de vloeistof zuur kan worden en zuurstof schaars kan zijn. Korte tests in zeer zure zoutoplossingen toonden dat alle versies van Ti-6Al-4V sneller corrodeerden, en dat bepaalde microscopische regio’s van het metaal gemakkelijker oplossen dan andere. De onderzoekers zagen dat een van de fasen van de legering (de zogenaamde alfa-fase) geneigd was iets sneller te corroderen dan de andere (beta), wat fijne selectieve aantasting veroorzaakte. De algehele corrosiesnelheden van de verschillende productieroutes leken echter nog steeds vergelijkbaar op korte termijn. In langetermijnproeven van vele weken werd de diepere impact van poriën duidelijk. De gesmede, EBM- en LPBF-monsters vertoonden voornamelijk zachte, algemene verdunning met slechts af en toe kleine putjes, en hun corrosiesnelheden vertraagden zelfs naarmate beschermende lagen dikker werden. MEX-onderdelen daarentegen verloren materiaal drie tot vijf keer sneller. Microscopen toonden aan dat zodra het buitenoppervlak gepolijst was, de onderling verbonden macro-poriën direct openstonden naar de testvloeistof. Dit maakte het mogelijk dat de zure oplossing langs het poriënnetwerk schoof, holtes vergrootte en corrosie ver het binnenste binnen dreef.

Wat dit betekent voor toekomstige implantaten

Voor patiënten en ontwerpers is de belangrijkste conclusie geruststellend maar genuanceerd. Wanneer Ti-6Al-4V wordt vervaardigd met moderne bundelgebaseerde 3D-printmethoden (EBM en LPBF), blijft de weerstand tegen corrosie in lichaamsachtige vloeistoffen vergelijkbaar met traditioneel gewalst metaal. De belangrijkste zorg ontstaat bij sintergebaseerde materiaalextrusie: het ingebouwde netwerk van grote, verbonden poriën kan de duurzaamheid ernstig ondermijnen in agressieve, zure omgevingen die soms rond implantaten voorkomen. De auteurs concluderen dat hoewel alle geteste routes chemisch robuuste onderdelen kunnen produceren onder normale omstandigheden, MEX betere controle over porositeit nodig heeft — via geoptimaliseerd printen, sinteren of nabehandelingen — voordat het veilig de langetermijn-corrosieprestaties kan evenaren die vereist zijn voor de meest veeleisende biomedische en technische toepassingen.

Bronvermelding: Lorenzi, S., Nani, L., Persico, T. et al. A comparative study on the corrosion resistance of Ti-6Al-4V produced via material extrusion and other additive manufacturing technologies. npj Mater Degrad 10, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00745-4

Trefwoorden: titaniumimplantaten, 3D-printen, corrosie, biomaterialen, additieve productie