Powder mixed electrical discharge machining for antibacterial surface modification of Ti6Al4V

Abstract Within the scope of this work, powder mixed electrical discharge machining (PMEDM) is studied to enable simultaneous ablative shaping and surface modification for a generation of an eective-antibacterial layer on the implant surface. Comprehensive evaluations in sinking and milling operations have shown that PMEDM can deposit silver from silver nano-powders suspended in the dielectric medium onto and into the modified layer. The silver deposition is significantly aected by discharge energy, polarity, ushing strategy, size and geometry of tool electrode, and especially powder concentration. In addition, ultrasonic vibration assisted PMEDM not only enhances the uniformity of deposited silver, but also prevents a spattered layer which poses a fundamental challenge of the PMEDM process for its applicability to medical implant processing. Modified surfaces containing dierent silver contents exhibit a significant reduction of Staphylococcus aureus bacteria and no negative in influence on the attachment and dierentiation of osteoblasts. Moreover, the deposited silver content plays a vital role in the antibacterial property. A surface containing 3.78 % silver showed a significant decrease in bacterial numbers and clusters, however no further considerable reduction is obtained at higher silver contents.

Referat Im Rahmen dieser Arbeit wurde die pulverunterstutzte Funkenerosion (eng.: powder mixed electrical discharge machining - PMEDM) erforscht, um gleichzeitig eine abtragende Formgebung sowie eine Oberflächenmodifikation zur Realisierung antibakteriell wirksamer Schichten auf Implantatoberflächen zu ermöglichen. Umfassende Untersuchungen sowohl im Senk- als auch im Bahnerosionsverfahren zeigten, dass mittels der pulverunterstützten Funkenerosion Silber aus einer Dielektrikum-Silber-Suspension auf und in die Werkstoffrandschicht abgeschieden werden kann. Die Silberabscheidung wird dabei signifikant von der Entladungsenergie, der Polarität, der Spülstrategie, der Größe und Geometrie der Werkzeugelektrode und insbesondere der Pulverkonzentration beeinflusst. Durch den Einsatz von Ultraschall-unterstutztem PMEDM wird nicht nur die Homogenität der Verteilung des abgeschiedenen Silbers verbessert, sondern auch die Bildung der wiederangelagerten Schicht, die eine grundlegende Herausforderung des PMEDM-Verfahrens bei der Bearbeitung medizinischer Implantate darstellt, verhindert. Die modifizierten Oberflächen mit unterschiedlichen Silbergehalten zeigten eine signifikante Reduzierung von Staphylococcus aureus-Bakterien und keinen negativen Einfluss auf die Anheftung und Dierenzierung der Osteoblasten. Zusätzlich hat sich gezeigt, dass der abgeschiedene Silbergehalt eine entscheidende Rolle für die antibakteriellen Eigenschaften der Bauteiloberfläche hat. So konnte festgestellt werden, dass die Oberfläche mit einem Silbergehalt von 3,78 % eine signifikante Verringerung der Bakterien- und Clusteranzahl aufweist, wobei bei höheren Silbergehalten keine weitere Reduzierung beobachtet wurde.