Вплив поверхневих текстур сплаву NiTi, виготовлених мікрофрезеруванням, на статичні та динамічні кути змочування
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2026-1(97)-49-59Ключові слова:
мікрофрезерування, сплав NiTi, кут змочування, топографія поверхні, технологія текстуруванняАнотація
Характеристики змочування поверхонь матеріалів мають важливе значення для їх застосування в біомедицині, приладо- та машинобудуванні, а також в інших галузях промисловості. Аустенітні сплави NiTi використовуються в цих сферах завдяки унікальному поєднанню ефекту пам’яті форми, надпружності та біосумісності. Формування поверхневих текстур методом мікрофрезерування змінює топографію поверхні, що зумовлює модифікацію її змочувальних властивостей. Оскільки поведінка змочування мікрофрезерованих текстур поверхонь аустенітного сплаву Ni56,5Ti43,5 залишається недостатньо вивченою, у даній роботі експериментально досліджено вплив мезомасштабних (200–1000 мкм) текстур у вигляді мікропазів, мікростовпчиків та мікроямок на статичні та динамічні кути змочування водою. Проведено порівняння видимих кутів змочування текстурованих поверхонь з еталонними зразками, отриманими шліфуванням і поліруванням. Показано, що змочування мікрофрезерованих поверхонь гідрофільного сплаву NiTi є некомпозитним і може мати як ізотропний, так і анізотропний характер залежно від топографії поверхні. Встановлено взаємозв’язок між геометрією текстур і поведінкою змочування, а також проаналізовано особливості руху краплі по текстурованих поверхнях. Експериментально підтверджено, що мікрофрезеровані мезомасштабні текстури здатні зміщувати режим змочування у стан, за якого домінує закріплення трифазної лінії контакту з високим гістерезисом кута змочування. Таким чином, технологія мікрофрезерного текстурування забезпечує ефективне керування змочувальними властивостями сплаву NiTi, зокрема динамікою трифазної лінії контакту, та відкриває перспективи цілеспрямованого керування змочуванням шляхом варіювання геометрії текстур для застосування у біомедичних та інженерних системах.
Посилання
Petrini, L. and Migliavacca, F. (2011), «Biomedical applications of shape memory alloys», JOM, Vol. 63, No. 5, рр. 58–61, doi: 10.1155/2011/501483.
«Nitinol implants», Medline Unite, [Online], available at: https://medlineunite.com/products/nitinol-implants/
Bansiddhi, A., Sargeant, T.D., Stupp, S.I. and Dunand, D.C. (2008), «Porous NiTi for bone implants: A review», Acta Biomaterialia, Vol. 4, No. 4, рр. 773–782, doi: 10.1016/j.actbio.2008.02.009.
Sun, Y., Zhang, Z., Liu, Q. et al. (2024), «In vitro evaluation of the biocompatibility and bioactivity of a SLM-fabricated NiTi alloy with superior tensile property», Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Vol. 35, No. 1, doi: 10.1007/s10856-024-06822-x.
Balytska, N.O. (2025), «Fazovi peretvorennia u splavakh NiTi pry lezovii obrobtsi», Tekhnichni nauky ta tekhnolohii, No. 4 (42), рр. 43–54, doi: 10.25140/2411-5363-2025-4(42)-43-54.
Kalafatova, L.P. (2025), «Vplyv shvydkosti rizannia na znos instrumentu, shorstkist ta mikrostrukturu obroblenoi poverkhni pry frezeruvanni splaviv NiTi: analitychnyi ohliad», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (96), рр. 22–30, doi: 10.26642/ten-2025-2(96)-22-30.
Gittens, R.A., Scheideler, L., Rupp, F. et al. (2014), «A review on the wettability of dental implant surfaces II: Biological and clinical aspects», Acta Biomaterialia, Vol. 10, No. 7, рр. 2907–2918, doi: 10.1016/j.actbio.2014.03.032.
Balytska, N.O. and Melnychuk, P.P. (2025), «Mikrofrezeruvannia, yak sposib teksturuvannia poverkhon splaviv NiTi dlia modyfikatsii zmochuvanosti», Visnyk Khmelnytskoho natsionalnoho universytetu. Seriia. Tekhnichni nauky, No. 347 (1), рр. 478–485, doi: 10.31891/2307-5732-2025-347-65.
Balytska, N.O. (2025), «Tekhnolohichni osoblyvosti mikrofrezernoho teksturuvannia poverkhon splavu NiTi», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (96), рр. 3–12, doi: 10.26642/ten-2025-2(96)-3-12.
Gould, P. (2003), «Smart, clean surfaces», Materials Today, Vol. 6, No. 11, рр. 44–48, doi: 10.1016/S1369-7021(03)01131-3.
Jiang, L. and Feng, X. (2006), «Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces», Advanced Materials, Vol. 18, No. 23, рр. 3063–3078, doi: 10.1002/adma.200501961.
Butt, H.-J., Liu, J., Koynov, K. et al. (2022), «Current Opinion in Colloid & Interface Science», Vol. 59, doi: 10.1016/j.cocis.2022.101574.
Kalinin, Y.V., Berejnov, V. and Thorne, R.E. (2009), «Contact line pinning by microfabricated patterns: Effects of microscale topography», Langmuir, Vol. 25, No. 9, рр. 5391–5397, doi: 10.1021/la804095y.
Kumar, P., Mulvaney, P. and Harvie, D.J.E. (2024), «Energy dissipation during homogeneous wetting of surfaces with randomly and periodically distributed cylindrical pillars», Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 659, рр. 105–118, doi: 10.1016/j.jcis.2023.12.134.
Shabalovskaya, S., Anderegg, J. and van Humbeeck, J. (2008), «Critical overview of Nitinol surfaces and their modifications for medical applications», Acta Biomaterialia, Vol. 4, No. 3, рр. 447–467, doi: 10.1016/j.actbio.2008.01.013.
Mani, G., Porter, D., Grove, K. et al. (2022), «Surface finishing of Nitinol for implantable medical devices: A review», Journal of Biomedical Materials Research. Part B. Applied Biomaterials, Vol. 110, No. 12, рр. 2763–2778, doi: 10.1002/jbm.b.35112.
Jun, I., Choi, H., Kim, H. et al. (2025), «Exploring the potential of laser-textured metal alloys: Fine-tuning vascular cell responses through in vitro and ex vivo analysis», Bioactive Materials, Vol. 43, рр. 181–194, doi: 10.1016/j.bioactmat.2024.09.019.
Simka, W., Kaczmarek, M., Baron-Wiecheć, A. et al. (2010), «Electropolishing and passivation of NiTi shape memory alloy», Electrochimica Acta, Vol. 55, No. 7, рр. 2437–2441, doi: 10.1016/j.electacta.2009.11.097.
Hang, R., Huang, X., Tian, L. et al. (2012), «Preparation, characterization, corrosion behavior and bioactivity of Ni2O3-doped TiO2 nanotubes on NiTi alloy», Electrochim. Acta, Vol. 70, рр. 382–393, doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.085.
Mosas, K.K.A., Chandrasekar, A.R., Dasan, A. et al. (2022), «Recent advancements in materials and coatings for biomedical implants», Gels, Vol. 8, No. 5, doi: 10.3390/gels8050323.
Shabalovskaya, S.A., Siegismund, D., Heurich, E. and Rettenmayr, M. (2013), «Evaluation of wettability and surface energy of native Nitinol surfaces in relation to hemocompatibility», Materials Science and Engineering C, Vol. 33, No. 1, рр. 127–132, doi: 10.1016/j.msec.2012.08.018.
Liang, Y., Shu, L., Natsu, W. and He, F. (2015), «Anisotropic wetting characteristics versus roughness on machined surfaces of hydrophilic and hydrophobic materials», Applied Surface Science, Vol. 331, рр. 41–49, doi: 10.1016/j.apsusc.2014.12.071.
Calvimontes, A., Mauermann, M. and Bellmann, C. (2012), «Topographical anisotropy and wetting of ground stainless steel surfaces», Materials, Vol. 5, No. 12, рр. 2773–2787, doi: 10.3390/ma5122773.
Sooraj, V.S. (2021), «Effect of cutting tool feed rate on contact angle of water drops in non-composite wetting of CNC milled aluminum AA6061 surfaces», Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part E. Journal of Process Mechanical Engineering, Vol. 235, No. 2, рр. 219–229, doi: 10.1177/0954408920951720.
Cissé, O., Savadogo, O., Wu, M. and Yahia, L.-H. (2002), «Effect of surface treatment of NiTi alloy on its corrosion behavior in Hanks’ solution», Journal of Biomedical Materials Research, Vol. 61, No. 3, рр. 339–345, doi: 10.1002/jbm.10114.
Du, H., Wu, C., Li, D. et al. (2023), «Feasibility study on ultraprecision micro-milling of the additively manufactured NiTi alloy for generating microstructure arrays», Journal of Materials Research and Technology, Vol. 25, рр. 55–67, doi: 10.1016/j.jmrt.2023.05.214.
Tej, P. and Karali, P. (2018), «Direction dependent dynamic wetting of semi-hemispherical end micro-groove textured Ti-6Al-4V surface», Surface and Coatings Technology, Vol. 356, рр. 138–149, doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.09.037.
Jain, A., Nisha, K., Sheeja, J. and Vivek, B. (2021), «Surface free energy and bacterial attachment on microtextured Ti6Al4V alloy», Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 30, рр. 3968–3975, doi: 10.1007/s11665-021-05651-1.
Balytska, N., Penter, L., Manokhin, A. and Ihlenfeldt, S. (2025), «Face milling performance on austenitic NiTi shape memory alloy», International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 141, рр. 3181–3198, doi: 10.1007/s00170-025-16777-0.
Lößlein, S.M., Merz, R., Müller, D.W. et al. (2022), «An in-depth evaluation of sample and measurement induced influences on static contact angle measurements», Scientific Reports, Vol. 12, No. 1, рр. 1–16, doi: 10.1038/s41598-022-23341-3.
Myronyuk, O., Baklan, D., Rodin, A. et al. (2025), «Determination of 60–500 μm textures on polydimethylsiloxane surfaces wetting properties», 2025 IEEE 6th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek), рр. 1–4, doi: 10.1109/KhPIWeek61436.2025.11288681.
Список використаної літератури:
Petrini L. Biomedical applications of shape memory alloys / L.Petrini, F.Migliavacca // JOM. – 2011. – Vol. 63, № 5. – P. 58–61. DOI: 10.1155/2011/501483.
Nitinol implants / Medline Unite [Electronic resource]. – Access mode : https://medlineunite.com/products/nitinol-implants/.
Porous NiTi for bone implants: A review / A.Bansiddhi, T.D. Sargeant, S.I. Stupp, D.C. Dunand // Acta Biomaterialia. – 2008. – Vol. 4, № 4. – P. 773–782. DOI: 10.1016/j.actbio.2008.02.009.
In vitro evaluation of the biocompatibility and bioactivity of a SLM-fabricated NiTi alloy with superior tensile property / Y.Sun, Z.Zhang, Q.Liu and other // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. – 2024. – Vol. 35, № 1. DOI: 10.1007/s10856-024-06822-x.
Балицька Н.О. Фазові перетворення у сплавах NiTi при лезовій обробці / Н.О. Балицька // Технічні науки та технології. – 2025. – № 4 (42). – С. 43–54. DOI: 10.25140/2411-5363-2025-4(42)-43-54.
Калафатова Л.П. Вплив швидкості різання на знос інструменту, шорсткість та мікроструктуру обробленої поверхні при фрезеруванні сплавів NiTi: аналітичний огляд / Л.П. Калафатова // Технічна інженерія. – 2025. – № 2 (96). – С. 22–30. DOI: 10.26642/ten-2025-2(96)-22-30.
A review on the wettability of dental implant surfaces II: Biological and clinical aspects / R.A. Gittens, L.Scheideler, F.Rupp and other // Acta Biomaterialia. – 2014. – Vol. 10, № 7. – P. 2907–2918. DOI: 10.1016/j.actbio.2014.03.032.
Балицька Н.О. Мікрофрезерування, як спосіб текстурування поверхонь сплавів NiTi для модифікації змочуваності / Н.О. Балицька, П.П. Мельничук // Вісник Хмельницького національного університету. Серія : Технічні науки. – 2025. – № 347 (1). – С. 478–485. DOI: 10.31891/2307-5732-2025-347-65.
Балицька Н.О. Технологічні особливості мікрофрезерного текстурування поверхонь сплаву NiTi / Н.О. Балицька // Технічна інженерія. – 2025. – № 2 (96). – С. 3–12. DOI: 10.26642/ten-2025-2(96)-3-12.
Gould P. Smart, clean surfaces / P.Gould // Materials Today. – 2003. – Vol. 6, № 11. – P. 44–48. DOI: 10.1016/S1369-7021(03)01131-3.
Jiang L. Design and creation of superwetting/antiwetting surfaces / L.Jiang, X.Feng // Advanced Materials. – 2006. – Vol. 18, № 23. – P. 3063–3078. DOI: 10.1002/adma.200501961.
Contact angle hysteresis / H.-J.Butt, J.Liu, K.Koynov and other // Current Opinion in Colloid & Interface Science. – 2022. – Vol. 59. DOI: 10.1016/j.cocis.2022.101574.
Kalinin Y.V. Contact line pinning by microfabricated patterns: Effects of microscale topography / Y.V. Kalinin, V.Berejnov, R.E. Thorne // Langmuir. – 2009. – Vol. 25, № 9. – P. 5391–5397. DOI: 10.1021/la804095y.
Kumar P. Energy dissipation during homogeneous wetting of surfaces with randomly and periodically distributed cylindrical pillars / P.Kumar, P.Mulvaney, D.J.E. Harvie // Journal of Colloid and Interface Science. – 2024. – Vol. 659. – P. 105–118. DOI: 10.1016/j.jcis.2023.12.134.
Shabalovskaya S. Critical overview of Nitinol surfaces and their modifications for medical applications / S.Shabalovskaya, J.Anderegg, J.van Humbeeck // Acta Biomaterialia. – 2008. – Vol. 4, № 3. – P. 447–467. DOI: 10.1016/j.actbio.2008.01.013.
Surface finishing of Nitinol for implantable medical devices: A review / G.Mani, D.Porter, K.Grove and other // Journal of Biomedical Materials Research. Part B : Applied Biomaterials. – 2022. – Vol. 110, № 12. – P. 2763–2778. DOI: 10.1002/jbm.b.35112.
Exploring the potential of laser-textured metal alloys: Fine-tuning vascular cell responses through in vitro and ex vivo analysis / I.Jun, H.Choi, H.Kim and other // Bioactive Materials. – 2025. – Vol. 43. – P. 181–194. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2024.09.019.
Electropolishing and passivation of NiTi shape memory alloy / W.Simka, M.Kaczmarek, A.Baron-Wiecheć and other // Electrochimica Acta. – 2010. – Vol. 55, № 7. – P. 2437–2441. DOI: 10.1016/j.electacta.2009.11.097.
Preparation, characterization, corrosion behavior and bioactivity of Ni2O3-doped TiO2 nanotubes on NiTi alloy / R.Hang, X.Huang, L.Tian and other // Electrochim. Acta. – 2012. – Vol. 70. – Р. 382–393. DOI: 10.1016/j.electacta.2012.03.085.
Recent advancements in materials and coatings for biomedical implants / K.K.A. Mosas, A.R. Chandrasekar, A.Dasan and other // Gels. – 2022. – Vol. 8, № 5. DOI: 10.3390/gels8050323.
Evaluation of wettability and surface energy of native Nitinol surfaces in relation to hemocompatibility / S.A. Shabalovskaya, D.Siegismund, E.Heurich, M.Rettenmayr // Materials Science and Engineering C. – 2013. – Vol. 33, № 1. – P. 127–132. DOI: 10.1016/j.msec.2012.08.018.
Anisotropic wetting characteristics versus roughness on machined surfaces of hydrophilic and hydrophobic materials / Y.Liang, L.Shu, W.Natsu, F.He // Applied Surface Science. – 2015. – Vol. 331. – P. 41–49. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.12.071.
Calvimontes A. Topographical anisotropy and wetting of ground stainless steel surfaces / A.Calvimontes, M.Mauermann, C.Bellmann // Materials. – 2012. – Vol. 5, № 12. – P. 2773–2787. DOI: 10.3390/ma5122773.
Sooraj V.S. Effect of cutting tool feed rate on contact angle of water drops in non-composite wetting of CNC milled aluminum AA6061 surfaces / V.S. Sooraj // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part E : Journal of Process Mechanical Engineering. – 2021. – Vol. 235, № 2. – P. 219–229. DOI: 10.1177/0954408920951720.
Effect of surface treatment of NiTi alloy on its corrosion behavior in Hanks’ solution / O.Cissé, O.Savadogo, M.Wu, L.-H. Yahia // Journal of Biomedical Materials Research. – 2002. – Vol. 61, № 3. – P. 339–345. DOI: 10.1002/jbm.10114.
Feasibility study on ultraprecision micro-milling of the additively manufactured NiTi alloy for generating microstructure arrays / H.Du, C.Wu, D.Li and other // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – Vol. 25. – P. 55–67. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.214.
Tej P. Direction dependent dynamic wetting of semi-hemispherical end micro-groove textured Ti-6Al-4V surface / P.Tej, P.Karali // Surface and Coatings Technology. – 2018. – Vol. 356. – P. 138–149. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.09.037.
Surface free energy and bacterial attachment on microtextured Ti6Al4V alloy / A.Jain, K.Nisha, J.Sheeja, B.Vivek // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2021. – Vol. 30. – P. 3968–3975. DOI: 10.1007/s11665-021-05651-1.
Face milling performance on austenitic NiTi shape memory alloy / N.Balytska, L.Penter, A.Manokhin, S.Ihlenfeldt // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2025. – Vol. 141. – P. 3181–3198. DOI: 10.1007/s00170-025-16777-0.
An in-depth evaluation of sample and measurement induced influences on static contact angle measurements / S.M. Lößlein, R.Merz, D.W. Müller and other // Scientific Reports. – 2022. – Vol. 12, № 1. – P. 1–16. DOI: 10.1038/s41598-022-23341-3.
Determination of 60–500 μm textures on polydimethylsiloxane surfaces wetting properties / O.Myronyuk, D.Baklan, A.Rodin and other // 2025 IEEE 6th KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek). – 2025. – P. 1–4. DOI: 10.1109/KhPIWeek61436.2025.11288681.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Наталія Олександрівна Балицька
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
