用于金屬生物材料的非等原子TiNbTaZrMo高熵合金的研究

供稿人:冀少坤、張航
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　       

高熵合金（HEA）作為一種新型結(jié)構(gòu)材料，其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能不僅適用于航天航空領(lǐng)域，在醫(yī)療領(lǐng)域也同樣具有廣闊的前景。相比CP-Ti，等原子TiNbTaZrMo高熵合金作為生物材料，具有更好的生物相容性，更好的機(jī)械強(qiáng)度以及耐腐蝕性。

TakaoHori等人通過真空電弧熔煉方法設(shè)計并開發(fā)了用于金屬生物材料（bio-HEA）的新型非等原子性TiNbTaZrMo高熵合金（HEAs）Ti2-xZr2-xNbxTaxMox（x = 0.6，1.4）和Ti2-yZrNbTaMoy（y = 0.5，0.3）。等原子TiNbTaZrMo生物HEA合金成分的變化可以實現(xiàn)變形能力的大幅度提高。值得注意的是，非等原子的富含Ti，Zr的成分刺激了生物細(xì)胞與生物HEA之間的分子相互作用，這表明非等原子的Ti-Nb-Ta-Zr-Mo生物HEA作為骨組織的高級生物材料的在工程應(yīng)用上的可能性。這是合金設(shè)計上的一個成就，包括控制合金成分以開發(fā)新型生物HEA。

圖1機(jī)械性能 (a)和(b)

圖1所示為在室溫下應(yīng)力應(yīng)變的分析結(jié)果，從圖中可以看出相比于等原子HEA，改變原子比例盡管屈服強(qiáng)度降低，但依舊大于1000MPa，而且延伸率也相較有大幅度提高。通過增加HEA中的Ti和Zr濃度或降低Mo濃度可以極，大地改變鑄錠的壓縮變形能力。

圖2 生物HEA錠的生物相容性。（a）在SUS316L，CP-Ti和Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6制成的標(biāo)本上的成骨細(xì)胞的Giemsa染色圖像，（b）在 制成的SUS316，CP-Ti，等原子TiNbTaZrMo和非等原子Ti2-xZr2-xNbxTaxMox（x = 0.6，1.4）生物HEA的標(biāo)本。

結(jié)果顯示與SUS316L相比，粘附在bio-HEA上的成骨細(xì)胞表達(dá)的原纖維粘附量相對較高。 與Ti0.6Zr0.6Nb1.4Ta1.4Mo1.4生物HEA相比，Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6生物HEA具有明顯更長的原纖維粘附結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果證明了非等原子Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6生物HEA的優(yōu)異生物相容性。

參考文獻(xiàn)：
Takao Hori, Takeshi Nagase, Mitsuharu Todai, Aira Matsugaki, Takayoshi Nakano, Development of non-equiatomic Ti-Nb-Ta-Zr-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials,Scripta Materialia,Volume 172,2019