用于金属生物材料的非等原子TiNbTaZrMo高熵合金的研究

供稿人:冀少坤、张航
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　       

高熵合金（HEA）作为一种新型结构材料，其优异的结构性能不仅适用于航天航空领域，在医疗领域也同样具有广阔的前景。相比CP-Ti，等原子TiNbTaZrMo高熵合金作为生物材料，具有更好的生物相容性，更好的机械强度以及耐腐蚀性。

TakaoHori等人通过真空电弧熔炼方法设计并开发了用于金属生物材料（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合金成分的变化可以实现变形能力的大幅度提高。值得注意的是，非等原子的富含Ti，Zr的成分刺激了生物细胞与生物HEA之间的分子相互作用，这表明非等原子的Ti-Nb-Ta-Zr-Mo生物HEA作为骨组织的高级生物材料的在工程应用上的可能性。这是合金设计上的一个成就，包括控制合金成分以开发新型生物HEA。

图1机械性能 (a)和(b)

图1所示为在室温下应力应变的分析结果，从图中可以看出相比于等原子HEA，改变原子比例尽管屈服强度降低，但依旧大于1000MPa，而且延伸率也相较有大幅度提高。通过增加HEA中的Ti和Zr浓度或降低Mo浓度可以极，大地改变铸锭的压缩变形能力。

图2 生物HEA锭的生物相容性。（a）在SUS316L，CP-Ti和Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6制成的标本上的成骨细胞的Giemsa染色图像，（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的标本。

结果显示与SUS316L相比，粘附在bio-HEA上的成骨细胞表达的原纤维粘附量相对较高。 与Ti0.6Zr0.6Nb1.4Ta1.4Mo1.4生物HEA相比，Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6生物HEA具有明显更长的原纤维粘附结构。这些结果证明了非等原子Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6生物HEA的优异生物相容性。

参考文献：
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