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用于金屬生物材料的非等原子TiNbTaZrMo高熵合金的研究

科研前沿
2020
04/20
11:50
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供稿人:冀少坤、張航
供稿單位:機械制造系統工程國家重點實驗室        

高熵合金(HEA)作為一種新型結構材料,其優(yōu)異的結構性能不僅適用于航天航空領域,在醫(yī)療領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,更好的機械強度以及耐腐蝕性。

TakaoHori等人通過真空電弧熔煉方法設計并開發(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用上的可能性。這是合金設計上的一個成就,包括控制合金成分以開發(fā)新型生物HEA。


圖1機械性能 (a)和(b)
圖1所示為在室溫下應力應變的分析結果,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制成的標本上的成骨細胞的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的標本。
結果顯示與SUS316L相比,粘附在bio-HEA上的成骨細胞表達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構。這些結果證明了非等原子Ti1.4Zr1.4Nb0.6Ta0.6Mo0.6生物HEA的優(yōu)異生物相容性。

參考文獻:
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


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