银掺杂难熔金属高熵氮化物涂层：提升人工颞下颌关节植入体的抗菌与机械性能协同优化

【编辑推荐】针对人工颞下颌关节（TMJ）植入体面临的摩擦腐蚀、细菌感染和机械性能下降等挑战，研究人员通过高熵工程策略成功开发出含银（5.7 at.%）的(TiZrNbHfTaAg)N单相固溶涂层。该涂层兼具卓越抗菌率（90.9%）、高硬度（26.06±1.01 GPa）和低腐蚀电流密度（1.2×10?7 A/cm2），突破了传统Ag掺杂涂层中抗菌与机械/耐蚀性能难以协同提升的瓶颈，为骨科植入体表面防护提供了创新解决方案。

　　

颞下颌关节（TMJ）作为人体最复杂的关节之一，其功能障碍影响着全球约12%的人群，表现为咀嚼疼痛、张口受限等症状。人工TMJ置换术虽能有效缓解症状，但植入体在长期服役中面临三重威胁：咀嚼运动产生的金属碎屑引发炎症、体液环境导致的电化学腐蚀，以及细菌定植形成的生物膜感染。传统Ti-6Al-4V合金虽具有与骨相近的弹性模量，却缺乏抗菌和耐磨特性。更棘手的是，现有通过在氮化物涂层中添加银（Ag）提升抗菌性能的方法，往往因Ag团聚现象导致机械性能骤降和电偶腐蚀加剧——这一矛盾成为制约植入体寿命的关键瓶颈。

吉林大学的研究团队独辟蹊径，将高熵工程理念引入TMJ植入体涂层设计，通过精确调控Ag含量（5.7 at.%），成功制备出单相固溶结构的(TiZrNbHfTaAg)N涂层。该成果发表于《Surface and Coatings Technology》，首次实现了抗菌性能与机械/耐蚀性能的协同提升。研究采用磁控共溅射技术在Si(100)和Ti-6Al-4V基底上沉积涂层，通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）确认微观结构，并系统测试了硬度、磨损率、电化学腐蚀和抗菌率等性能指标。

【结构、成分和微观形貌】
EBSD和TEM分析揭示，当Ag含量为5.7 at.%时（样品S2），Ag原子完全固溶于(TiZrNbHfTa)N晶格形成单相立方结构，而12.2 at.% Ag样品（S3）则出现Ag纳米颗粒团聚。XPS证实S2表面自发形成Ag₂O氧化层，这是其抗菌性能提升的关键。

【抗菌性能】
对比Ag游离的S1涂层，S2对金黄色葡萄球菌的抗菌率从0%跃升至90.9%，远超含团聚Ag的S3涂层（76.5%）。这归因于单相结构中Ag⁺的持续释放，以及Ag₂O与细菌硫醇基团的相互作用。

【机械与摩擦学性能】
纳米压痕测试显示S2硬度达26.06±1.01 GPa，比S1（23.12 GPa）提升12.7%，归功于高熵固溶强化效应。摩擦实验中，S2磨损率（1.83×10^?6 mm³/Nm）较医用级Ti-6Al-4V降低两个数量级。

【腐蚀行为】
电化学测试表明，S2腐蚀电流密度（1.2×10^?7 A/cm²）比S3低一个数量级，证实高熵工程有效抑制了Ag与氮化物的电偶腐蚀。

这项研究通过高熵工程巧妙解决了Ag掺杂涂层的"性能跷跷板"难题：单相固溶结构既避免了Ag团聚导致的力学性能劣化，又通过表面氧化和离子缓释实现长效抗菌。其创新性体现在三方面：首次在TMJ植入体涂层中实现Ag固溶度突破；建立"成分-结构-性能"的精确调控规律；为多功能生物医用涂层设计提供新范式。未来，该技术可拓展至髋关节、牙科种植体等领域，推动植入器械表面防护技术的升级换代。