多功能生物医用中熵合金(TiZrNb0.7)98O2的开发：力学性能、耐腐蚀性与生物相容性的协同优化

为解决骨科植入材料存在的弹性模量过高（应力屏蔽效应）、强度-塑性不匹配及腐蚀析出毒性离子等问题，研究人员通过设计(TiZrNb0.7)98O2中熵合金（MEA），实现了1096 MPa屈服强度、25.1%断裂应变与71.4 GPa低模量的协同优化，腐蚀电流密度（0.1556 μA cm?2）较Ti6Al4V降低1.5倍，细胞存活率达98.3%，为多性能集成植入材料开发提供新范式。

　　

当前骨科金属植入材料面临一个棘手的矛盾：既要满足高强度以承受载荷，又需匹配骨骼的低弹性模量以避免应力屏蔽效应，同时还得抵抗体液腐蚀并确保生物安全性。主流材料Ti6Al4V虽占据75%市场份额，但其110 GPa的弹性模量远超皮质骨（10-30 GPa），且会释放毒性Al³⁺和V⁴⁺离子，通过TLR4/NF-κB通路引发炎症反应。β相钛合金虽能降低模量至55-65 GPa，但强度普遍不足600 MPa。这种"强度-模量-生物相容性"三重困境促使研究者寻求突破。

大连理工大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向中熵合金（MEA）这一新兴材料体系。他们设计的(TiZrNb_0.7)₉₈O₂合金通过非毒性元素（Ti、Zr、Nb）组合与氧掺杂策略，结合热轧（85%厚度缩减）和900°C退火工艺，成功制备出兼具生物相容性与优异力学性能的材料。该成果发表在《Journal of Materials Science》上，为解决植入材料的多性能协同难题提供了创新方案。

研究采用真空电弧熔炼制备合金铸锭，通过X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）分析相组成与晶粒取向，利用电化学工作站测试在PBS模拟体液中的腐蚀行为，并采用MC3T3-E1前成骨细胞进行体外生物相容性评估。

微观结构表征
XRD证实所有加工状态的合金均保持单一体心立方（BCC）结构，热轧退火（HRA）样品呈现平均尺寸12.3 μm的等轴晶。EBSD显示(200)晶面择优取向，这种织构化是低模量（71.4 GPa）的关键因素，较Ti6Al4V降低35.3%。

强化机制
理论计算揭示其1096 MPa高屈服强度源于四重协同效应：固溶强化（Δ(σ_0.2)_mix=412 MPa）、晶界强化（Δ(σ_0.2)_GB=298 MPa）、位错强化（Δ(σ_0.2)_ρ=227 MPa）和间隙氧强化（Δ(σ_0.2)_O=159 MPa）。这种多尺度强化使合金在保持25.1%延展性的同时，强度超越Ti6Al4V达27.5%。

腐蚀与生物性能
动电位极化测试显示，合金在37°C PBS中的腐蚀电流密度仅0.1556 μA cm^?2，较Ti6Al4V（0.2326 μA cm^?2）降低33.1%。X射线光电子能谱（XPS）证实表面形成富含TiO₂-ZrO₂的钝化膜。细胞实验显示7天后存活率高达98.3%，优于Ti6Al4V对照组（94.1%），且ALP活性提高21.8%，表明其兼具生物安全性与促成骨潜力。

该研究开创性地证明，通过精准调控中熵合金的价电子浓度（VEC）和间隙原子掺杂，可打破传统生物材料的性能桎梏。(TiZrNb_0.7)₉₈O₂ MEA不仅满足ISO 5832-2对承重植入物的力学要求（σ_y>800 MPa，ε_f>15%），其71.4 GPa的模量更接近天然骨，能有效规避应力屏蔽风险。更值得注意的是，该材料在模拟体液环境中的稳定钝化行为与卓越细胞响应，为开发新一代"仿生智能"植入物奠定了材料基础。这项研究从原子尺度设计到宏观性能验证的全链条创新，标志着生物医用合金开发进入多性能协同优化的新阶段。