由于人口老龄化和骨相关疾病发病率的上升，对高性能骨科植入物的需求正在稳步增加 [1]。这一趋势凸显了开发具有优异生物相容性和合适弹性模量的金属生物材料的必要性。自 Yeh 等人的开创性工作 [2] 以来，多主元合金（MPEAs），包括中熵合金（MEAs）和高熵合金（HEAs），引起了广泛关注。它们的多组元设计能够产生协同的元素相互作用，通常被描述为"鸡尾酒效应"，并伴随显著的晶格畸变，从而为实现优异的机械强度、耐磨性、耐蚀性和生物相容性的有利组合提供了机会。研究表明，调整多主元合金的元素组成可以有效降低其弹性模量，从而减轻应力屏蔽效应并促进骨再生 [[3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。理想的骨植入材料应具有与自然骨类似的低弹性模量。然而，Ti6Al4V 等传统金属植入材料的弹性模量高于人体骨。这种弹性模量的不匹配会导致众所周知的"应力屏蔽"效应 [7,10,11]。人体皮质骨的弹性模量通常约为 10-40 GPa，尽管测量值会随解剖位置、加载方向和测试方法而有所变化 [11]。相比之下，纯钛和 Ti-6Al-4V 的弹性模量分别约为 104 和 110 GPa [12]。因此，尽管约 60 GPa 的弹性模量并不能与皮质骨完全匹配，但与传统的钛基植入材料相比，它显著降低了刚度不匹配，从而可能减轻应力屏蔽效应 [9,12]。此外，对于承重建模应用，弹性模量不应被独立考虑，因为植入物刚度过度的降低可能损害承重稳定性。因此，长期植入需要降低的弹性模量与足够的机械强度之间的适当平衡 [9]。
多主元合金的出现为克服传统合金体系的弹性模量局限提供了有效途径，从而实现低模量金属生物医学植入材料的设计。当前生物医用高熵和中熵合金的研究主要集中在 TiZrNbTaMo-、TiZrHfTaMo- 及相关难熔多主元体系上 [[13], [14], [15], [16]]。虽然 Mo 作为有效的 β 相稳定元素，可以增强强度和耐磨性，但其弹性模量仍高于 60 GPa [17]。采用 Sn 替代 Mo 被认为是优化材料性能和临床应用性的合理策略 [18,19]。Sherif 等人 [20] 证明，Sn 是一种生物相容且经济实惠的元素，起到弱 β 稳定化的作用。弱 β 稳定化元素可以微调电子结构，降低平均弹性模量并改善合金延性，从而增强与人体骨的力学相容性 [[21], [22], [23], [24], [25]]。TiZrNbTaSn 合金体系的设计使用了 Ti、Zr、Nb、Ta 和 Sn，这些元素在生物医用钛基材料中通常作为低毒性合金化元素使用。相关的 Ti-Nb-Zr、Ti-Nb-Zr-Ta 和 Ti-Nb-Zr-Ta-Sn 合金已被报道具有有利的细胞相容性，为本合金体系的进一步生物医学研究提供了文献基础 [[26], [27], [28]]。先前的研究已经证明，Zr 含量的变化或 Ti/Nb/Zr 比值的改变可以影响含 Zr 钛基生物医用合金的相组成、弹性模量、电化学行为和细胞相容性 [29,30]。在微观结构水平上，可控制的 Zr 添加诱导晶格畸变和 β 相稳定性，改善了微观结构的均匀性 [31]。在力学方面，适当的 Zr 含量促进固溶强化，实现了硬度、屈服强度和延性之间的平衡 [32,33]。关于耐蚀性，增加 Zr 含量有利于保护性氧化膜的形成，增强钝化行为 [34]。MEAs 的非等原子比对它们的模量和力学性能有显著影响 [14,15,35,36]。Hua 等人 [37] 证明，成分调节显著影响生物医用 Ti-Zr-Nb-Ta-Mo 合金的干摩擦和腐蚀磨损抵抗性，突出了合金组成在限制植入服务期间材料损失和磨损碎屑相关风险方面的重要性。Du 等人 [38] 揭示，组成含量对模拟生理环境中腐蚀电流密度和有害离子释放具有显著的抑制作用。因此，非等原子比 MEAs 可以同时实现优异的生物相容性、耐蚀性和耐磨性。低模量 β-Ti 合金，特别是 Ti-Nb-Zr-Ta 合金，已被广泛研究用于骨科应用。例如，开发了氮化物强化的 TNZT 复合材料，以改善固定 Ti-35Nb-7Zr-5Ta 基体的硬度和摩擦学性能，同时保持以 BCC β 结构为主。最近，通过球磨和放电等离子烧结制备了 hBN 强化的 TNZT 复合材料，最优复合材料的弹性模量为 84.6 GPa，屈服强度为 1080 MPa [39,40]。这些研究主要侧重于通过陶瓷增强、沉淀强化和晶粒细化来改善现有的 TNZT 基体。其他近期研究进一步表明，成分设计、相变和微观结构细化可以有效调节钛基中熵和高熵合金的相组成和力学性能 [[41], [42], [43]]。然而，系统性的非等原子比成分调节对含 Sn 的 TiZrNbTaSn 合金相组成、弹性模量、强度、磨损行为和耐蚀性的影响仍了解不足。
本研究旨在进一步理解成分变化对非等原子比 TiZrNbTaSn 合金相组成和性能的影响。通过真空电弧熔炼（VAM）制备了四种设计的非等原子比 TiZrNbTaSn MEAs。使用力学、摩擦学和电化学测试方法结合微观结构表征，分析了合金的微观结构、力学性能、耐磨性和耐蚀性。此外，阐明了合金化元素对模量和力学性能、价电子浓度和混合熵的影响。本研究的目的是确定四种设计的 TiZrNbTaSn MEAs 中提供最佳综合平衡的成分，包括相组成、纳米压痕归约模量、压缩强度、耐磨性和极化行为，从而为生物医用合金设计提供实验依据。
