利用納米技術(shù)和復合材料在鈦合金表面制備一層保護膜，能夠?qū)崿F(xiàn)對鈦合金基底的有效保護，從而得到所需的高性能材料。高熵合金薄膜因其特有的四大核心效應(yīng)，表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)如今大多數(shù)的高熵合金薄膜都在有意設(shè)計用來改善其微觀結(jié)構(gòu)、機械性能以及摩擦學性能，但它們的耐腐蝕性和生物相容性機制尚未得到深入研究。

為了進一步強化高熵合金薄膜，煙臺大學任萍等人采用磁控濺射法在ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜中構(gòu)建了BCC+富銅相的雙相沉積，顯著提高了薄膜的耐腐蝕性和生物相容性。研究結(jié)果表明，ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜具備優(yōu)異的耐腐蝕性能。在一定的濺射條件下，薄膜表現(xiàn)出了高達95％的細胞活性以及接近99％的抗菌率。這種優(yōu)異的耐腐蝕性能主要歸因于薄膜表面鈍化膜的形成，尤以雙金屬氧化物CuCrO₂為主。同時由于富銅相的沉積，ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜表現(xiàn)出了優(yōu)異的生物性能。本研究通過一系列實驗，建立了ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，并系統(tǒng)地評估了薄膜的耐腐蝕性、生物相容性和抗菌性能。相關(guān)研究以題為“A significant improvement in corrosion resistance and biocompatibility in ZrNbTiCrCu high-entropy films induced by the precipitation of Cu”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

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https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.10.016

生物醫(yī)學材料的研究主要集中在開發(fā)優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕的生物合金上。理想情況下，生物植入物應(yīng)具有優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕性能，且沒有細胞毒性。為了尋求更好的金屬生物材料，應(yīng)從以下兩個方面做出努力：(i) 獲得具有足夠機械和強度性能、防腐蝕、抗疲勞和無毒性的合金；(ii) 將生物活性薄膜濺射到合金表面。此種情況下，高熵合金薄膜成為“不二人選”，其因特有的四大核心效應(yīng)集多種性能為一體，為高熵合金薄膜在生物工程應(yīng)用中提供了新的思路。

作者通過調(diào)節(jié)不同的濺射參數(shù)，在適當?shù)碾娏飨芦@得了具有BCC和富Cu相結(jié)構(gòu)的ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜，顯著提高了材料的耐腐蝕以及生物性能。由于Cu元素的引入，薄膜在模擬體液中的腐蝕電流密度達到4.0×10^-7 A·cm^-2，鈍化膜內(nèi)產(chǎn)生了一種新的CuCrO₂雙金屬氧化物，大大提高了其耐腐蝕性。同時，使用L-929細胞研究了ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的細胞粘附和增殖行為，并討論了薄膜的抗菌性及其機制。

圖1、(a) ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的平衡相分數(shù)；(b)不同濺射電流下得到的薄膜的XRD圖；在0.4A(c)、0.6A(d)和1.2A(e)的濺射電流下沉積的ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的表面SEM圖像。

圖2、ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的TEM和SAED圖像：(a，b)S1；(c、d)S2；(e、f)S3。

圖3、腐蝕后ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的SEM圖和EDS圖：（a1-c1）S1；（a2–c2）S2；（a3–c3）S3。

圖4、ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜表面：(a) L-929細胞生長狀態(tài)、(b) 細胞核熒光圖像以及(c)細胞核數(shù)量和細胞存活率。

綜上，作者初步探討了ZrNbTiCrCu高熵合金薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、耐腐蝕性、生物相容性和抗菌性能，證明了該薄膜在生物醫(yī)學應(yīng)用中的潛力。