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为解决 β 型 Zr 合金用于骨科植入时性能不足的问题，研究人员开展了（ZrNbTi）100–xOx中熵合金（MEAs）的研究。结果显示，添加 O 可提升其综合性能，ZNTO1.5潜力大。这为骨科植入材料开发提供了新方向。
在骨科植入材料的领域中，传统的金属植入材料，如钴 - 铬 - 钼（Co - Cr - Mo）合金、商业纯钛（CP - Ti）和 Ti - 6Al - 4V（Ti64）等，虽然在临床上有广泛应用，但存在诸多问题。β 型锆（Zr）合金因其低磁敏感性、低弹性模量（E）、良好的耐腐蚀性和生物相容性，成为潜在的金属生物材料，有望替代传统材料。然而，大多数之前研究的 β - Zr 合金屈服强度（σ
ys）、硬度和耐磨性比 Ti64 和 Co - Cr - Mo 合金低，这极大地限制了它们的应用。
同时，高熵合金（HEAs）和中熵合金（MEAs）的设计概念为材料开发拓展了新方向，众多 β 型 HEAs 和 MEAs 展现出作为骨科植入物的潜力。但这些 HEAs 存在强度 - 延展性权衡、密度高、包含高熔点和昂贵金属等问题，不利于生物医学应用和大规模生产。Zr - Nb - Ti（ZNT）MEAs 是典型的 β 型 Zr 合金，虽有一定优势，但等摩尔 ZNT MEA 的 σys仍低于 Ti64，提高其 σys且不显著增加 E 成为关键。
在此背景下，为解决上述问题，研究人员开展了关于（ZrNbTi）100–xOx（x = 0, 0.5, 1.0, 1.5；记为 ZNTO0、ZNTO0.5、ZNTO1.0和 ZNTO1.5）MEAs 的研究。该研究成果发表在《Acta Biomaterialia》上，为骨科植入材料的发展提供了新的思路和方向。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先通过电弧熔炼制备合金，用高纯度的 Zr、Nb、Ti 和 ZrO2颗粒作为原料，在氩气氛围下熔炼，多次翻转重熔并吸铸成型。之后对合金进行冷加工和退火处理，以消除缺陷和引入位错。利用多种微观结构表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）和 X 射线衍射（XRD），分析合金的微观结构和相组成。通过拉伸试验、摩擦磨损试验、电化学测试和细胞毒性评估等方法，对合金的力学性能、耐磨耐腐蚀性和生物相容性进行测试。
研究结果如下：
- 微观结构表征：所有 MEAs 样品均为单一 β 相，随着 O 含量增加，β 相衍射峰（110）向低衍射角移动，晶格常数增大。EBSD 分析表明合金完全再结晶，无析出相，且织构强度随 O 含量增加而增加，晶粒尺寸减小。TEM 观察也证实了单一 β 相的存在，未发现析出相。
- 拉伸性能：添加 O 可显著提高 ZNTOx MEAs 的 σys和 εb，ZNTO1.5的 σys约为 1100MPa，εb约为 22%。同时，强度 - 伸长率乘积（Π = σuts×εb）和弹性应变（δ = σys/E）也增加，ZNTO1.5的 Π 约为 25.3GPa?%，δ 约为 1.5%，整体力学性能优于 CP - Ti 和 Ti64。通过 TEM 分析发现，O 原子形成的有序 O 复合物（OOCs）与位错相互作用，阻碍位错运动，促进交叉滑移，提高了合金的应变硬化和塑性变形能力。
- 生物力学兼容性：ZNTOx MEAs 的 εb和 δ 超过大多数生物医学 Ti 和 Zr 合金，E 较低而 Π 较高，ZNTO1.5表现最为突出，表明其具有良好的生物力学兼容性，适合用于骨植入应用。
- 耐磨性能：随着 O 含量增加，ZNTOx MEAs 的显微硬度增加，摩擦系数和质量磨损损失减小，磨损机制从磨粒磨损逐渐转变为粘着磨损，ZNTO1.5的耐磨性能最佳，优于 Ti64。
- 耐腐蚀性能：添加 O 增强了 ZNTOx MEAs 的耐腐蚀性，ZNTO1.5的腐蚀电流密度（Icorr）最低，极化电阻（Rp）最高，形成的钝化膜由 ZrO2、Nb2O5和 TiO2氧化物组成，比 Ti64 和 Co - Cr - Mo 合金更耐腐蚀。
- 生物相容性：ZNTOx MEAs 对 MG - 63 细胞的细胞活力均超过 97%，细胞形态和密度无明显差异，表明其具有完全的生物相容性。
研究结论和讨论部分指出，（ZrNbTi）100–xOx MEAs 均为单一 β - BCC 相，无析出相，O 含量增加使晶粒尺寸减小。O 的添加显著提升了合金的力学性能，这得益于间隙 O 原子的固溶强化和 OOCs 与位错的相互作用。ZNTO1.5综合性能最佳，其高耐磨、耐腐蚀性能以及良好的生物相容性，使其在骨科植入材料领域具有巨大的应用潜力。该研究为开发高性能的骨科植入材料提供了理论依据和实践参考，有望推动骨科植入材料的进一步发展和临床应用。
