低弹性模量生物医用型高熵合金的成分设计及性能研究

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基本信息

  • 批准号:
    51701008
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0106.金属低维与亚稳材料
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Stress shielding effect of metallic biomaterials due to the high elastic modulus would induce bone resorption during long term service. High entropy alloys (HEAs) exhibit excellent mechanical, physical and chemical properties owing to the characteristics of multi-principal element composition and simple solid solution structure. Good corrosion resistance and biocompatibility of TiZr-transition element HEAs are benefit for biomedical application. To further decreasing the elastic modulus of these HEAs is the key issue for promoting the HEAs as implant materials in field of biomedical application. Moreover, limited work has been done for understanding the correlation of elastic modulus, biocorrosion behaviors and biocompatibility with composition and microstructure of HEAs. In this project, biomedical HEAs with low elastic modulus, high strength, excellent biocorrosion resistance and good biocompatibility will be designed and developed via proper composition design and element addition based on Ti-Nb-Ta-Zr-Hf HEA system. The influence of the alloy composition on the phase structural stability will also be clarified. The correlation of mechanical properties, biocorrosion behavior and biocompatibility with alloy composition and microstructure, and the corresponding mechanism will also be illuminated. The proposed project, which will contribute to the enrichment of fundamentals of biomedical HEAs, extension of the applications of HEAs, is of great scientific significances.
医用金属植入材料在长期服役期间面临弹性模量过高引起应力遮挡效应导致骨吸收的问题。高熵合金多主元和简单固溶体结构的特点,表现出优异的力学、物理和化学性能。TiZr-过渡族金属高熵合金体系具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性,使其具有在生物医用材料领域的应用潜力,进一步降低其弹性模量是推进高熵合金作为植入材料在生物医用领域应用所面临的关键问题。同时,关于高熵合金的弹性模量、生物腐蚀行为和生物相容性与合金成分、微观结构的关联也缺乏系统深入研究。本项目从Ti-Nb-Ta-Zr-Hf系高熵合金出发,通过适当的成分设计或元素添加设计开发具有低弹性模量、高强度、优异耐腐蚀性能和良好生物相容性的生物医用型高熵合金,并揭示合金成分对结构稳定性的影响,阐明合金力学性能、生物腐蚀行为和生物相容性与合金成分和微观结构间的关联及机制。本项目研究将丰富生物医用型高熵合金的基础理论、拓展高熵合金的应用,具有重要的科学意义。

结项摘要

医用金属植入材料在长期服役期间面临弹性模量过高引起应力遮挡效应导致骨吸收的问题。高熵合金多主元和简单固溶体结构的特点,表现出优异的力学、物理和化学性能。TiZr-过渡族金属高熵合金体系具有良好的耐腐蚀性能和生物相容性,使其具有在生物医用材料领域的应用潜力,进一步降低其弹性模量是推进高熵合金作为植入材料在生物医用领域应用所面临的关键问题。基于[Ti, Zr, Hf]14(Nb, Ta)m固溶体结构模型,本项目设计开发出了生物医用新型TiZrHfNbTa系高熵合金,并系统研究了该系高熵合金成分与微观结构、力学性能和生物相容性的关联。.结果表明,冷轧退火后的Ti-Zr-Hf-Nb-Ta系高熵合金为单相BCC结构,其中Ti27.78Zr27.78Hf27.78Nb8.33Ta8.33(at.%)高熵合金的塑性变形量和杨氏模量分别约为9.2%和73GPa,杨氏模量明显低于商业医用金属材料,可有效地减弱 “应力遮挡效应”。TiZrHfNbTa高熵合金具有优于Ti6Al4V合金的耐磨损性能。该系高熵合金在Hank’s溶液中具有良好的耐腐蚀性能,能够自发钝化,无点蚀现象,具有较低的腐蚀电流密度和钝化电流密度(10-6-10-5Acm-2)。这归因于该合金在 Hank’s 溶液中能够形成成分为 TiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O5和Ta2O3 高保护性表面钝化膜。TiZrHfNbTa高熵合金具有良好的生物相容性。与纯Ti和纯Hf相比,表现出更好的润湿性和更高的表面自由能,更有利于蛋白质的吸附和细胞黏附。NIH3T3小鼠成纤维细胞在该合金表面具有高的存活率,能够较好地进行生长、代谢和增殖。.综上所述,TiZrHfNbTa高熵合金具有低杨氏模量、较高的强度、良好的耐腐蚀性能、耐腐蚀磨损和的生物相容性。本项目研究成果对丰富生物医用型高熵合金的基础理论和生物医用金属材料选材,具有重要的工程和科学意义。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Bio-corrosion behavior and in vitro biocompatibility of equimolar TiZrHfNbTa high-entroy alloy
等摩尔TiZrHfNbTa高熵合金的生物腐蚀行为及体外生物相容性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Intermetallics
  • 影响因子:
    4.4
  • 作者:
    杨葳;刘滢;逄淑杰;Peter K. Liaw;张涛
  • 通讯作者:
    张涛
Tribological behaviors of Ni-free Ti-based bulk metallic glass in air and a simulated physiological environment
无镍钛基大块金属玻璃在空气和模拟生理环境中的摩擦学行为
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Journal of alloys and compounds
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    刘滢;逄淑杰;杨葳;花能斌;Peter K. Liaw;张涛
  • 通讯作者:
    张涛

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其他文献

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  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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    张婷;曾庆桦;刘滢;贺桂琼;汪克建
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    汪克建
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  • 作者:
    陈云凤;刘滢
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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