Development of new high-entropy alloys for metallic biomaterials and the relationship between microstructure and biocompatibility

• Project Area: High Entropy Alloys - Science of New Class of Materials Based on Elemental Multiplicity and Heterogeneity
• Project/Area Number: 19H05172
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 永瀬 丈嗣 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 准教授 (50362661)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2019: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: 生体材料 / ハイエントロピー合金 / 熱力学計算 / 凝固 / 鋳造 / 生体合金 / 生体適合性 / 合金設計 / 凝固組織 / 状態図 / 金属

Outline of Research at the Start

生体用ハイエントロピー合金の合金設計・組織制御を行い、組成・組織制御された生体ハイエントロピー合金を用いて細胞との相互作用を評価することで、単純な構成元素の線形加算則では説明できず多様な構成原子間の非線形相互作用（すなわちカクテル効果）に起因すると考えられる生体適合性の起源を解明し、新たな生体ハイエントロピー合金の開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

ハイエントロピー合金（High Entropy Alloy, 以下HEA）は、構成元素の多様性を特徴とし、これまで金属材料では注目されていなかった「エントロピー制御」の概念のもと設計・開発が進む、新たなカテゴリーに属する金属材料である。HEAは、機械的性質・機能的性質の点からみても従来材料とは異なる特徴を示すことが明らかとなりつつあり、持続可能な開発目標（Sustainable Development Goals, SDGs）に寄与する新金属材料であることが明らかとなりつつある。本研究では、申請者らの研究グループが世界に先駆けて開発に成功した生体用金属材料としてのHEA（High Entropy Alloys for metallic biomaterials, BioHEA）に注目し、単なる金属材料学的な機械的性質評価や耐腐食性などの化学的性質のみならず、合金設計材料の細胞試験による生体適合性を評価し、生体適合性の材料組織学的観点からの支配因子を明らかにすることを目的とした。
本研究により、BioHEAにおける凝固偏析に伴い形成されるデンドライト組織と構成元素の分配が、生体適合性・細胞特性に影響を与える可能性が示唆された。偏析現象の予測には、熱力学計算による分配係数の評価が重要であることを明らかとした。偏析を抑制するために、三次元積層造形（Additive Manufacturing, AM）といった極めて速い冷却速度をもつ凝固プロセスが重要であることを示唆した。さらに本研究により得られた偏析予測・偏析制御技術は、BioHEAのみならず、様々なハイエントロピー合金・金属ガラスでも有効であることを確認し、この知見をBioHEAにフィードバックすることでBioHEAの偏析予測精度の向上を行った。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Design and development of Ti-Zr-Hf-Nb-Ta-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials (2021)
  • Author(s): Iijima Yuuka、Nagase Takeshi、Matsugaki Aira、Wang Pan、Ameyama Kei、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 202 Pages: 109548-109548
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2021.109548
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Solid State Amorphization and Alloy Parameters for High Entropy Alloys (2021)
  • Author(s): Nagase Takeshi
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: 1016 Pages: 990-996
  • DOI: 10.4028/www.scientific.net/msf.1016.990
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Fe–P–C–Cu Immiscible Amorphous Alloys with Liquid Phase Separation (2020)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Terai Tomoyuki、Matsumuro Mitsuaki、Takemura Mamoru
  • Journal Title: ISIJ International Volume: 60 Issue: 11 Pages: 2615-2624
  • DOI: 10.2355/isijinternational.ISIJINT-2020-211
  • NAID: 130007940338
  • ISSN: 0915-1559, 1347-5460
  • Year and Date: 2020-11-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alloy Design and Fabrication of Ingots of Al–Mg–Li–Ca Light-Weight Medium Entropy Alloys (2020)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Terayama Akira、Nagaoka Takashi、Fuyama Nobuyuki、Sakamoto Tatsuaki
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 61 Issue: 7 Pages: 1369-1380
  • DOI: 10.2320/matertrans.F-M2020825
  • NAID: 130007864020
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2020-07-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and Perspectives of High Entropy alloys composed by light metal elements and that for metallic biomaterials with BCC (2020)
  • Author(s): 當代 光陽、永瀬 丈嗣、中野 貴由
  • Journal Title: Journal of Japan Institute of Light Metals Volume: 70 Issue: 1 Pages: 14-23
  • DOI: 10.2464/jilm.70.14
  • NAID: 130007837642
  • ISSN: 0451-5994, 1880-8018
  • Year and Date: 2020-01-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alloy Design, Thermodynamics, and Electron Microscopy of Ternary Ti-Ag-Nb Alloy with Liquid Phase Separation (2020)
  • Author(s): Nagase Takeshi
  • Journal Title: Materials Volume: 13 Issue: 22 Pages: 5268-5268
  • DOI: 10.3390/ma13225268
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fabrication of Casting Products in Cu–Zn–Mn–Ni Medium Entropy Brasses (2020)
  • Author(s): 永瀬 丈嗣、柴田 顕弘、松室 光昭、武村 守、千星 聡
  • Journal Title: Journal of Japan Institute of Copper Volume: 59 Issue: 1 Pages: 24-31
  • DOI: 10.34562/jic.59.1_24
  • NAID: 130007940892
  • ISSN: 1347-7234, 2435-872X
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Liquid Phase Separation in Ag-Co-Cr-Fe-Mn-Ni, Co Cr-Cu-Fe-Mn-Ni and Co-Cr-Cu-Fe-Mn-Ni-B High Entropy Alloys for Biomedical Application (2020)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Crystals Volume: 10 Issue: 6 Pages: 527-527
  • DOI: 10.3390/cryst10060527
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Ti-Zr-Hf-Y-La high-entropy alloys with dual hexagonal-close-packed structure (2020)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 186 Pages: 242-246
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2020.05.033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 純チタンに匹敵する生体適合性を有する生体用bcc型ハイエントロピー合金の設計と開発 (2020)
  • Author(s): 當代光陽, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Journal Title: チタン Volume: 68 Pages: 59-63
  • NAID: 40022154757
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Alloy Design and Fabrication of Ingots of Al-Mg-Li-Ca Light-Weight Medium Entropy Alloys (2019)
  • Author(s): 永瀬 丈嗣、寺山 朗、長岡 孝、府山 伸行、阪本 辰顕
  • Journal Title: Journal of Japan Foundry Engineering Society Volume: 91 Issue: 10 Pages: 717-729
  • DOI: 10.11279/jfes.91.717
  • NAID: 130007740198
  • ISSN: 1342-0429, 2185-5374
  • Year and Date: 2019-10-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of Fe-Co-Cr-Mn-Ni-C high entropy cast iron (HE cast iron) available for casting in air atmosphere (2019)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Kakeshita Tomoyuki、Matsumura Kotaro、Nakazawa Koichiro、Furuya Satoshi、Ozoe Nobuaki、Yoshino Katsumi
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 184 Pages: 108172-108172
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108172
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of non-equiatomic Ti-Nb-Ta-Zr-Mo high-entropy alloys for metallic biomaterials (2019)
  • Author(s): Hori Takao、Nagase Takeshi、Todai Mitsuharu、Matsugaki Aira、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Scripta Materialia Volume: 172 Pages: 83-87
  • DOI: 10.1016/j.scriptamat.2019.07.011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alloy design and fabrication of ingots in Cu-Zn-Mn-Ni-Sn high-entropy and Cu-Zn-Mn-Ni medium-entropy brasses (2019)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Shibata Akihiro、Matsumuro Mitsuaki、Takemura Mamoru、Semboshi Satoshi
  • Journal Title: Materials & Design Volume: 181 Pages: 107900-107900
  • DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107900
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Solidification Microstructures of the Ingots Obtained by Arc Melting and Cold Crucible Levitation Melting in TiNbTaZr Medium-Entropy Alloy and TiNbTaZrX (X = V, Mo, W) High-Entropy Alloys (2019)
  • Author(s): Nagase Takeshi、Mizuuchi Kiyoshi、Nakano Takayoshi
  • Journal Title: Entropy Volume: 21 Issue: 5 Pages: 483-483
  • DOI: 10.3390/e21050483
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 球状黒鉛鋳鉄と球状黒鉛ハイエントロピー合金 (2019)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Journal Title: 金属 Volume: 89 Pages: 899-910
  • NAID: 40022031012
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ハイエントロピースチールとハイエントロピー鋳鉄 (2020)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 日本鉄鋼協会・日本金属学会関西支部鉄鋼プロセス研究会・材料化学研究会
  • Invited
• [Presentation] bcc型TiNbTaZRMo BioHEAの力学特性向上に向けた合金設計 (2020)
  • Author(s): 當代光陽, 川堀龍, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] bcc型TiNbTaZrMo系ハイエントロピー合金へのB添加の影響 (2020)
  • Author(s): 川堀龍, 當代光陽, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] レーザ積層造形法による生体用ハイエントロピー合金（BioHEA）の創製 (2020)
  • Author(s): 小笹良輔, 中野加菜, 石本卓也, 松垣あいら, 永瀬丈嗣, 當代光陽, 中野貴由
  • Organizer: 日本バイオマテリアル学会関西ブロック
• [Presentation] ハイエントロピー合金の凝固組織の特徴と特異性 (2020)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 日本鋳造工学会関西支部
• [Presentation] 銅（Cu）とハイエントロピー合金 (2020)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 日本銅学会
• [Presentation] 冷間圧延されたCu-Zn-Mn-Niミディアムエントロピー黄銅板の機械的性質 (2020)
  • Author(s): 鞭目龍之介, 李相民, 永瀬丈嗣, 松本良, 宇都宮裕
  • Organizer: 日本銅学会
• [Presentation] レーザ積層造形法によるBioHEAの作製と特異組織形成 (2020)
  • Author(s): 中野加菜, 小笹良輔, 石本卓也, 松垣あいら, 永瀬丈嗣, 當代光陽, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] レーザ積層造形法による生体用ハイエントロピー合金の造形 (2020)
  • Author(s): 西川侑希, 石本卓也, 松垣あいら, 小笹良輔, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会
• [Presentation] Ti-Zr-Hf-Co-Cr-Mo生体ハイエントロピー合金の組織と特性 (2019)
  • Author(s): 飯島佑香, 永瀬丈嗣, 松垣あいら, 飴山惠, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会2019年秋期講演大会
• [Presentation] 生体用bcc型ハイエントロピー合金におけるヤング率 (2019)
  • Author(s): 川堀龍, 當代光陽, 永瀬丈嗣, 中野貴由
  • Organizer: 日本金属学会2019年秋期講演大会
• [Presentation] ハイエントロピー黄銅の材料設計とその特性 (2019)
  • Author(s): 永瀬丈嗣, 柴田顕弘, 松室光昭, 武村守, 千星聡
  • Organizer: 日本銅学会第59回講演大会
• [Presentation] Materials project を利用したアモルファス合金・ハイエントロピー合金の設計 (2019)
  • Author(s): 永瀬丈嗣
  • Organizer: 日本材料学会 第5回材料WEEK