人体骨关节界面磨损极易诱发骨关节病变,据世界卫生组织统计,全球约有4亿人患有骨关节疾病,因此,骨关节病变被认为是世界头号致残行疾病。考虑到病损关节无法自然修复,表面骨损伤难以有效愈合,对于功能性丧骨关节而言,人工关节作为关节植入性假体,是替代损伤关节及其组织的唯一有效手段。与此同时,现有基于生物惰性类陶瓷、超高分子量聚乙烯和金属复合材料的人工关节,由于难以构建出与人体关节中骨质、面、腔、囊完全一致的有序功能结,仍然存在亚微米级磨粒磨损失效、界面磨损、病原菌感染等问题,严重制约人工关节材料的长效服役,阻滞了关节寿命与可靠性的提升。此外,骨结构的多孔梯度特性、一级生物体的特征结构和异质材料使得天然生物组织表现出优异的减阻、耐磨、止裂与强韧特性,可为人工关节的多元耦合设计提供仿生模本依据。因此,通过获取关节材料使役性能弱化规律和失效机理,开展仿生人工关节的耐磨功能构建,是提升人工关节材料服役性能的重要途径和必要手段。据此,人工关节材料的耐磨性等服役性能亟待改进,且关节材料微观力学行为、损伤机理与显微结构演化之间的相关性亟待揭示。本文从实现耐磨、增韧、减阻等性能的原理与方法出发,将多孔梯度材料“增韧”与异质材料“耐磨”进行功能耦联,开展了高熵合金涂层人工关节结构与材料耦合仿生设计与制备,通过构建接近关节材料服役的基体微环境,对仿生人工关节的涂层和多孔基体进行了结构优化,实现了仿生人工关节材料耐磨性的有效提升,为新型人工关节的研制提供理论基础。论文主要内容如下:（1）系统论述了人工关节结构、材料和测试技术方面的研究进展与现存问题。基于耦合仿生设计理念,以骨骼多孔梯度结构为仿生模本,设计了两种仿生人工关节结构,分别为高连通梯度仿生人工骨拓扑结构和基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构。两种结构有利于骨干细胞分化和骨组织长入,并有助于实现界面强化并改善结构梯度力学性能。在此基础上,通过增材制造技术制备了上述两种结构的钛合金试样,通过应力消除,试样的压缩断裂极限相较原始状态提高了三倍。采用数字散斑应变分析方法获取了两类压缩试样的应变分布特征,并对其断口形貌进行了表征分析。试验表明:高连通梯度仿生人工骨结构能的承载性能优于泰森多边形仿生人工骨结构。（2）为改善试样的表面性能,制备了一种基于用于仿生结构表面改性的高熵合金硬质涂层。通过热力学计算等方法,优化了高熵合金主元素种类及原子百分比。进而通过磁控溅射法制备了膜厚可控的Fe22Co22Ti22Ni22Al12涂层。在此基础上,通过纳米压痕试验获取了高熵合金涂层的力学性能,结合其微观结构的表征分析,揭示了高熵合金由靶材溅射到涂层形成过程中的非晶化转变趋势,其晶粒细化率为83.3%。在反复施加压痕载荷后,高熵合金硬质涂层产生了局部晶化。与此同时,为验证高熵合金涂层的抗菌性能,将常见的关节致病菌金黄色葡萄球菌与高熵合金涂层一并培养,验证了涂层材料对关节致病菌的抑菌性能。（3）针对多孔梯度结构,采用混入造孔剂加压烧结的方法制备了不同孔径尺寸的多孔钛合金基体。构建了关节实际服役工况的机体环境,分别开展了基于体温猪血浆透析液环境和干摩擦条件下的摩擦试验。摩擦副材料分别为关节臼杯材料二氧化锆与多孔钛合金基高熵合金涂层材料。在干摩擦条件下,造孔剂直径为10μm的试样对比致密试样,其摩擦系数降低了37%;血浆摩擦条件下,造孔剂直径为30μm的试样对比致密的钛合金试样,其摩擦系数降低35.7%。进一步,通过有限元模拟,阐释了多孔结构的高承载性及其对减摩性能提升的机理。（4）开展了多孔钛合金基高熵合金涂层材料综合力学性能测试与分析。分析了不同孔隙特征的多孔钛合金基体的压痕响应特性和变形特征。针对制备过程中表明孔隙缺陷处的残余变形,提出了一种基于二次压痕的表面缺陷的残余应力可控释放方法。在此基础上,通过落差法获取了试样的渗透率,研究了高熵合金涂层溅射时间、涂层质量对仿生人工关节材料压痕力响应、渐进式划痕响应特性的影响,获取了最优涂层质量和最小磨损体积对应的膜厚（1.9μm）及造孔剂直径（10μm）。研究结果表明,本文设计的仿生人工关节材料具备优异的承载、减磨耐磨、抑菌和渗透率特性。研究工作有望为提高人工关节的使用寿命和可靠性提供设计支撑,亦可为新型人工关节材料的研制与应用提供基础数据。