بررسی ضریب خودنفوذی، زاویه پیوندی و نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50: مطالعه با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین
1 - دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.
الکلمات المفتاحية: شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50, شبیه‌سازی دینامیک مولکولی, اکسیژن پل‌زن و غیر پل‌زن, ساختار بی‌شکل, اندازه و زاویه پیوند.,
ملخص المقالة :
شیشه‌های زیست‌فعال به دلیل داشتن خواص زیستی بالقوه در تحریک رشد بافت سخت و بهبود روند ترمیم آن، در کاربردهای درمانی ارتوپدی بسیار ارزشمند هستند. در این پژوهش با استفاده از نرم‌افزار لمپس، شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی 50P2O5-50CaO به روش دینامیک مولکولی، شبیه‌سازی گردید و ساختار کوتاه‌برد و میان‌برد آن، توسط آزمون‌های مشخصه‌یابی بررسی شد. طبق نتایج، اندازه پیوند P-O برابر با (A)1/47 و 1/56 و برای پیوند O-O و Ca-O به ترتیب برابر با (A)2/53 و 2/29 گزارش شد و زوایای O-P-O، P-O-P و Ca-O-Ca به ترتیب برابر با 160، 110/1 و 80 و برای زاویه O-Ca-O برابر با 60 و 90 اندازه‌گیری گردید. ضرایب نفوذ در دماهای 1500، 2000 و 2500 به ترتیب برابر با (m2/s)3/33*10-16، 5*10-16 و 10-14*1/66*10 و برای اتم P برابر با (m2/s)3/33*10-16، 1/66*10-16 و 16-10*5/33 محاسبه شد. مطالعه ساختار میان‌برد شیشه زیست‌فعال، حاکی از نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن برابر با 28/47 و 71/53 درصد و میانگین عدد هم‌آرایی اتم‌های Ca و P به ترتیب در شعاع قطع (A)3/0 و 2/0 برابر با 4/25 و 3/7 بود و چگالی شیشه زیست‌فعال برابر با (g/cm3)2/13 اندازه‌گیری گردید.
1. Vaiani L, Boccaccio A, Uva AE, Palumbo G, Piccininni A, Guglielmi P, et al. Ceramic Materials for Biomedical Applications: An Overview on Properties and Fabrication Processes. Functional Biomaterials 2023;14(3):146. https://www.mdpi.com/2079-4983/14/3/146/htm.
2. Salinas AJ, Vallet-Regí M. Evolution of Ceramics with Medical Applications. Z Anorg Allg Chem. 2007;633(11–12):1762–73. https://doi.org/10.1002/zaac.200700278.
3. تقی زاده توفیقی، ویدا. ساعتچی، احمد. نصر اصفهانی، مجتبی. تهیه و مشخصه‌یابی نانو پودر شیشه–سرامیک زیست‌فعال و مطالعه زیست‌فعالی آن. فصلنامه علمی-پژوهشی مواد نوین، 1392؛ 4(11): 81-88. https://dorl.net/dor/20.1001.1.22285946.1392.4.11.7.2.
4. Upadhyay A, Pradhan L, Yenurkar D, Kumar K, Mukherjee S. Advancement in ceramic biomaterials for dental implants. Int J Appl Ceram Technol. 2024;21(4):2796–817. https://doi.org/10.1111/ijac.14772.
5. Kaou MH, Furkó M, Balázsi K, Balázsi C. Advanced Bioactive Glasses: The Newest Achievements and Breakthroughs in the Area. Nanomaterials 2023;13(16):2287. https://www.mdpi.com/2079-4991/13/16/2287/htm.
6. Jafari N, Habashi MS, Hashemi A, Shirazi R, Tanideh N, Tamadon A. Application of bioactive glasses in various dental fields. Biomater Res. 2022;26(1):31. https://spj.science.org/doi/10.1186/s40824-022-00274-6.
7. Ravindranadh K. Bioactive glasses for technological and clinical applications. Int. J. Chem. Sci. 2016;14(3):1339-1348.
8. Christie JK, Ainsworth RI, Hernandez SER, De Leeuw NH. Structures and properties of phosphate-based bioactive glasses from computer simulation: a review. Mater Chem B. 2017;5(27):5297–306. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/tb/c7tb01236e.
9. Saravanapavan P, Jones JR, Verrier S, Beilby R, Shirtliff VJ, Hench LL, et al. Binary CaO–SiO2 gel‐glasses for biomedical applications. 2004;14(1):467–86. https://doi.org/10.1177/095929892004014004013.
10. Van Hong N. Structure and Density Heterogeneities of Silica Glass: Insight from Datamining Techniques. Silicon. 2024;16(17): 6135-6142. https://link.springer.com/article/10.1007/s12633-024-03148-9.
11. Kasuga T. Unique Nature of Phosphate and Borate Bioactive Glasses. Phosphate and Borate Bioactive Glasses. 2022:1–9. https://doi.org/10.1039/9781839164750-00001.
12. Li C, Wang C, Boccaccini AR, Zheng K. Sol-gel processing and characterization of binary P2O5-CaO and ternary P2O5-CaO-Li2O mesoporous phosphate bioactive glasses. Non-Crystalline Solids: X. 2023;1(17):100159. https://doi.org/10.1016/j.nocx.2023.100159.
13. Jain S, Raghavendra G, Naik RH, Daloji L, Azeem PA. Exploring the Versatility of Phosphate-Based Bioactive Glass for Biomedical Applications. Lecture Notes in Mechanical Engineering. 2023;673–85. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-97-0918-2_54.
14. Pickup DM, Ahmed I, Guerry P, Knowles JC, Smith ME, Newport RJ. The structure of phosphate glass biomaterials from neutron diffraction and31P nuclear magnetic resonance data. Physics: Condensed Matter. 2007;19(41):415116. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/19/41/415116.
15. Abedalwafa M, Wang F, Wang L. Biodegradable poly-epsilon-caprolactone (PCL) for tissue engineering applications: A review. Rev. Adv. Mater. Sci. 2013;34(2):123-140. https://lesencres.com/wp-content/uploads/2023/02/PCL.
16. Atila A, Ouldhnini Y, Ouaskit S, Hasnaoui A. Atomistic insights into the mixed-alkali effect in phosphosilicate glasses. Physical Review B. 2022;105(13):134101. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.134101.
17. Fan G, Diao J, Jiang L, Zhang Z, Xie B. Molecular Dynamics Analysis of the Microstructure of the CaO-P2O5-SiO2 Slag System with Varying P2O5/SiO2 Ratios. Mater Trans. 2015;56(5):655–60. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2014363.
18. Martinez A, Izquierdo-Barba I, Vallet-Regi M. Bioactivity of a CaO−SiO2 Binary Glasses System. Chemistry of Materials. 2000;12(10):3080–8. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm001107o.
19. Mead RN, Mountjoy G. A Molecular Dynamics Study of the Atomic Structure of (CaO)x(SiO2)1-x Glasses. Physical Chemistry B. 2006;110(29):14273–8. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp0628939.
20. Du J, Cormack AN. Atomistic Simulations of Glasses: Fundamentals and Applications. Atomistic Computer Simulations of Inorganic glasses: Methodologies and Applications. 2019;1–530. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9781118939079.
21. Montazerian M, Zanotto ED, Mauro JC. Model-driven design of bioactive glasses: from molecular dynamics through machine learning. International Materials Reviews. 2020;65(5):297–321. https://doi.org/10.1080/09506608.2019.1694779.
22. Liu H, Zhao Z, Zhou Q, Chen R, Yang K, Wang Z, et al. Challenges and opportunities in atomistic simulations of glasses: a review. Comptes Rendus - Geoscience. 2022;354(S1):1–43. https://doi.org/10.5802/crgeos.116. 23. مشرقی، علی. بررسی اثر اندازه ذره بر پارامتر حجم به ازای اتم در نانوذرات اکسید تیتانیوم. فصلنامه علمی-پژوهشی مواد نوین، 1396؛ 8(29): 81-90. https://dorl.net/dor/20.1001.1.22285946.1396.8.29.7.6.
24. Sun H, Yang J, Zhang R, Xu L. Insight into the structure and transport properties of CaO-SiO2-P2O5 system during the phosphorus enrichment process: A molecular dynamics simulation. Non Cryst Solids. 2024;627:122818. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2023.122818.
25. Yeo T min, Jeon JM, Hyun SH, Ha HM, Cho JW. Effects of Li2O on structure of CaO-SiO2-CaF2-Na2O glasses and origin of crystallization delay. Mol Liq. 2022 Feb 1;347:117997. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117997.
26. Pedone A, Bertani M, Brugnoli L, Pallini A. Interatomic potentials for oxide glasses: Past, present, and future. Non-Crystalline Solids: X. 2022;15:100115. https://doi.org/10.1016/j.nocx.2022.100115.
27. Anh NM, Hong N Van. Structural Properties of Liquid CaO–SiO2–P2O5 System. Mathematics – Physics. 2023;39(3):8–20. https://js.vnu.edu.vn/MaP/article/view/4760.
28. Suzuki Y, Takase K, Akiyama I, Suzuya K, Umesaki N, Ohtori N. Short-Range Structure of Vitreous P2O5 by MD Simulation. Mater Trans. 2001;42(11):2242–6. https://doi.org/10.2320/matertrans.42.2242.
29. Goj P, Stoch P. Influence of CaO on structural features of polyphosphate P2O5-Fe2O3-FeO glasses by molecular dynamics simulations. Non Cryst Solids. 2020;537:120014. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2020.120014.
30. Hong N Van, Huong N Van, Lan MT. Glassy network structure of CaO-SiO2 and CaO-Al2O3-SiO2 systems. Bulletin of Materials Science. 2022;45(3):1–8.https://link.springer.com/article/10.1007/s12034-022-02715-3.
31. Fan G, Diao J, Jiang L, Zhang Z, Xie B. Molecular Dynamics Analysis of the Microstructure of the CaO-P2O5-SiO2 Slag System with Varying P2O5/SiO2 Ratios. Mater Trans. 2015;56(5):655–60. https://doi.org/10.2320/matertrans.M2014363.
32. Smith JM, King SP, Barney ER, Hanna J V., Newport RJ, Pickup DM. Structural study of Al2O3-Na2O-CaO-P2O5 bioactive glasses as a function of aluminium content. Chemical Physics. 2013;138(3). https://doi.org/10.1063/1.4774330.
33. Cormack AN, Du J. Molecular dynamics simulations of soda–lime–silicate glasses. Non Cryst Solids. 2001;293–295(1):283–9. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(01)00831-6.
34. Belashchenko DK, Ostrovskii OI. Computer simulation of noncrystalline P2O5, an ionic-covalent oxide. Inorganic Materials. 2002;38(1):48–55. https://link.springer.com/article/10.1023/A:1013603527862.
35. Du Y, Yuan Y, Li L, Long M, Duan H, Chen D. Insights into structure and properties of P2O5-based binary systems through molecular dynamics simulations. Mol Liq. 2021;339:116818. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116818.
36. Wetherall KM, Pickup DM, Newport RJ, Mountjoy G. The structure of calcium metaphosphate glass obtained from x-ray and neutron diffractionand reverse Monte Carlo modelling. Physics: Condensed Matter . 2008;21(3):035109. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0953-8984/21/3/035109.
37. Jen JS, Kalinowski MR. An ESCA study of the bridging to non-bridging oxygen ratio in sodium silicate glass and the correlations to glass density and refractive index. Non Cryst Solids. 1980;38–39(PART 1):21–6. https://doi.org/10.1016/0022-3093(80)90388-9.
38. Vollmayr K, Kob W, Binder K. Cooling-rate effects in amorphous silica: A computer-simulation study. Phys Rev B. 1996;54(22):15808. https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.54.15808.
