بررسی ضریب خودنفوذی، زاویه پیوندی و نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50: مطالعه با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین
1 - دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران.
کلید واژه: شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50, شبیه‌سازی دینامیک مولکولی, اکسیژن پل‌زن و غیر پل‌زن, ساختار بی‌شکل, اندازه و زاویه پیوند.,
چکیده مقاله :
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.
Bioactive glasses are highly valuable in orthopedic therapeutic applications due to their inherent bioactive properties, ability to stimulate tissue regeneration, and enhancement of the healing process. In this study 50P2O5-50CaO calcium phosphate bioactive glass was synthesized by melt-quenching method, and molecular dynamic simulation was used to evaluate properties. The structural and mechanical properties were analyzed using computational techniques (LAMMPS). The results showed that the P-O bond lengths were 1.47A, and. 1.65A, the O-O bond length was 2.53A, and the Ca-O was 2.39A. The O-P-O, P-O-P, and Ca-O-Ca bond angles. were measured at 160, 110.1, and 80, respectively, and the O-Ca-O was measured at 60, and 90. The calcium(Ca) diffusion coefficient in 1500K, 2000K, and 2500K was 3.33*10-16m2/s, 5*10-16m2/s, and 1/.66*10-16m2/s, and for phosphorus(P) was 3.33*10-16m2/s, 1.66*10-14m2/s, and 5*10-16m2/s, respectively. The study of the mid-range structure of bioactive glass indicated that the ratio of bridging and non-bridging oxygens were 28.47% and 71.53%, and the average number of arrangement for Ca and P atoms at cut-off radius of 3.0A and 2.0A, were 4.25, and 3.7, and the density was measured as 2.13g/cm3.
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.
|
Research Paper
Investigation of Self-Diffusion Coefficient, Bond Angle, and the Ratio of Bridging Oxygen to Non-Bridging Oxygens of 50P2O5–50CaO Calcium Phosphate Bioactive Glass: A Molecular Dynamics Simulation Study
Amirhossein Moghanian1*
Associate Professor, Department of Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
Received: 2025/03/15 Accepted: 2025/05/12
Use your device to scan and read the article online
DOI:
Keywords: 50P2O5–50CaO calcium phosphate bioactive glass, Molecular dynamics simulation, Bridging and non-bridging oxygen, Amorphous structure, Bond length and angle. |
Abstract Introduction: Bioactive glasses are highly valuable in orthopedic therapeutic applications due to their inherent bioactive properties, ability to stimulate tissue regeneration, and enhancement of the healing process. Methods: In this study 50P2O5–50CaO calcium phosphate bioactive glass was synthesized by melt-quenching method, and molecular dynamic simulation was used to evaluate properties. The structural and mechanical properties were analyzed using computational techniques (LAMMPS). Findings: The results showed that the P–O bond lengths were 1.47 Å, and 1.65 Å, the O–O bond length was 2.53 Å, and the Ca–O was 2.39 Å. The O-P-O, P-O-P, and Ca–O–Ca bond angles were measured at 160°, 110.1°, and 80°, respectively, and the O-Ca-O bond was measured at 60°, and 90°. The calcium (Ca) diffusion coefficient in 1500K, 2000K, and 2500K was 3.33 × 10⁻16 m²/s, 5 × 10⁻16 m²/s, and 1.66 × 10⁻14 m²/s, and for phosphorus (P) was 3.33 × 10⁻16 m²/s, 1.66 × 10⁻14 m²/s, and 5 × 10⁻16 m²/s, respectively. The study of the mid-range structure of bioactive glass indicated that the ratio of bridging and non-bridging oxygens were 28.47%, and 71.53%, and the average number of arrangement for Ca and P atoms at cut-off radius of 3.0 Å, and 2.0 Å, were 4.25, and 3.7, and the density was measured as 2.13 g/cm3. The low percentage of bridging oxygens (28.47) in the simulated bioactive glass indicates a low network connection, a higher rate of glass network degradation, and the release of ions from its surface, which makes it possible to use it in orthopedic applications.
|
Citation: Moghanian Amirhossein. Investigation of Self-Diffusion Coefficient, Bond Angle, and the Ratio of Bridging Oxygen to Non-Bridging Oxygens of 50P2O5–50CaO Calcium Phosphate Bioactive Glass: A Molecular Dynamics Simulation Study, Journal of New Materials;2024, 15(57):1-12
|
Corresponding author: Amirhossein Moghanian Address: Associate Professor, Department of Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran Tell: 09123816103 Email: moghanian@eng.ikiu.ac.ir
|
Extended Abstract
Introduction:
Bioceramics such as zirconia and alumina have received much attention in medical applications due to their special properties such as suitable mechanical strength, high biocompatibility, and the ability to bond with surrounding tissue as dental implants and artificial joints (1-3). Also, bioactive glasses are a group of bioceramics with the ability to stimulate the process of bone tissue repair, which have been investigated by forming a hydroxyapatite layer on their surface after immersion in a simulated body solution and bonding with the surrounding bone tissue as one of the most widely used biomaterials in wound healing, dentistry and bone tissue engineering (4-6). Silicate-based (9,10) borate-based (7,11), and phosphate-based bioactive glasses (8,11) have been studied, and according to the results, a higher dissolution rate and a faster release of ions from the surface of phosphate-based bioactive glasses than silicate-based bioactive glasses were reported (12). In addition, the dissolution mechanism of phosphate-based bioactive glasses with a chemical composition very similar to the bone mineral phase is based on the hydrolysis of the P-O-P bonds in them, and the dissolution rate of bioactive glasses after being immersed in a simulated solution is dependent on the amount P2O5 in their chemical composition (5). Meanwhile, phosphate-based bioactive glasses, in addition to being used in bone tissue engineering therapeutic applications, have also been investigated and used due to their potential biological properties in repairing soft tissues such as ligaments and muscles (13). It is important to mention that improved mechanical strength, high bioactivity, and non-cytotoxicity have been reported in phosphate-based bioactive glasses with a chemical composition of 50P2O5–50CaO (14,15).
Molecular dynamics simulation, while providing valuable information on the structure and properties of biological materials, is one of the effective methods in investigating and understanding the amorphous structure of bioactive glasses (16-19). Also, in molecular dynamics simulation, by integrating Newton's second law and Verlet's velocity algorithm, the position between atoms can be studied and calculated at each time step (20). The possibility of studying the relationship between the structure and properties of materials in detail leads to an improvement in the rate of reduction in the cost of studies and a better understanding of the structures (21-23). Therefore, in this research, the molecular dynamics simulation of 50P2O5–50CaO calcium phosphate bioactive glass synthesized by the melt-quenching method was carried out using LAMMPS software. Its short- and medium-range structure was determined by analyzing the size of interatomic bonds, the angles between the bonds, the percentage of bridging and non-bridging oxygens, the coordination number of phosphorus and oxygen atoms, and the penetration and density coefficients.
Materials and Methods
In this study, the melt-quenching method was employed to investigate the chemical composition of 50P2O5–50CaO calcium phosphate bioactive glass utilizing LAMMPS software, along with the Coulomb long-range force field and the Born-mayer-huggins short-range force field. Also, to simulate the synthesized bioactive glass via the melt-quenching method, the simulation box was heated to a temperature of 5000 K and subsequently cooled rapidly to 300 K to achieve the glass structure. Furthermore, a structural analysis of the bioactive glass was conducted using radial and angular distribution functions, average mean squared displacement of atoms, and diffusion coefficients. Additionally, the ratio of bridging to non-bridging oxygens and phosphorus coefficients was determined based on the atomic count.
Findings and Discussion
Fluctuations observed before the application of the large focal ring in the results of temperature changes over time suggest that the structure of the simulated bioactive glass was not in equilibrium. However, following the application, the fluctuations decreased significantly after 1.2 nanoseconds, suggesting that an equilibrium structure was achieved. Also, four peaks are observable in the pair distribution function: for the P-O bond, the peaks are located at 1.47 and 1.65 Å; for the Ca-O bond at 2.29 Å; 56 and for the Ca-P bond at a distance of 3.70 Å. Additionally, peaks for the P-P and O-O bonds are 57 observed at 3.25 and 2.53 Å, respectively, with the presence of two peaks attributed to the structure of the PO4 molecule, which possesses a double bond that is shorter than other P-O bonds. Besides, the values for the P-P, Ca-Ca, and Ca-P bonds are less significant as these bonds are not directly present in oxide structures, with an oxygen atom separating them. According to the analysis of the angular distribution function and the radial distribution function, the sizes of the P-O bonds were reported to be 1.47 and 1.65 Å, while the O-O and Ca-O bonds were measured at 2.53 and 2.29 Å, respectively. The angles of O-P-O, P-O-P, and Ca-O-Ca were measured at 160°, 110°, and 80°, respectively, and the O-Ca-O angle was measured at 60° and 90°. Notably, there is no distinct peak for the Ca-O-P angle due to the absence of specific bonds, which depend on the composition and arrangement of the atoms. Generally, most angles fall within the range of 130° to 160°. The total radial distribution function results further indicate structural order at atomic intervals, with irregularities at intervals of 3.0 Å. Additionally, based on the slope values from the mean square displacement graphs and the Einstein equation, the diffusion coefficient of calcium at temperatures of 1500, 2000, and 2500 K was calculated to be 3.33 × 10-16 m²/s, 5 × 10-16 m²/s, and 1.66 × 10-14 m²/s, respectively. For phosphorus atoms at the same temperatures, the coefficients were 3.33 × 10-16 m²/s, 1.66 × 10-16 m²/s, and 5.33 × 10-16 m²/s. The ratio of bridging and non-bridging oxygens was measured at 28.47% and 71.53%, respectively, with a cut-off radius of 2.0 Å. The ratios of P-atoms to one another were reported at 0%, 0.65%, 7.42%, 13.87%, and 78.06% for compound numbers 0, 1, 2, 3, and 4, respectively. Furthermore, the average coordination numbers for the calcium and phosphorus atoms were calculated at the cut-off radius of 2.0 and 3.0 Å, yielding values of 3.7 and 4.25, respectively. The bioactive glass density of 50P2O5–50CaO was measured at 2.13 g/cm³ at a temperature of 300 K, indicating that the cooling rate of the glass can influence the compound density, with higher cooling rates resulting in lower density.
Conclusion
The structure of 50P2O5–50CaO calcium phosphate bioactive glass was investigated using molecular dynamics simulations. The results indicated a low structural correlation, which was attributed to the ratio of bridging and non-bridging oxygens, facilitating a more rapid release of ions from the glass surface. Moreover, the calculated diffusion coefficients showed that the increased diffusion rate of calcium atoms led to a faster release of phosphorus atoms from the structure. This behavior highlights the potential of the studied bioactive glass for orthopedic applications.
Ethical Considerations compliance with ethical guidelines
The cooperation of the participants in the present study was voluntary and accompanied by their consent.
Funding
No funding.
Authors' contributions
Design experiments and perform: Amirhossein Moghanian
Conflicts of interest
The authors declared no conflict of interest.
|
|
مقاله پژوهشی
بررسی ضریب خودنفوذی، زاویه پیوندی و نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50: مطالعه با شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
امیرحسین مغنیان
دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
تاریخ دریافت: 25/12/1403 تاریخ پذیرش: 22/02/1404
از دستگاه خود برای اسکن و خواندن مقاله به صورت آنلاین استفاده کنید
DOI:
واژههای کلیدی: شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، اکسیژن پل‌زن و غیر پل‌زن، ساختار بی‌شکل، اندازه و زاویه پیوند. |
چکیده مقدمه: 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. روش: در این پژوهش با استفاده از نرم‌افزار لمپس، شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 به روش دینامیک مولکولی، شبیه‌سازی گردید و ساختارکوتاه‌برد و میان‌برد آن، توسط آزمون‌های مشخصه‌یابی بررسی شد. یافتهها: طبق نتایج، اندازه پیوند P-O برابر با (Å) 47/1 و 65/1 و برای پیوندهای O-O و Ca-O به ترتیب برابر با (Å) 53/2 و 29/2 گزارش شد و زوایای O-P-O، P-O-P و Ca-O-Ca به ترتیب برابر با ˚160، ˚1/110 و ˚80 و برای زاویه O-Ca-O برابر با ˚60 و ˚90 اندازه‌گیری گردید. ضرایب نفوذ در دماهای 1500، 2000 و 2500 برای اتم Ca به ترتیب برابر با (m²/s) 10-16×33/3، 10-16×5 و 14-10×66/1 و برای اتم P برابر با (m²/s) 10-16×33/3، 10-16×66/1 و16-10×33/5 محاسبه شد. مطالعه ساختار میان‌برد شیشه زیست‌فعال، حاکی از نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن برابر با 47/28 و 53/71 درصد و میانگین عدد هم‌آرایی اتم‌های Ca و Pبه ترتیب در شعاع قطع (Å) 0/3 و 0/2 برابر با 25/4 و 7/3 بود و چگالی شیشه زیست‌فعال برابر با (g/cm3) 13/2 اندازه‌گیری گردید. نتیجهگیری: درصد پایین اکسیژن‌های پل‌زن (47/28) در شیشه زیست‌فعال شبیه‌سازی شده حاکی از اتصال شبکه پایین، نرخ بالاتر تخریب شبکه شیشه و رهایش یون‌ها از سطح آن است که امکان استفاده از آن را در کاربردهای ارتوپدی فراهم می‌کند.
|
سرامیک‌های زیستی مانند زیرکونیا و آلومینا، به دلیل داشتن خواص ویژه‌ای نظیر استحکام مکانیکی مناسب، زیست‌سازگاری بالا و توانایی برقراری پیوند با بافت اطراف کاشتنی1، به عنوان کاشتنی‌های دندانی و مفاصل مصنوعی در کاربردهای پزشکی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند (1-3). همچنین شیشه‌های زیست‌فعال2، گروهی از سرامیک‌های زیستی با قابلیت تحریک در روند ترمیم بافت‌های استخوانی هستند که با تشکیل یک لایه هیدروکسی‌آپاتایت3 بر روی سطح خود پس از غوطه‌وری در محلول شبیه‌سازی شده بدن و برقراری پیوند با بافت استخوانی اطراف، به عنوان یکی از مواد زیستی پرکاربرد در دندان‌پزشکی، ترمیم زخم و مهندسی بافت استخوان4 بررسی شده‌اند (4-6). ضمن اینکه، شیشه‌های زیست‌فعال پایه سیلیکاتی5 (10,9)، بوراتی6 (11,7) و فسفاتی7 (11,8)، در مطالعات بسیاری مورد مطالعه قرار گرفته‌اند که طبق نتایج حاصل از آن‌ها، سرعت حلالیت بالاتر و رهایش سریع‌تر یون‌ها از سطح شیشه‌های زیست‌فعال پایه فسفاتی نسبت به شیشه‌های زیست‌فعال پایه سیلیکاتی گزارش گردید (12). علاوه بر این، سازوکار حلالیت شیشه‌های زیست‌فعال پایه فسفاتی با ترکیب شیمیایی بسیار مشابه فاز معدنی استخوان، بر اساس آبکافت8 پیوندهای P-O-P در آن‌ها است و نرخ حلالیت شیشه‌های زیست‌فعال پس از قرارگیری در محلول شبیه‌سازی شده بدن، وابسته به مقدار P2O5 در ترکیب شیمیایی آن‌ها می‌باشد (5). این در حالی است که شیشه‌های زیست‌فعال پایه فسفاتی علاوه بر استفاده در کاربردهای درمانی مهندسی بافت استخوان، به دلیل داشتن خواص زیستی بالقوه در ترمیم بافت‌های نرم نظیر رباط و عضله نیز مورد بررسی و استفاده قرار گرفته‌اند (13). ذکر این نکته حائز اهمیت است که بهبود استحکام مکانیکی، زیست‌فعالی بالا و عدم سمیت سلولی در شیشه‌های زیست‌فعال پایه فسفاتی با ترکیب شیمیایی CaO50P2O5-50 گزارش شده است (14-15).
شبیه‌سازی دینامیک مولکولی9، ضمن ارائه اطلاعات ارزشمندی از ساختار و خواص مواد زیستی، یکی از روش‌های موثر در بررسی و درک ساختار بی‌شکل10 شیشه‌های زیست‌فعال می‌باشد (16-19). همچنین در شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، با انتگرال‌گیری از قانون دوم نیوتون11 و الگوریتم سرعت ورلت12، موقعیت بین اتم‌ها در هر گام زمانی قابل بررسی و محاسبه است (20) با این وجود، روش‌های تجربی در اکثر مواقع مبتنی بر آزمون وخطا 13 هستند و روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به عنوان یک روش مناسب در کنار آزمایش‌های تجربی، ضمن امکان مطالعه دقیق ارتباط بین ساختار و خواص مواد، منجر به بهبود سرعت، کاهش هزینه مطالعات و درک بهتر ساختارها می‌گردد (21-23). از این رو در این پژوهش، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 سنتز شده به روش ذوبی-آبدهی14، با استفاده از نرم‌افزار لمپس15 انجام گردید. ضمن اینکه ساختارکوتاه‌برد و میان‌برد آن، توسط اندازه پیوندهای بین اتمی، زاویه بین پیوندها، درصد اکسیژن‌های پل‌زن16 و غیر پل‌زن17، عدد هم‌آرایی18 اتم‌های فسفر و اکسیژن، ضرایب نفوذ19 و چگالی بررسی شد و برای صحت‌سنجی، نتایج حاصل از این پژوهش با مقادیر نتایج تجربی مقایسه گردید.
روشها
میدان نیروی مورد استفاده در شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج حاصل از آن دارد و میدان نیروی بورن-مایر-هاگین20 به طور گسترده‌ای، در شبیه‌سازی دینامیک مولکولی شیشه‌های زیست‌فعال مورد استفاده قرار گرفته است که نتایج آن توسط نتایج تجربی تایید گردیده است (24-27). همچنین در رابطه (1)، معادله کلی میدان نیروی مورد استفاده در این پژوهش ارائه شده است.
(1)
در این رابطه، q بار الکتریکی اتمی، r فاصله بین دو اتم و A، B و C ضرایب میدان نیروی بورن-مایر-هگزین می‌باشند که طبق آن جمله اول تا سوم حاکی از تعاملات بلندبرد کولنی21، تعاملات کوتاه‌برد کووالانسی22 و واندروالس23 است. ضمن اینکه در جدول (1)، مقدار ضرایب میدان نیروی بورن-مایر-هگزین ارائه شده است که این مقادیر در مطالعه سون24 و همکاران نیز، به منظور شبیه‌سازی دینامیک مولکولی مورد استفاده قرار گرفته است (24).
[1] Implant
[2] Bioactive glasses
[3] Hydroxyapatite
[4] Bone tissue engineering
[5] Silicate-based bioactive glass
[6] Borate-based bioactive glass
[7] Phosphate-based bioactive glass
[8] Hydrolysis
[9] Molecular dynamics simulation
[10] Amorphous
[11] Newton’s law of motion
[12] Verlet velocity algorithm
[13] Trial and error
[14] Melting-quenching method
[15] Lammps (large-scale atomic/molecular massively parallel simulator)
[16] Bridging oxygen
[17] non-bridging oxygen
[18] Coordination number
[19] Diffusion coefficient
[20] Born-mayer-huggins
[21] 21 Long-range coulomb
[22] Short-range Covalent
[23] Van der waals
[24] Sun
جدول 1- مقادیر ثوابت میدان نیروی بورن-مایر-هاگین و بارهای یونی
پیوند اتمی | Aij(eV) | Bij(1/Å) | Cij(eV.Å6) |
Ca-Ca | 51/329171 | 25/6 | 34/4 |
Ca-O | 63/718088 | 06/6 | 67/8 |
Ca-P | 76/164585 | 50/12 | 0/0 |
O-O | 32/1497594 | 88/5 | 35/17 |
O-P | 66/1847 | 45/3 | 0/0 |
P-P | 0/0 | 0/0 | 0/0 |
qo:2- qp:5+ qCa: 2+ | |||
روش شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی شیشه زیست‌فعال به کمک نرم‌افزار لمپس، از 1401 اتم شامل 156 اتم کلسیم، 934 اتم اکسیژن و 311 اتم فسفر استفاده گردید که اتم‌ها به منظور تشکیل درست ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال CaO50P2O5-50، در جعبه شبیه‌سازی با ابعاد (Å) 5/31 قرار گرفتند. همچنین، به منظور محاسبه نیروهای کولن از روش ذره-ذره ذره-مش1 با خطای نسبی 6-10 و برای کاهش زمان محاسبات، شعاع قطع (Å) 0/10 استفاده شد و برای انتگرال‌گیری عددی، گام زمانی (fs) 1 اعمال گردید. ضمن اینکه، سنتز شبیه‌سازی شده شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 به روش ذوبی-آبدهی، با قرارگیری جعبه شبیه‌سازی شده به مدت (ps) 5 در دمای (K) 300 تحت هنگرد کانونی (دما، حجم و تعداد ذره ثابت)2 و ایجاد تعادل در این دما انجام شد. علاوه بر این پس از فرآیند مذکور به منظور ذوب ساختار، مذاب از دمای (K) 300 تا (K) 5000 به مدت (ps) 150 تحت حرارت قرار گرفت و با کاهش واکنش بین اتم‌ها و نیروی جنبشی بالای آن‌ها، ساختار همگن گردید. همچنین، فرآیند آبدهی ساختار با کاهش دما در جعبه شبیه‌سازی با سرعت (K/ps) 1 تا دمای (K) 3000 انجام شد و چگالی تعادلی در ساختار از طریق قرارگیری آن تحت هنگرد کانونی بزرگ (دما، فشار و تعداد ذره ثابت)3 و اعمال فشار (bar) 1 به مدت (ps) 100 حاصل گردید. ضمن اینکه پس از این مرحله، جعبه شبیه‌سازی با سرعت (K/ps) 1 تا دمای (K) 300 و فشار (bar) 1 سرد شد و ساختار به منظور دستیابی به تعادل نهایی و انجام آزمون‌های مشخصه‌یابی، به مدت (ps) 100، 50 و 100 به ترتیب تحت هنگردهای کانونی بزرگ، کانونی و کانونی کوچک ( حجم، انرژی و تعداد ذره ثابت)4 قرار گرفت.
برای مطالعه ساختارکوتاه‌برد و میان‌برد ساختار شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 شبیه‌سازی شده، از تابع توزیع شعاعی5، تابع توزیع پیوندی6 و تابع توزیع زاویه‌ای7 استفاده گردید و ضرایب خودنفوذی8 اتم‌ها از طریق روش میانگین مربع جابه‌جایی با معادله انیشتین9 (رابطه (2)) محاسبه شد. به عبارت دیگر، طبق رابطه (2) با شیب منحنی میانگین مربع جابه‌جایی10 بر حسب زمان، ضرایب خودنفوذی اتم‌ها اندازه‌گیری گردید. همچنین، عدد هم‌آرایی اتم‌ها، مقدار و درصد اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن، تعداد اتم‌های فسفر، اعداد هم‌آرایی آن‌ها و مقدار چگالی شیشه زیست‌فعال محاسبه شد.
(2) 
نتایج
بررسی میدان نیرو
در شکل (1-الف) نمایی از ساختار شبیه‌سازی شده شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 ارائه شده است که در آن، اتم‌های کلسیم، فسفر و اکسیژن به ترتیب با رنگ‌های سبز، بنفش و قرمز نمایش داده شده‌اند و نسبت اندازه بین اتم‌ها رعایت شده است. همچنین طبق شکل (1-ب) و بررسی نوسانات دمایی، ساختار شبیه‌سازی شده شیشه زیست‌فعال تا قبل از اعمال هنگرد کانونی بزرگ در حالت تعادلی نبود و پس از اعمال آن، با کاهش قابل ملاحظه نوسانات پس از (ns) 2/1، رسیدن ساختار به یک حالت تعادلی تایید گردید.
[1] Particle-particle particle-mesh
[2] NVT (canonical ensemble)
[3] NPT (isothermal-isobaric ensemble)
[4] NVE (micro-canonical ensemble)
[5] Radial distribution function
[6] Pair distribution function
[7] Angular distribution function
[8] Self-diffusion
[9] Enistein’s equation
[10] Mean square displacement
شکل 1- الف- ساختار شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50، ب- تغییرات دما در طول فرآیند شبیه‌سازی.
تعیین ساختار کوتاه‌برد
اندازه پیوندهای بین اتم‌ها به وسیله تابع توزیع پیوندی تعیین شد و احتمال یافتن یکی از اتم‌های پیوند در فواصل مختلف به دور اتم دیگر پیوند بررسی گردید که نتایج آن در شکل (2-الف و ب( ارائه شده است. طبق شکل (2-الف)، چهار پیک به ترتیب برای پیوند P-O در مقادیر (Å) 47/1 و 65/1، برای پیوند Ca-O در (Å) 29/2، برای پیوند Ca-P در فاصله (Å) 70/3 قابل مشاهده است. همچنین در شکل (2-ب)، یک پیک برای پیوند P-P و O-O به ترتیب در مقدار (Å) 25/3 و 53/2 گزارش گردید و وجود دو پیک، به علت ساختار مولکول PO4 است که دارای یک پیوند یونی دوگانه کوتاه‌تر از سایر پیوندهای P-O است. ضمن اینکه، مقادیر پیوندهای P-P، Ca-Ca و Ca-P، به دلیل عدم حضور آن‌ها به صورت مستقیم در ساختارهای اکسیدی، اهمیت چندانی ندارند و بین آن‌ها یک اتم اکسیژن قرار دارد. علاوه بر این، در مطالعه سوزوکی1 و همکاران شیشه زیست‌فعال با استفاده از دینامیک مولکولی شبیه‌سازی شد و اندازه پیوند برای پیوند P-O مقادیر (Å) 47/1 و 59/1 و برای P-P و O-O به ترتیب (Å) 20/3 و 53/2 گزارش گردید (28). همچنین در پژوهش توسط گوج2 و همکاران، اندازه پیوند برای پیوندهای Ca-O و P-O به ترتیب برابر با (Å) 435/2 و 497/1-492/1 محاسبه شد و در پژوهشی دیگر اندازه پیوند P-O در محدوده (Å) 64/42-1/1 تعیین گردید (29). ضمن اینکه، طبق نتایج حاصل از مطالعه هونگ3 و همکاران، اندازه پیوند برای پیوند Ca-O به صورت میانگین در محدوده (Å) 35/30-2/2 اندازه‌گیری شد (30). این در حالی است که در مطالعه فان4 و همکاران، وابستگی اندازه پیوند Ca-O به ترکیب شیمیایی ساختار شبیه‌سازی شده تایید گردید و مقدار آن در محدوده (Å) 29/2 تا 307/2 گزارش شد (31). علاوه بر این، در پژوهش اسمیت5، اندازه پیوند برای پیوند P-O برابر با (Å) 6/1 و 5/1 و برای پیوندهای P-P و O-O به ترتیب برابر با (Å) 92/2 و 51/2 به وسیله پراش نوترونی6 محاسبه گردید (32).
در شکل (2- ج و د) احتمال وجود یک مقدار زاویه مشخص بین دو پیوند طبق تابع توزیع زاویه‌ای قابل بررسی است که طبق آن، یک پیک برای منحنی‌های O-P-O، P-O-P و Ca-O-Ca به ترتیب در زوایای ˚1/110، ˚160 و ˚80 و دو پیک در زوایای ˚90 و ˚60 برای زاویه O-Ca-O گزارش گردید و در تطابق با نتایج حاصل از پژوهش فان و همکاران است (31). همچنین، پیک واضحی برای زاویه Ca-O-P به دلیل وابستگی آن‌ها به ترکیب و نحوه توزیع این اتم‌ها مشاهده نگردید و به طور کلی اکثر زوایا در محدوده ˚160-˚130 قرار گرفته‌اند. ضمن اینکه در مطالعه گوج و همکاران، زاویه ˚160-˚150 برای پیوند P-O-P و زاویه ˚110-˚107 برای پیوند O-P-O محاسبه شد (29). علاوه بر این، مقدار زاویه پیوند Ca-O-Ca در پژوهش اسکینر7 و همکاران برابر با ˚90 و مقدار زاویه پیوند O-Ca-O در پژوهش کورماک8 و همکاران برابر با ˚90 و ˚60 گزارش گردید که با نتایج حاصل از این تطابق دارد (33).
[1] 1 Suzuki
[2] 2 Guj
[3] 3 Hong
[4] 4 Fan
[5] 5 Smith
[6] 6 Neutron diffraction
[7] 7 Skiner
[8] 8 Cormack
شکل 2- الف و ب- تابع توزیع شعاعی، ج و د- تابع توزیع زاویه‌ای شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50.
تعیین ساختار میان‌برد
در شکل (3-الف) تابع توزیع شعاعی کل شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 نشان داده شده است که طبق آن، نظم ساختار در فواصل اتمی و بی‌نظمی در فواصل (Å) 0/3 تایید گردید. همچنین طبق شکل (3-ب)، میانگین عدد هم‌آرایی برای اتم Ca در شعاع (Å) 3 برابر با 25/4 و برای اتم P در شعاع (Å) 2 برابر با 7/3 محاسبه شد که با قرارگیری عمق منحنی P-O در آن شعاع، تمام پیوندهای P-O را شامل می‌شود. ضمن اینکه طبق مطالعات پیشین، مقادیر عدد هم‌آرایی وابسته به ترکیب شیشه زیست‌فعال می‌باشد و به صورت کلی در ترکیبات مختلف، عدد هم‌آرایی برای اتم‌های کلسیم بین 6-4 و برای اتم‌های فسفر بین 2/4-9/3 گزارش شده است (33-34). علاوه بر این، مقادیر میانگین عدد هم‌آرایی حاکی از توزیع ساختار چهاروجهی P-O است که هرچه این عدد به 4 نزدیک باشد، پایداری ساختار چهاروجهی بیشتر است (35). در شکل (3)، تابع توزیع شعاعی، میانگین عدد هم‌آرایی، نسبت عدد هم‌آرایی اتم‌های فسفر و نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 ارائه شده است.
شکل 3- الف- تابع توزیع شعاعی، ب- میانگین عدد هم‌آرایی، ج- نسبت عدد هم‌آرایی اتم‌های فسفر و د- نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50.
درصد مقادیر عدد هم‌آرایی اتم‌های اکسیژن حول اتم‌های فسفر در شکل (3-ج) نشان داده شده است که طبق آن، نسبت عدد هم‌آرایی اتم‌های فسفر در عدد هم‌آرایی 0، 1، 2، 3 و 4 به ترتیب 0، 65/0، 42/7، 87/13 و 06/78 درصد گزارش گردید و مقادیر مذکور در جدول (2) نیز، به همراه تعداد اتم‌ها آورده شده است.
جدول 2- تعداد و درصد هم‌آرایی اتم فسفر
درصد هم‌آرایی | تعداد اتم‌ها | عدد هم‌آرایی |
00/0 | 0 | 0 |
65/0 | 2 | 1 |
42/7 | 23 | 2 |
87/13 | 43 | 3 |
06/78 | 242 | 4 |
همچنین طبق شکل (3-د)، درصد اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال مورد بررسی، به ترتیب 47/28 و 53/71 درصد محاسبه شد (جدول (3)). ذکر این نکته حائز اهمیت است که مقادیر اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن بر حسب تمام اکسیژن‌های پیوندی با فسفر بررسی شده است و اکسیژن‌هایی که تنها با کلسیم پیوند برقرار کرده‌اند، در این گزارش بی تاثیر هستند (33). ضمن اینکه در مطالعه وترال1 و همکاران، نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن با شعاع قطع (Å) 8/1 برابر 5/0 اندازه‌گیری شد (36). علاوه بر این، به منظور بررسی و مقایسه دقیق درصد اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن در این پژوهش، شعاع قطع (Å) 8/1 نیز در نظر گرفته شد و نسبت اکسیژن‌های پل‌زن به غیر پل‌زن برابر با 4/0 محاسبه گردید که نزدیک به نتایج حاصل از مطالعه وترال و همکاران می‌باشد. از این رو با توجه به گزارش‌های پیشین، وابستگی ترکیب و چگالی ساختار به نسبت اکسیژن پل‌زن و غیر پل‌زن در آن تایید گردید (33-37).
جدول3- تعداد و درصد اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن
درصد | تعداد | اکسیژن |
47/28 | 252 | پل‌زن |
53/71 | 633 | غیر پل‌زن |
محاسبه میانگین مربع جابه‌جایی وتعیین ضرایب نفوذ
در شکل (4-الف-ج) میانگین مربع جابه‌جایی اتم‌های P و Ca در ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 در دماهای 1500، 2000 و 2500 بررسی شده است. همچنین در شکل (5-د)، لگاریتم طبیعی ضرایب نفوذ را در دماهای مختلف ارائه شده است که با توجه به معادله آرنیوس، نتایج به صورت تقریبی خطی و مقادیر مناسبی حاصل گردید. از این رو طبق نتایج میانگین مربع جابه‌جایی، نفوذ اتم‌های Ca به نسبت اتم‌های P با سرعت بالاتری انجام می‌شود و نرخ رهایش یون‌های Ca نیز از سطح شیشه زیست‌فعال بیشتر است.
[1] 1 Wetherall
شکل 3- الف-ج- میانگین مربع جابه‌جایی اتم‌ها بر حسب زمان، د) لگاریتم طبیعی ضرایب نفوذ در شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50.
با توجه به مقدار شیب منحنی‌ها و معادله انیشتین، ضریب نفوذ اتم Ca در دماهای 1500، 2000 و 2500 به ترتیب برابر با16-10×33/3، 16-10×5 و14-10×66/1 و برای اتم P در دماهای 1500، 2000 و 2500 به ترتیب برابر با 16-10×33/3، 16-10×66/1 و16-10×33/5 محاسبه شد که مقادیر مذکور در جدول (4) نیز ارائه شده است و افزایش ضرایب نفوذ با افزایش دما، مطابق با نتایج تجربی تایید گردید.
جدول 4- ضرایب نفوذ اتمی در دماهای مختلف
Ln (DP) | DCa (m2/s) | Ln (DCa) | دما (K) | |
10-16×33/3 | 64/35- | 10-16×33/3 | 64/35- | 1500 |
10-16×5 | 23/35- | 10-15×66/1 | 03/34- | 2000 |
10-14×66/1 | 73/31- | 10-14×33/5 | 12/30- | 2500 |
تعیین چگالی شیشه زیست‌فعال
در شکل (6)، تغییرات چگالی شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 در دماهای (K) 300-2000 در طول فرآیند شبیه‌سازی نشان داده شده است که در دمای (K) 300 این مقدار برابر با (g/cm3) 13/2 محاسبه گردید. همچنین، نرخ سرد کردن شیشه زیست‌فعال بر روی چگالی ترکیب تاثیرگذار است و با افزایش سرعت سرد کردن، چگالی کاهش می‌یابد و در سرعت‌های سرد کردن زیاد، چگالی ترکیب به چگالی مذاب نزدیک خواهد بود (38).
شکل 4- تغییرات چگالی بر حسب دما در مراحل انجام شبیه‌سازی.
نتیجهگیری
در این پژوهش با استفاده از نرم‌افزار لمپس و روش دینامیک مولکولی، شیشه زیست‌فعال کلسیم فسفاتی CaO50P2O5-50 به روش ذوبی-آبدهی، شبیه‌سازی گردید و ساختارکوتاه‌برد و میان‌برد آن، توسط میدان نیروی ترکیبی بورن-مایر-هاگین و کولن و آزمون‌های مشخصه‌یابی بررسی شد. طبق نتایج حاصل از تابع توزیع زاویه‌ای، اندازه زوایای P-O-P، O-P-O و Ca-O-Ca به ترتیب ˚160، ˚1/110 و ˚80 و برای زاویه O-Ca-O مقادیر ˚90 و ˚60 محاسبه گردید. همچنین اندازه پیوندهای P-O برابر با (Å) 47/1 و 65/1 و برای پیوندهای O-O و Ca-O به ترتیب مقادیر (Å) 51/2 و 29/2 گزارش شد. ضمن اینکه، با استفاده از تابع توزیع شعاعی، نظم موضعی و بی‌نظمی بلند دامنه تایید گردید و عدد هم‌آرایی اتم‌های Ca و P به ترتیب در شعاع قطع (Å) 0/3 و 0/2 برابر با 25/4 و 7/3 اندازه‌گیری شد. علاوه بر این، نسبت اکسیژن‌های پل‌زن و غیر پل‌زن به ترتیب برابر با 47/28 و 53/71 و نسبت‌های عدد هم‌آرایی اتم‌های فسفر برای 0، 1، 2، 3 و 4 به ترتیب 0، 65/0، 42/7، 87/13 و 06/78 درصد بود. از این رو، با بررسی نسبت‌های اکسیژن پل‌زن و غیر پل‌زن، همبستگی کم ساختار و تسهیل و تسریع در رهایش یون‌ها از سطح آن تایید گردید. همچنین، ضرایب نفوذ اتمی برای اتم Ca در دماهای (K) 1500، 2000 و 2500 به ترتیب برابر با 16-10×33/3، 16-10×5 و14-10×66/1 و برای اتم P در دماهای (K) 1500، 2000 و 2500 به ترتیب برابر با 16-10×33/3، 16-10×66/1 و16-10×33/5 محاسبه شد که این امر حاکی از نفوذ راحتر اتم‌های Ca نسبت به اتم‌های P و نرخ رهایش بالاتر یون‌های کلسیم نسبت به یون‌های فسفر است. به عبارت دیگر، عدم شبکه‌سازی اتم‌های کلسیم با یکدیگر توسط اتم‌های اکسیژن‌ها، منجر به تسهیل رهایش آن‌ها از سطح شیشه زیست‌فعال می‌گردد. علاوه بر این، چگالی ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال در دمای (K) 300 برابر با (g/cm3) 13/2 گزارش گردید و تمام نتایج حاصل از این پژوهش با نتایج سایر پژوهش‌ها مقایسه و صحت‌سنجی شد. بنابراین طبق نتایج مذکور، درصد پایین اکسیژن‌های پل‌زن (47/28) در شیشه زیست‌فعال شبیه‌سازی شده حاکی از اتصال شبکه پایین، نرخ بالای تخریب شبکه شیشه و نرخ رهایش بالاتر یون‌ها از سطح آن است که امکان استفاده از آن را در کاربردهای ارتوپدی فراهم می‌کند.
ملاحظات اخلاقی پیروی از اصول اخلاق پژوهش
همکاری مشارکتکنندگان در تحقیق حاضر به صورت داوطلبانه و با رضایت آنان بوده است.
حامی مالی
هزینه تحقیق حاضر توسط نویسندگان مقاله تامین شده است.
مشارکت نویسندگان
انجام آزمایش‌ها، تحلیل دادهها و نگارش نهایی: امیرحسین مغنیان
تعارض منافع
بنابر اظهار نویسندگان، مقاله حاضر فاقد هرگونه تعارض منافع بوده است.
References
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.