مواد و فناوری‌های پیشرفته

مواد و فناوری‌های پیشرفته

تجزیه‌وتحلیل ساختاری، تعیین توزیع اکسیژن‌های پل‌زن و غیرپل‌زن و پیوند ‌آن‌ها با Si و P در شیشه‌های زیست‌فعال دوجزئی با ترکیب شیمیایی بر پایه‌ی 50X-50CaO: X=SiO2,P2O5 (درصد مولی) با استفاده از مدل‌سازی کامپیوتری

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان
امیرحسین مغنیان 1
نیلوفر کولیوند 2
آرمان طیبی 3
1 دانشیار، گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
2 کارشناس ارشد مهندسی مواد، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
3 کارشناس مهندسی مواد، گروه مهندسی مواد، دانشگاه بین‌المللی‌امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
10.30501/jamt.2025.515419.1324
چکیده
شیشه‌های زیست‌فعال پایه‌ی سیلیکاتی و پایه‌ی فسفاتی فسفاتی حاوی CaO، به‌دلیل توانایی خود در تشکیل پیوندی مستحکم با بافت میزبان، نرخ حل‌شوندگی مطلوب و تأثیر آن در تشکیل لایه‌ی هیدروکسی‌آپاتایت، تحریک رشد سلولی و رفتار مکانیکی، ترکیبات پرکاربردی در مهندسی بافت هستند. اخیراً روش‌ شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به‌عنوان روشی کارآمد در پیش‌بینی خواص و ساختار شیشه‌های زیست‌فعال در کنار روش‌های تجربی استفاده شده است. ازاین‌رو، در این پژوهش به مطالعه‌ی ترکیب شیشه‌ی زیست‌فعال دوجزئی 50SiO2-50CaO و50P2O5-50CaO به روش دینامیک مولکولی پرداخته شد. با استفاده از تابع توزیع پیوندی و تابع توزیع زاویه‌ای به بررسی اندازه‌ی زاویه‌ی بین پیوندی و اندازه‌ی پیوندها پرداخته شد و توزیع اکسیژن‌های پل‌زن و غیرپل‌زن در دو ترکیب شیشه‌ی زیست‌فعال محاسبه شد که در شیشه‌ی زیست‌فعال 50SiO2-50CaO و50P2O5-50CaO به‌ترتیب 34/62 درصد و 32/9 درصد اکسیژن پل‌زن توزیع شده است. همچنین، توزیع مقادیر Qn در دو شیشه‌ی زیست‌فعال 50SiO2-50CaO و50P2O5-50CaO مطالعه شد که در شیشه‌ی زیست‌فعال 50SiO2-50CaO و50P2O5-50CaO توزیع Q2 به‌عنوان معیاری مناسب برای تخریب‌پذیری آن‌ها، به‌ترتیب 42/9 درصد و 59/03 درصد است. ضمن اینکه، مقادیر چگالی برای دو ترکیب شیشه‌ی زیست‌فعال 50SiO2-50CaO و50P2O5-50CaO به‌ترتیب مقادیر g/cm32/81 و 2/15 به دست آمد و غلظت بالاتر یون‌های کلسیم و میزان بالاتر pH در شیشه‌ی زیست‌فعال 50P2O5-50CaO نسبت به 50SiO2-50CaO گزارش شد. بنابراین، طبق نتایج مذکور، شیشه‌ی زیست‌فعال 50P2O5-50CaO به‌دلیل دارا بودن مقادیر اکسیژن غیرپل‌زن و Q2 بالاتر دارای تخریب‌پذیری بالاتر و به‌تبع آن رهایش یون بیشتری از شیشه‌ی زیست‌فعال 50SiO2-50CaO است.
کلیدواژه‌ها
شیشه‌های زیست‌فعال
شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
اکسیژن‌های پل‌زن و غیرپل‌زن
تابع توزیع پیوندی

موضوعات

عنوان مقاله English

Structural Analysis, Determination of the Distribution of Bridging and Non-Bridging Oxygens and their Bond with Si and P in Binary Bioactive Glass with a Chemical Composition Based on 50X-50CaO: X=SiO2, P2O5 (mol.%) Using Computer Modeling

نویسندگان English

Amirhossein Moghanian 1
Niloofar Kolivand 2
Arman Tayyebi 3
1 Associate Professor, Department of Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
2 Master of Materials Engineering, Department of Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
3 Bachelor of Materials Engineering, Department of Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran.
چکیده English

Silicate-based and phosphate-based bioactive glasses (BGs) containing CaO are widely used compounds in tissue engineering (TE) due to their ability to form a strong bond with the host tissue, favorable dissolution rate, their effect on the formation of a hydroxyapatite (HA) layer, stimulation of cell growth, and mechanical behavior. Recently, molecular dynamics (MD) simulation has been used as an efficient method to predict the properties and structure of BGs in addition to experimental methods. Therefore, in this study, the binary BG composition of 50SiO2-50CaO and 50P2O5-50CaO was studied by MD method. Using the bond distribution function and the angular distribution function, the size of the interbond angle and the size of the bonds were investigated, and the distribution of bridging oxygens (BOs) and non-bridging oxygens (NBOs) in two BG compositions was calculated, which in the 50SiO2-50CaO and 50P2O5-50CaO were distributed 34.62% and 32.9% of BOs, respectively. Also, the distribution of Qn values in 50SiO2-50CaO and 50P2O5-50CaO BGs was studied, and in 50SiO2-50CaO and 50P2O5-50CaO BGs, the distribution of Q2 as a suitable criterion for their degradability was 42.9% and 59.03%, respectively. Meanwhile, the density values for the 50SiO2-50CaO and 50P2O5-50CaO BG compositions were 2.381 and 2.15 g/cm3, respectively, and a higher concentration of calcium ions and a higher pH were reported in 50P2O5-50CaO than in 50SiO2-50CaO BGs. Therefore, according to the mentioned results, 50P2O5-50CaO BG has higher degradability and consequently higher ion release than 50SiO2-50CaO BG due to its higher NBOs and Q2 values.

کلیدواژه‌ها English

Bioactive Glasses (BGs)
Molecular Dynamic Simulation (MD)
Bridging and Non-Bridging Oxygens
Pair Distribution Function
  1. Agrawal, R. P., & Patel, A. S. S. (2025). Applications of bioactive glass: A review. Multidisciplinary Reviews, 8(2), 2025038–2025038. https://doi.org/10.31893/MULTIREV.2025038
  2. Arango-Ospina, M., & Boccaccini, A. R. (2022). Bioactive glasses and ceramics for tissue engineering. Tissue Engineering Using Ceramics and Polymers, 111–178. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-820508-2.00019-2
  3. Borhan, S., & Esmaeilzadeh, J. (2023). The Effect of Bioactive Glass Synthesis Method on the Flowability and Structural Stability of the Injectable Pastes Prepared from It, Advanced Materials and Technologies (JAM), 12(1), 1–15. [In Persian]. https://doi.org/10.30501/JAMT.2023.376241.1259
  4. Brow, R. K. (2000). Review: the structure of simple phosphate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 263–264, 1–28. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(99)00620-1
  5. Christie, J. K., Ainsworth, R. I., Hernandez, S. E. R., & De Leeuw, N. H. (2017). Structures and properties of phosphate-based bioactive glasses from computer simulation: a review. Journal of Materials Chemistry B, 5(27), 5297–5306. https://doi.org/10.1039/C7TB01236E
  6. Coleman, N. J., Bellantone, M., Nicholson, J. W., & Mendham, A. P. (2007). Textural and structural properties of bioactive glasses in the system CaO-SiO2. http://www.ceramics-silikaty.cz/2007/2007_01_001.htm
  7. Cormack, A. N., & Du, J. (2001). Molecular dynamics simulations of soda–lime–silicate glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 293–295(1), 283–289. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(01)00831-6
  8. Doweidar, H. (2009). Density–structure correlations in Na2O–CaO–P2O5–SiO2 bioactive glasses. Non-crystalline solids, 355(9), 577-580.‏ https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2009.02.007
  9. Du, J., & Xiang, Y. (2012). Effect of strontium substitution on the structure, ionic diffusion and dynamic properties of 45S5 Bioactive glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 358(8), 1059–1071. https://doi.org/10.1016/J.JNONCRYSOL.2011.12.114
  10. Du, J., & Cormack, A. N. (2019). Atomistic Simulations of Glasses. Fundamentals and Applications. Atomistic Computer Simulations of Inorganic Glasses: Methodologies and Applications, 1–530. https://doi.org/10.1002/9781118939079
  11. Du, Y., Yuan, Y., Li, L., Long, M., Duan, H., & Chen, D. (2021). Insights into structure and properties of P2O5-based binary systems through molecular dynamics simulations. Journal of Molecular Liquids, 339, 116818. https://doi.org/10.1016/J.MOLLIQ.2021.116818
  12. Du, J., & Cormack, A. N. (2022). Atomistic simulations of glasses. John Wiley and Sons. 10(5), 1-29. https://doi.org/10.1002/9781118939079
  13. Fredholm, Y. C., Karpukhina, N., Brauer, D. S., Jones, J. R., Law, R. V., & Hill, R. G. (2012). Influence of strontium for calcium substitution in bioactive glasses on degradation, ion release and apatite formation. Journal of The Royal Society Interface, 9(70), 880–889. https://doi.org/10.1098/RSIF.2011.0387
  14. Gamoke, B., Neff, D., & Simons, J. (2009). Nature of PO bonds in phosphates. Physical Chemistry A, 113(19), 5677-5684.‏ https://doi.org/10.1021/jp810014s
  15. Hollingsworth, S. A., & Dror, R. O. (2018). Molecular Dynamics Simulation for All. Neuron, 99(6), 1129–1143. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2018.08.011
  16. Jafari, N., Habashi, M. S., Hashemi, A., Shirazi, R., Tanideh, N., & Tamadon, A. (2022). Application of bioactive glasses in various dental fields. Biomaterials Research, 26(1). https://doi.org/10.1186/s40824-022-00274-6
  17. Jones, J. R. (2013). Review of bioactive glass: from Hench to hybrids. Acta Biomaterialia, 9(1), 4457–4486. https://doi.org/10.1016/J.ACTBIO.2012.08.023
  18. Kasuga, T. (2022). Unique Nature of Phosphate and Borate Bioactive Glasses. Phosphate and Borate Bioactive Glasses, 1–9. https://doi.org/10.1039/9781839164750-00001
  19. Kesse, X., Vichery, C., Jacobs, A., Descamps, S., & Nedelec, J. M. (2020). Unravelling the Impact of Calcium Content on the Bioactivity of Sol-Gel-Derived Bioactive Glass Nanoparticles. ACS Applied Bio Materials, 3(2), 1312–1320. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c00036
  20. Liu, J., Rawlinson, S. C., Hill, R. G., & Fortune, F. (2016). Strontium-substituted bioactive glasses in vitro osteogenic and antibacterial effects. Dental Materials, 32(3), 412-422.‏ https://doi.org/10.1016/j.dental.2015.12.013
  21. Lu, X., Deng, L., Huntley, C., Ren, M., Kuo, P. H., Thomas, T., & Du, J. (2018). Mixed network former effect on structure, physical properties, and bioactivity of 45S5 bioactive glasses: an integrated experimental and molecular dynamics simulation study. Physical Chemistry B, 122(9), 2564-2577.‏ https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.7b12127
  22. Madival, H., Rajiv, A., Muniraju, C., & Reddy, M. S. (2025). Advancements in Bioactive Glasses: A Comparison of Silicate, Borate, and Phosphate Network Based Materials. Biomedical Materials & Devices 2025, 1–21. https://doi.org/10.1007/S44174-025-00297-2
  23. Majumdar, S., Gupta, S., & Krishnamurthy, S. (2021). Multifarious applications of bioactive glasses in soft tissue engineering. Biomaterials Science, 9(24), 8111–8147. https://doi.org/10.1039/D1BM01104A
  24. Malavasi, G., Pedone, A., & Menziani, M. C. (2013). Study of the structural role of gallium and aluminum in 45S5 bioactive glasses by molecular dynamics simulations. Physical Chemistry B, 117(15), 4142-4150.‏ https://doi.org/10.1021/jp400721g
  25. O’Donnell, M. D., Watts, S. J., Hill, R. G., & Law, R. V. (2009). The effect of phosphate content on the bioactivity of soda-lime-phosphosilicate glasses. Materials Science: Materials in Medicine, 20(25), 1611-1618.‏ https://doi.org/10.1007/s10856-009-3732-2
  26. Ren, Z., Tang, S., Wang, J., Lv, S., Zheng, K., Xu, Y., & Li, K. (2025). Bioactive Glasses: Advancing Skin Tissue Repair through Multifunctional Mechanisms and Innovations. Biomaterials Research, 29. https://doi.org/10.34133/BMR.0134
  27. Sabree, I. K., Aswad, M. A., Abd Ali, H. S.(2021). Effect of Additional Zirconia on Fracture Mechanics of Bioactive Glass-ceramics Using Digital Image Correlation. International Journal of Engineering, 34(9): 2053-2059. https://doi.org/10.5829/ije.2021.34.09c.02
  28. Soorani, M., Mele, E., & Christie, J. K. (2023). Structural effects of incorporating Cu+ and Cu2+ ions into silicate bioactive glasses using molecular dynamics simulations. Materials Advances, 4(9), 2078-2087.‏ https://doi.org/10.1039/D2MA00872F
  29. Sun, H., Yang, J., Zhang, R., & Xu, L. (2024). Insight into the structure and transport properties of CaO-SiO2-P2O5 system during the phosphorus enrichment process: A molecular dynamics simulation. Journal of Non-Crystalline Solids, 627, 122818. https://doi.org/10.1016/J.JNONCRYSOL.2023.122818
  30. Tilocca, A., Cormack, A. N., & De Leeuw, N. H. (2007). The structure of bioactive silicate glasses: New insight from molecular dynamics simulations. Chemistry of Materials, 19(1), 95–103. https://doi.org/10.1021/cm061631g
  31. Tilocca, A. (2009a). Structural models of bioactive glasses from molecular dynamics simulations. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 465(2104), 1003–1027. https://doi.org/10.1098/RSPA.2008.0462
  32. Upadhyay, A., Pradhan, L., Yenurkar, D., Kumar, K., & Mukherjee, S. (2024). Advancement in ceramic biomaterials for dental implants. International Journal of Applied Ceramic Technology, 21(4), 2796–2817. https://doi.org/10.1111/IJAC.14772
مواد و فناوری‌های پیشرفته
دوره 14، شماره 1
بهار 1404
صفحه 89-102

  • تاریخ دریافت 27 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری 17 خرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 11 مرداد 1404