شبیه سازی ساختار نانو ذرات شیشه زیست فعال 58SiO2 - 38CaO - 4P2O5 در مقیاس اتمی به روش دینامیک مولکولی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیومواد دانشکده مهندسی پزشکی ، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی

2 پژوهشکده فناوری نانو و مواد پیشرفته پژوهشگاه مواد و انرژی

چکیده

شیشه زیست فعال به دلیل توانایی پیوند بافت نرم و سخت در ترمیم، درمان و شکسته بندی استخوان و نیز به عنوان جایگزینی مناسب برای استخوانچه های گوش مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله از شبیه سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نرم افزار گرومکس برای مطالعه ساختار شیشه زیست فعال شبیه سازی شده به روش سل-ژل استفاده شد. برای ایجاد گروه های هیدروکسیل، سیستم شیشه زیست فعال مورد نظر مدل سازی شد. سپس یک سیکل حرارتی در بازه دمایی 298 الی 923 درجه کلوین با نرخ ثابت بر سیستم مورد مطالعه اعمال گردید و ساختار داخلی، ضریب نفوذ و چگالی جرم مولکولی، تعداد پیوند های هیدروژنی، طول پیوند و زوایای پیوندی مورد ارزیابی قرار گرفت. توابع توزیع شعاعی برای مطالعه ساختار شیشه زیست فعال نیز مطالعه شد. بررسی چگالی مولکول ها و نتایج شبیه سازی زوایا و طول پیوندها بیانگر تمایل مواد به قرارگیری در مکانِ بهینه و سیستم پایدار می باشد. بر اساس یافته های مرتبط با تحرک کمتر ریز ترکیب P2O5 در محیط جعبه شبیه سازی ، ریز ترکیبات SiO2 و CaO در ایجاد توزیع یکنواخت ترکیبات و عناصر در سامانه تأثیرگذار هستند. با بررسی ضریب نفوذ و توزیع مولکولها به روش تابع توزیعی شعاعی در جعبه، و با اعتماد به نسبت خوشه ای شدن می توان ادعا نمود که اجزای موجود در سامانه، توزیع نسبتاً یکنواختی داشته اند و فاصله بین اتم ها در مولکول های گوناگون قابل قبول و منطقی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation of the structure 58SiO2–38CaO–4P2O5 bioactive glass nanoparticles at atomic scale by molecular dynamics

نویسندگان [English]

  • Mohammad Ahmadi 1
  • Aliasghar Behnamghader 2
  • Azadeh Asefnejaad 1
1 Department of Biomedical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University
2 Biomaterials Group, Department of Nanotechnology and Advanced Materials, Materials & Energy Research Center
چکیده [English]

bioactive glasses are widely employed in repair and treatment of bone defects and also as an appropriate replacement for the ossicles in middle ear owing to their bonding ability to hard and soft tissues. In this research, the molecular dynamics package (GROMACS) was used to study the structure of bioactive glass synthesized by sol-gel method. To create related hydroxyl groups, the bioactive glass system was modeled. Then, a thermal cycle at temperature of 298-923 K with a constant rate was applied to the studied system and several parameters such as the internal structure, penetration coefficient, density and molecular weight, number of hydrogen bonding, bond length and bond angles were evaluated. Finally, the radial distribution functions were analyzed to study the structure of the bioactive glass, and the effect of the synthesis method on the bioactive glasses was also determined. The evaluation of the molecules density and simulation results of the bond angles and lengths indicated that materials are tend to be placed in the optimal condition and sustainable system. Due to the higher molecular weight of P2O5 and its lesser movement throughout the box, SiO2 and CaO species played more important role in the uniform distribution of materials through the system. By determining the diffusion coefficient and molecules distribution via radial distribution function method in the simulation box, it was concluded that the system components had a fairly uniform distribution and there was an acceptable and logical distance between atoms in almost every molecule

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioactive Glass
  • Molecular Dynamics Simulation
  • Radial distribution function
  • Molecular structure
  1. Zhao D., Moritz N., Vedel E., Hupa L, Aro H. T., Mechanical Verification of Soft-Tissue Attachment on Bioactive Glasses and Titanium Implants, Acta Biomaterial, 2008, 4, 1118-1122.
  2. Li R., Clark A. E., Hench L. L., An Investigation of Bioactive Glass Powders by Sol-Gel Processing, Journal of Applied Biomaterial, 1991, 2, 231-239.
  3. Sepulveda P., Jones J. R., Hench L. L., Characterization of Melt-Derived 45S5 and sol-gel–derived 58S Bioactive Glasses, J Biomed Mater Res., 2011, 58 (6), 734-740.
  4. Xia W., Chang J., Preparation and characterization of nano-bioactive-glasses (NBG) by a quick alkali-mediated sol–gel method, Mater Lett., 2007, 61, 3251-3253.
  5. Reid J. W., Pietak A., Sayer M., Dunfield D., Smith TJN., Phase formation and evolution in the silicon substituted tricalcium phosphate/apatite system, Biomaterials, 2005, 26, 2887-2897.
  6. Fathi M. H., Doost Mohammadi A., Preparation and Characterization of Sol Gel Bioactive Glass Coating for Improvement of Biocompatibility of Human Body Implant, Materials Science and Engineering A, 2008, 474 (1-2), 128-133.
  7. Saboori A., Rabiee M., Moztarzadeh F., Sheikhim M., Tahriri M., Karimi M., Synthesis, Characterization and in Vitro Bioactivity of Sol-Gel Derived SiO2-CaO-P2O5-MgO Bioglass, Material Science and Engineering C, 2008, 29 (1), 335-340.
  8. Vasconcelos I. F., Pimenta M. A., Sombra A. S. B., Optical Properties of Bi12SiO20 (BSO) and Bi12TiO20 (BTO) Obtained by Mechanical Alloying, J Mat Sci., 2001, 36, 587-592.
  9. Murugan R., Rao K. P., Kumar T. S. S., Heat Deproteinated Xenogeneic Bone from Slaughterhouse Waste: Physico-Chemical Properties, Bull Mater Sci., 2003, 26, 523-528.
  10. Pedone A., Malavasi G., Menziani MC., Cormack AN., Segre U., A New Self-Consistent Empirical Interatomic Potential Model for Oxides, Silicates, and Silica-Based Glasses, J Phys Chem B, 2006, 110, 1780-11795.
  11. Pedone A., Malavasi G., Menziani MC., Segre U., Cormack AN., Molecular Dynamics Studies of Stress−Strain Behavior of Silica Glass under a Tensile Load, Chem. Mater., 2008, 20, 4356-4366.
  12. Priven A., General method for calculating the properties of oxide glasses and glass forming melts from their composition and temperature, Glass Technol., 2004, 45, 244-254.
  13. Vallet-Regi M., Salinas A. J., Ramirez-Castellanos J., González-Calbet J. M., Nanostructure of Bioactive Sol−Gel Glasses and Organic−Inorganic Hybrid, Chem Mater., 2005, 17, 1874-1879.
  14. Tilocca A., Structural models of bioactive glasses from molecular dynamics simulations, Proc R Soc A, 2009, 465, 1003-1027.
  15. Tilocca A., Cormack A. N., Leeuw N. H. de., The Structure of Bioactive Silicate Glasses:  New Insight from Molecular Dynamics Simulations, Chem Mater., 2007, 19, 95-103.
  16. Wave function: Spartan: https://www.wavefun.com/products/spartan.html.
  17. Malavasi G., Menabue L., Menziani M.C., Pedone A., Salinas A.J., Vallet-Regi M., New insights into the bioactivity of SiO2–CaO and SiO2–CaO–P2O5 sol–gel glasses by molecular dynamics simulations, J Sol-Gel Sci Technol., 2013, 67, 208–219.
  18. SciGlass 3.5, SciVision, Burlington, 1997.
  19. Ahmadi S. M., Behnamghader A., Asefnejaad A., Sol-gel synthesis, characterization and in vitro evaluation of SiO2−CaO−P2O5 bioactive glass nanoparticles with various CaO/P2O5 ratios,Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 2017, 12, 847-860.
  20. Mead R. N, Mountjoy G (2006) Modeling the Local Atomic Structure of Bioactive Sol−Gel-Derived Calcium Silicates. Chem Mater 18:3956–3964.
  21. Skipper LJ., Sowrey FE., Pickup DM., Drake KO., Smith ME., Saravanapavan P., Hench LL., Newport RJ., The structure of a bioactive calcia–silica sol–gel glass, J Mater Chem., 2005, 15, 2369-2374.
  22. Rastegar Ramsheh M., Behnamghader A., khanlarkhani A., Simulation of the Melting-quenching Process of Bioactive Glass 58S in Atomic Scale by Molecular Dynami, 3rd National Conference on Nanosciences and Technology, Iran, 2017.
  23. Yousefpour A., Amjad Iranagh S., Nademi Y., Modarress H., Molecular dynamics simulation of nonsteroidal antiinflammatory drugs, naproxen and relafen, in a lipid bilayer membrane, Int J Quantum Chem., 2013, 113, 1919-1930.
  24. Hoppe U., Walter G., Kranold R., Stachel D., Structural specifics of phosphate glasses probed by diffraction methods: a review, J Non-Cryst Solids, 2000, 263, 29-47.