مواد پیشرفته در مهندسی

مواد پیشرفته در مهندسی

مطالعه تاثیر آلایش اکسید استرانسیم در ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال بر توزیع اکسیژن‌های پل‌زن/غیرپل‌زن با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی

مقالات آماده انتشار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
امیرحسین مغنیان
مهندسی مواد، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره)، قزوین، ایران
چکیده
مقدمه و اهداف: استفاده از شیشه‌های زیست‌فعال در کاربردهای درمانی به‌منظور بهبود روند درمان، یک زمینه تحقیقاتی امیدوارکننده درحال‌توسعه می‌باشد که این مواد زیستی را به یکی از گزینه‌های قابل‌اطمینان در مهندسی بافت تبدیل کرده است. در این پژوهش، تاثیر آلایش اکسید استرانسیم در ترکیب شیمیایی شیشه زیست‌فعال 70S بر خواص ساختاری و زیستی آن بررسی گردید.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، ساختار شیشه زیست‌فعال (درصد مولی 5 و 0 =x) 70SiO2-(30-x)CaO-xSrO سنتزشده به روش ذوبی-آبدهی، از طریق دینامیک مولکولی و نرم‌افزار لمپس شبیه‌سازی شد.
یافته‌ها: با توجه به نتایج حاصل از تابع توزیع پیوندی و تابع توزیع زاویه‌ای، میانگین طول پیوندهای Si-O و Si-BO و Si-NBO، به‌ترتیب 1/61 و 1/62 و 1/58 Å گزارش گردید و اندازه زاویه پیوند Si-O-Si و O-Si-O، به‌ترتیب در محدوده 151-147 درجه و 109 درجه بود. همچنین میزان توزیع اکسیژن‌های پل‌زن و غیرپل‌زن در نمونه BG-S5 نسبت به نمونه BG-S10، به‌ترتیب 0/42 و 0/21 درصد کاهش و افزایش یافت. ضمن این‌که افزایش pH محلول شبیه‌سازی‌شده بدن تا روز هفت غوطه‌وری، به دلیل رهایش یون‌ها از سطح شیشه گزارش شد و بهبود 17/26 درصدی رشد و تکثیر سلول‌های MC3T3-E1 در نمونه BG-S5 نسبت به نمونه BG-S10 در روز هفت کشت تایید گردید (0/0001نتیجه‌گیری: شبیه‌سازی دینامیک مولکولی یک ابزار قدرتمند به‌منظور پیش‌بینی دقیق خواص ساختاری شیشه‌های زیست‌فعال قبل از سنتز در شرایط برون‌تنی است و نمونه BG-S5 به دلیل داشتن قابلیت‌های زیستی بهینه، به‌منظور استفاده در مهندسی بافت استخوان پیشنهاد گردید.
کلیدواژه‌ها
شیشه زیست‌فعال 70S
برون‌تنی
روش ذوبی-آبدهی
شبیه‌سازی دینامیک مولکولی
نرم‌افزار لمپس
موضوعات

عنوان مقاله English

Studying the Effect of Strontium Oxide Doping in the Chemical Composition of Bioactive Glass on the Distribution of Bridging/Non-Bridging Oxygens Using Molecular Dynamics Simulation

نویسنده English

Amirhossein Moghanian
Department of Materials Engineering, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran
چکیده English

Introduction and Objectives: The use of bioactive glass in therapeutic applications is a promising and developing field of research to improve the treatment process, made these biomaterials one of the reliable options in tissue engineering. In this study, the effect of strontium oxide contamination in the chemical composition of bioactive glass 70S on its structural and biological properties was examined.
Materials and Methods: In this study, the structure of bioactive glass 70SiO2-(30-x)CaO-xSrO (x= 0 and 5 mol.%) synthesized by melt-quenching method was simulated through molecular dynamics and lAMMPS software.
Results: According to the results of the pair distribution function and the angle distribution function, the average length of the Si-O, Si-BO, and Si-NBO bonds was reported to be 1.61, 1.62, and 1.58 (Å) respectively, and the angle size of the Si-O-Si and O-Si-O bonds was 147-151° and 109°, respectively. The distribution of bridging oxygens and non-bridging oxygens in the BG-S5 sample also decreased and increased by 0.42% and 0.21%, respectively compared to the BG-S10 sample. In addition, an increase in the pH of the simulated body fluid was reported by the day of seven immersion due to the release of ions from the glass surface, and an improvement of 17.26 % in the growth and proliferation of MC3T3-E1 cells in the BG-S5 sample compared to the BG-S10 sample on the day of seven cultures was confirmed (****p<0.0001).
Conclusion: Molecular dynamics simulation is a powerful tool in order to accurately predict the structural properties of bioactive glass before synthesis in vitro conditions, and the BG-S5 sample was proposed in bone tissue engineering due to its optimal bioavailability.

کلیدواژه‌ها English

70S bioactive glass
In vitro
Melt-quenching method
Simulation of molecular dynamics
LAMMPS software
1. Machado EA, da Silva Rocha AC, de Menezes LR. Applicability of hydrogels as platforms for bone regeneration: a mini‐review. Polym Adv Technol. 2025;36(9):e70336. https://doi.org/10.1002/pat.70336
2. Wang Y, Zhang H, Qiang H, Li M, Cai Y, Zhou X, et al. Innovative biomaterials for bone tumor treatment and regeneration: tackling postoperative challenges and charting the path forward. Adv Healthc Mater. 2024;13(16):2304060‏. https://doi.org/10.1002/adhm.20230406
3. Shams SF, Ebrahimian-Hosseinabadi M. Modeling and mechanical analysis of biphasic calcium phosphate/silk composite bone plate for fractured tibia healing. Adv Mater Eng. 202231;37(2):59-67. https://doi.org/10.29252/jame.37.2.59
4. Bello SA, Cruz-Lebrón J, Rodríguez-Rivera OA, Nicolau E. Bioactive scaffolds as a promising alternative for enhancing critical-size bone defect regeneration in the craniomaxillofacial region. ACS Appl Bio Mater. 2023;6(11):4465-503. https://doi.org/10.1021/acsabm.3c00432‏
5. Sapoznikov L, Humphrey M. Progress in dentin-derived bone graft materials: a new xenogeneic dentin-derived material with retained organic component allows for broader and easier application. Cells 2024;13(21):1806. https://doi.org/10.3390/cells13211806
6. Ashfaq R, Kovács A, Berkó S, Budai-Szűcs M. Developments in alloplastic bone grafts and barrier membrane biomaterials for periodontal guided tissue and bone regeneration therapy. Mol Sci. 2024;25(14): 7746. https://doi.org/10.3390/ijms25147746
7. Steijvers E, Ghei A, Xia Z. Manufacturing artificial bone allografts: a perspective. Biomaterials translational. 2022;3(1):65. https://doi.org/10.12336/biomatertransl.2022.01.007
8. Baino F. Bioactive glasses–when glass science and technology meet regenerative medicine. Ceram Int. 2018;44(13):14953-66. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.180
9. Madival H, Rajiv A. A comprehensive review of bioactive glasses: synthesis, characterization, and applications in regenerative medicine. Biomed Mater Devices 2026;4(2):400-1380. https://doi.org/10.1007/s44174-025-00310-8
10. Taye MB, Ningsih HS, Shih SJ. Exploring the advancements in surface-modified bioactive glass: enhancing antibacterial activity, promoting angiogenesis, and modulating bioactivity. J Nanoparticle Res. 2024;26(2):28. https://doi.org/10.1007/s11051-024-05935-2‏
11. Madival H. Silicate bioactive glasses—advances in structure, bioactivity, and biomedical applications. Mater Sci. 2026;61:6500-6521. https://doi.org/10.1007/s10853-026-12217-w‏
12. Mosqueira L, Barrioni BR, Martins T, Ocarino ND, Serakides R, Pereira MD. In vitro effects of the co-release of icariin and strontium from bioactive glass submicron spheres on the reduced osteogenic potential of rat osteoporotic bone marrow mesenchymal stem cells. Biomed Mater. 2020;15(5):055023. https://doi.org/10.1088/1748-605x/ab9095
13. Li F, Ye J, Liu P, Jiang J, Chen X. An overview on bioactive glasses for bone regeneration and repair: preparation, reinforcement, and applications. J Adv Mater Eng. 2025;31(6):517-540.  https://doi.org/10.1089/ten.teb.2024.0272
14. Silva AV, Gomes DD, Victor RD, Santana LN, Neves GA, Menezes RR. Influence of strontium on the biological behavior of bioactive glasses for bone regeneration. Materials 2023;16(24):7654. https://doi.org/10.3390/ma16247654
15. Moghanian A, Zohourfazeli M, Tajer MH, Miri Z, Hosseini S, Rashvand A. Preparation, characterization and in vitro biological response of simultaneous co-substitution of Zr+4/Sr+2 58S bioactive glass powder. Ceram Int. 2021;47(17):23762-9. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.11.139
16. Silva AV, Gomes DD, Victor RD, Santana LN, Neves GA, Menezes RR. Influence of strontium on the biological behavior of bioactive glasses for bone regeneration. Materials 2023;16(24):7654. https://doi.org/10.3390/ma16247654
17. Niazvand F, Sharifianjazi F, Esmaeilkhanian A, Ahmadi E, Moradigharibvand N, Rabiee N, et al. Sol-gel derived bioactive glasses containing boron and strontium: bioactivity, biocompatibility, and antibacterial properties. J Non-Cryst Solids 2024;631:122909. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2024.122909
18. Kaur G, Pickrell G, Sriranganathan N, Kumar V, Homa D. Review and the state of the art: sol–gel and melt quenched bioactive glasses for tissue engineering. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2016;104(6):1248-75. https://doi.org/10.1002/jbm.b.33443
19. Qin M, Li L, Ding J, Huang C, Wang D. Effect of B/Si molar ratio on the structure and properties of borosilicate bioactive glasses assessed using molecular dynamics simulations. Biomed Mater. 2023;18(5):055010. https://doi.org/10.1088/1748-605X/ace9a7
20. Du J, Xiang Y. Investigating the structure–diffusion–bioactivity relationship of strontium containing bioactive glasses using molecular dynamics based computer simulations. J Non-Cryst Solids 2016;432:35-40. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.03.015
21. Du J. Molecular dynamics simulations of oxide glasses. Cham: Springer International Publishing; 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-319-93728-1_32
22. Kokubo T, Kushitani H, Sakka S, Kitsugi T, Yamamuro T. Solutions able to reproduce in vivo surface‐structure changes in bioactive glass‐ceramic A‐W3. Biomed Mater Res. 1990;24(6):721-34. https://doi.org/10.1002/jbm.820240607
23. Abd El-Moneim A. Bond compression bulk modulus and Poisson’s ratio of the polycomponent silicate glasses. Mater Chem Phys. 2001;70(3):340-3. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(00)00519-8
24. Marchin N, Du J. Short and medium range structures of binary GeO2-SiO2 glasses from molecular dynamic simulations. J Non-Cryst Solids 2024;640:123110. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2024.123110
25. Pedone A, Cannillo V, Menziani MC. Toward the understanding of crystallization, mechanical properties and reactivity of multicomponent bioactive glasses. Acta Mater. 2021;213:116977. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116977
26. Sharma A, Kumar D, Kumar V, Singh SP, Sharma AR, Sharma SK. Electronic structure and chemical states of green synthesized silica nanoparticles from biomasses. Hybrid Adv. 2024;5:100133. https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2023.100133
27. Christie JK, Ainsworth RI, Hernandez SE, de Leeuw NH. Structures and properties of phosphate-based bioactive glasses from computer simulation: a review. J Mater Chem B 2017;5(27):5297-306. https://doi.org/10.1039/C7TB01236E
28. 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(24):11780–11795. https://doi.org/10.1021/jp0611018
 
 
مواد پیشرفته در مهندسی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 25 خرداد 1405

تحت نظارت وف ایرانی