磷硅酸盐玻璃中混合碱效应的原子尺度洞察

近年来，通过组分设计调控生物活性玻璃的性能因其在医学应用（如组织再生）中的使用而受到广泛关注。理解氧化物玻璃中的混合碱效应（MAE）对于调控玻璃组分以控制离子迁移率，进而控制依赖于它的玻璃性能（如离子释放、玻璃化转变温度和离子电导率）具有根本重要性。然而，先前设计的大多数生物活性玻璃基于试错法，这是由于复杂的玻璃结构难以分析，从而缺乏对短程与中程有序玻璃结构的清晰图景。为此，我们利用分子动力学模拟研究使用 MAE 能否控制 45S5 玻璃的生物活性及其性能的结构起源。我们表明，网络连通性这一常用于评估硅酸盐玻璃生物活性的结构参数，在 Na 被 Li 或 K 替代时并不改变。相反，弹性模量强烈依赖于改性剂的类型，并随平均场强的增大而增大。类似地，玻璃组元的迁移率受替代 Na 所用改性剂类型的显著影响。我们利用短程与中程结构的变化进一步讨论并解释了性能的变化，并给出了先前实验发现的证据。最后，我们强调了 MAE 不存在的起源、改性剂对玻璃生物活性的影响、动力学描述子在预测氧化物玻璃生物活性中的重要性，并提供了原子尺度上进一步开发生物活性玻璃所需的必要洞察。