《Journal of Non-Crystalline Solids》：Influence of strontium and calcium oxide replacement on the structure of silicate–phosphate glasses relevant to bioactive systems
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生物活性玻璃中Sr/Ca协同效应研究：通过高能XRD-RMC-MD多尺度模拟揭示混合改性体系下修饰离子配位变化（平均键长：Na?～2.35-2.40 ?，Ca2?～2.34-2.41 ?，Sr2?～2.60-2.70 ?）及网络破坏机制，发现Na?配位稳定（≈5），而Ca2?/Sr2?存在负协同作用，导致混合体系配位数（Ca:4.6-6，Sr:4.6-5.7）及Q?分布显著变化。
Bushra Al Hasni|Margit Fábián|P. Jóvári|Stefan Michalik
阿曼技术应用科学大学Rustaq教育学院科学系
摘要
本文利用高能X射线衍射（XRD）技术，并结合逆蒙特卡洛（RMC）建模和经典分子动力学（MD）模拟，研究了玻璃组合物45SiO?–25SrO–28Na?O–2P?O?、45SiO?–12.5SrO–12.5CaO–28Na?O–2P?O?和45SiO?–25CaO–28Na?O–2P?O?的短程结构。RMC和MD模型的结果与实验获得的X射线衍射数据以及已发表的中子衍射数据（S(Q)）高度吻合，仅在一些平均键长和配位数上存在细微差异，这些差异反映了不同方法的特性。所有组合物中都观察到了一致的Si–O和P–O键合环境，证实了它们具有相似的短程网络结构。改性阳离子的性质因组合物而异：Na?的配位数大致为5；而Ca2?和Sr2?的配位数分别为约5–6，对应的Ca–O键长为2.34–2.41 ?和2.60–2.70 ?。在含有两种改性剂的玻璃中，由于Ca和Sr的共存，导致了协同改性效应，表现为Ca–O和Sr–O键长的同时减小以及网络结构的破坏加剧。这种结合高能XRD、RMC和MD的方法为多组分生物活性玻璃中改性剂之间的相互作用提供了新的见解。
引言
生物活性玻璃已成为骨科应用和骨修复领域的关键材料。20世纪末，Hench及其同事首次证明了它们能与活骨结合[1,2]，他们使用Na?O–CaO–P?O?–SiO?体系制备了这种玻璃，并通过将其植入大鼠股骨来评估其性能。值得注意的是，这种玻璃直接与骨结合，而没有形成通常包裹外来物质的纤维囊。该组合物后来被命名为45S5 Bioglass?，其中SiO?含量为45%，Na?O和CaO各占24.5%，P?O?含量为6%，以模拟骨的主要矿物质相——羟基磷灰石的Ca/P比例。如今，45S5 Bioglass?仍因出色的生物活性而被广泛使用，许多研究也对其成分进行了调整以进一步提升其性能[[3], [4], [5], [6]]。锶由于其电荷和离子半径与钙相似，可以部分替代玻璃中的钙。这种替代不仅保留了玻璃的骨结合能力，还带来了锶的促骨生成和抗吸收作用。Pors[7]指出了锶的生理作用，指出尽管钙和锶相似，但它们在体内通过不同的机制（如肠道吸收、肾脏排泄和胎盘转运）被选择性处理。O’Donnell等人[8]也观察到，用较重的元素（如锶）替代钙会显著改变玻璃的结构和性质。
锶（Sr）在人体中起着重要作用，使其成为掺入生物活性玻璃中的有价值元素。多项研究表明，Sr2?阳离子能够促进骨形成并增强成骨细胞的增殖，同时抑制破骨细胞的骨吸收[[9], [10], [11], [12]]。最近的研究还发现，含有锶的生物材料具有更好的表面粘附性能。J. Lao等人[13]通过评估SiO?–CaO–SrO和SiO?–CaO–SrO–P?O?玻璃的生物活性，研究了锶基生物活性玻璃的体外反应性。他们发现，锶的掺入减缓了材料的溶解速度，并促进了磷酸钙盐层的形成，同时加速了该层向类似羟基磷灰石（HA）相的转化。锶存在于玻璃界面，并以生理水平释放，从而对其对细胞活动和骨重塑产生积极影响。Michal Dziadek等人[14]利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）研究了锶对两种凝胶衍生的CaO–P?O?–SiO?生物活性玻璃的影响。他们的研究结果表明，锶替代对玻璃结构、生物活性和热处理后的结晶行为的影响很大程度上取决于玻璃组合物中CaO/SiO?的摩尔比。S. Hesaraki等人[15]发现，在基于CaO–SrO–SiO?–P?O?的玻璃组合物中，用SrO替代高达10%的CaO可以改善比表面积和玻璃转变温度等物理性质，并增强成骨细胞活性，且无毒性，尽管会延迟羟基磷灰石层的形成。
Simon等人[16]采用溶胶-凝胶法制备了无碱生物玻璃，组成为60SiO?·5P?O?·35CaO，其中部分CaO被SrO替代（最高替代量为10摩尔%）。他们发现，Sr的添加促进了类似羟基磷灰石的结晶行为，并提高了生物活性，尽管网络连接性未发生变化。含锶的玻璃还对革兰氏阳性和阴性细菌具有杀菌作用。XRD和FTIR分析显示，模拟体液中的Sr替代硅酸盐-磷酸盐（SP）玻璃形成了特征性的磷酸盐吸收峰（约560–600 cm?1），并且玻璃转变温度降低。
M. Fabian等人[17]利用中子衍射研究了用SrO替代CaO对生物活性玻璃的影响。他们发现，锶作为网络改性剂的行为与钙相似，替代后玻璃网络未发生显著结构变化。然而，他们注意到Ca和Sr阳离子之间的键长和配位数存在差异。具体来说，增加Sr含量会导致网络改性剂的配位数降低，而网络形成剂的配位数基本保持不变。
在这项研究中，选择了三种玻璃组合物45SiO?–25CaO–28Na?O–2P?O?、45SiO?–12.5CaO–12.5SrO–28Na?O–2P?O?和45SiO?–25SrO–28Na?O–2P?O?，构建了一个系统的CaO–SrO替代系列，以便系统地评估Ca2?和Sr2?在修饰硅酸盐-磷酸盐网络中的单独和协同作用。Ca2?和Sr2?在离子半径和场强上存在差异，这些参数会影响改性剂与氧的键合、网络解聚、Q?分布以及硅酸盐玻璃的结构动态。仅含Ca和仅含Sr的组合物作为结构参考点，而12.5CaO–12.5SrO混合组合物则可以直接评估Ca和Sr之间的潜在非线性或协同作用（混合改性效应）。除了结构相关性外，这些组合物还处于实际生物活性玻璃的成分范围内，其中Ca控制着网络溶解，而Sr的掺入与溶解度的提高和促骨作用相关。因此，这种成分设计为研究Ca和Sr替代在硅酸盐玻璃中的结构后果和功能影响提供了有意义的框架。尽管含CaO和SrO的生物活性玻璃已得到广泛研究，但引入Sr对结构的影响以及这两种改性剂是独立作用还是协同作用尚不明确。以往的研究大多仅依赖衍射实验或原子级模拟，难以揭示改性剂配位数和中等范围网络连接性的细微变化。在本研究中，我们结合了高能X射线衍射、逆蒙特卡洛（RMC）建模和经典分子动力学（MD）模拟，从而获得了一致的结构图像，并发现了混合改性剂组合物中明显的协同效应。这种综合方法能够揭示单一技术无法发现的改性剂之间的相互作用，这是本研究的主要创新点。表1总结了玻璃组合物、相应的密度[17]和样品标签。
样本制备
玻璃样品是在大气条件下，按照图1所示的热处理程序通过熔融淬火技术制备的。样品在铂坩埚中加热至1250°C并保持2小时15分钟；熔融过程中定期进行机械搅拌。熔融完成后，温度降至1000°C进行退火处理，随后迅速在不锈钢板上淬火以获得非晶态玻璃。
XRD结果
本研究获得的X射线结构因子如图2所示，同时参考了M. Fabian等人[17]报告的中子结构因子。为便于理解，需要说明的是，X射线衍射测量是在之前通过中子衍射研究的相同样品上进行的[17]。因此，图2中的比较仅涉及峰位的一致性和S(Q)的整体特征，绝对强度未进行比较。
结论
本研究利用逆蒙特卡洛（RMC）和分子动力学（MD）模型，并结合高能X射线衍射技术，研究了Sr/Ca替代对硅酸盐玻璃结构的影响。两种模型与所有三种组合物的实验数据（S(Q)高度吻合，证实这些玻璃属于玻璃形成区域，主要由角共享的SiO?四面体构成。Si–O和P–O键合环境以及Si–Si键长和配位数也得到了验证。
资助
CRediT作者贡献声明
Bushra Al Hasni：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。Margit Fábián：撰写与编辑、资源协调、数据分析、数据管理。P. Jóvári：撰写与编辑、研究监督、方法学设计、数据分析。Stefan Michalik：结果验证、软件应用、资源管理、方法学设计、实验研究、概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
