使用从头算分子动力学模拟对铒铝硅酸盐（Holmium Alumino Silicate，简称HAS：Ho?O?-Al?O?-SiO?）玻璃进行结构分析

《Materials Chemistry and Physics》：Structural analysis of Holmium Alumino Silicate (HAS: Ho 2O 3-Al 2O 3-SiO 2) glasses using Ab initio molecular dynamics simulation

Ho掺杂Al-Si-O玻璃的原子级结构研究及实验验证

　　

阿努鲁普·达斯（Anurup Das）、A.S. 帕蒂尔（A.S. Patil）、M. 戈斯瓦米（M. Goswami）、维拉加·斯里哈里（Velaga Srihari）

印度孟买400085，巴巴原子研究中心（Bhabha Atomic Research Centre）玻璃与先进材料部门（Glass & Advanced Materials Division）

摘要

holmium铝硅酸盐（Ho₂O₃-Al₂O₃-SiO₂，简称HAS）玻璃在某些应用中具有重要意义，例如用于内部放射治疗的放射性核素负载微球，这些应用要求高稀土元素含量和结构稳定性。在这项研究中，我们基于密度泛函理论（density-functional theory），利用从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics）模拟系统地研究了三种不同Ho₂O₃含量的HAS玻璃的原子级结构。通过配对分布函数（pair distribution functions）、配位数统计（coordination number statistics）、氧物种分析（oxygen speciation）、SiO₄四面体的Qⁿ连接性（Qⁿ connectivity）、键角分布（bond-angle distributions）、结构因子（structure factors）、环尺寸统计（ring-size statistics）和孔洞尺寸分布（void-size distributions）等手段，分析了这些玻璃的短程和中等范围结构特征。研究结果表明：硅主要以四配位状态存在；铝分别处于四配位、五配位和六配位环境；Ho³⁺表现出较高的配位数，这证实了其作为网络修饰剂（network modifier）的作用。随着Ho₂O₃含量的增加，玻璃网络逐渐解聚，表现为非桥接氧原子的增多、Qⁿ物种向低值转变、网络连接性降低以及较大环结构和孔洞的形成。第一个尖锐衍射峰的演变与中等范围有序结构的改变直接相关。根据模拟结果，我们通过熔融淬火法合成了一种中间成分，并使用同步辐射X射线衍射（synchrotron X-ray diffraction）和拉曼光谱（Raman spectroscopy）验证了其结构。实验结果与模拟结果的高度吻合证明了该模拟方法的可靠性，并为设计含holmium的铝硅酸盐玻璃提供了全面的结构框架。

引言

肝细胞癌（HCC）是多个亚洲和非洲国家癌症相关死亡的主要原因之一。大多数HCC病例无法手术切除，预后较差，近三分之二的患者存活时间不足两年。五年生存率低于5% [1]、[2]、[3]。

由于术后肝衰竭的高风险，尤其是对于同时患有肝硬化的患者，肿瘤的手术切除受到限制。三十多年来，经动脉化疗栓塞（trans-arterial chemoembolization，简称TACE）一直被用来输送顺铂（cisplatin）、多柔比星（doxorubicin）、甲氨蝶呤（methotrexate）和紫杉醇（paclitaxel）等化疗药物，同时使用碘油（lipiodol）等栓塞剂。另一种方法是使用直径可控的微粒来吸附或封装治疗性放射性核素，如⁹⁰Y（Yttrium-90）。这种方法能够将药物选择性地输送到肿瘤血管中。⁹⁰Y发出的高能β射线（最大穿透深度为12毫米，能量E_βmax=2.28 MeV）确保了剂量的均匀分布。其64.1小时的半衰期便于制备和给药，同时将长期毒性风险降到最低。⁹⁰Y标记的微粒，如Theraspheres?（玻璃微球）和SIR-Spheres?（聚合物微球），已获得FDA批准用于治疗HCC和肝转移[4]。然而，这些产品的价格昂贵，普通患者难以负担。最近，S. Kumar和K. V. Vimalnath等人在文献中报道了成功的国产含ytria的玻璃微球开发[5]、[6]。选择铝硅酸盐玻璃作为基质，是因为其具有优异的ytria负载能力、相稳定性、生物相容性和强化学抗性。此外，这种玻璃基质在受到中子辐照时保持稳定，不会产生额外的放射性物质[5]。

通过在同一玻璃基质中用¹⁶⁶Ho替代⁹⁰Y可以带来一些优势，因为¹⁶⁶Ho是一种顺磁元素，可以在给药过程中促进磁共振成像（magnetic resonance imaging），并通过单光子发射计算机断层扫描（single-photon emission computed tomography）和磁共振成像（magnetic resonance imaging）进行可视化[7]。此外，¹⁶⁶Ho具有两种类型的β射线，最大能量分别为1.77 MeV（48.8%）和1.86 MeV，其在人体组织中的穿透深度为2.5-9毫米[7]。¹⁶⁶Ho的半衰期为26.8小时。在实验合成holmium铝硅酸盐（HAS）玻璃之前，分析其结构对于选择合适的成分非常重要。含有三价稀土阳离子的铝硅酸盐玻璃可以作为修饰剂，与三个[AlO₄]四面体单元和一个[AlO₆八面体单元结合，形成更复杂的玻璃结构[8]。已经使用了多种光谱技术，如核磁共振（NMR）[9]、傅里叶变换红外光谱（FTIR）[10]和自发拉曼散射（spontaneous Raman scattering）[11]来分析含稀土氧化物的铝硅酸盐（AS）玻璃的结构。研究表明，与碱金属或碱土金属AS玻璃相比，这些玻璃的结构无序程度更高，其中包含[SiO₄}、[AlO₄、[AlO₅]和[AlO₆等多种不同物种，这归因于阳离子场强度的增加[12]、[13]、[14]。实验研究证实了这些玻璃中存在大量五配位的铝，强调了稀土网络修饰剂性质和浓度的影响[15]。最近，使用经典分子动力学（classical MD）模拟对含ytrium的氧化铝硅酸盐玻璃进行了结构分析[16]、[17]。研究发现，随着二氧化硅浓度的增加，四配位铝的比例显著增加，而共享边的铝氧多面体的数量减少。此外，在这些铝硅酸盐玻璃中还检测到了氧三聚体。Sara Rhaissa Rezende dos Reis等人报道了holmium硅酸盐玻璃微球的实验合成方法及其应用，但未提供关于玻璃结构的详细信息[18]。Telma Zambanini等人也发表了使用溶胶-凝胶技术合成SiO₂-CaO-P₂O₅-Ho₂O₃玻璃的研究[19]。这种生物活性玻璃可用于治疗骨癌。除此之外，还有许多文献报道了holmium掺杂玻璃的成功实验合成[20]、[21]、[22]。

据我们所知，目前尚无使用从头算分子动力学（ab initio MD）模拟研究holmium掺杂铝硅酸盐玻璃结构的文献。在这种情况下，计算机模拟是一种宝贵的工具，可以帮助揭示实验技术难以获得的结构细节。通过基于模拟结构计算物理性质，研究人员可以建立与实验测量的宏观性质之间的关联。比较这两种方法不仅有助于验证模拟结果，还为实验研究提供了新的视角和方向，从而形成互利共赢的局面。

大多数玻璃模拟依赖于经典分子动力学（classical molecular dynamics，简称MD）；然而，这种方法由于缺乏准确的原子间势能（interatomic potentials），特别是在HAS玻璃的情况下，难以准确描述键的形成、键的断裂和特定位置的化学反应。相比之下，基于量子力学的从头算分子动力学（ab initio MD）提供了更高的准确性，但计算成本较高，限制了模拟的范围和时间长度。

在这项研究中，我们使用从头算分子动力学（ab initio MD）模拟了三种不同成分的HAS玻璃。对玻璃网络内的短程和中等范围有序结构进行了详细分析，并进行了孔洞分布分析。最后，根据模拟结果，使用其中一种成分实际合成了HAS玻璃。

计算细节

本研究采用基于密度泛函理论（density-functional theory，简称DFT）的从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics，简称AIMD）来模拟玻璃结构。这种方法消除了经典分子动力学（MD）中常用的经验性原子间势能的需求，后者往往缺乏处理复杂多组分玻璃所需的准确性和通用性。AIMD提供了更高的准确性和更强的预测可靠性[23]。在本研究中，我们模拟了三种成分的HAS模型。

计算结果与讨论

为了表征玻璃基质，需要从不同长度尺度对其进行分析，因为其原子排列是随机的。尽管整体上存在无序，但在短程和中等范围内仍存在一定程度的有序性。然而，缺乏长程有序性使得孔洞尺寸和环尺寸分布等因素对于正确理解玻璃结构至关重要。

实验结果与讨论

系统中存在共享边的四面体缺陷，这通过四元环（4-membered rings）得以体现[41]、[47]。HAS2中的这种环的数量少于HAS1，而在HAS3中更少；不过，HAS3中较大尺寸环的存在使得其结构比HAS2更加开放。此外，HAS2的O-Si-O键角约为108°，接近完美四面体单元的角度。因此，我们选择了HAS2的成分进行合成。

结论

本研究利用从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics，简称AIMD）模拟研究了三种不同成分的holmium铝硅酸盐（HAS）玻璃的结构特性：HAS1（SiO₂ 37%、Al₂O₃ 26%、Ho₂O₃ 37%）、HAS2（SiO₂ 37%、Al₂O₃ 21%、Ho₂O₃ 42%）和HAS3（SiO₂ 37%、Al₂O₃ 16%、Ho₂O₃ 47%）。结构分析涵盖了短程（约5 ?）和中等范围（约5-10 ?）的有序结构，重点关注配位环境、BO-NBO-TBO分布和Qⁿ等参数。

作者贡献声明

M. 戈斯瓦米（M. Goswami）：撰写、审稿与编辑、方法指导。A.S. 帕蒂尔（A.S. Patil）：数据整理。维拉加·斯里哈里（Velaga Srihari）：数据整理、形式分析。阿努鲁普·达斯（ANURUP DAS）：初稿撰写、形式分析、数据整理、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢巴巴原子研究中心（BARC）玻璃与先进材料部门（Glass & Advanced Materials Division，简称G&AMD）的J.B. Singh博士和玻璃与玻璃陶瓷部门（Glass & Glass-Ceramics Section，简称G&GCS）的A.K. Sahu博士对本工作的浓厚兴趣和大力支持。作者还感谢BARC的P.S. Ghosh博士提供VASP软件，以及BARC技术物理部门的Pritam Sarkar先生提供的XRD设施。作者同时对BARC固态物理部门的Sourabh Wajhal先生表示感谢。