利用分子动力学模拟对稀土掺杂的铈基生物活性玻璃从原子层面到生物学层面的性能进行评估，以探讨其在生物医学应用中的潜力

《Journal of Rare Earths》：Atomic-to-biological evaluation of rare earth substituted cerium-doped bioactive glasses for biomedical applications using molecular dynamics simulations

分子动力学模拟与MTT检测表明，铈掺杂生物活性玻璃（60SiO?–(36–x)CaO–4P?O?–xCeO?，x=0,1,3,5,8,10,15,20）中铈含量增加会提升氧密度但降低Si–O–Si键合，Q3/Q4比例下降而Q1/Q2上升，网络稳定性减弱。Ce3样品在结构均匀性（R=0.73）和离子释放平衡性方面最优，且显著促进成骨细胞增殖（p<0.05），证实铈掺杂对生物活性的协同增强作用。

　　

阿米尔侯赛因·莫加尼安（Amirhossein Moghanian）、阿尔曼·塔耶比（Arman Tayebi）、拉明·法尔马尼（Ramin Farmani） 伊朗卡兹温伊玛目霍梅尼国际大学工程学院材料工程系，邮编34149-16818

摘要

本研究采用分子动力学（MD）模拟结合3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯四唑ium溴化物（MTT）检测方法，对掺铈的生物活性玻璃（C-BGs）进行了分析。这些玻璃的化学组成为60SiO₂–(36–x)CaO–4P₂O₅–xCeO₂（其中x分别为0、1、3、5、8、10、15、20摩尔百分比），旨在探讨CeO₂含量对材料结构性质、离子聚集行为及溶解行为的影响。结果表明： 1. **短程结构分析**显示SiO₄/PO₄四配体结构稳定，Si–O和P–O键长分别为0.161 nm和0.150 nm，O–Si–O/O–P–O键角约为109.3°； 2. **CeO₂含量增加**会提高氧原子密度，但降低Si–O–Si键的连接性，使玻璃网络中非桥接氧（NBO）的比例上升； 3. **Qⁿ（n表示与Si原子相连的桥接氧原子数）分析**表明，Ce替代会降低Q³/Q⁴比值，从而降低网络稳定性； 4. **网络密度**随CeO₂添加量增加而逐渐升高（从Ce0的2.66 g/cm³升至Ce20的3.33 g/cm³），这归因于Ce–O八面体的较高摩尔质量及其紧密堆积； 5. **R因子**评估显示Ce3掺杂时结构均匀性最佳（R=0.73），能有效减少阳离子聚集，同时保持与网络形成物质的充分相互作用，确保溶解过程可控； 6. **ICP-AES**分析证实Ce3掺杂的玻璃能持续、平衡地释放Si⁴⁺、Ca²⁺和Ce³⁺/Ce⁴⁺离子（7天内）； 7. **MTT实验**显示Ce3掺杂的玻璃显著促进成骨细胞增殖（p值<0.05至<0.0001），表明结构稳定性具有协同效应； 8. 在所有组合物中，Ce3在网络稳定性和溶解行为之间实现了最佳平衡，能有效减少阳离子聚集并保持足够的非桥接氧含量，从而实现持续溶解。

引言

生物活性玻璃（BGs）因能够与活体组织直接结合、促进骨骼再生及调控生物过程而成为生物陶瓷领域的重要分支。自20世纪60年代亨奇（Hench）引入45S5化合物以来，大量研究致力于优化其结构和组成以提升生物性能。含有60摩尔百分比SiO₂的硅酸盐基BGs被证明具有优异的结构稳定性和溶解性能。通过掺杂治疗性元素可进一步提升这些生物材料的性能，这些元素能显著影响离子释放、溶解性、生物相容性和生物矿化过程。 近年来，稀土元素作为BGs的掺杂剂受到广泛关注，它们能与硅酸盐或磷酸盐玻璃网络形成体发生相互作用，显著改变玻璃的结构、稳定性和功能。铈（Ce）作为一种稀土元素，在材料科学尤其是生物材料领域备受重视，其Ce³⁺与Ce⁴⁺之间的氧化态转换赋予了其强大的抗氧化性能，有助于清除活性氧、减轻氧化应激，对组织再生和慢性炎症预防至关重要。在BGs中，铈的加入会改变桥接氧（BO）和非桥接氧（NBO）的分布及网络连接性（NC），进而影响溶解速率和离子释放模式。因此，掺铈的BGs除了具备基本生物特性外，还能提供额外的治疗功能，成为骨组织工程的理想材料。 然而，由于BGs的非晶态特性，现有表征方法仅能提供短程结构信息，中程结构需通过计算方法深入研究。分子动力学（MD）模拟是一种强大的工具，可在原子尺度上全面分析BGs的短程性质（如径向分布函数RDF、键角分布BAD、配位数CN）以及中程性质（如桥接氧和非桥接氧的分布）。LAMMPS（大规模原子/分子并行模拟器）作为先进的模拟工具，能模拟复杂系统，其熔融-淬火机制可生成与实验样品相似的非晶结构，模拟结果与实验数据高度吻合。 尽管对掺铈BGs的研究兴趣浓厚，但在原子尺度上仍有许多结构问题未得到解答，尤其是铈在硅酸盐-磷酸盐玻璃网络中的作用（包括其对原子间短程和中程连接的影响）。实验数据显示BGs的溶解行为具有非单调性甚至矛盾性，这可通过分子动力学模拟和网络结构分析来解释。本研究通过LAMMPS软件进行分子动力学模拟，详细分析了不同Ce含量的C-BGs的结构变化及离子释放特性，并评估了其生物相容性，为新一代再生生物材料的开发提供了理论基础。

模拟细节

模拟使用的BGs化学组成为60SiO₂–(36–x)CaO–4P₂O₅–xCeO₂（x分别为0、1、3、5、8、10、15、20摩尔百分比），分别命名为Ce0至Ce20。模拟过程中采用了Buckingham势（描述短程相互作用）和库仑势（描述长程相互作用）。Si–O、P–O、Ca–O、Ce–O及O–O键的径向分布函数（RDF）结果如图1(a)所示；P–O和Si–O键的平均长度分别为0.161 nm和0.150 nm。

结论

通过MD模拟和MTT检测发现，CeO₂掺杂的BGs（化学组成为60SiO₂–(36–x)CaO–4P₂O₅–xCeO₂，其中x分别为0、1、3、5、8、10、15、20摩尔百分比）在结构完整性和生物相容性方面表现出显著优势。CeO₂含量范围为0至20摩尔百分比，对应的样品编号为Ce0–Ce20。短程结构分析显示Si–O和P–O键长稳定（分别为0.161 nm和0.150 nm），O–Si–O/O–P–O键角也保持稳定。

作者声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。