含有MgO-SrO的硅酸盐基生物活性玻璃的结构-性能关系研究：实验与分子动力学模拟分析

《Methods》：Investigation on structure–property relationships of MgO-SrO containing silicate-based bioactive glasses: An experimental and molecular dynamics simulation study

生物活性玻璃结构优化与离子释放调控研究：通过分子动力学模拟和实验分析，系统考察了60SiO?–(31–x)CaO–4P?O?–5MgO–xSrO（x=0,1,3,5,8,10,15,20）系列玻璃的Si–O、P–O键长及分布，发现M5S5具有最佳结构均一性（R因子0.838252）、离子聚类平衡及长效Si??/Mg2?/Sr2?协同释放特性，同时其抗菌效率较基准配方M5S0提升显著（p<0.001）。

　　
该研究聚焦于设计兼具结构稳定性和优异生物功能的复合型生物活性玻璃（MSBGs），通过分子动力学模拟与实验验证相结合的方法，系统评估了不同SrO取代量对材料微观结构、离子释放行为及抗菌性能的影响。研究以60SiO?–31CaO–4P?O?–5MgO为基准体系，逐步将CaO替换为0-20 mol%的SrO，形成M5S0至M5S20系列样品，旨在揭示MgO与SrO协同作用对材料性能的调控机制。

在材料设计策略上，研究者采用了双网络调节机制：固定5 mol% MgO作为弱网络修饰剂，通过其较小的电荷（+2）与桥氧键的弱相互作用维持玻璃网络的整体性，同时引入0-20 mol% SrO进行梯度取代。这种设计既保留了传统BGs中SiO?和PO?四面体的基本结构单元，又通过Sr2?的引入形成具有特定离子释放特征的复合网络。研究特别强调将MgO含量固定，从而排除了Mg2?浓度波动对结果的干扰，使SrO取代的独立效应得以清晰呈现。

分子动力学模拟采用Buckingham短程势和库仑长程势构建三维模型，通过原子级模拟揭示结构-性能关系。计算结果表明，所有MSBGs均保持稳定的四面体网络结构，Si–O键长均值为1.609 ?，P–O键长1.491 ?，键角分布集中在109.3°-109.4°，符合理想的SiO?/PO?四面体构型。值得注意的是，随着SrO含量增加（x从0到20），Si–O–Si键占比稳定在88-89%，而Si–O–P键比例呈现非线性变化（11-12%），这暗示SrO取代主要影响局部网络连接方式而非整体拓扑结构。

离子释放实验采用ICP-AES在模拟体液（SBF）中进行24小时动态监测。结果显示，M5S5在Si??、Mg2?和Sr2?释放速率及总量上均达到最优平衡。当SrO取代量超过5 mol%（如M5S8）时，Sr2?的快速释放导致玻璃网络过度解聚，释放曲线呈现双峰特征：初期快速释放后进入平台期，这与MD模拟中BO/NBO比例变化（SrO取代使BO比例下降12-15%）相吻合。相反，M5S5的持续稳定释放（日均释放量约0.35 mmol/g）源于其独特的离子配位环境——Sr2?优先占据桥氧位置，形成[Si–O–Sr–O]链结构，有效阻断了Mg2?的迁移通道。

抗菌性能测试采用革兰氏阴性菌（E.coli）作为模型体系，M5S5展现出显著优于其他样品的抗菌效果（p<0.001）。其作用机制可能涉及双重协同效应：一方面，Mg2?通过螯合作用稳定生物膜形成所需的金属离子簇；另一方面，Sr2?与磷酸根的配位能力（PO?3?/[Sr2?]?）可诱导细菌细胞膜通透性改变。特别值得注意的是，当SrO含量达到5 mol%（M5S5）时，材料表面形成了高密度（约2.1×101?个/m2）的羟基配位位点，这些活性位点在37℃环境下可快速吸附细菌表面的脂多糖蛋白，形成物理-化学双重屏障。

结构优化方面，R因子分析显示M5S5（0.838）在微观结构均匀性上达到最佳状态。这与其独特的离子分布模式密切相关：在x=5时，Sr2?与Mg2?形成交替排列的[Si–O–Mg–O–Sr–O]链段，使玻璃网络在保持高密度的同时（2.68 g/cm3）又具备适度的离子扩散通道。对比实验进一步表明，当SrO取代量超过8 mol%（如M5S10）时，会出现明显的离子团簇现象（Sr2?聚集度增加37%），这导致溶解速率异常波动（标准差从5%增至18%）。

该研究在生物活性玻璃领域实现了三方面突破：其一，首次系统揭示了MgO-SrO双修饰体系中离子配位网络的动态平衡机制，发现5 mol% MgO与5 mol% SrO的协同配位可使桥氧比例提升至78%；其二，建立了结构参数与抗菌性能的量化关系，通过R因子与抑菌率的相关性分析（r2=0.92），成功预测出最佳抗菌组分；其三，提出了"梯度离子释放"新范式，M5S5在72小时内释放的Sr2?总量为0.38 mmol/g，同时保持Si??的缓释特性（日均释放0.18 mmol/g），这种离子释放动力学与骨矿化速率（0.25-0.35 mmol/g·day）高度吻合。

在应用导向方面，研究证实M5S5具有优异的骨传导性能（模拟测试显示骨细胞黏附率提升42%），同时其表面羟基覆盖率（约65%）为蛋白质吸附提供了足够活性位点。更值得关注的是，该材料在8% NaOH处理下仍能保持92%的机械强度，这种抗溶解特性使其在口腔修复领域具有潜在应用价值。研究建议后续工作应聚焦于长期体内环境（如pH波动、机械应力）下的性能稳定性，以及与其他骨修复材料的复合效应。

该成果为生物活性玻璃的设计提供了新的理论框架：在特定MgO-SrO比例下，材料的离子释放行为可被精准调控，同时保持结构完整性。这种"成分-结构-性能"的定向设计思路，对开发具有多重治疗功能的智能型生物材料具有重要指导意义。