综述：生物活性玻璃的结构与功能特性建模：从原子尺度到宏观尺度的视角

这篇综述系统阐述了多尺度建模技术（MD/DFT/TCT/FEM等）在生物活性玻璃（BGs）设计中的应用，揭示了从原子结构（如离子交换机制）到宏观性能（如孔隙率调控）的跨尺度关联，为优化其降解速率、生物活性（如Ca2+/Si4+释放）和机械性能（如仿骨梯度设计）提供了计算范式，推动其在骨再生、药物递送等生物医学领域的精准开发。

　　

Abstract

生物活性玻璃（BGs）因其独特的生物相容性和组织整合能力，已成为再生医学领域的研究热点。从骨缺损修复到癌症治疗，BGs的应用场景不断拓展，但其性能优化仍面临巨大挑战。究其根源，BGs的功能表现与其跨尺度结构特性密不可分——原子尺度的网络修饰（如Ca²⁺/P⁵⁺掺杂）、介观尺度的孔隙分布（仿骨小梁结构）及宏观尺度的机械强度梯度，共同决定了材料的降解行为与生物活性。传统实验方法虽能验证性能，却难以揭示微观机制。近年来，多尺度计算建模（分子动力学MD、密度泛函理论DFT、有限元FEM等）的引入，为解码"玻璃基因组"提供了新范式。

Introduction

自1969年问世以来，BGs已从最初骨结合材料发展为多功能生物平台。其核心在于通过可控溶解实现生物刺激，但这一过程涉及复杂的跨尺度相互作用：原子层面的Na⁺/H⁺交换、纳米尺度的羟基磷灰石成核、宏观尺度的支架力学衰减。自然骨的层级结构（胶原-矿物复合→骨单元→皮质/松质骨）启示研究者：BGs设计需同步考虑网络拓扑约束（TCT理论）、介孔通道输运（相场模型）和宏观应力分布（FEM仿真）。尤其值得注意的是，治疗性离子（如Zn²⁺/Cu²⁺）的控释动力学可通过MD模拟预测，而3D打印支架的溃缩行为则依赖宏观建模优化。

Glass Structural Modeling

原子尺度上，MD模拟揭示了SiO₂网络修饰剂（如CaO）如何通过非桥氧形成加速水解。典型案例是45S5玻璃的Na⁺溶出路径可视化，其扩散系数计算值与实验误差<5%。中尺度层面，拓扑约束理论（TCT）量化了网络连通度与溶解速率的数学关系——当约束数/原子>2.4时，玻璃网络呈现类晶体稳定性。有趣的是，DFT计算发现BGs表面羟基化会形成Si-OH···Ca²⁺活性位点，这解释了其自发性磷灰石沉积的分子机制。

Modeling of Mechanical Properties

力学性能的跨尺度调控尤为关键：MD模拟显示，当SiO₂含量>60mol%时，玻璃弹性模量骤增（源于[SiO₄]四面体聚合度提升）；而相场模型则证明30-50μm孔径分布可使支架压缩强度提升200%。特别值得关注的是，FEM分析揭示多孔支架的应力屏蔽效应与天然骨小梁高度匹配——当孔隙梯度呈径向分布时，其应变能密度误差<3%。

Conclusions and Perspectives for the Future

未来BGs建模将聚焦三大方向：①机器学习加速MD势函数开发，实现Pb²⁺等重金属掺杂的毒性预测；②多物理场耦合模型（流体-离子-力学联合仿真）指导血管化支架设计；③数字孪生技术实现从计算设计到临床验证的闭环优化。正如骨组织通过层级结构平衡强度与代谢需求，下一代BGs必将借助计算模拟实现"结构-功能"的精准编程。