Atomistic insights into the mixed-alkali effect in phosphosilicate glasses

Abstract

Oxide glasses have proven useful as bioactive materials, owing to their fast degradation kinetics and tunable properties. Hence, in recent years tailoring the properties of bioactive glasses through compositional design have become the subject of widespread interest for their use in medical application, e.g., tissue regeneration. Understanding the mixed alkali effect (MAE) in oxide glasses is of fundamental importance for tailoring the glass compositions to control the mobility of ions and, therefore, the glass properties that depend on it, such as ion release, glass transition temperature, and ionic conductivity. However, most of the previously designed bioactive glasses were based on trial-and-error, which is due to the complex glass structure that is nontrivial to analyze and, thus, the lack of a clear picture of the glass structure at short- and medium-range order. Accordingly, we use molecular dynamics simulations to study whether using the MAE can control the bioactivity and properties of 45S5 glass and its structural origins. We showed that the network connectivity, a structural parameter often used to access the bioactivity of silicate glasses, does not change with Na substitution with Li or K. On the contrary, the elastic moduli showed a strong dependence on the type of the modifier as they increased with increasing mean field strength. Similarly, the mobility of the glass elements was significantly affected by the type of modifier used to substitute Na. The change of the properties is further discussed and explained using changes at the short- and medium-range structure by giving evidence of previous experimental findings. Finally, we highlight the origin of the nonexistence of the MAE, the effect of the modifier on the bioactivity of the glasses, the importance of dynamical descriptors in predicting the bioactivity of oxide glasses, and we provide the necessary insights, at the atomic scale, needed for further development of bioactive glasses.

Recommended citation: Atila, Ouldhnini, Ouaskit, Hasnaoui. "Atomistic insights into the mixed-alkali effect in phosphosilicate glasses." Physical Review B. 105(13).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates the 'mixed-alkali effect' in phosphosilicate glasses, specifically the 45S5 bioactive glass, which is crucial for medical applications like bone regeneration. Bioactive glasses are designed to interact with the body, promoting healing and tissue growth. However, their properties, such as how quickly they break down and their mechanical strength, can be difficult to control, often leading to trial-and-error development. The researchers used advanced computer simulations (molecular dynamics) to understand how replacing some of the sodium in the glass with lithium or potassium affects its atomic structure, ion movement, and mechanical properties. They found that while the basic structure of the glass network doesn't change much, the way ions move and the glass's stiffness are significantly influenced by the type of alkali metal added. The key findings reveal that the 'mixed-alkali effect' is not as pronounced as expected in this specific type of bioactive glass. Instead, the addition of lithium or potassium alters the glass's density and how tightly packed its atoms are, which in turn affects its mechanical strength and how ions move within it. The study highlights that lithium tends to make the glass denser and stiffer, while potassium makes it more open and less stiff. This detailed atomic-level understanding is vital for designing future bioactive glasses with improved mechanical properties and controlled degradation rates, ultimately leading to better medical implants and treatments.

🇸🇦 العربية
تستكشف هذه الدراسة 'تأثير القلويات المختلطة' في زجاج الفوسفوسيليكات، وتحديداً الزجاج الحيوي 45S5، والذي يعد أمراً بالغ الأهمية للتطبيقات الطبية مثل تجديد العظام. تم تصميم الزجاج الحيوي للتفاعل مع الجسم، مما يعزز الشفاء ونمو الأنسجة. ومع ذلك، فإن خصائصه، مثل سرعة تحلله وقوته الميكانيكية، يمكن أن يكون من الصعب التحكم فيها، مما يؤدي غالباً إلى التطوير التجريبي. استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية متقدمة (الديناميكا الجزيئية) لفهم كيف يؤثر استبدال بعض الصوديوم في الزجاج بالليثيوم أو البوتاسيوم على تركيبه الذري، وحركة الأيونات، وخصائصه الميكانيكية. ووجدوا أنه بينما لا يتغير الهيكل الأساسي لشبكة الزجاج كثيراً، فإن طريقة حركة الأيونات وصلابة الزجاج تتأثر بشكل كبير بنوع المعدن القلوي المضاف. تكشف النتائج الرئيسية أن 'تأثير القلويات المختلطة' ليس قوياً كما هو متوقع في هذا النوع المحدد من الزجاج الحيوي. بدلاً من ذلك، يؤدي إضافة الليثيوم أو البوتاسيوم إلى تغيير كثافة الزجاج ومدى تماسك ذراته، مما يؤثر بدوره على قوته الميكانيكية وكيفية تحرك الأيونات داخله. تسلط الدراسة الضوء على أن الليثيوم يميل إلى جعل الزجاج أكثر كثافة وصلابة، بينما يجعله البوتاسيوم أكثر انفتاحاً وأقل صلابة. هذا الفهم التفصيلي على المستوى الذري حيوي لتصميم زجاج حيوي مستقبلي بخصائص ميكانيكية محسنة ومعدلات تحلل متحكم فيها، مما يؤدي في النهاية إلى زراعة وعلاجات طبية أفضل.

🇫🇷 Français
Cette étude examine 'l'effet des alcalins mixtes' dans les verres phosphosilicates, en particulier le verre bioactif 45S5, qui est essentiel pour les applications médicales telles que la régénération osseuse. Les verres bioactifs sont conçus pour interagir avec le corps, favorisant la guérison et la croissance tissulaire. Cependant, leurs propriétés, comme la vitesse de dégradation et la résistance mécanique, peuvent être difficiles à contrôler, conduisant souvent à un développement par essais et erreurs. Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques avancées (dynamique moléculaire) pour comprendre comment le remplacement d'une partie du sodium du verre par du lithium ou du potassium affecte sa structure atomique, le mouvement des ions et ses propriétés mécaniques. Ils ont constaté que si la structure de base du réseau de verre ne change pas beaucoup, la façon dont les ions se déplacent et la rigidité du verre sont significativement influencées par le type de métal alcalin ajouté. Les principales conclusions révèlent que 'l'effet des alcalins mixtes' n'est pas aussi prononcé que prévu dans ce type spécifique de verre bioactif. Au lieu de cela, l'ajout de lithium ou de potassium modifie la densité du verre et la compacité de ses atomes, ce qui affecte à son tour sa résistance mécanique et la manière dont les ions s'y déplacent. L'étude souligne que le lithium tend à rendre le verre plus dense et plus rigide, tandis que le potassium le rend plus ouvert et moins rigide. Cette compréhension détaillée au niveau atomique est vitale pour concevoir de futurs verres bioactifs avec des propriétés mécaniques améliorées et des taux de dégradation contrôlés, conduisant ainsi à de meilleurs implants et traitements médicaux.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht den 'Mischeffekt von Alkalimetallen' in Phosphosilikatgläsern, insbesondere im bioaktiven 45S5-Glas, das für medizinische Anwendungen wie die Knochenregeneration entscheidend ist. Bioaktive Gläser sind so konzipiert, dass sie mit dem Körper interagieren und Heilung sowie Gewebewachstum fördern. Ihre Eigenschaften, wie z. B. die Abbaurate und die mechanische Festigkeit, können jedoch schwer zu kontrollieren sein, was oft zu einer Entwicklung durch Versuch und Irrtum führt. Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen (Molekulardynamik), um zu verstehen, wie der Ersatz eines Teils des Natriums im Glas durch Lithium oder Kalium dessen Atomstruktur, Ionenbewegung und mechanische Eigenschaften beeinflusst. Sie stellten fest, dass sich zwar die Grundstruktur des Glasnetzwerks nicht wesentlich verändert, die Art der Ionenbewegung und die Steifigkeit des Glases jedoch erheblich vom Typ des hinzugefügten Alkalimetalls beeinflusst werden. Die wichtigsten Ergebnisse zeigen, dass der 'Mischeffekt von Alkalimetallen' bei diesem speziellen Typ von bioaktivem Glas nicht so ausgeprägt ist wie erwartet. Stattdessen verändert die Zugabe von Lithium oder Kalium die Dichte des Glases und die Packungsdichte seiner Atome, was sich wiederum auf seine mechanische Festigkeit und die Ionenbewegung darin auswirkt. Die Studie hebt hervor, dass Lithium das Glas tendenziell dichter und steifer macht, während Kalium es offener und weniger steif macht. Dieses detaillierte Verständnis auf atomarer Ebene ist entscheidend für die Entwicklung zukünftiger bioaktiver Gläser mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und kontrollierten Abbauraten, was letztendlich zu besseren medizinischen Implantaten und Behandlungen führt.