Atomistic insights into the structure and elasticity of densified 45S5 bioactive glasses

The mechanical properties of bioactive glasses could be tailored without losing their bioactive nature by quenching under pressure.

Abstract

Glasses have applications in regenerative medicine due to their bioactivity, enabling interactions with hard and soft tissues. Soda-lime phosphosilicate glasses, such as 45S5, represent a model system of bioactive glasses. Regardless of their importance as bioactive materials, the relationship between the structure, density, and cooling process has not been studied in detail. This hinders further development of glasses as biomaterials. We used molecular dynamics simulations to study the elastic and structural properties of densified 45S5 bioactive glass and liquids over a wide range of densities. We performed a systematic analysis of the glass structure to density relationship to correlate the change in the properties with the structural change to enhance the mechanical properties of bioactive glasses while preserving their bioactive nature. The results show that the glass structure tends to be repolymerized, as indicated by increased network connectivity and a tetrahedral to octahedral polyhedral transition. We were able to tailor the elastic properties while keeping the bioactivity of the glass. The results presented here will provide some guidance to develop bioactive glasses with enhanced mechanical properties.

Recommended citation: Ouldhnini, Atila, Ouaskit, Hasnaoui. "Atomistic insights into the structure and elasticity of densified 45S5 bioactive glasses." Physical Chemistry Chemical Physics. 23(28).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
This study investigates the structure and mechanical properties of a specific type of bioactive glass, known as 45S5, which is used in regenerative medicine for bone and dental implants. The problem is that while these glasses are good at integrating with the body, their mechanical strength is often not sufficient for demanding applications. The researchers used advanced computer simulations (molecular dynamics) to explore how changing the density of the glass affects its atomic structure and its ability to withstand force. They found that increasing the glass's density leads to significant changes in its atomic arrangement, making it stronger and more rigid. This structural change allows for the development of stronger bioactive glasses. The key finding is that by carefully controlling the density of the glass, its mechanical properties can be significantly improved while still maintaining its ability to interact positively with the body. This research could lead to the development of more durable and effective bone implants and other medical devices, improving patient outcomes and reducing the need for revision surgeries.

🇸🇦 العربية
تدرس هذه الدراسة بنية وخصائص ميكانيكية لنوع معين من الزجاج الحيوي، المعروف باسم 45S5، والذي يستخدم في الطب التجديدي لزراعة العظام والأسنان. تكمن المشكلة في أنه بينما هذه الزجاجات جيدة في الاندماج مع الجسم، فإن قوتها الميكانيكية غالبًا ما تكون غير كافية للتطبيقات المتطلبة. استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية متقدمة (ديناميكيات جزيئية) لاستكشاف كيف يؤثر تغيير كثافة الزجاج على بنيته الذرية وقدرته على تحمل القوة. وجدوا أن زيادة كثافة الزجاج تؤدي إلى تغييرات كبيرة في ترتيبه الذري، مما يجعله أقوى وأكثر صلابة. يسمح هذا التغيير الهيكلي بتطوير زجاج حيوي أقوى. النتيجة الرئيسية هي أنه من خلال التحكم الدقيق في كثافة الزجاج، يمكن تحسين خصائصه الميكانيكية بشكل كبير مع الحفاظ على قدرته على التفاعل بشكل إيجابي مع الجسم. يمكن أن يؤدي هذا البحث إلى تطوير زرعات عظام أكثر متانة وفعالية وأجهزة طبية أخرى، مما يحسن نتائج المرضى ويقلل الحاجة إلى جراحات المراجعة.

🇫🇷 Français
Cette étude examine la structure et les propriétés mécaniques d'un type spécifique de verre bioactif, connu sous le nom de 45S5, utilisé en médecine régénérative pour les implants osseux et dentaires. Le problème est que, bien que ces verres s'intègrent bien au corps, leur résistance mécanique n'est souvent pas suffisante pour les applications exigeantes. Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques avancées (dynamique moléculaire) pour explorer comment la modification de la densité du verre affecte sa structure atomique et sa capacité à résister aux forces. Ils ont découvert qu'une augmentation de la densité du verre entraîne des changements significatifs dans son arrangement atomique, le rendant plus solide et plus rigide. Ce changement structurel permet le développement de verres bioactifs plus résistants. La principale conclusion est qu'en contrôlant soigneusement la densité du verre, ses propriétés mécaniques peuvent être considérablement améliorées tout en conservant sa capacité à interagir positivement avec le corps. Cette recherche pourrait conduire au développement d'implants osseux et d'autres dispositifs médicaux plus durables et efficaces, améliorant les résultats pour les patients et réduisant le besoin de chirurgies de révision.

🇩🇪 Deutsch
Diese Studie untersucht die Struktur und die mechanischen Eigenschaften einer spezifischen Art von bioaktivem Glas, bekannt als 45S5, das in der regenerativen Medizin für Knochen- und Zahnimplantate verwendet wird. Das Problem ist, dass diese Gläser zwar gut mit dem Körper interagieren, ihre mechanische Festigkeit jedoch oft nicht für anspruchsvolle Anwendungen ausreicht. Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen (Molekulardynamik), um zu untersuchen, wie die Änderung der Glasdichte seine atomare Struktur und seine Fähigkeit, Kräften standzuhalten, beeinflusst. Sie stellten fest, dass eine Erhöhung der Glasdichte zu signifikanten Veränderungen in seiner atomaren Anordnung führt, wodurch es stärker und steifer wird. Diese strukturelle Veränderung ermöglicht die Entwicklung stärkerer bioaktiver Gläser. Die wichtigste Erkenntnis ist, dass durch sorgfältige Kontrolle der Glasdichte seine mechanischen Eigenschaften erheblich verbessert werden können, während seine Fähigkeit zur positiven Interaktion mit dem Körper erhalten bleibt. Diese Forschung könnte zur Entwicklung haltbarerer und effektiverer Knochenimplantate und anderer medizinischer Geräte führen, was die Patientenergebnisse verbessert und die Notwendigkeit von Nachoperationen reduziert.