[发明专利]一种基于分子动力学的生物活性玻璃结构及XRD计算的模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于分子动力学的生物活性玻璃结构及XRD计算的模拟方法。该方法包括：编写脚本构建分子动力学模拟软件的数据文件，建立生物活性玻璃无定形结构的初始模型；选取生物活性玻璃的各原子之间相互作用力的势函数；通过分子动力学模拟软件运行计算，输出生物活性玻璃模型的原子坐标文件及XRD数据；结合可视化及数据分析软件得到生物活性玻璃微观结构信息。本发明基于分子动力学理论，通过分子动力学模拟方法得到该玻璃原子层面的结构信息及计算得出XRD，弥补了实验研究无法实现原子级结构分析的不足，以深入分析生物活性玻璃结构、离子扩散、表面特征与生物活性之间的联系，并可对不同组分生物活性玻璃结构进行性能预测。

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种基于分子动力学的生物活性玻璃结构及XRD计算的模拟方法。

背景技术

在生物医用材料领域中，生物活性玻璃(Bioactive Glasses,BG)因其具有优良的生物相容性及生物活性已经被广泛应用于组织修复与再生等临床治疗中，因此其生物活性机理的探索成为研究者们不可避免的问题。目前，研究者已通过各种生物学方法研究了BG在生物体中的作用机理，但是在材料结构方面，由于当前对于非晶体材料检测技术的局限性，计算机模拟已经成为研究无定形材料结构和性能的强大工具。

了解生物活性玻璃的结构至关重要，目的是为了更好的解释及优化实验。而且，通过计算机进行分子动力学模拟(MD)可得到玻璃结构的详细内容，以及关于复杂玻璃的结构与性能关系的重要信息。由于生物活性强烈依赖于离子物质在生理环境中的释放，所以直接预测玻璃的生物活性反应的先决条件是在原子水平上正确理解构成玻璃的组分结构，以及当改变玻璃组合物时发生在(亚)纳米尺度上的变化。利用分子动力学模拟技术，可以从原子层面对BG结构及表面特征进行微观层面深入解释及表征，并且能合理地设计用于生物材料的新型玻璃复合物以及实现BG与生物大分子的反应过程，以更准确的指导实验研究，从而降低研发成本。

现有的BG原子层面的结构可使用中子衍射、魔角旋转固态核磁共振技术以及高能X射线同步辐射等检测技术进行研究，测试其原子之间键长、配位、网络连接性等，但是这些测试昂贵，难预约，周期长，最后只能得到结构的单一性质。但是分子动力学模拟技术在同样时间内不仅可以得到可靠的BG结构，而且可以进行热力学、动力学等多种性能及结构的分析。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于分子动力学的生物活性玻璃结构及XRD计算的模拟方法。

本发明提供了一种基于分子动力学的生物活性玻璃烧结及XRD计算的模拟方法。该方法采用分子动力学模拟，选择合适的势函数，设定合理的模拟参数和方法步骤，直接得到生物活性玻璃结构的坐标文件与XRD数据，通过与实验对比，并对生物活性玻璃进行近程及中程结构分析。

首先，本发明可以为深入研究某一种生物活性玻璃微观结构及表面特征来对实验做出合理解释及表征提供一种方法；其次，可以根据此方法构建不同组分生物活性玻璃进行结构及性能预测来直接进行实验，避免大量实验开销；另外，也可以通过此方法来深入研究生物活性玻璃的结构及离子扩散性能与生物活性的联系等。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供的基于分子动力学的生物活性玻璃烧结及XRD计算的模拟方法，包括：选取能够反映生物活性玻璃体系所包含的各原子之间相互作用力的势函数；构建生物活性玻璃初始无定形结构模型并产生分子动力学模拟软件可识别的数据文件；确定分子动力学模拟计算过程参数及条件并写入分子动力学模拟软件中；通过分子动力学模拟软件计算并输出生物活性玻璃结构模型坐标文件及XRD数据；通过XRD数据与实验对比证明结构的可靠性，结合可视化和数据分析软件近程、中程结构分析得到生物活性玻璃微观结构信息。

本发明提供的基于分子动力学的生物活性玻璃结构及XRD计算的模拟方法，具体包括以下步骤：