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材料研究学报  2014, Vol. 28 Issue (2): 133-138    DOI: 10.11901/1005.3093.2013.325
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羟基磷灰石/α-氰基丙烯酸正丁酯相互作用及力学性能的MD模拟*
汪焰恩1(),魏庆华1,2,杨明明1,2,魏生民1,2
1. 西北工业大学 机电学院 西安 710072
2. 西北工业大学 现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 西安 710072
Molecular Dynamics Simulation of Mechanical Properties and Surface Interaction for HA/NBCA
Yanen WANG1,**(),Qinghua WEI1,2,Mingming YANG1,2,Shengmin WEI1,2
1. Mechatronics School, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072
2. The Key Laboratory of Contemporary Design and Integrated Manufacturing Technology, Ministry of Education, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072
引用本文:

汪焰恩,魏庆华,杨明明,魏生民. 羟基磷灰石/α-氰基丙烯酸正丁酯相互作用及力学性能的MD模拟*[J]. 材料研究学报, 2014, 28(2): 133-138.
Yanen WANG, Qinghua WEI, Mingming YANG, Shengmin WEI. Molecular Dynamics Simulation of Mechanical Properties and Surface Interaction for HA/NBCA[J]. Chinese Journal of Materials Research, 2014, 28(2): 133-138.

全文: PDF(2756 KB)   HTML
摘要: 

基于羟基磷灰石陶瓷微球人工骨支架的制备工艺, 用分子动力学(MD)方法研究了羟基磷灰石(HA)的三个晶面(001)、(100)、(110)分别与生物胶黏剂α-氰基丙烯酸正丁酯(NBCA)相互作用后混合体系的结合能, 并计算分析了(110)晶面的力学性能和径向分布函数。结果表明, 三晶面所对应结合能关系为H A( 110 ) >H A( 100 ) >H A( 001 ); HA(110)晶面与NBCA之间粘结强度高于HA(100)和HA(001)晶面; 对聚合度为40的NBCA聚合物与HA相互作用的MD计算表明, HA(110)/NBCA混合体系的力学性能比单组份HA体系有所下降, 但满足人工骨对力学性能的要求; 元素之间的径向分布函数揭示了混合体系HA/NBCA组分之间的相互作用机理, NBCA与HA(110)晶面存在较强的相互作用。其主要原因是, NBCA中的N原子和羰基中的O原子分别与HA中的H原子形成的氢键, 进而说明了HA对NBCA的强吸附作用。
关键词 ： 材料科学基础学科,  羟基磷灰石,  α-氰基丙烯酸正丁酯,  分子动力学,  结合能,  力学性能,  径向分布函数    
Abstract：

Molecular dynamics simulation was applied to investigate the binding energy of NBCA on HA crystallographic planes (001), (100) and (110), and then the mechanical properties and radial distribution function of the HA(110)/NBCA mixed system were calculated and analyzed. The results show that HA (110) has the highest binding energy with NBCA because of its higher planar atom density than that of HA (001) and (100). The mechanical properties of HA(110)/NBCA mixed system is weaker than one-component HA system. However, the NBCA contains 40 monomers, its mechanical properties completely meet the requirements for the artificial bone scaffold. By calculating the radial distribution function of HA(110)/NBCA, the essence of its interface interaction were elucidated. There is a strong interaction between HA crystallographic plane (110) and NBCA, it mainly derives from the hydrogen bonds between O atoms which connect with C atoms of NBCA and H atoms in HA crystal, and a strong adsorption effect can be demonstrated between HA and NBCA.
Key words： foundational discipline in materials science    HA    NBCA    molecular dynamics    binding energy    mechanical properties    radial distribution function
收稿日期: 2013-05-25     
基金资助:* 国家自然科学基金51175432、50905147, 教育部高校博士点专项科研基金20116102110046, 陕西省自然科学基金2011JQ7005, 西北工业大学博士论文创新基金201213, 西北工业大学研究生创业种子基金Z2013043 资助项目。
作者简介: 本文联系人: 汪焰恩
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汪焰恩
魏庆华
杨明明
魏生民

链接本文:

https://www.cjmr.org/CN/10.11901/1005.3093.2013.325      或      https://www.cjmr.org/CN/Y2014/V28/I2/133

图1  HA表面的球棍模型, (a) HA(0 0 1), (b) HA(1 0 0), (c) HA(1 1 0)本论文中, 所有图内氧原子, 氢原子, 氮原子, 碳原子, 钙原子, 磷原子分别用红色, 灰白色, 深蓝色, 灰黑色, 绿色和粉红色表示
图2  聚合度为40的α-氰基丙烯酸正丁酯NBCA
Forcefield Non- bond Summation method Ensemble Temperature Cut-off distance Thermostat Barostat Equilibrium Production Time Step Frame output
COMPASS Vdw,Coulomb Atom based, Ewald NVT 310 K 1.55 nm Andersen steps Parrinello steps 300,000 100,000 0.1fs Every 300 steps
表1  HA/NBCA 分子动力学模拟的参数设置
图3  HA(100)/(001)/(110)与NBCA混合体系分子动力学计算前/后模型
E H A s u r f a c e (K J? m o l - 1 ) E N B C A (K J? m o l - 1 ) E H A+N B C A (K J? m o l - 1 ) - E i n t e r (K J? m o l - 1 )
(0 0 1) 29485532.92 80290.54 29241730.82 324092.64
(1 0 0) 29780245.51 94178.91 29506537.85 367886.57
(1 1 0) 56216546.17 99364.56 55910123.82 405786.91
表2  结合能能的计算 (compass)
图4  HA与NBCA的结合能柱状图
原子团 HA(001) HA(110) HA(100)
C a 0.02 0.23 0.21
P O 4 0.11 0.12 0.11
O H 0.06 0.072 0.072
表3  HA表面的原子密度 (原子(×0.1 nm)-2)
Axis Young Modulus/GPa Poission Ratios
HA HA/NBCA
X 54.3 50.5 Exy 0.28 Exz 0.29
Y 54.3 51.4 Eyx 0.34 Eyz 0.31
Z 62.5 38.2 Ezx 0.21 Ezy 0.26
表4  杨氏模量E与泊松比λ
图5  HA(110)/NBCA的径向分布函数
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