用于药物包装的玻璃瓶需要极高的化学稳定性，避免可浸出离子释放到疫苗中。为了提高疫苗在玻璃瓶中的稳定性，应避免玻璃在制造过程中的表面和亚表面损伤，并尽量减少搬运和运输以及包装和储存过程中的接触载荷，以防止玻璃表面的潜在接触损伤。因此，应大大提高硼硅酸盐药用玻璃的力学性能和化学稳定性，以提高玻璃瓶的稳定性和使用寿命。但，水腐蚀对药用玻璃力学性能的影响往往易被忽视，即使没有物理接触，水分子也可以通过水合、水解和离子交换与硅酸盐玻璃表面反应，这种化学反应强烈影响玻璃的表面化学和纳米力学性能，水和玻璃表面的相互作用也会在静态条件下发生。因此，如果不了解水诱导的表面腐蚀对药用硼硅酸盐玻璃力学性能的影响，就不可能设计出具有优异力学性能的药用玻璃。
针对上述关键问题，齐鲁工业大学（山东省科学院）材料学部先进玻璃材料创新团队与丹麦奥尔堡大学岳远征教授团队、西南科技大学何洪途教授团队和山东省药用玻璃股份有限公司合作，在药用玻璃化学腐蚀行为和力学性能研究方面取得重要进展。
通过纳米压痕、纳米划痕和维氏压痕实验，系统研究了药用硼铝硅酸盐玻璃在各种腐蚀条件下的力学性能演变。揭示了水性腐蚀诱导的蚀变层与药用硼铝硅酸盐玻璃的力学性能之间的直接联系。腐蚀时间的延长会导致蚀变层厚度的增加和结构网络的水化。蚀变层中不同种类羟基在降低药用硼铝硅酸盐玻璃腐蚀后的纳米硬度、弹性模量、纳米耐磨性和维氏硬度方面起着关键作用。在纳米压痕和纳米磨损测试中，蚀变层中腐蚀诱导的“类二氧化硅”结构有利于亚表面的致密化，从而提高药用硼铝硅酸盐玻璃腐蚀后的断裂韧性。这项工作对提高玻璃的力学性能和延长其使用寿命具有重要意义。
图1 腐蚀导致玻璃表面含水量的变化。（a）不同腐蚀时间的BAS玻璃表面上氢离子分布的ToF-SIMS三维图像，（b）不同腐蚀条件下玻璃表面的拉曼光谱，（c）腐蚀时间与腐蚀层中含水量及含氢量的关系，（d）不同腐蚀条件下腐蚀层厚度与腐蚀层内总含水量的关系。
相关研究成果以“Impact of the aqueous corrosion induced alteration layer on mechanical properties of pharmaceutical glasses”（水腐蚀蚀变层对药用玻璃力学性能的影响）为题，近期在线发表于《npj Materials Degradation》（《npj - 材料腐蚀》）上。材料学部郑秋菊教授为第一作者，2021级研究生马新林为共同第一作者，岳远征教授和何洪途教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41529-024-00431-3
