Медицина играет очень важную роль в жизни современного человека. С развитием технологий нашего времени в ней открывается множествоперспективных и значимых направлений. Одним из таких является биомедицина. Развитие данной области медицины делает возможным появление новых лекарственных средств, новых подходов к лечению, более глубокое, понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе болезни, тем самым создавая фундамент для медицинских приложений, диагностики и лечения.
Для решения определенных задач в этом направлении нужны соответствующие материалы и технологии их получения. Например, для увеличения контраста изображения биологических объектов в биосенсорах, а так же для терапевтических целей и локальной доставки лекарственных препаратов возможно применение коллоидных квантовых точек (КТ) [1,2].На основе КТ сульфида свинца, синтез которых основан на реакции ионного обмена между ацетатом свинца и сероводородом [3], могут быть созданы эффективные маркеры для биомедицинских целей [4].Так же для биомедицинских целей выделяют целый класс материалов, с помощью которых возможно решение множества задач связанных с диагностикой очага инфекции в организме, локальной доставкой лекарственных средств и с последующим лечением. Эти материалы можно отнести к классу пористых [5–9].
Одними из эффективных методов создания пористых материалов являются электрохимические методы. К настоящему времени, методом электрохимического анодирования получены многие пористые полупроводники (например, por-Si, por-PbTe, por-SiC, por-GaN, por-GaAs, por- InAs и др.), оксиды металлов (например, por-Al2O3 пористые анодные оксиды ниобия, ванадия тантала) [10–17].
Технологии с использованием методов электрохимии обладают рядом достоинств, по сравнению со многими ресурсозатратными и требующими сложного технологического оборудования и специальных условий эксплуатации. Так, данная технология является производительной, относительно дешевой и простой, воспроизводимой, а также может быть полностью интегрирована с традиционными технологиями производства интегральных микросхем.
Пористый кремний (por-Si), получаемый методом электрохимического анодного травления, можно рассматривать как целый класс полупроводниковых материалов, свойства которых в значительной степени зависят от условий получения и параметров исходного, как правило, монокристаллического кремния [12,18–24]. Этот материал характеризуется уникальным строением: внутренняя структура высокопористого кремния обладает значительно развитой поверхностью, системой каналов и порами различного уровня (системы связанных мезо- и микропор) [21].
Среди многих областей применения пористого кремния одной из наиболее востребованных в настоящее время является биомедицина. В биомедицинских устройствах por-Si может быть использован в качестве различных функциональных элементов: в качестве материала-носителя для адресной доставки лекарств, в качестве фотосенсибилизаторов в фотодинамической терапии [5], модифицированные слои пористого кремния могут быть использованы в биосенсорах различного назначения [12].
Ряд качеств, присущих пористому кремнию, в отличии от многих других материалов, используемых в биомедицине делает его очень перспективным. Кремний является незаменимым микроэлементом в организме человека, поскольку функционирует как биологический структурообразующий элемент соединений, которые вносят вклад в архитектуру и упругость соединительной ткани [25]. Но в то же время кремний достаточно хорошо выводиться из организма, не оказывая никаких побочных действий. В человеческом организме усваивается около 4 % от общего количества поступившего кремния. Несмотря на существенные колебания в количестве поступающего в организм кремния, его содержание в крови остается стабильным. Все перечисленные качества делают por-Si биосовместимым, нетоксичным при введении пероральным путем в организм человека и биодеградируемым материалом.
Пористый кремний является продуктом электрохимического анодирования из пластин монокристаллического кремния в плавиковой кислоте раствора электролита, методами сухого или жидкостного контакта. Существенное различие этих методик заключается в том, что в первом случае контакт к монокристаллической пластине кремния осуществляется путем непосредственного соприкосновения электрода с образцом, в то время как во втором методе электрод находиться в электролите, не касаясь пластины,вследствие чего происходит формирование контакта жидкость-кремний [12].
Управление морфологией пор и их размерамиможет осуществляться путем регулирования плотности тока, типа и концентрации легирующей примеси, кристаллической ориентации пластины, и концентрации электролита в целях формирования макро-, мезо-и микропор [12,19, 20, 22, 26, 27]. Возможность легко регулировать размеры пор во время электрохимического травления является уникальным и важным для доставки лекарств свойством пористого Si. Поскольку другие пористые материалы, как правило, требуют более сложную процедуру управления размерами пор. Контроль пористости и размера порво время травленияможетосуществляетсяпутем корректировки тока в процессе травления. Как правило, большие плотности тока дают более крупные поры. Большие поры желательны при включении молекул большого размера или препаратов в поры. Размер пор и пористость является важным не только для загрузки лекарственного средства, но так же определяет скорости разложения пористой матрицы-хозяина Si. Самые маленькие пористые волокна в слое приводят к повышению скорости растворения, обеспечивая удобное средство контроля.
Для применений к биомедицине, часто желательно получить пористый Si в виде частиц или порошка. Пористый слой может быть удален из кремниевой подложки с процедурой, обычно называемой «отрывом». При травлении электролит заменяют другим раствором, содержащим низкий раствор HF, и падают импульс тока в течение нескольких секунд. В результате низкая концентрация HF создает ситуацию ограниченной диффузии, вследствие чего пористый слой удаляется быстрее, чем будет происходить процесс травления. В результате происходит отделение пористого слоя от кремниевой пластины. Этот слой образует пористую пленку, которая может быть преобразована в микрочастицы [5, 28].
В данной работе слои пористого кремния получали, методом сухого контакта в однокамерной электролитической ячейке [29]. Пластина монокристаллического кремния была закреплена на электрод (анод) и одна её частьвыполняла роль анодной стороны. Далее она погружалась в электролит, таким образом,чтобы анод не оказался в контакте с раствором. Электрохимическое травление осуществлялось в гальваностатическом режиме при плотностях тока 70 мА/см2 и временах порядка 25 мин для монокристаллических пластин марок КДБ-10(100), КЭФ-1(111), КЭФ-0.3(111).Далее монокристаллическая пластина погружалась в дисперсионную среду (вода или изопропиловый спирт), подвергалась ультразвуковому воздействию, вследствие чего пористый слой счищался и измельчался. Порошки получались после процесса сушки при комнатной температуре, полученных дисперсий.
Для исследования свойств пористых материалов используются различные методы, такие как магнитно-резонансная спектроскопия [29, 30], атомно-силовая микроскопия, сорбометрия [31]. В данной работе методом сорбометрии была измерена удельная площадь поверхности полученных порошков, а так же получено распределение пор по размерам. Так же было выявлено влияние параметров термоподготовки (термотренировки) на удельную площадь поверхности порошков. Данная процедура необходима для того, чтобы избавиться от возможных загрязнений поверхности и тем самым увеличить достоверность измерений. Параметрами термоподготовки выступают время и температура. По данным исследований было выявлено, что удельная площадь поверхности порошков марки КЭФ-0.3 составила порядка 200 м2/г и выбранные нами параметры термотренировки не влияют, в то время как для порошков марки КЭФ-1 удельная площадь поверхности варьируется от 50–100 м2/г в зависимости от выбранных параметров. Распределение пор по размерам было получено для порошков марки КЭФ-1. Данные показывают, что материал относиться преимущественно к мезопористым, так как порядка 81 % пор имеют диаметр от 2 нм до 50 нм.
Для оценки размеров частиц порошков пористого кремния, в зависимости от условий получения и исследования морфологии частиц por-Si в работе были использован метод атомно-силовой микроскопии в полуконтактном режиме (с модуляцией по амплитуде) [33–37].Исследования проводились на зондовой нанолаборатории Интегра Терма (НТ-МДТ, Зеленоград). В работе были использованы зондовые датчики марки NSG01.
Для исследований методом АСМ образцы готовились следующим образом:
1) полученная суспензия в ходе травления и процесса снятия пористого слоя разделялась на фракции методом центрифугирования;
2) осуществлялся забор фракций с одинаковойглубины пробирки и наносился на подложки из стекла;
3) сушка производилась при комнатной температуре;
На рисунках 1,2,3 приведены результаты исследования поверхности образцов методом АСМ, которые были подготовлены в соответствии с таблицей 1.
Таблица 1
Параметры подготовки образцов
|
Образец |
Название образца |
Дисперсионная среда |
Параметры центрифугирования |
|
|
Время, мин |
Скорость, тыс. об/мин |
|||
|
0 |
чистое стекло |
- |
- |
- |
|
1 |
Порошок марки КЭФ-1(111) на стекле |
вода |
30 |
10 |
|
2 |
Порошок марки КЭФ-1(111) на стекле |
вода |
30 |
13 |
Сравнительный анализ полученных данныхпоказал, что максимальный перепад высот (ΔZ) на чистом стекле составил порядка 10 нм (рисунок 1), в то время как на изображении с частицами кремния (рисунок 2, рисунок 3) ΔZ порядка единиц микрометров. Так же стоит отметить, что на изображениях видны и индивидуальные частицы, размер которых составляет единицы микрометров и меньше, а также агрегаты различных частиц с размерами порядка 50 мкм.
Рис. 1. Образец 0: а — 2D изображение поверхности; б — 3D изображение поверхности
Рис. 2. Образец 1: а — 2D изображение поверхности; б — 3D изображение поверхности
Рис. 3. Образец 3: а — 2D изображение поверхности; б — 3D изображение поверхности
Так как раствор, который наносился на стеклянную подложку, оптически прозрачен в видимом диапазоне спектра (т. е. отсутствуют частицы крупнее 400–600 нм), а по данным АСМ наблюдаются агрегаты размером в десятки мкм, то можно предположить, что в процессе сушки капли происходит агрегация частиц.Агрегаты носят фрактальную природу. В дальнейшем при подготовке образцов может быть рекомендовано ускорить процесс сушки, с целью избегания процессов образования агрегатов.
Таким образом, в данной работе приведен обзор областей применения и достоинств пористого кремния для решения задач биомедицины. Отработана технология и получены порошки на основе пористого кремния, а также дисперсии порошков в жидкости. Исследования порошков пористого кремния методом сорбиметрии показали, что в зависимости от условий получения порошки пористого кремния характеризуются различной удельной площадью поверхности Sуд (от 50 м2/г до 200 м2/г), причем Sуд больше для тех порошков por-Si, которые получены из кремния с меньшим удельным сопротивлением исходного материала.. Даны рекомендации по подготовке образцов для исследований методом АСМ.
Литература:
1. Мусихин С. Ф., Александрова О. А., Лучинин В. В., Максимов А. И., Мошников В. А. Полупроводниковые коллоидные наночастицы в биологии и медицине // Биотехносфера 2012. № 5–6.С. 40–48.
2. Зимин С. П., Горлачев Е. С. Наноструктурированные халькогениды свинца.// Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова- Ярославль, ЯрГУ, 2011.- 232 с.
3. Александрова О. А., Максимов А. И., Мараева Е. В., Матюшкин Л. Б., Мошников В. А., Мусихин С. Ф., Тарасов С. А. Синтез и самоорганизация квантовых точек сульфида свинца для люминесцентных структур, полученных методом испарения коллоидного раствора // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 2. С. 19–23.
4. Мараева Е. В., Матюшкин Л. Б. Получение и исследование нанодисперсных и наноструктурированных халькогенидов свинца // Молодой ученый. 2012. № 7. С. 33–36.
5. Porous silicon in drug delivery devices and materials / E. J. Anglin, L. С. Cheng, W. R. Freeman, and all // Adv Drug Deliv Rev. — 2008. — Vol. 60. — P.1–32
6. Зимина Т. М., Муратова Е. Н., Спивак Ю. М., Дрозд В. Е., Романов А. А. Технологии формирования и применение нанослоев и нанопористых композиций Al2O3 для микро- и нанотехники. // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 12. С. 15–24.
7. Electron structure of porous silicon obtained without the use of HF acid / Kashkarov V., Nazarikov I., Lenshin A., Terekhov V., Turishchev S., Agapov B., Pankov K., Domashevskaya E. // Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics. 2009. Т. 6. № 7. С. 1557–1560.
8. Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Агапов Б. Л., Турищев С. Ю., Домашевская Э. П. Получение нанокомпозитов пористого кремния с железом и кобальтом и исследование их электронного строения методами рентгеновской спектроскопии // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. С. 89.
9. Соцкая Н. В., Долгих О. В., Кашкаров В. М., Леньшин А. С., Котлярова Е. А., Макаров С. В. Физико-химические свойства поверхностей модифицированных наночастицами металлов // Сорбционные и хроматографические процессы. 2009. Т. 9. № 5. С. 643–652.
10. Nanostructured Materials in Electrochemistry // Edited by Ali Eftekhari. / WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 2008. 463 p
11. Лыньков Л. М., Мухуров Н. И. Микроструктуры на основе анодной алюмооксидной технологии: Монография: // Мн.: Бестпринт, 2002. — 216 с.
12. . Мошников В. А., Спивак Ю. М. Глава 5. «Электрохимические методы получения пористых материалов для топливных элементов» [Текст] // Основы водородной энергетики / Под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Терукова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ» — 2011–288с.
13. С. А. Гаврилов, А. Н. Белов. Электрохимические процессы в технологии микро- и нано- электроники: учеб. Пособие / М.: Высшее образование, 2009. — 257 с.
14. Афанасьев А. В., Ильин В. А., Мошников В. А., Соколова Е. Н., Спивак Ю. М. Синтез нано- и микропористых структур электрохимическими методами // Биотехносфера. 2011. № 1–2. С. 39–45.
15. Мошников В.А, Соколова Е. Н., Спивак Ю. М. Формирование и анализ структур на основе пористого оксида алюминия / Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011, вып 2, С. 13–19.
16. Муратова Е. Н., Спивак Ю. М., Мошников В. А., Петров Д. В., Шемухин А. А., Шиманова В. В. Влияние технологических параметров получения слоев нанопористого Al2O3 на их структурные характеристики // Физика и химия стекла. 2013. Т. 39. № 3. С. 473–480.
17. Белов А. Н. Процессы формирования наноструктур на основе пористых анодных оксидов металлов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва, 2011, 48 с.
18. Получение нанопористых материалов методом электрохимического анодирования [Текст] учеб.пособие// Химические методы получения керамических и полимерных наноматериалов из жидкой фазы: Учеб.пособие / Под общ. редакцией В. В. Лучинина и О. А. Шиловой / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». СПб., 2013. 218 с.
19. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Спивак Ю. М., Мошников В.А // Исследование электронного строения и фазового состава пористого кремния Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 3. С. 383–392.
20. Травкин П. Г., Воронцова Н. В., Высоцкий С. А., Леньшин А. С., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование закономерностей формирования струкруты пористого кремния при многостадийных режимах электрохимического травления // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 4. С. 3–9.
21. Канагеева Ю. М., Савенко А. Ю., Лучинин В. В., Мошников В. А., Зимин С. П., Бучин Э. Ю. Изучение структурно-морфологических особенностей маркопористого кремния при препарировании образцов остросфокусированным ионным пучокм // Петербургский журнал электроники. 2007. № 1. С.35.
22. Леньшин А. С., Кашкаров В. М., Середин П. В., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование электронного строения и химического состава пористого кремния, полученного на подложках n- и p-типа методами XANES и ИК-спектроскопии // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45. № 9. С. 1229.
23. Investigations of nanoreactors on the basic of p-type porous silicon: electron structure and phase composition / Lenshin A. S., Kashkarov V. M., SpivakYu.M., Moshnikov V.A // Materials Chemistry and Physics. 2012. С. 293
24. XANES and IR spectroscopy study of the electronic structure and chemical composition of porous silicon on n- and p-type substrates / Lenshin A. S., Kashkarov V. M., Seredin P. V., Spivak Y. M., Moshnikov V. A. // Semiconductors. 2011. Т. 45. № 9. С. 1183–1188.
25. Feudis, F. D. Advanas in Ginkgo biloba Extract research/ F. D. Feudis // Elsevier. Paris. — 1997. — Vol.6 — P.132–134.
26. Спивак Ю. М., Соколова Е. Н., Петенко О. С., Травкин П. Г. Определение параметров пористой структуры в por-Si и por-Al2O3 путем компьютерной обработки данных растровой и атомно-силовой микроскопии // Молодой ученый. 2012. № 5. С. 1–4.
27. Investigation of nanoreactors on the basic of p-type porous silicon: electron structure and phase composition / Lenshin A. S., Kashkarov V. M., Spivak Y. M., Moshnikov V. A. // Materials Chemistry and Physics. 2012. С. 293.
28. Белорус А. О., Матюшкин Л. Б., Спивак Ю. М. Получение порошков пористого кремния из монокристаллического кремния n- и p-типа электрохимическим анодированием // Труды всеросс.68-ойнауч.-техн.конф,посвященной Дню радио. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. С. 266.
29. Nuclear magnetic resonance investigation of the surface structure of porous silicon / Mamykin A. I., Il'inA.Yu., Moshnikov V. A., Mamykin A. A., Pershin A. I., Mokrousov N. E. // Semiconductors. 1995. Т. 29. С. 979.
30. Magnetic resonance spectroscopy of porous quantum-size structures / Mamykin A. I., Moshnikov V. A., Il'inA.Yu. // Semiconductors. 1998. Т. 32. № 3. С. 322–324.
31. Леньшин А. С., Мараева Е. В. Исследование удельной поверхности перспективных пористых материалов и наноструктур методом тепловой десорбции азота // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», СПб, изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011 — N6 — с.9–16
32. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Метрологический тестовый // Патент на полезную модель RUS 95396 11.01.2010
33. Атомно-силовая микроскопия для на-нотехнологии и диагностики [Текст]: учеб. пособие./ В. А. Мошников. и др; — СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009г. — 80 с.
34. Atomic force microscopy of polyaniline with global structure / Spivak Y. M., Moshnikov V. A., Sapurina I., Kazantseva N. E. //The Technical University of Varna. AnnualProceedings. 2010. Т. 1. С. 103–109.
35. Козловский Э. Ю., Спивак Ю. М., Мошников В. А., Пономарева А. А., Селезнев Б. И., Иванов Н. Н., Желаннов А. В. Транзисторные структуры PHEMT: Исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры методами атомно-силовой микроскопии // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2010. Т. 1. № 94. С. 18–28.
36. Ю. М. Спивак, В. А. Мошников Особенности строения фоточувствительных поликристаллических слоев на основе PbCdSe сетчатого типа // «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», 2010, № 1, с. 97–102.
37. Пермяков Н. В. Расширение функциональных возможностей зондов атомно-силовых микроскопов электрохимическими методами [Текст] / Н. В. Пермяков // Молодой ученый. — 2012. — № 12. — С. 10–14.
