Получение и исследование порошков на основе пористого кремния для применения в биомедицине

Данная работа посвящена получению и исследованию порошков на основе пористого кремния с целью создания матриц-контейнеров для адресной доставки лекарств. В задачи работы входило исследование процессов агрегации порошков на основе пористого кремния n- и p-типа проводимости в различных средах методами атомно-силовой и оптической микроскопии. Обнаружено, что дисперсия порошков эволюционирует, причем по-разному, в зависимости от типа проводимости исходного кремния и состава дисперсионной среды.

1.                 Особенности применения пористого кремния в биомедицине

В настоящее время интерес к получению и исследованию частиц на основе пористого кремния (por-Si, ПК) обусловлен перспективами применения его в качестве функциональных элементов в медицине [1–6, 12, 13], для направленной доставки лекарственных средств [4, 7–11], в качестве сенсора для диагностики и лечения заболеваний, а также для лекарственного скрининга, в качестве фотосенсибилизаторов, в биодатчиках различного типа, для получения биомедицинских изображений, в том числе для визуализации опухолей, при лечении глазных заболеваний и др.

Для многих применений por-Si в биомедицине необходимо изготавливать микро- и наноразмерные порошки на его основе. При этом с одной стороны возникает необходимость разработки технологических приемов по приготовлению порошков пористого кремния, разделению их по размерам, выбору условий хранения. С другой стороны, необходима информация о свойствах и составе, об эволюции во времени свойств таких пористых наноразмерных порошков, а также о влиянии внешних условий на их свойства (температуры, света, состава окружающей среды (воздух, жидкость). Также важно исследование влияния наночастиц пористого кремния (особенно модифицированных другими веществами) с точки зрения безопасности и взаимодействия с живыми организмами. Поэтому важно исследовать взаимосвязь морфологии и состава поверхности пористого кремния в зависимости от технологических условий получения. Таким образом, исследования характеристик поверхности por-Si методами атомно-силовой микроскопии (АСМ) перспективны и необходимы [14,15].

2.                 Получение порошков пористого кремния

Основной способ получения пористого кремния — электрохимическое анодное растворение. Преимуществом электрохимической технологии получения пористых слоёв является то, что процесс формирования por-Si низкотемпературный, дешевый, а кроме того позволяет выращивать слои с заданными свойствами [16–24].

В настоящей работе слои пористого кремния для последующего получения порошков получали в однокамерной электрохимической ячейке с использованием автоматизированного лабораторного стенда для получения por-Si, созданного в УНЛ «Наноматериалы». В качестве электролита был использован водный раствор плавиковой кислоты с добавлением изопропилового спирта и перекиси водорода. Введение в состав электролита таких добавок, как спирты необходимы для повышения смачиваемости поверхности, так как известно, что чистая поверхность кремния гидрофобна. В качестве подложек для получения por-Si использовались монокристаллический кремний p-типа проводимости, легированный бором, с удельным сопротивлением ρ = 10 Ом·см — КДБ 10 (100), и кремний n-типа проводимости, легированный фосфором с удельным сопротивлением ρ = 1 Ом·см — КЭФ 1 (111).

После формирования слоев пористого кремния образцы были обработаны в УЗ-ванне. Ультразвуковое воздействие основано на эффекте акустической кавитации. При попадании пузырьков жидкости в поры материала и дальнейшем воздействии на жидкость акустической волны с заданной частотой, происходит процесс разрыва пузырьков, вследствие чего в пористом слое из-за механических напряжений, образованных после травления, рвутся связи, и слой в виде порошка выделяется в дисперсионную среду.

Исследовались процессы агрегации полученных порошков при их хранении в воде и изопропиловом спирте.

В табл.1 приведены технологические условия получения и хранения порошков и параметры исходных подложек образцов.

Таблица 1

Условия получения и хранения порошков пористого кремния

3.                 Оптическая и атомно-силовая микроскопия образцов

Для исследования методами оптической и атомно-силовой микроскопии были подготовлены образцы: в полученные суспензии опускались на одинаковую глубину и на одинаковое время стеклянные подложки, затем подложки доставали и сушили при комнатной температуре.

Исследование порошков на основе пористого кремния p- типа проводимости

На рис. 1 приведены фотографии, полученные с помощью оптической микроскопии при двух увеличениях. Из рис. 1 (а, б) видно, что на поверхности образца № 1 имеются большие частицы с размерами от 2 до 20 мкм, вокруг которых сгруппировались мелкие частицы. Агрегаты из мелких частиц отчетливо видны и на изображениях, полученных на АСМ (рис. 2). Для образца № 2 такого агрегирования частиц не наблюдалось (рис.1 в, г; рис. 3).

Рис. 1. Данные оптической микроскопии для образцов № 1 (а, б) и № 2 (в, г)

Рис. 2. АСМ изображения образца № 1: а — 50х50 мкм, б –4х4 мкм

Рис. 3. АСМ изображения образца № 2: а — 15х15 мкм, б — 10х10 мкм

Исследование порошков пористого кремния на основе n-Si

Описаны результаты исследования поверхности порошков на основе пористого кремния n-типа, хранившихся в воде и в изопропаноле, нанесенных на стеклянную подложку. Технологические условия получения указаны в таблице 1. На поверхности образца № 3 частицы ПК агрегируют в тонкие линии, а на поверхности образца № 4 лежат крупные частицы порошка ПК. Размер этих частиц порядка 0,5–2 мкм, исходя из данных АСМ, представленных на рис. 4.

Рис. 4. АСМ изображения образца № 3 (а), образца № 4 (б)

4                   Агрегация дисперсии порошков на основе пористого кремния p- типа проводимости в воде

Для проведения эксперимента были получены порошки ПК марки КДБ 1. Раствор порошка ПК в воде разделили на две емкости, в одну из которых положили стеклянные подложки и доставали в определенное время, во вторую подложки макали по прошествии такого же времени на 2 минуты. Было обнаружено, что агрегация в объеме раствора (рис.5) значительно меньше, чем на подложке, при ее присутствии в растворе в течение всего времени выдержки (рис.6). Крупные агрегаты на подложках появились на 7 день наблюдений, к 21 дню их размер стал порядка 10 мкм. С течением времени увеличивается размер и число агрегатов.

Рис. 5. Данные оптической микроскопии. Агрегация порошка ПК в объеме раствора (подложки опускали в раствор на 2 минуты) через: а — 4 дня; б — 7 дней; в — 9 дней; г — 21 день после приготовления дисперсии

Рис. 6. Данные оптической микроскопии. Агрегация порошка ПК на подложке, находящейся в растворе (подложки лежали в растворе указанное число дней) через: а — 1 день; б — 4 дня;в — 7 дней; г — 9 дней; д — 21 день после приготовления дисперсии

Выводы

В работе были изучены особенности строения агрегатов порошков пористого кремния, полученных из монокристаллического кремния n- и p-типа проводимости, в различных дисперсионных средах (вода, изопропиловый спирт) методом оптической микроскопии и атомно-силовой микроскопии.

Обнаружено, что в дисперсиях порошков пористого кремния происходит перераспределение частиц por-Si по объему раствора и агрегация, причем вид агрегатов зависит от типа проводимости исходного Si и состава дисперсионной среды. Для дисперсии порошка на основе пористого кремния р-типа в воде доказано, что агрегация в объеме раствора значительно меньше, чем на подложке, при ее присутствии в растворе в течение всего времени выдержки. С течением времени существенно увеличивается размер и число агрегатов.

Литература:

1.                  Мошников В. А., Спивак Ю. М. «Электрохимические методы получения пористых материалов для топливных элементов» // Глава в монографии: Основы водородной энергетики / Под ред. В. А. Мошникова и Е. И. Терукова. 2-е изд. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 288с

2.                  Raul J. Martin-Palma; Miguel Manso-Silvan; Vicente Torres-Costa. Biomedical applications of nanostructured porous silicon: a review // J. Nanophoton. 2010. 4(1), 042502.

3.                  B. Gupta,Y. Zhu,B. Guan, etc.Functionalised porous silicon as a biosensor: emphasis on monitoring cells in vivo and in vitro // Analyst, 2013,138, 3593–3615.

4.                  Dongfei Liu, ErmeiMäkilä, Hongbo Zhang, etc. Nanostructured Porous Silicon-Solid Lipid Nanocomposite: Towards Enhanced Cytocompatibility and Stability, Reduced Cellular Association, and Prolonged Drug Release // Advanced Functional Materials, 2013. Vol. 23,is. 15. PP. 1893–1902.

5.                  H. A. Santos, L. M. Bimbo, Barbara Herranz, etc. Nanostructured porous silicon in preclinical imaging: Moving from bench to bedside // Journal of Materials Research, 2013. Vol. 28.Is. 02. PP. 152–164.

6.                  T. J.Barnes, Karyn L J., C.A Prestidge.Recent advances in porous silicon technology for drug delivery // Therapeutic Delivery, 2013. Vol. 4, No. 7. PP. 811–823.

7.                  DongfeiLiua,Luis M. Bimboa,ErmeiMäkiläb,etc. Co-delivery of a hydrophobic small molecule and a hydrophilic peptide by porous silicon nanoparticles // Journal of Controlled Release, 2013. Vol. 170,is. 2. Pages 268–278.

8.                  Emilie Secret, Kevin Smith, ValentinaDubljevic, etc. Antibody-Functionalized Porous Silicon Nanoparticles for Vectorization of Hydrophobic Drugs // Advanced Healthcare Materials, 2013. Volume 2, Issue 5, pages 718–727.

9.                  Спивак Ю. М. Получение пористого кремния для применения в адресной доставке лекарств [Текст] / Ю. М. Спивак, Н. Р. Нигмадзянова // Молодой ученый. — 2014. — № 10. — С. 208–212.

10.              Spivak Yu.M., Maraeva E. V., Belorus A. O., Molchanova A. V., Nigmadzyanova N. R. PREPARATION AND INVESTIGATION OF POROUS SILICON NANOPARTICLES FOR TARGETED DRUG DELIVERY // Smart Nanocomposites. 2014. Т. 4. № 1. С. 115.

11.              Белорус А. О. Применение пористого кремния в биомедицине [Текст] / А. О. Белорус // Молодой ученый. — 2013. — № 8. — С. 69–74.

12.              Lenshin A. S., Kashkarov V. M., Spivak Yu.M., Moshnikov V. A. INVESTIGATIONS OF NANOREACTORS ON THE BASIS OF P-TYPE POROUS SILICON: ELECTRON STRUCTURE AND PHASE COMPOSITION / Materials Chemistry and Physics. 2012. Т. 135. № 2–3. С. 293–297.

13.              Тарасов С. А., Александрова О. А., Ламкин И. А., Максимов А. И., Мараева Е. В., Михайлов И. И., Мошников В. А., Мусихин С. Ф., Налимова С. С., Пермяков Н. В., Спивак Ю. М., Травкин П. Г. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ «ПОРИСТЫЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИЕ МАТРИЦЫ — НАНОЧАСТИЦЫ PBS» // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2014. № 4 (108). С. 21–26.

14.              Атомно-силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур: Учеб.пособие. В. А. Мошников, Ю. М. Спивак, В. А. Алексеев, Н. В. Пермяков СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014

15.              Спивак Ю. М., Муратова С. 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.

16.              Горячев Д. Н. Электролитический способ приготовления пористого кремния с использованием внутреннего источника тока / Д. Н. Горячев, Л. В. Беляков, О. М. Сресели // Физика и техника полупроводников.- 2003.- Т. 37, вып. 4. — С. 494–498.

17.              Parkhutik V. Porous silicon — mechanisms of growth and applications // Solid-State Electron. — 1999. — v.43, P.1121–1141

18.              Properties of porous silicon. Edited by Canham L. — Malvern: DERA, 1997. — 400p.71.        

19.              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.

20.              Спивак Ю. М. Наноструктурированные материалы. Особенности получения и диагностики // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2013. Т. 6. С. 54–64.

21.              Травкин П. Г., Соколова Е. Н., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Электрохимическая ячейка для получения пористых анодных оксидов металлов и полупроводников. Патент на полезную модель RUS 122385 01.06.2012

22.              Травкин П. Г., Воронцова Н. В., Высоцкий С. А., Леньшин А. С., Спивак Ю. М., Мошников В. А. Исследование закономерностей формирования структуры пористого кремния при многостадийных режимах электрохимического травления. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 4. С. 3–9.

23.              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. 1229–1234.

24.              Зимина Т. М., Муратова Е. Н., Спивак Ю. М., Дрозд В. Е., Романов А.А ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ НАНОСЛОЕВ И НАНОПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИЙ АL2О3 ДЛЯ МИКРО И НАНОТЕХНИКИ // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 12. С. 15–24.