СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ КРЕМНИЕВЫХ БИОСОВМЕСТИМЫХ НАНОНОСИТЕЛЕЙ

Изобретение относится к области наноструктурированных биосовместимых материалов, в частности к пористому кремниевому наноносителю. Способ получения пористой структуры нанокремния состоит в получении пор в монокристаллическом кремнии посредством электролиза, с последующим измельчением и отжигом органики в атмосфере азота, химической модификацией поверхностей пор для придания биосовместимости.

Для использования в качестве биосовместимых контейнерных материалов для пролонгированной доставки в организм лекарственных препаратов наиболее приемлем мезопористый кремний. При пористости 50-80% и толщинах стенок пор 2-10 нм удельная поверхность таких материалов варьирует в пределах 400-700 м²/см³, что потенциально обеспечивает им высокую адсорбционную емкость.

Несмотря на более чем полувековую историю изучения порообразования в кремнии, причины самоорганизации этого процесса и обеспечивающие его механизмы электрохимических реакций остаются недостаточно понятыми. Очевидно лишь, что в диапазоне анодных потенциалов, соответствующих условиям порообразования, существует флуктуационная неустойчивость фронта электрохимической реакции, и что химический механизм отделения атомов кремния от решетки кристалла не совпадает с механизмом этого процесса при сплошном электрохимическом травлении. В последнем случае перевод в раствор каждого атома кремния с образованием молекулы SiF₄ обеспечивается захватом на поверхности четырех дырок. В процессе же порообразования эффективная валентность кремния может меняться от значений, не достигающих 2, до 3. При этом переход первичных продуктов электрохимической реакции в раствор, содержащий HF, сопровождается дальнейшим окислением кремния и восстановлением водорода, выделяющегося с поверхности анода в виде пузырей газа. Важно отметить, что для кремния p- и n-типа проводимости в широком диапазоне концентраций носителей заряда химические механизмы порообразования остаются качественно одинаковыми, что ставит под сомнение определяющую роль доставки дырок к поверхности для обеспечения химического процесса [O. Bisi, S. Ossicini, L. Pavesi. Porous silicon: a quantum sponge structure for silicon based optoelectronics. // Surface Science Reports 38. 1 (2000), p. 1-126; Electrochemistry of Silicon and Its Oxide. // Xiaoge Gregory Zhang.: Kluwer academic publishers. New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow. 2001; X.G. Zhang, Morphology and formation mechanisms of porous silicon. // J. Electro-chem. Soc. 151 (2004) C69-C80; V. Lehmann, U. Gosele, Porous Si: quantum sponge structures grown via a self-adjusting etching process. // Adv. Mater. 4 (1992) 114-116].

Основываясь на анализе аналогичных процессов спонтанного формирования массивов пор в кристаллах соединений А³В⁵ [В.П. Улин, С.Г. Конников. Природа процессов электрохимического порообразования в кристаллах A³B⁵ (Часть II). // ФТП, вып. 7 (2007), стр. 867-877], авторы изобретения полагают, что электрохимическое порообразование в полупроводниковых кристаллах, и в кремнии в частности, является результатом протекания инициируемого полем скачка потенциала на границе раздела полупроводник-электролит кооперативных реакций нуклеофильного замещения между анионами, образующими плотный хемосорбционный слой на поверхности кристалла, и координационно-насыщенными атомами подлежащего слоя его решетки. При этом анодный ток создается электронами, возникающими в ходе разрыва химических связей в кристалле при релаксации переходных комплексов, синхронно образующихся в пятне реакции. В этом случае травление происходит в результате отрыва от поверхности не отдельных атомов, а полимерных группировок, частично сохраняющих существовавшие в кристалле химические связи. Дальнейшее взаимодействие таких группировок (в частности - (SiF2)n) с раствором электролита приводит к образованию конечных продуктов окисления кремния и выделению водорода. При этом параллельно протекающий процесс диспропорционирования первичных полимерных продуктов ведет к образованию мелкодисперсной фазы кремния, частично сохраняющейся на поверхности стенок пор. С наличием этой мелкодисперсной фазы можно связать наблюдающуюся фотолюминесценцию пористых слоев кремния. Не исключено также, что структура микропористого кремния, образующегося при повышенных напряжениях на поверхности слабо легированных кристаллов, формируется главным образом кластерами, возникающими при диспропорционировании первичных полимерных продуктов реакции порообразования.

С зарождением пор и началом протекания через них тока потенциал поверхности кристалла падает, и области, незадействованные в реакции, оказываются шунтированными токовыми каналами пор. Переходя в объем кристалла, поры начинают ветвиться, сближаясь до тех пор, пока толщина разделяющих их перегородок не достигнет удвоенной толщины слоя объемного заряда в полупроводнике и эти перегородки перестанут быть токопроводящими. После этого формируется стационарный фронт распространения массива пор, который может распространяться вглубь кристалла на сотни микрон.

Таким образом, была поставлена и решена техническая задача и получен технический результат - получение кремниевых биосовместимых наноносителей со степенью пористости 40-80% и размерами сквозных каналов пор от 5 до 20 нанометров.

Технический результат достигается с помощью заявленного способа получения пористых кремниевых биосовместимых наноносителей путем создания пористой структуры нанокремния, включающего получение пор под действием напряжения путем электролиза в пластине толщиной 700-730 мкм и площадью до 32 см² монокристаллического кремния, являющейся анодом, p-типа проводимости, легированной бором с концентрацией около 10^-19 см^-3, с удельным сопротивлением 3-7·10^-3Ом·см, поверхности которой ориентированы параллельно кристаллографическим плоскостям в стеклоуглеродном стакане, являющемся катодом, при использовании в качестве электролита раствора, состоящего из равных по объему частей плавиковой кислоты и этилового спирта, последующее отделение полученных пористых слоев от оставшейся части объемного кристалла путем увеличения приложенного напряжения на 5-90% для изменения механизма электрохимического процесса и перехода от порообразования к сплошному полирующему травлению, промывание отделенных слоев в этаноле и их сушку на воздухе с последующим поэтапным термическим отжигом и измельчением до состояния тонкого порошка.

Дополнительно важным является то, что используют плавиковую кислоту концентрацией 48%, а отжиг проводят сначала в течение 2 часов при 250°С и затем в течение 20 минут при 650°С в атмосфере водорода, а также то, что проводят процесс химической модификации, заключающейся в придании пористому кремнию гидрофильных свойств путем гидрофилизации поверхностей пор по всему объему без нарушения микроструктуры пористых кристаллов окислением в водно-метанольном растворе перекиси водорода.

Сущность способа получения пористых кремниевых биосовместимых наноносителей заключается в травлении монокристалла кремния за счет отрыва от поверхности полимерных группировок, частично сохраняющих существовавшие в кристалле химические связи, и дальнейшем взаимодействии этих группировок, таких как (SiF2)n, с раствором электролита, приводящем к образованию конечных продуктов окисления кремния и выделению водорода, причем параллельно протекающее в данном процессе диспропорционирование первичных полимерных продуктов направлено на образование мелкодисперсной фазы кремния, частично сохраняющейся на поверхности стенок образованных пор.

Пример 1

Для получения пористых кремниевых биосовместимых наноносителей путем создания пористой структуры нанокремния брали пластину толщиной 700 мкм и площадью 32 см² монокристаллического кремния, являющуюся анодом, p-типа проводимости.

Пластину использовали легированную бором с концентрацией около 10^-19 см^-3, с удельным сопротивлением 3-7·10^-3 Ом·см.

Поверхности этой и других таких же пластин ориентировали параллельно кристаллографическим плоскостям в стеклоуглеродном стакане, являющемся катодом.

Заливали в качестве электролита раствор, состоящий из равных по объему частей плавиковой кислоты и этилового спирта, последующее отделение полученных пористых слоев от оставшейся части объемного кристалла путем увеличения приложенного напряжения на 5-90% для изменения механизма электрохимического процесса и перехода от порообразования к сплошному полирующему травлению, промывание отделенных слоев в этаноле и их сушка на воздухе с последующим поэтапным термическим отжигом, который проводят сначала в течение 2 часов при 250°C и затем в течение 20 минут при 650°C в атмосфере водорода, и измельчением до состояния тонкого порошка.

Использовали плавиковую кислоту концентрацией 48%.

Отжиг проводили в 2 этапа: сначала в течение 2 часов при 250°C и затем в течение 20 минут при 650°C в атмосфере водорода;

Для достижения быстрой и однородной гидрофилизации поверхностей пор по всему объему образцов без нарушения микроструктуры пористых кристаллов предложено проводить их окисление в водно-метанольном растворе перекиси водорода:

=Si=Hn+nH₂O₂-+=Si=(OH)n+nH₂O

(метанол используется как поверхностно-активное вещество, обеспечивающее исходную смачиваемость поверхностей пор раствором, и как компонент, ингибирующий окислительное действие H₂O₂).

Чтобы не лимитировать скорость окисления массопереносом H₂O₂ в нанокапиллярных порах использовался раствор с высокой концентрацией перекиси водорода (смесь равных объемов СН₃ОН и 15% водного раствора H₂O₂).

В результате проведенной обработки были получены гидрофильные по всему объему пористые слои, внешне не отличающиеся от исходных.

Контроль полученных заявленным способом образцов проводили следующим образом.

На фигуре 1 показаны фрагменты измельченной пластины пористого кремния, полученного анодированием монокристаллической пластины Si (111) p-типа проводимости в HF-C₂H₅OH растворе при плотности тока ~90 мA/cм². Во многих фрагментах хорошо заметны продольные разветвленные каналы с тонкими перегородками между ними (перегородки выглядят темными узкими полосками). Масштабная линейка 100 нм.

На фигуре 2 показана центральная область изображения фигуры 1. Стрелками отмечены поперечные сечения каналов, ограниченных узкими перегородками. Диаметр каналов составляет 15-25 нм. Масштабная линейка 50 нм.

В условиях формирования макро- и мезопористых структур в кристаллах кремния преимущественными направлениями распространения пор являются кристаллографические направления семейства <100>, поэтому пористые слои, полученные на пластинах с ориентацией (100), обладают наиболее упорядоченной структурой, сформированной слабоветвящимися порами, прорастающими вдоль нормали к поверхности. В случае других кристаллографических ориентаций исходной поверхности распространение фронтов порообразования в направлении действия электрического поля достигается в результате множественных ветвлений прорастающих каналов, что приводит к более сложной структуре пористых слоев.

Тем не менее, поперечные размеры каналов пор и степень пористости образующихся слоев существенным образом не зависят от ориентации исходной поверхности кристалла. При неизменном уровне легирования кристаллов и составе электролита эти параметры определяются величиной приложенного смещения и, соответственно, плотностью протекающего тока.

На фигуре 3 показана зависимость степени пористости полученных слоев от плотности анодного тока j.

На фигуре 4 показана зависимость скорости травления от плотности анодного тока j.

Значения пористости определялись гравиметрическим методом, толщины полученных слоев измерялись с помощью оптического микроскопа.

Морфология поверхности пористых слоев изучалась методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Оценка плотности входных отверстий пор для образцов, полученных при плотностях тока 70-100 мА/см^-2 дает величину 5·10¹⁰-1·10¹¹ см^-2.

Средняя глубина микрорельефа поверхности слоя мезопористого Si достаточно мала и составляет всего 0,8 нм. Входные отверстия пор размером 10-20 нм однородно распределены по поверхности.

Результаты рентгеноструктурного анализа на фигуре 5 показывают, что кристаллическая структура образцов мезопористого кремния наследует структуру исходного монокристаллического материала, сохраняя пространственную ориентацию фрагментов кристаллических плоскостей в стенках пор. Однако в пористом кремнии небольшая доля объема находится в нанокристаллическом или аморфном состоянии, о чем свидетельствует наличие пьедестала на диаграммах фигуры 5.

Расхождение угловых положений дифракционных максимумов от пористого слоя и исходного монокристалла, показанное на правой части рисунка, обусловлено наличием растягивающих напряжений, увеличивающих межплоскостные расстояния в пористом материале.

Фигура 5 показывает угловые диаграммы рентгеновской дифракции в мезопористом кремнии в сравнении с монокристаллическим Si (диаграмма отражает структуру в направлении нормали к поверхности, диаграмма в плоскости пластины).

О наличии на поверхности мезопористых образцов аморфной или наноструктурированной фазы кремния свидетельствуют также спектры фотолюминесценции этих образцов. Фотолюминесценция возбуждалась ультрафиолетовой линией He-Cd лазера (λ=325 нм).

Спектры регистрировались при Т-20°C. На приведенных спектрах хорошо видна широкая полоса люминесценции, максимум которой лежит в интервале длин волн 450-500 нм. Появление такой полосы излучения характерно для частиц кремния нанометрового размера. Различные спектры, представленные на фигуре 6, были получены на различных участках поверхности одного и того же образца мезопористого кремния, что указывает на неодноородность распределения мелкодисперсной фазы кремния по поверхности.

На фигуре 7 приведены спектры инфракрасного пропускания образцов мезопористого кремния, измеренные с помощью ИК-Фурье спектрометра Shimadzu- FTIR - 8400Si/.

После получения вся поверхность кремниевого скелета оказывается покрыта химически адсорбированным водородом, что придает ей выраженный гидрофобный характер. На спектрах ИК-поглощения наблюдаются интенсивные полосы, соответствующие частотам валентных колебаний Si-H связей (ФИГ. 7), при этом практически отсутствуют линии Si-F колебаний. Поглощение на частотах колебаний С-Н связей указывает на сохранение в порах адсорбированных органических молекул. Поэтому до передачи на медико-биологические исследования полученный пористый кремний подвергался поэтапному термическому отжигу в атмосфере водорода. Заявленное изобретение позволит создать новое поколение функциональных наноносителей лекарственных средств. Управление размером частиц, диаметром и объемом пор, типом и количеством функциональных групп на поверхности нанопор обеспечит контролируемую кинетику выхода (десорбции) лекарственных препаратов из пор наноносителей, что позволит пролонгировать время действия лекарств, повысить эффективность и снизить местное раздражающее действие на желудочно-кишечный тракт. При этом исключительную важность имеет тот факт, что в качестве материалов для изготовления наноносителей используются нетоксичные материалы - кремний и оксид кремния.