CC BY
138
УДК 47.09.29: 31.15.35
МОРФОЛОГИЯ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПОРИСТОГО КРЕМНИЯ ДЛЯ АДРЕСНОЙ ДОСТАВКИ ЛЕКАРСТВ
Ю.М.Спивак, А.О.Белорус, Б.И.Селезнев*, В.А.Мошников
THE MORPHOLOGY AND SURFACE PROPERTIES OF POROUS SILICON FOR TARGETED DRUG DELIVERY
Iu.M.Spivak, A.O.Belorus, B.I.Selesnev*, V.A.Moshnikov
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова-Ленина, ymkanageeva@yandex.ru Институт электронных и информационных систем НовГУ, Boris.Seleznev@novsu.ru
Методом электрохимического анодирования p-Si получен пористый кремний для адресной доставки лекарств. Образцы исследованы методом спектроскопии импеданса в присутствии паров изопропанола. Интерпретация результатов спектроскопии импеданса дана в сопоставлении с данными растровой электронной микроскопии о текстуре пористого слоя, предложена эквивалентная электрическая схема.
Ключевые слова: адресная доставка лекарств, пористый кремний, спектроскопия импеданса
Porous silicon for targeted drug delivery was obtained by electrochemical anodizing of p-Si. The samples were investigated by impedance spectroscopy in the presence of isopropanol vapors. Interpretation of the results of impedance spectroscopy was given taking into account the data of scanning electron microscopy. Also, an equivalent circuit diagram was proposed. Keywords: target drug delivery, porous silicon, impedance spectroscopy
Порошки на основе пористого кремния в настоящее время являются активно исследуемым материалом для создания наноконтейнеров для транспортировки лекарственных средств [1,2]. Понятие «традиционный носитель» обычно связывают с неуправляемой доставкой лекарственных препаратов, которая влечет за собой преждевременное высвобождение лекарств. Такой способ доставки лекарственных препаратов может приводить к резкому возрастанию концентраций лекарств до потенциально токсичных уровней. Целевая доставка лекарственных препаратов — это доставка их способом, управляемым во времени и пространстве. Например, в желательное место и время, с соответствующей скоростью высвобождения и подходящей длительностью. Такой уровень управления дает возможность преодолеть неблагоприятные физико-химические биофармацевтические свойства некоторых лекарственных препаратов и в конечном счете улучшить их терапевтическую эффективность и безопасность. Одной из главных проблем в нанометровых системах доставки лекарств является изготовление нано-носителей с высокой стабильностью в физиологических условиях, которые смогут эффективно инкапсулировать терапевтических агентов и контролируемо выпускать свою полезную нагрузку [1].
Пористый кремний (рог^1) является перспективным материалом для контейнеров-носителей лекарств благодаря таким его свойствам, как биосовместимость, биодеградируемость (растворяется и усваивается), относительная простота технологии получения, управляемость свойствами (варьирова-
ние свойств — пористость, развитость поверхности, гидрофобность-гидрофильность, зарядовое состояние поверхности, локальное распределение зарядов и т.п.) в широких диапазонах, многофункциональность (не только матрица-носитель, но и одновременно сенсор, маркер и т.п.). При этом важны геометрические характеристики такого материала: контролируя размеры пор можно управлять размерами молекул лекарств или вспомогательных веществ, вводимых в пористую матрицу-контейнер; управляя развитостью поверхности и пористостью, возможно в перспективе регулировать скорость высвобождения лекарственного препарата и скорость рассасывания контейнера в организме и др. Геометрические характеристики пористого кремния, а также фазовый состав его поверхности, свойства гидрофобно-сти — гидрофильности, оптические, механические и другие свойства будут существенно зависеть от технологических условий получения и пост-обработки, а также от выбора параметров исходного монокристаллического кремния [3]. Зарядовое состояние поверхности и скелета пористого кремния важны при адсорбции на поверхности рог^ лекарственных и вспомогательных препаратов. Поэтому важно контролировать эти свойства рог^, необходимы соответствующие методики исследования.
Метод спектроскопии импеданса является одним из наиболее мощных и информативных методов исследования компонент проводимости [4]. Этот метод основан на анализе отклика системы после наложения на нее возмущающего воздействия, в данном случае — электрического сигнала. Наибольшее рас-
пространение получили методы наложения гармонического сигнала с частотой ю на изучаемый объект. Они позволяют получить зависимость электрического отклика системы на внешнее возбуждение. Перспективность, возможности и особенности данного метода для исследования пористых нанокомпозитов рассмотрены в [5].
Таким образом, целью данной работы было получение пористого кремния для адресной доставки лекарств и его исследование методом спектроскопии импеданса.
Слои por-Si получали методом электрохимического анодного травления в однокамерной ячейке в электролите на основе водно-спиртового раствора плавиковой кислоты. В качестве исходного материала был выбран кремний марки КДБ-12 (100). Плотность тока анодирования составляла 2 мА/см2, время анодирования — 15 мин.
Исследование морфологии и текстуры пористого слоя проводилось методами РЭМ (Mira Tescan). Характеризация слоев пористого кремния и наноком-позитов на его основе проводилась путем исследования электрических свойств образцов методом спектроскопии импеданса в атмосфере воздуха и в присутствии газа-реагента (изопропанола). Результаты спектроскопии импеданса анализировались при сопоставлении с экспериментальными данными о морфологии поверхности и структуре пористых слоев, полученных методом растровой электронной микроскопии. Типичный вид среза слоя пористого кремния приведен на рис. 1.
Рис.1. Типичный вид скола пористого кремния, полученного в выбранных условиях, по данным РЭМ
Исследование пористого кремния методом спектроскопии импеданса в различной газовой атмосфере проводилось на автоматической измерительной установке, созданной на кафедре микро- и наноэлектроники Санкт-Петербургского государст-
венного электротехнического университета. Измерение электрических свойств осуществлялось при заданной температуре и заключалось в измерении сопротивления пористых наноструктур в воздушной атмосфере и в присутствии газа-реагента. Метод измерения сопротивления — двухзондовый. Концентрация газа-реагента устанавливалась постоянной. Установка состояла из контрольно-измерительной системы на базе импедансметра марки Ellins Z-1500, персонального компьютера и стенда для лабораторных испытаний полупроводниковых адсорбционных слоев. Измерения проводились в диапазоне частот от 100 Гц до 500 кГц. Для улучшения электрического контакта на поверхность пористого кремния наносились контакты с помощью проводящей серебряной пасты (контак-тол).
Автоматический цикл измерения газочувствительности происходил в несколько этапов: нагрев образца в фиксированном потоке атмосферного воздуха до требуемой температуры, измерение сопротивления активного слоя при данной температуре и подача импульса исследуемого вещества (с концентрацией 1000 ppm) до момента стабилизации сопротивления активного слоя в парах этого вещества. Результаты измерений записывались в файл в формате, пригодном для экспорта в программы статистической и математической обработки. Интервал времени восстановления оценивался от момента отключения источника газа-реагента по удалению его паров из измерительной камеры до того момента, когда сопротивление слоя восстанавливалось до первоначального значения (+10%). Измерения газочувствительности были проведены на воздухе и в атмосфере восстанавливающих паров изопропанола. Величина чувствительности рассчитывалась как S = (Явозд -RrA3)/RrA3, где Rвoзд — сопротивление образца на воздухе, а RrA3 — сопротивление образца в присутствии газа-реагента.
Полученные данные спектроскопии импеданса анализировались с помощью метода эквивалентных электрических схем (ЭЭС). При подборе соответствующей эквивалентной схемы для описания полученного спектра импеданса использовалась программа EIS Spectrum Analyser. Данная программа обладает набором ЭЭС и позволяет аппроксимировать импеданс исследуемого образца импедансом эквивалентной электрической цепи, состоящей из набора идеальных резисторов, конденсаторов, ин-дуктивностей и модельных элементов, характеризующих распределенные в объеме свойства системы.
Типичный вид годографа импеданса и результаты моделирования представлены на рис.2. Измерения проводились на 7 образцах слоев пористого кремния, полученных при одних и тех же технологических условиях.
-
10 ООО
-
20 ООО
30 ООО 40 ООО Окт
-
50 000
-
60 000
45 ООО 40 000 35 000 <| 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000
4/
Ч*
7* *%*
20 000 40 000 60 ОИт ООО
Рис.2. Годографы импеданса в атмосфере воздуха (а), в присутствии паров изопропанола (б): точки — экспериментальные данные, сплошная линия — результат моделирования
На рис.3 приведена эквивалентная электрическая схема, наиболее близко описывающая экспериментальные данные, а в таблице приведены значения использованных для моделирования параметров элементов схемы.
Параметры эквивалентной электрической схемы, используемой для моделирования годографов импеданса слоев рог^ в различных газовых атмосферах
Рис.3. Эквивалентная электрическая схема
Газовая атмосфера
Элемент Параметр Воздух Пары изопропанола
R1 R 50500 49450
СРЕ1 P 2,6-Ш-7 1,4-10-7
П 0,57 0,7
СРЕ2 P 4,640-п 5,740-п
п ~ 1 ~ 1
а
б
Возможная следующая интерпретация эквивалентной схемы: элемент СРЕ1, элемент постоянного угла сдвига фаз, возможно, отвечает за микронеоднородности на границе «контактол — пористый кремний», а параллельно включенные R1 и СРЕ2 — это объемная проводимость по скелету пористого кремния (часть скелетных ветвей сечением порядка 100-200 нм) и элемент постоянного угла сдвига фаз, связанный с переносом носителей заряда по тонким скелетным ветвям (сечение порядка единиц-десятков нанометров), на проводимость которых будет сильнее влиять окисление поверхности (присутствие гидроксильных групп на поверхности). После измерения полного восстановления сопротивления не произошло, т.е. не все группы ОН десорби-ровались с поверхности (в результате хемосорбции произошло окисление поверхности пористого кремния).
Заключение
Таким образом, в результате работы методом электрохимического анодирования получены образцы пористого кремния со столбчатым типом текстуры. По данным растровой электронной микроскопии установлено, что типичный диаметр пор варьируется от 30-40 нм до 100-120 нм, при этом сечения скелетных ветвей составили ~ 100-200 нм. Образцы исследованы методом спектроскопии импеданса в воздушной атмосфере и в присутствии паров изопропанола. В результате моделирования результатов спектроскопии импеданса предложена эквивалентная электрическая схема, включающая элементы постоянного угла сдвига фаз СРЕ. Предложена интерпретация данной эквивалентной схемы с учетом строения пористого слоя.
Работа выполнена в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки в сфере научной деятельности Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого № 1755.
1. Исследование, технология и использование нанопори-стых носителей лекарств в медицине / Под общ. ред. В.Я.Шевченко, О.И.Киселева, В.Н.Соколова. СПб.: Химиздат, 2015. 367 с.
2. Anglin E.J., Cheng L.Y., Freeman W.R., Sailor M.J. Porous silicon in drug delivery device and materials // Adv. Drug Deliv. Rev. 2008. Vol.60. №11. P.1266-1277.
3. Спивак Ю.М. Наноструктурированные материалы. Особенности получения и диагностики // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2013. Т.6. С.54-64.
4. Грачева И.Е., Мошников В.А. Наноматериалы с иерархической структурой пор. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2011. 107 с.
5. Moshnikov V.A., Gracheva I.E., Lenshin A.S. et al. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications // J. of Non-Crystalline Solids. 2012. Vol.358. Is.3. P.590-595.
References
1. Shevchenko V.Ia., Kiselev O.I., Sokolov V.N., eds. Issledo-vanie, tekhnologiia i ispol'zovanie nanoporistykh nositelei lekarstv v meditsine [Investigation, technology, and application of nanoporous drug transporters in medicine]. Saint Petersburg, "Khimizdat" Publ., 2015. 367 p.
2. Anglin E.J., Cheng L.Y. et al. Porous silicon in drug delivery device and materials. Advanced Drug Delivery Reviews, 2008, vol. 60, no. 11, pp.1266-1277.
3. Spivak Iu.M. Nanostrukturirovannye materialy. Osobennosti po-lucheniia i diagnostiki [Nanostructured materials. Specific features of sinthesis and diagnostics]. Izvestiya Vysshyh uchebnih zavedeniy Rossii. Radioelectronica - Proceedings of the Russian Universities: Radioelectronics, 2013, vol.6, p.54-64.
4. Gracheva I.E., Moshnikov V.A. Nanomaterialy s ierarkhicheskoi strukturoi por [Nanomaterials with hierarchical structure of pores]. Saint Petersburg, SPEU «LETI», 2011. 107 p.
5. Moshnikov V.A., Gracheva I.E. et al. Porous silicon with embedded metal oxides for gas sensing applications. Journal of Non-Crystalline Solids, 2012, vol. 358, is. 3, pp. 590-595.
