ВЛИЯНИЕ МИКРО/НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СЛОЁВ КРЕМНИЯ РАЗЛИЧНОЙ ГЛУБИНЫ НА СМАЧИВАЕМОСТЬ, АДГЕЗИЮ И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ КЛЕТОК Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

ВЛИЯНИЕ МИКРО/НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СЛОЁВ КРЕМНИЯ РАЗЛИЧНОЙ ГЛУБИНЫ НА СМАЧИВАЕМОСТЬ, АДГЕЗИЮ И ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ КЛЕТОК

DOI

Илясов А. Р.1, Гостева Е. А.1, Старков В. В.2

1 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119049, Ленинский пр. 4, Москва, Российская Федерация;

2 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, 142432, г. Черноголовка, Московская обл., Российская Федерация

e-mail: ilyasov.1997@inbox.ru

Аннотация. Использование пористых кремниевых подложек в качестве скаффолдов перспективно для изучения роли микро/наноморфологии в адгезии и росте клеток. Мы создали нано- и микроструктурированные слои на кремниевых пластинах электрохимическим травлением. Затем мы исследовали влияние глубины и размера пор на смачиваемость пластин и адгезию клеток.

Ключевые слова: цитотоксичность, пористые структуры, наноструктуры, стратегии синтеза, наноструктурированные поверхности.

Зачастую в исследованиях не сосредотачивается достаточно внимания на особенностях структуры поверхности, на которых закрепляются клетки. Однако, клеточная адгезия является основным фактором для выживания клеток, зависящих от закрепления на матрице. Это первый шаг в ряде клеточных активностей, таких как клеточная диффузия, миграция, пролиферация и дифференци-ровка. Внешнее механическое воздействие (в том числе рельеф поверхности) влияет на активность генов, корректирующих жизнедеятельность клетки. Например, провоспалительный макрофаг поляризуется и становится противовоспалительным под действием механического воздействия [1]. Предыдущие исследования показали, что наноразмерные поры способствуют образованию коллагеновых волокон и ВКМ. Большие поры влияют на засев клеток, распределение, миграцию и дальнейшую неоваскуляризацию in vivo [2].

Краевой угол смачивания показывает, насколько поверхность гидрофильна или гидрофобна. Чем меньше угол смачивания, тем

более гидрофильной считается поверхность. Гидрофильной считается поверхность при углах 10-90°. Гидрофобная поверхность имеет больший угол смачивания (90-180°) и плоха для адгезии клеток [3]. Оптимальным углом адгезии считается 55° [4].

В предыдущих наших работах мы исследовали цитотоксич-ность кремниевых пластин с различной структурой пористых слоёв: кристаллические нанопористые слои (NPSi с размером пор около 20 нм), микропористые (MPSi со столбчатой структурой пор диаметром около 2 мкм), пористые с вариативно изменяемой структурой пор по глубине слоя (GPSi-var с диаметром пор в 20-50 А), чистый кремний, различные варианты пористого кремния с графе-новым покрытием [5]. Наилучшую выживаемость клетки проявляют на NPSi и MPSi образцах кремниевых пластин.

В данной статье мы подробнее рассмотрели влияние глубины пор на клеточную адгезию.

Для формирования слоев NPSi использовали сильно легированные кремниевые пластины n-типа проводимости (KES 0,008) с ориентацией поверхности (100). Удельное сопротивление образцов составляло pv ~ (0.005-0.009) П-см. Анодное травление проводили по традиционной схеме в HF : С2Н5ОН = 1 : 1 раствор при постоянной плотности тока травления j = 80 мА/см2.

Для формирования слоев MPSi мы использовали кремниевые пластины p-типа (KDB-8) с (100) ориентацией поверхности, pv = (7,5-10) П-см. Анодное травление проводили при постоянной плотности тока травления j = 15 мА/см2 в ВЧ : DMF = 1 : 10 раствор с добавлением STAC (10-3 M).

Глубина травления (толщина пористого слоя) задавалась временем травления. Серию образцов получали с наноструктуриро-ванным слоем глубиной от 10 мкм до 51 мкм с использованием следующих интервалов: 3 мин, 6 мин, 10 мин и 15 мин. В среднем 1 мин травления соответствовал 3,4 мкм слоя. Глубина слоев MPSi была получена от 6 мкм до 36 мкм с временем травления от 6 мин до 32 мин. В среднем для MPSi 1 мин травления соответствовал 1 мкм слоя.

Мы измерили угол контакта клеточной среды на образцах перед посевом клеток и после 1-го посева. Полученные результаты представлены в таб. 1.

Угол смачиваемости в каждом образце NPSi увеличивается после посадки на них клеток и выдерживания в клеточной среде в течение 72 ч до приблизительно 60°. Таким образом, поверхность об-

разцов становится более благоприятной для адгезии клеток для 2-й посадки клеток.

Таблица 1

Образцы структурированного кремния и их краевой угол смачиваемости до и после посадки клеток

№81 1 №81 2 №81 3 №81 4 МР81 1 МР81 2 МР81 3 МР81 4

Глубина слоя, мкм 10 21 34 51 6 10 15 32

Угол смачивания до экспериментов 18 ° 29.7 ° 35.3 ° 39.9 ° 74.4 ° 66.5 ° 72.3 ° 88.9 °

Угол смачивания после 1-й посадки клеток 59.5 ° 64.4 ° 65.5 ° 62.5 ° 74.2 ° 70.8 ° — 106 °

В свою очередь угол смачивания для образцов МР81 также увеличивается. Однако, в этом случае поверхность образцов становятся менее благоприятной для адгезии клеток. В случае образца МР81 4 поверхность даже становится гидрофобной.

Краевой угол смачиваемости для ЫР81 был в несколько раз меньше, чем для МР81 до экспериментов. Но после 1-го посева клеток значения углов смачиваемости почти сравнялось. Это может свидетельствовать о сильной деградации начальных свойств наноструктурированных пластин. Вероятно, это происходит из-за разрушения, в частности растворения, нанопор.

Данные по гидрофильности/гидрофобности поверхности согласуются с тем, что наблюдалось нами неоднократно в экспериментах по цитотоксичности: при 1-м посеве клеток пластины оказывались более токсичными, чем при 2-м. Кроме того, клетки при 1-м посеве занимают меньшую площадь поверхности, по сравнению со 2-м.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках программы стратегического академического лидерства

«Приоритет 2030».

Список литературы

1. McWhorter, F. Y., Davis, C. T., & Liu, W. F. (2015). Physical and mechanical regulation of macrophage phenotype and function. Cellular and molecular life sciences: CMLS, 72 (7), 1303-1316. https://doi. org/10.1007/s00018-014-1796-8.

2. S. Cai, C. Wu, W. Yang, W. Liang, H. Yu, and L. Liu, "Recent advance in surface modification for regulating cell adhesion and behaviors," Nanotechnol. Rev., vol. 9, no. 1, pp. 971-989, 2020, doi: 10.1515/ ntrev-2020-0076.

3. Uribe R., Bonilla O., Lascano, L. & González G. (2021). Effect of Low Magnetic Field on Biomimetic Deposition of Hydroxyapatite on Titanium and BIOLINE Stainless Steel. Coatings. doi:10.3390/coat-ings11121484.

4. Ossowska A., Ryl J. & Sternicki T. (2022). Production and Properties of the Porous Layer Obtained by the Electrochemical Method on the Surface of Austenitic Steel. Materials. 15. 949. 10.3390/ma15030949.

5. Gosteva E. , Iliasov A., Sedlovets D. and Starkov V., "Nanostruc-tured surface's cytotoxicity study of silicon wafers to mammalian cells," 2021 IEEE International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale (3M-NANO), 2021, pp. 441-444, doi:10.1109/3M-NANO49087.2021.9599796.

INFLUENCE OF MICRO/NANO SILICON STRUCTURES OF DIFFERENT ROUGHNESS AND DEPTH OF LAYER ON WETTABILITY, CELL ADHESION AND VIABILITY

Iliasov A. R.1, Gosteva E. A.1, Starkov V. V.2

1 National University of Science and Technology "MISiS", Moscow, Russia;

2 Russian Academy of Sciences Institute of Microelectronics Technology and High Purity Materials Chernogolovka, Russia

Abstract. The use of porous silicon wafers as scaffolds is promising for studying the role of micro/nanomorphology in cell adhesion and proliferation. We created nano- and microstructured layers on silicon wafers by electrochemical etching. Then we evaluated the effect of depth and pore size on plate wettability and cell adhesion.

Key words: cytotoxicity, porous structures, nanostructures, synthesis strategies, nanostructured surfaces.