专利名称:衍生多孔硅的制作方法本发明的实施方案,其中图1是氢化物封端的多孔硅通过以路易斯酸为媒介的1-十二炔的氢化硅烷化反应而衍生的草图;图2(a),(b),(c)和(d)显示了未衍生多孔硅(a,b)在SHP暴露之前和衍生多孔硅(c,d)浸渍在SHP中4周之后的平面和横截面扫描电子显微镜(SEM)图像;图3(a),(b)和(c)显示了未衍生多孔硅表面在SHP中时间变化为(a)1小时,(b)5小时,(c)70小时后的平面SEM图像;图4(a),(b)和(c)显示了(a)衍生多孔硅在SHP暴露之前但在老化即在空气中储存6周后,(b)未衍生多孔硅在SHP暴露5小时后,和(c)衍生多孔硅在SHP暴露4周后氧含量的次级离子质谱(SIMS)深度曲线图;图5(a),(b)和(c)显示了(a)新衍生的多孔硅,(b)衍生多孔硅在SHP中4周后,和(c)衍生多孔硅在环境空气中2个月后的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图;图6(a)和(b)显示了免疫隔离装置的横截面和平面图;图7显示了电池装置第一个实施方案的横截面草图;图8显示了电池装置第二个实施方案的横截面草图9显示了多层镜子的草图;图10(a)和(b)显示了衍生多孔硅镜子的EDAX结果;图11显示了于SHP中在包含十二烯基封端多孔硅的80层镜子上的培养效果;图12显示了于SHP中在包含十二烷基封端氧化多孔硅的40层镜子上的培养效果;图13(a)和(b)显示了包含十二烯基封端氧化多孔硅的80层镜子浸渍在SHP中之前和之后的反射光谱;图14显示了反射率随衍生多孔硅层数变化的理论预测值;图15显示了根据本发明的生物过滤装置的草图;图16显示了根据本发明的心血管装置;图17(a)显示了根据本发明的伤口修复装置的一部分的草图;图17(b)显示了根据本发明的微电极装置的草图;图18(a)显示了根据本发明的放射治疗装置的草图;图18(b)显示了根据本发明的药物释放装置的一部分的草图;和图19显示了根据本发明的腐蚀分析系统。图1显示了在硅片上进行衍生过程的草图。它们是电阻系数为7.5-8.5Ωcm的(100)p-型硼掺杂晶片。预先在黑暗中于体积比为1∶1的48%HF∶C2H5OH混合物中在1.7mAcm-2将它们恒电流阳极化5分钟生成多孔硅单层。该多孔硅单层在其整个厚度中具有基本均匀的孔隙率。随后用乙醇和过量干燥的己烷冲洗,不允许晶片的中间干燥。然后进行衍生反应,使用路易斯酸(EtAlCl2)为媒介的氢化硅烷化以替代晶片的硅烷端基。用1-十二炔进行氢化硅烷化并得到十二烯基封端的表面。以路易斯酸为媒介的氢化硅烷化是以下列方式进行的使路易斯酸(EtAlCl2)的己烷溶液与新阳极化的多孔硅样品(包括具有均匀孔隙率的单层)的表面接触。随后将1-十二炔也放在多孔硅的表面上并使后继反应在20℃的环境温度下进行1小时。然后用THF,随后用CH2Cl2将样品猝灭。整个过程,即从使用路易斯酸到用CH2Cl2猝灭是在惰性气氛中完成的。随后用乙醇冲洗衍生的样品并在N2气流下干燥。所得表面被一层十二烯基基团覆盖。这种衍生材料即使是在沸腾的KOH的碱性溶液(pH 10)中1小时也只发生少量程度的氧化。鉴于此,通常使用强碱性溶液来选择性地在室温于几秒至几分钟内从晶片中溶解许多微米多孔硅。就这种晶片对生理环境(pH 7.3)的响应进行评价。将衍生材料暴露在SHP中并通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和次级离子质谱(SIMS)检测其腐蚀、氧化和钙化程度。将之与未衍生并因此带有氢化物端基的具有相同微结构的对照晶片作对比。将衍生和对照晶片在37℃于非细胞SHP中培养几小时至几星期。SHP的离子浓度如下 图2(a)和2(b)显示了对照晶片在暴露于SHP前的表面形态。晶片的多孔硅层较薄(在155mm2阳极化区域的中心为275±15nm,逐渐增加至其周边的350±15nm),并且具有一些由箭头指示的纳米级表面微粒污染。图3(a)显示了对照材料在暴露于这种模拟生理环境中一小时内所发生的表面粗糙度的快速增长。5小时后(图3(b))有发生结合的溶解-沉积过程的迹象,并且70小时后(图3(c))大面积的对照晶片被完全除去,残存者具有非常粗糙的外观。图2(c)和2(d)显示了衍生晶片浸渍在SHP中4周后的表面形态。完全不同的是衍生多孔硅层的厚度基本未变。与图2(a)相比,图2(c)表面形态的多数变化可能是由于非常薄的SHP沉积物。用箭头标识的纳米级凹痕腐蚀似乎与阳极化后但衍生反应前存在的表面微粒有关。假设它们局部地遮盖住一小部分使之没有十二烯基端基,这部分随后会变成下陷区,这种形式的腐蚀既不是衍生方法也不是衍生材料所固有的。
对比图2和3,进一步观察到70小时后多数275nm厚的未衍生多孔硅层已被完全除去,表明通过该衍生过程引起了稳定性的巨大变化。从图2(a)和2(d)及图4可估算出在约4周(700小时)期间衍生材料的任何层变薄≤25nm,而对于未衍生对照材料经过70小时后变薄平均约为250nm。因此在这样的时间期间并在这种生理条件下腐蚀速率降低了至少100倍。
对衍生多孔硅被SHP渗透及进行氧化的程度进行了研究。SIMS曲线显示了贯穿晶片深度的Na,K,Cl,Mg和Ca的基本水平。因为这些元素存在于SHP中但在新刻蚀和老化(环境空气中)的多孔硅中水平均非常低,所以SHP溶液在某种程度上渗透到硅孔中几乎是无疑问的。图4(a),(b)和(c)对比了在老化的衍生多孔硅中的氧水平和SHP处理的未衍生及衍生多孔硅中的氧水平。SIMS分析是针对所述三种材料中的每一种的阳极化区域的周边进行的,其中横截面SEM图像显示初始晶片厚度为315±15nm。未衍生多孔硅在SHP中5小时后比衍生多孔硅浸渍4周后具有更高的氧化程度(且显著变薄)。但是,与在空气中储存6周的衍生多孔硅相比,衍生多孔硅在SHP中显然发生了某些额外的氧化。
以上由FTIR分析得到证实(图5)。反向与氧结合的硅的相对量看来与环境空气中老化的对照材料类似,但在SHP浸渍材料中约1100cm-1处的Si-O伸缩振动模式显著增加。这与多孔硅骨架进行水解一致,但其疏水表面基团保护表面不变。从图5(a)和5(b)的对比观察中可见浸渍在SHP中4周后ν(C=C)伸缩振动强度消失,可能是因为在这些条件下占优势的顺式形式双键异构化为热力学上更稳定的反式构象。在多孔硅材料储存在空气中6周的情况中,出现烃杂质的吸收,这可分别由2690cm-1和2925cm-1处ν(CH2)和ν(CH2)比例的变化,以及1460cm-1处δ(CH2)强度的增加来证实。
图6(a)和(b)显示了包含胰岛素分泌细胞的免疫隔离装置的横截面和平面图。它包括一个单晶硅晶片1的胶囊,该胶囊带有一个包含胰岛素分泌细胞的储槽2、一个衍生中孔硅过滤器3和一个由衍生中孔硅过滤器5提供的盖子。将该胶囊用于活性人体或动物体中,细胞通过过滤器与身体分界。
储槽是使用各向异性刻蚀剂如KOH来光刻限定的。胶囊盖包括一层市售的硅薄膜,并使用一层非常薄,例如小于1μm的已知可防止水解的医用粘合剂,如氰基丙烯酸酯或牙科粘合剂或硅树脂弹性体粘结到胶囊上。或者,可以使用直接的硅与硅结合或硅与SiOx与硅的结合,是通过不会将胶囊温度升高超过30℃的方法形成的,以便不损害细胞。胶囊从过滤器3至过滤器5的尺寸为500μm或更小。这可以保证胰岛素分泌细胞距离血管或其他营养源不超过500μm,超过500μm会导致它们工作恶劣或甚至死亡。可以得到更厚的胶囊,它们具有能够容纳更多数目细胞的优点。但是,这种胶囊的内表面必须植入诸如内皮细胞的细胞以帮助支撑置于胶囊中的细胞。衍生多孔硅过滤器3,5是通过阳极化胶囊及其盖的部分而得到的。它们具有几个微米的厚度,50nm直径的孔的孔隙率超过5%而15-30nm直径的孔的孔隙率超过15%。这就允许足够的营养物水平到达胰岛素分泌细胞,并且具有足够的扩散量允许快速释放胰岛素以响应身体中葡萄糖水平的变化。
图7显示了电池第一个实施方案的横截面草图。它包括一个带有第一和第二衍生中孔硅过滤器2,3、及第一和第二光检测器4,5的基本中空的硅箱1。光检测器是由硅制成的并且包括p-n结。该箱的洞穴6内包含一种含有绿色荧光蛋白质的生物发光有机体。由该有机体产生的光被光检测器4,5接收,并转换成电能。过滤器2,3允许营养物如葡萄糖进入箱子和使废产物离开箱子,但阻止可能破坏该有机体的免疫系统组分进入该箱。
图8显示了电池第二个实施方案的横截面草图。它包括本体无孔硅1,2的第一和第二层、及第一和第二衍生多孔硅过滤器3,4。第一和第二电极5,6被夹持在本体硅层之间。本体硅和多孔硅之间形成的洞穴7包含流体,例如体液。第一电极5包括铝,而第二电极6包括银。在电极之间通过流体发生电子转移,产生电能。该电极系统产生约0.8V的电压,并且具有由电极面积决定的短路电流。电极上装有电接线(未示出)以将能量导出电池。过滤器2,3阻止对电极有害的物质接触它们。在一个进一步的实施方案中,第一电极5含有固定在其上的葡萄糖氧化酶。通过过滤器进入电池的葡萄糖由酶催化产生过氧化氢。这在第二电极6中发生下列反应
这导致在电极之间发生电子转移产生电能。该电极系统产生约为2V的电压。过滤器允许对电极有益的物质如葡萄糖通过电池,但阻止对其有害的物质进入电池。
图9为多层镜子的草图。制造了两种类型的多层镜子一种40层的镜子和一种80层的镜子。镜子是使用20%的刻蚀HF酸通过阳极化电阻率为0.01Ωcm的p-型硅晶片而制造的。将电流调制在0.75A(4.5秒间隔)和4.55A(2.55秒间隔)之间。重复调制40个循环制得80层镜子,或20个循环制得40层镜子。以这种方式调制电流导致形成高和低孔隙率的多孔硅交替层1和2。高孔隙率多孔硅层1的孔隙率为71%,厚度为180nm;低孔隙率多孔硅层2的孔隙率为50%,厚度为90nm。可通过改变高和低电流间隔的持续时间来改变层的厚度。阳极化的晶片是天然的氧化物,将其储存在环境空气中两年而钝化。
40和80层镜子是由两种不同的方法衍生的。第一种方法类似于较早描述的衍生单层多孔硅的方法,即路易斯酸/十二炔氢化硅烷化方法。对于结合图1描述的较早的方法,路易斯酸被涂敷在镜子的多孔硅表面。随后将1-十二炔也涂敷在该表面以发生氢化硅烷化。这种衍生方法得到十二烯基封端的多孔硅。但是与较早的方法相反,用HF预处理多孔硅以除去由于2年钝化过程而存在的氧化物层。
衍生的第二种方法包括在室温将镜子浸渍在三氯十二烷基硅烷中24小时以产生十二烷基封端的氧化多孔硅。与第一种方法相反,未用HF预处理镜子以除去由于钝化过程形成的氧化物层。用乙醇冲洗样品并在真空下干燥。
在模拟人血浆(SHP)中于37℃和pH 7.3培养衍生和未衍生的40和80层镜子。在几小时至许多月后取出镜子并使用JEOL 6400F扫描电子显微镜分析组成。未衍生镜子的电子显微镜结果显示在培养几小时内就有腐蚀迹象,并且一天的培养足以引起镜子在空气干燥下瓦解。
发现用第一种或第二种方法衍生镜子没有引入由于干燥引起的裂纹或显著的孔隙率梯度。示于图10的EDAX结果证明贯穿镜子的整个深度都浸渍着碳,说明镜子的孔在衍生过程中未被堵塞。图10a显示了由第二种方法衍生的多孔硅镜子的EDAX结果。图10b显示了由第一种方法衍生的多孔硅镜子的EDAX结果。
图11显示了在SHP中于包含十二烯基衍生多孔硅的80层镜子上进行培养的效果。图11a显示的是培养前的镜子,图11b显示的是经过425小时培养后的镜子,而图11c显示的是经过2125小时培养后的镜子。经过425小时后原先80层中的72层保持完好,经过2125小时后在羟磷灰石沉积物下约50层保持完好。这种最终的钙化降低了溶解速率;衍生多孔硅层将用6个多月才能完全溶解。
图12显示了在SHP中于包含十二烷基衍生多孔硅的40层镜子上进行培养的效果。图12a显示的是培养前的40层镜子,图12b显示的是经过425小时培养后的40层镜子,而图12c显示的是经过2125小时培养后的镜子。经过2125小时后最顶层被严重氧化,但没有溶解。如果假设腐蚀速率是线性的,完全溶解将花费约10年时间。
图13a和13b显示了包含十二烯基封端的多孔硅的40层镜子在浸渍在SHP中之前和之后的反射率光谱。图13a显示的是浸渍前的反射率而图13b显示的是浸渍2125小时后的反射率。这些结果显示腐蚀结构继续起着镜子的作用。
图14显示的是反射率随衍生多孔硅层数变化的理论预测曲线。预测显示即使只保留较少数目的层,反射率也保持很高。
图15显示了根据本发明由151代表的生物过滤装置草图。装置151包括一个外壳152、一个葡萄糖传感器153、一个空腔154、一个衍生多孔硅过滤器155和一个空腔封闭壁156。生物过滤装置151是通过刻蚀硅晶片形成空腔154并随后在对着空腔表面的表面上成孔而制造的。随后对多孔硅进行衍生,将传感器153粘结在封闭壁156上,再将该壁粘结到外壳152上以使传感器位于空腔154中。使用医用粘合剂粘结传感器153和封闭壁156以及封闭壁156和外壳152。
可将装置151置于患者的血流或组织中。过滤器155允许葡萄糖分子通过,但阻止血细胞和其他材料到达葡萄糖传感器153中。使用衍生多孔硅的优势在于它减少了材料在过滤器155上的沉积。在这种方式下在传感器153和过滤器155上的沉积均最小。
图16显示了根据本发明的心血管装置的草图。所示心血管装置整体由161代表,是一个包括支撑台架162和血流传感器163的展幅(stent)。展幅可用来支撑动脉壁164,保持其直径;血流传感器163检测血流速率。传感器163具有一个包括衍生多孔硅的外表面。可以选择衍生以使凝结和/或钙化最小。
传感器163允许监测血流;如果检测到不适当的血流,则使用药物或对患者进行手术以纠正这种情况。包括衍生多孔硅的监测血流或血压的传感器也可与其他心血管装置如导液管联合使用。
图17a显示了根据本发明的伤口修复装置的一部分的草图。修复装置包括排列着插座172和插头173的微脉管,它的一部分由171代表。插头173由第一种硅晶片形成而插座由第二种硅晶片形成。与插头173或插座172的侧壁相对的每个硅晶片的侧壁与待修复组织相连。随后将两个晶片一起拉伸以将插头173固定在插座172中。以这种方式衍生多孔硅允许多孔硅的腐蚀速率可控并且降低了钙化。使用多孔材料允许组织生长到孔中,促进伤口修复。
图17b显示了根据本发明的整体由171代表的微电极装置的草图。该装置包括一个包含衍生多孔硅的微电极174和一个电连线175;它可用于电刺激身体的一部分或在患者体内监测电活性。控制系统(未示出)由于其较大而可放置在电刺激点的远处并通过电连线175与微电极174相连。微电极174的多孔特性便于组织集中,由此降低了界面阻抗。衍生减少了多孔硅的腐蚀,因此电极174的电性能保持相对恒定。
图18a显示了根据本发明的整体由181代表的放射治疗装置。放射治疗装置181包括与放射性同位素182如90Y结合的衍生多孔硅。该装置为小球形式,可以植入到肿瘤区附近的器官中。
该小球可通过多步过程由氧化物晶片上的硅制成。第一步是通过光刻蚀本体硅层形成粘结在底层氧化硅上的多样性硅颗粒。随后在HF溶液中使硅颗粒成孔,在成孔期间用一个罩保护氧化硅层。掺杂放射性同位素182是通过将成孔颗粒浸渍在同位素182的水溶液中,然后蒸发而实现的。将现在在其孔183中含有同位素182的多孔硅退火以将放射性同位素182驱赶到骨架184中。退火温度为300℃-1150℃,时间为30s-5h。掺杂多孔硅衍生后从氧化物基材中除去。
使用多孔硅允许在其整个体积中掺杂小球。放射性同位素182存在于小球的骨架184内减少了同位素182泄漏到治疗之处以外的身体部位。如果小球由大的结晶硅形成,则必须通过离子注入技术掺杂;这是一个较昂贵的技术,限制了掺杂深度。因此由大块硅形成的小球将导致泄漏的危险性增加。使用衍生多孔硅意谓着降低腐蚀速率,并因此降低放射性同位素182的损失。
图18b显示了根据本发明的整体由185代表的药物释放装置的一部分的草图。装置185包括一个衍生多孔硅样品,其中药物化合物186的分子分散在孔187中。以能使药物粘结到硅骨架188上的方式衍生多孔硅。以此方式进行衍生允许实现药物分子186恒定的释放速率。
图19显示了根据本发明的整体由191代表的腐蚀分析系统。系统191包括一个电磁辐射源192、一个辐射检测器193和一个包括衍生多孔硅的光学装置195。通过照射镜子195而操作装置191。其后辐射由镜子195反射并由检测器193检测。镜子位于人或动物患者的身体194内部。随着镜子在身体194中腐蚀,其光学性能改变,而这种变化可由检测器193检测。这样镜子195在身体194中的腐蚀情况可被监测。
描述了包括衍生多孔硅的生物材料。已经发现对多孔硅进行衍生提高了其稳定性。多孔硅优选通过不涉及硅氧化的技术,例如通过氢化硅烷化进行衍生。衍生多孔硅在沸腾的充气水中优选至少2个小时是稳定的。衍生多孔硅在充气的KOH(pH 10)水溶液和25%EtOH/75%KOH(pH 10)水溶液的碱性溶液中沸腾一小时优选至少是基本稳定的。衍生多孔硅材料在模拟人血浆中的腐蚀速率比未衍生多孔硅的低至少两个数量级。衍生多孔硅的孔隙率优选至少为5%。还描述了包括衍生多孔硅的装置。这些装置包括免疫隔离装置、生物电池装置和光学装置。
衍生多孔硅制作方法
- 专利详情
- 全文pdf
- 权力要求
- 说明书
- 法律状态
查看更多专利详情
下载专利文献
下载专利
同类推荐
-
L·T·坎哈姆, C·P·巴雷特L·T·坎哈姆, C·P·巴雷特陈海标, 潘锋陈海标, 潘锋陈海标, 潘锋陈海标, 潘锋
您可能感兴趣的专利
-
杨志峰刘建龙L·T·坎哈姆, C·P·巴雷特郭兴忠
专利相关信息
-
陈顺潮, 王铠莎陈顺潮, 王铠莎王亚洲, 王伯初中岛隆太郎三浦彻