KR19990036092A

KR19990036092A - 생물질

Info

Publication number: KR19990036092A
Application number: KR1019980700758A
Authority: KR
Inventors: 라이 트레보 캔햄
Original assignee: 더 세크리터리 오브 스테이트 포 디펜스
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 1999-05-25
Also published as: JP2012006828A; KR100488643B1; KR100512394B1; KR20040086483A

Abstract

생물질, 예를 들어 생체활성 규소는 다공질 규소 영역(20)을 갖는 웨이퍼(10)를 생산하기 위하여 규소 웨이퍼를 양극화함으로써 제작할 수 있다. 시험관내 실험으로 일정 타입의 다공질 규소가 시뮬레이팅된 체액중에 침지시키는 경우 다공질 규소(20)과 이웃하고 있는 벌크 규소(22) 둘다에 아파타이트 침착물이 침착되도록 하는 것이 밝혀졌다. 이런 아파타이트의 침착은 적합한 형태의 다공질 규소가 생체활성이고, 따라서 또한 생체화합성임을 나타내는 지표를 제공한다. 다공질 규소 형태는 시뮬레이팅된 체액중에 용해되고 이는 재흡수성 생물질 특성의 지표가 된다. 다공질 규소 이외에, 특정 타입의 다결정상 규소는 생체활성 특성을 나타낸다. 생체활성 규소는 시험관내 또는 생체내 용도의 바이오센서의 제작에 사용될 수 있다. 생체활성 규소의 생체활성은 전압을 인가함으로써 조정할 수 있다.

Description

생물질

본 발명은 생물질(biomaterial)에 관한 것이다.

"생물질"이란 생물학계와 상호반응하도록한 의료용 장치에 사용되는 비-생체 물질이다. 상기와 같은 물질은 이들의 생체내 생물학적 반응에 따라 상대적으로 "생체불활성", "생체화합성", "생체활성" 또는 "재흡수성"일 수 있다.

생체활성 물질은 생체내에서 생체 조직 및 물질간에 결합을 형성시키는 특이적 생물학적 반응을 일으키는 물질의 일종이다. 생체활성 물질은 또한 표면 반응성 생물질로도 언급된다. 생물질은 살아있는 유기체중으로 이식하기에 적합한 물질로 정의될 수 있다. L. L. Hench는 과학 문헌에 생물질을 발표한 바 있다[참조: Science, Volume 208; 1980년 5월, 826-831면]. 상대적으로 불활성인 생물질은 이식시켰을때 계면상의 문제를 일으킬 수 있어 생물질-조직 계면을 개선시키기 위하여 생체활성인 물질을 개발하기위한 연구 활동이 상당하게 활발하게 있었다.

공지된 생체활성 물질로는 일부는 유리이고 일부는 유리 세라믹인 히드록시아파타이트(HA)가 있다. 생체활성 유리 및 생체활성 유리 세라믹은 둘다 이식시 히드록시카보네이트아파타이트(HCA)의 생물학적 활성층을 형성한다. 이 층은 뼈 중의 무기질상과 화학적 및 구조적으로 등가이며 뼈와 생체활성 물질간에 계면 결합이 이루어지도록 한다. 이들 생체활성 물질의 특성은 다음 문헌에 상세히 기술되어 있다[참조: L. L. Hench; Journal of the American Ceramic Society, Volume 74 Number 7, 1991, 1487 -1510면]. 생체활성 물질에 대한 상기 과학 문헌은 종종 상호교환성을 기준으로 HA 및 HCA란 용어를 사용하고 있다. 본 특허 명세서에서, 물질 HA 및 HCA는 아파타이트에 대해 선택적으로 언급된다.

Li 등은 문헌에 실리카겔상의 아파타이트의 침착에 대해 보고한 바 있다[참조: Journal of Biomedical Materials Research, Volume 28, 1994, 7-15면]. 이들은 히드록시아파타이트의 이종성 핵화를 개시하는데 있어서 일정 밀도의 실란올(SiOH) 그룹이 필수적이라고 제시하고 있다. 아파타이트층은 실리카 유리 샘플의 표면상에서는 발달되지 않으며 이는 실리카겔과 비교하여 표면 실란올 그룹의 밀도를 저하시킨다.

아파타이트 후막(thick film)은 36℃에서 생리학적 용액중에 침지시킨 아파타이트와 볼라스토나이트(wollastonite)-함유 유리판 가까이에 웨이퍼를 배치시킴으로써 규소 단독 결정 웨이퍼상에 미리 침착시킨다[참조: Wang et al., Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Volume 6, 1995, 94-104면]. 시뮬레이팅된 체액(SBF)으로 공지된 생리학적 용액은 인체내에서 밝혀진 것과 유사한 이온 농도를 함유하는 용액으로서 시험관내 생체활성 시험에서 몸의 기능을 모방하는데 널리 사용된다. Wang 등은 (111) Si 웨이퍼상에서 아파타이트의 성장을 언급한 바 있으나 (100) Si 웨이퍼상에서 "거의 없다시피" 할 정도로 아파타이트가 성장할 수 없었다고 보고하였다. 규소 웨이퍼 자체는 생체활성이 아니다. Wang 등은 "Si는 아파타이트 필름의 성장에 있어서 특별한 역할을 하지 않지만 기판상의 Si 원자는 아파타이트 핵중의 산소 원자와 강력하게 결합하여 낮은 에너지를 갖는 계면을 형성할 수 있다"고 언급하였다. 아파타이트와 볼라스토나이트 함유 유리는 아파타이트의 침착을 유발시키는데 있어서 존재할 필요가 있다. 사실, 생체활성 물질을 사용하여 다른 물질을 처리하는, 이러한 소위 "생체모방성 공정"은 문헌에 보고된 바와 같이 다양한 종류의 생체불활성 물질상에서 아파타이트의 성장을 유발시키는 것으로 밝혀졌다[참조: Y. Abe et al., Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Volume 1, 1990, 233 내지 238면].

진단 및 치료용의 인체내 규소계 집적회로를 사용하기 위한 필요성이 오랜동안 요청되고 있다. 규소는 혈액중에서 생체화합성이 약한 것으로 보고된 바 있으며(참조: Kanda et al., Electronics Letters. Volume 17, 1981년 11월 16일, 558 내지 559면), 생물학적 환경중의 손상으로부터 집적회로를 보호하기 위해서 현재 적합한 물질에 의한 캡슐화 방법이 요청되고 있다. 규소계 센서의 의과용 용도는 다음 문헌에 기술되어 있다[참조: a paper by Engels et al., Journal of Physics E. Sci. Instrum., Volume 16, 1983, 987 내지 994면].

본 발명은 생체활성 규소를 제공한다.

생체활성 규소는 규소계 집적회로 기술과 상용성인 다른 생체활성 물질보다 장점을 제공한다. 이는 비-생체활성 규소보다 생체화합성인 더 큰 장점을 갖는다. 또한, 생체활성 규소를 사용하여 살아있는 동물의 뼈 또는 혈관 조직에 결합을 형성시킬 수 있다. 생체활성 규소는 소형화 패키지 용도에 있어서 패키지 물질로 사용하기에 적합한 물질을 제공할 수 있다.

규소의 생체활성은 생체활성 규소상에 무기질을 침착시키는 침지와 같이, 생리학적 온도에서 유지되는 시뮬레이팅된 체액중에 물질을 침지시킴으로써 증명할 수 있다. 무기질 침착물은 아파타이트일 수 있다. 아파타이트 침착은 100 ㎛²이상의 면적에 걸쳐서 연속적으로 존재할 수 있다. 생체활성 규소는 적어도 부분적으로 다공질 규소일 수 있다. 다공질 규소의 다공도는 4% 이상 70% 미만일 수 있다.

벌크 결정상 규소는 미국 특허 제5,348,618호에 기술된 바와 같이, 불화수소산 기본 용액중에서 부분적인 전기화학적 해리법에 의해 다공질로 바꿀수 있다. 이런 에칭 공정은 원래의 벌크 물질의 결정성과 결정학상 배향을 보유하는 규소 구조를 발생시킨다. 이렇게 형성된 다공질 규소는 결정상 규소의 형태이다. 다공도 수준이 낮은 경우, 예를 들어 20% 미만인 경우, 다공질 규소의 전기적 특성은 벌크 결정상 규소의 전기적 특성과 유사하다.

다공질 규소를 다공도 특성에 따라서 세분할 수 있다. 미공질 규소는 직경이 20Å 미만인 기공을 함유하며; 중간 다공질 규소는 직경 범위가 20Å 내지 500Å인 기공을 함유하며; 거대 다공질 규소는 직경이 500Å 초과인 기공을 함유한다. 생체활성 규소는 미공성 또는 중간 다공성인 다공질 규소를 포함할 수 있다.

규소는 수많은 금속, 세라믹 및 중합체와는 대조적으로 전망있는 생체물질인 것으로 판명된 바 없으며, 생체활성 기능을 발휘할 수 있는 것으로 판명된 바 없다. 사실, 어떠한 반도체도 생체활성인 것으로 보고된 바 없다. 규소는 기껏해야 상대적으로 생체불활성인 것으로 보고되었지만 일반적으로 생체화합성이 불량하다. 집적회로의 소형화에 있어서의 발달에도 불구하고, 규소 VLSI 기술은 아직도 하기 문헌에 기술된 바와 같이 침해적인 의과 및 바이오센싱(biosensing) 용도를 위한 개발 단계에 있다[참조: K. D. Wise et al., "VLSI in Medicine", edited by N. G. Einspruch et al., Academic Press, New York, 1989, Chapter 10 and M. Madou et al. in Appl. Biochem. Biotechn., Volume 41, 1993, 109 내지 128면].

생물학적 용도에 대한 규소 구조물의 용도는 공지되어 있다. 국제 공개 공보 번호가 WO 95/24472인 국제 특허원 PCT/US95/02752에는 천공된 무정형 규소 구조물로부터 형성된 말단면을 갖는 캡슐이 기술되어 있는데, 이의 기공은 목적하는 분자 생성물을 통과시키기에는 충분히 크지만 더 큰 면역학적 분자가 통과하는 것은 차단하여, 이중에 함유된 세포가 면역학적으로 분리되도록 한다. 규소 구조물의 생체화합성에 대한 증거가 제공된 바 없으며, 생체화합성 물질 분야의 숙련가들은 상기와 같은 장치가 생체내에서 섬유상 조직의 생성을 자극하여 기공을 차단하는 것으로 예측하고 있다. 문헌에 기술되어 있는 바와 같이, 미세기계화 규소 구조물을 신경 소자용 센서로 사용하는 경우 섬유상 조직층이 규소 표면과 대상이 되는 신경 소자 사이에 형성되는 것이 공지되어 있다[참조: D. J. Edell et al., IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Volume 39, Number 6, 1992, 635면]. 사실 형성된 섬유상 조직층의 두께 및 특성은 종종 생체화합성의 척도로서 사용되며, 세포 괴사물을 거의 함유하지 않는 더 얇은 층이 생체화합성 정도가 더 높은 것임을 반영한다.

미국 특허 제5,225,374호에는 표적종과 상호반응하여 단백질-지질막에 대한 기판으로서 다공질 규소를 사용하여 시험관내 용액중에서 표적종에 노출시 전류를 생산하는 것이 기술되어 있다. 다공질 규소는 산화되어 친수성 표면을 생산하며 기공이 이온-전류에 대한 도관으로서 작용하기 때문에 선택되고 상기 구조물은 지질층에 대한 구조 지지체를 제공한다. 다공질 규소는 단백질-지질막에 의해 시험관내 용액으로부터 분리되며 이어서 다공질 규소의 생체활성 또는 생체화합성에 대한 문제는 발생되지 않는다.

다공질 규소가 문헌에 시험관내 바이오센서용 기판 물질로서 제시된 바 있다[참조: M. Thust et al., Meas. Sci. Technol. Volume 7 1996, 26 내지 29면]. 상기 문헌에 기술된 장치의 구조에서는, 다공질 규소를 열산화시켜 기공의 노출된 규소 표면상에 이산화규소 층을 형성시킨다. 다공질 규소가 부분적으로 열적 산화되기 때문에, 규소의 생체활성 또는 생체화합성은 타당성이 없는데 이는 단지 시험 용액에 노출된 이산화규소이기 때문이다. 다공질 규소는 효소 용액에 대해 효과적인 불활성 숙주이다.

미세천공된 규소막이 문헌에 세포 구조를 지지시킬 수 있는 것으로 기술되어 있다[참조: E. Richter et al., Journal of Materials Science: Materials in Medicine, Volume 7, 1996, 85 내지 97면, G. Fuhr et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, Volume 5, Number 2, 1995, 77 내지 85면]. 상기 문헌에 기술된 규소막은 석판인쇄술 공정을 사용하여 폭이 5㎛ 내지 20㎛인 정사각형 기공에 의해 천공된, 두께가 3㎛인 규소막을 포함한다. 마우스 태아 섬유아세포는 세정된 막상에서 성장할 수 있었으나 막을 폴리리신으로 피복시킬 경우 세포의 접착성이 향상되었다. 상기 문헌에서 규소막의 생체활성에 대해서는 침묵하고 있으며, 세포 배양 배지에 노출시킬 경우 형성되는 아파타이트층에 대해서는 어떠한 언급도 없었다. 사실, 사용되는 기공의 치수의 경우, 상기 구조물은 현저한 정도의 생체활성을 발휘할 것 같지는 않다. 또한, 장기간의 안정성을 갖는 세포-화합성 물질을 발견하여 발전시킬 필요가 아직도 있음을 Fuhr 등은 인정하고 있다.

문헌(참조: A. Offenhausser et al., Journal of Vacuum Science Technology A, Volume 13, Number 5, 1995, 2606-2612면)에는 초박막 중합체로 기판을 피복시킴으로써 규소 기판에 생체화합성을 부여하는 기술이 설명되어 있다. 유사하게, 문헌(참조: R. S. Potember et al., Proc. 16th Int. Conf. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Volume 2, 1994, 842-843면)에는 규소 표면에 부착된 합성 펩타이드를 사용하여 래트 뉴우런의 발달을 촉진시키는 것이 기술되어 있다.

다른 양태로, 본 발명은 생체활성 규소 구조물을 제공한다.

또 다른 양태로, 본 발명은 생체활성 규소를 포함함을 특징으로 하는, 살아있는 인체 또는 동물체에서 작동시키기 위한 전자 장치를 제공한다.

본 발명의 생체활성 규소를 전자회로용 보호 커버링 뿐만 아니라 뼈 또는 기타 조직에 장치를 부착시키기 위한 수단으로 배열할 수 있다.

전자 장치는 센서장치 또는 지능을 갖는 약물 운반용 장치 또는 인공보철 장치일 수 있다.

또 다른 양태로, 본 발명은 규소의 적어도 일부가 규소 기공이 되도록 함을 특징으로하여, 규소를 생체활성이 되도록하는 방법을 제공한다.

다른 양태로, 본 발명은 다결정상 규소층을 침착시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 생체활성 규소의 제작 방법을 제공한다.

다른 양태로, 본 발명은 생체화합성 규소를 제공한다.

또 다른 양태로, 본 발명은 재흡수성 규소를 제공한다.

다른 양태로, 본 발명은 규소에 전기 바이어스를 인가함을 특징으로 하여, 생리학적 전해질중에서 규소상에 무기질 침착물의 침착 속도를 상승 또는 저하시키는 방법을 제공한다.

규소는 다공질 규소일 수 있다.

다른 양태로, 본 발명은 물질에 전기 바이어스를 인가함으로써 물질의 생체활성을 조정할 수 있음을 특징으로 하는 생체활성 물질을 제공한다.

통상의 생체활성 세라믹은 전기적으로 절연되어 있으며 따라서 전기화학적 용도에 있어서 이들의 용도는 배제되어 왔다. 조직 성장의 전기적 자극은 이미 연구되었는데, 통상적으로 전기분야의 직접적인 효과와 이식된 "생체불활성" 전극 근처의 변화된 몸체 화학과 관련된 것을 구별하기 어려웠다.

또 다른 양태로, 본 발명은 생체활성 규소 영역과 이 영역상의 무기질 침착물을 포함하는 복합 구조물을 제공한다.

본 발명의 가능한 용도는 생검 수행용 기판으로서의 용도이다. 살아있는 동물에 대해 시험을 수행히지 않고 약제학적 화합물에 대해 특정 시험을 수행할 수 있는것이 바람직하다. 따라서 세포주를 기판상에 지지시켜 놓고 세포주에 대한 약제학적 화합물의 효과를 모니터하는 시험관내 시험법을 개발하기 위하여 상당한 양의 연구활동이 있었다. 규소와 아파타이트의 복합 구조물은 상기와 같은 시험용으로 적합한 기판을 제공할 수 있다.

다른 양태로, 본 발명은 생체활성 규소와 이위의 무기질 침착물로 이루어진 복합 구조물을 형성시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 바이오센서의 제작 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 규소 기판의 적어도 일부가 생체활성 규소으로 이루어짐을 특징으로 하는, 규소 기판을 포함하는 화합물의 약리학적 활성 시험용 바이오센서를 제공한다.

본 발명의 더욱 완전한 이해를 위하여, 이의 양태를 첨부되는 도를 언급하여, 단지 일례로서 기술한다.

도 1은 생체활성 규소 웨이퍼의 단면도이다.

도 2는 도 1의 웨이퍼의 다공질 영역에 인접한 벌크 규소 영역상의 아파타이트 침착물의 주사 전자 현미경(SEM) 조직 사진이다.

도 3은 도 2의 규소 영역의 단면의 SEM 조직 사진이다.

도 4는 다공도가 31%인 다공질 규소 영역상에 침착된 아파타이트 구과(spherulite)를 나타내는 SEM 조직 사진이다.

도 5a는 시뮬레이팅된 체액 용액중에 침지시킨 후 다공도가 48%이도록하기 위해 양극화시킨 규소 웨이퍼의 비양극화 영역의 SEM 조직 사진이다.

도 5b는 도 5a의 웨이퍼의 양극화 영역의 SEM 조직 사진이다.

도 6은 생체활성 규소를 포함하는 바이오센서의 다이어그램이다.

도 7은 생체활성을 전기적으로 조정하기위한 전기화학적 전지의 다이어그램이다.

도 8은 도 7의 전지에 있어서 처리후 다공질 규소 웨이퍼에서의 칼슘 농도 프로필의 플롯이다.

도 9는 본 발명의 생체활성 다결정상 규소를 포함하는 바이오센서 장치의 다이어그램이다.

도 1의 경우, 일반적으로 10으로 표시한 생체활성 규소 웨이퍼의 단면을 나타낸다. 규소 웨이퍼 10은 다공질 규소 영역 20과 비-다공질 벌크 규소 영역 22를 포함한다. 다공질 영역 20의 두께 d는 13.7㎛이고 평균 다공도는 18%이다. 규소 웨이퍼 10의 직경 l은 3인치 또는 75㎜이다. 다공질 영역 20의 물질 단위 매스당 표면적은 67㎡/g이다. 이는 하기 문헌에 기술된 바와 같이, BET 가스 분석 기술을 사용하여 측정한다[참조: "Adsorption, Surface Area and Porosity", S. J. Gregg and K. S. W. Sing, 2nd edition, Academic Press, 1982].

웨이퍼 10은 초기 저항이 0.012Ω㎝인, 비소가 과하게 도핑된 초크랄스키-성장(CZ) n-타입(100) 규소 웨이퍼를 양극처리하여 제작한다. 양극처리는 미국 특허 제5,348,618호에 기술된 바와 같이, 50중량% 수성 HF의 전해질을 함유하는 전기화학적 전지중에서 수행한다. 100mA㎝^-2의 양극처리 전류 밀도를 1분간 사용하여 웨이퍼를 양극화한다. 웨이퍼의 외부면 주변을 합성 고무 세척기로 세척하여 전기화학적 전지에 배치시킨다. 결과, 웨이퍼의 외부환은 양극처리후에도 비양극화된 상태로 남아있게 된다. 상기 비양극화된 외부환을 도 1에서 비-다공질 벌크 규소 영역 22로 나타낸다. 비양극화된 환의 폭 s은 4㎜이다.

양극화 웨이퍼의 생체활성을 측정하기 위하여, 절단시킨 웨이퍼 단편을 2시간 내지 6주간의 기간에 걸쳐 시뮬레이팅된 체액(SBF)중에 놓는다. SBF 용액은 시약 등급의 염을 탈이온수중에 용해시켜 제조한다. 상기 용액은 사람의 혈장중에서 밝혀진 것과 유사한 이온 농도를 함유한다. SBF 용액의 이온 농도와 사람의 혈장내에서의 이온 농도를 하기 표 1에 나타낸다. SBF 용액은 생리학적 pH와 등가인 pH 7.30±0.05로 트리히드록시메틸아미노메탄과 염산을 사용하여 유기적으로 완충시킨다. 다공질 웨이퍼를 SBF 용액중에 침지시키기 전에 적어도 수개월 동안 주위 공기중에서 보관하면 수화된 다공질 규소 웨이퍼가 된다. 따라서 다공질 규소는 공기중에 보관시킨 결과 벌크 규소상에 형성된 것과 유사한, 얇은 천연 산화물의 형태로 피복된 규소 골격을 포함하게 된다.

이온	농도 (mM)
이온	시뮬레이팅된 체액	사람의 혈장
Na⁺	142.0	142.0
K⁺	5.0	5.0
Mg²⁺	1.5	1.5
Ca²⁺	2.5	2.5
HCO₃ ^-	4.2	27.0
HPO₄ ^2-	1.0	1.0
Cl^-	147.8	103.0
SO₄ ^2-	0.5	0.5

전형적으로 치수가 0.4 x 50 x 20㎣인 웨이퍼의 절단 단편을 SBF 용액으로 충전한 30㎤ 용적의 폴리에틸렌 병에 놓고 보정된 수조를 사용하여 37±1℃에서 유지시킨다.

공지된 기간이 경과된 후, 상기 단편을 SBF 용액으로부터 회수하여 탈이온수로 세정한 다음 특성화전에 주위 공기중에서 건조시킨다. SBF 처리된 단편은 주사 전자 현미경(SEM) 및 JEOL 6400F 현미경상에서의 x-선 미세분석법(EDX)을 이용하여 조사한다. 2차 이온 매스 분광분석은 Cameca 4F 장치를 사용하여 수행하고 적외선 분광분석은 Biorad FTS-40 분광분석계를 사용하여 수행한다.

2, 4 및 17시간 동안 SBF 용액중에 침지시킨후, 다공질 규소 영역 20과 비-다공질 벌크 규소 영역 22에 둘다 무시할만한 양으로 아파타이트가 침착된다.

도 2의 경우, 일반적으로 50으로 나타내는 SEM 조직 사진의 재현을 나타낸다. 조직 사진 50은 웨이퍼 10을 6일 동안 SBF 용액에 넣은 후 영역 22의 일부의 화상이다. 스케일 막대 52는 2㎛의 치수를 나타낸다. 조직 사진 50은 영역 22의 표면을 덮는 아파타이트 구과 54의 연속층을 나타낸다. 아파타이트 구과를 충분히 높은 밀도로 핵화하여 가장자리 56과 같이 구과 사이의 가장자리가 불분명한 상대적으로 연성이 필름을 생성시킨다. 상기 필름은 적어도 100㎛²에 걸쳐 연속적으로 존재한다.

도 3의 경우, 웨이퍼를 6일 동안 SBF 용액중에 침지시킨 후 영역 22에서, 웨이퍼 10의 단면의, 일반적으로 100으로 표시하는, SEM 조직 사진의 재현을 나타낸다. 스케일 막대 102는 1.0㎛의 치수를 나타낸다. 조직 사진 100은 3개의 분명한 영역을 나타내는데, 대문자 A, B 및 C로 표시한다. EDX 분석으로 영역 A가 비-다공질 벌크 규소 영역 22의 원래 물질에 대응하는 규소임을 확인할 수 있다. 영역 B는 EDX 분석하에서 규소와 산소 피크를 둘다 나타내는 것으로, 영역 B가 산화 규소를 포함함을 표시하는 것이다. 영역 C는 EDX 분석하에서 칼슘, 인 및 산소 피크를 나타내며, 상기 영역이 아파타이트 구과를 포함하는 것과 일치하는 것이다. SEM과 EDX 분석을 함께 수행함으로써 다공질 산화 규소층(영역 B)가 벌크 규소(영역 A)상에 형성되어, 아파타이트를 사용하여 핵화 및 커버할 수 있음을 증명하였다(영역 C).

SBF 용액중에 6일간 침지시킨 후 다공질 규소 영역 20의 면적에서 웨이퍼 10의 SEM 분석을 수행하면 영역 22와 비교하여 훨씬 더 낮은 수준으로 아파타이트 커버가 되었음을 나타낸다. 다공질 규소 영역 20의 중간 다공도 수준은 높다. 다공질 규소의 확실한 층부식이 발생되는, SBF 용액중에서의 10일간의 침지후, SEM 분석하면 영역 20에서 거대 기공을 확인할 수 있다. SEM과 EDX 분석을 함께 수행하면, 벌크 규소 영역 22와는 대조적으로, 다공질 규소 영역 20상에서 아파타이트 핵화가 직접 일어날 수 있으며 중간체 다공질 산화규소 층의 형성을 필요로하지 않음이 증명된다. 매우 큰(직경 100㎛ 이상) 거대 기공을 의도적으로 도입시키면 다공질 규소의 구조물내에서 혈관 조직이 성장할 수 있도록 하는데 유리할 수 있다.

다공질 규소의 다공도가 18%가 아닌 웨이퍼상에서도 아파타이트 침착물의 형성이 관찰되었다. 다공도가 31%인 다공질 규소 영역을 갖는 미공성 웨이퍼는 양극처리 전류 밀도 100mA㎝^-2로 50중량% HF중에서 1분간 양극처리하여 0.03Ω㎝로 과하게 붕소 도핑된 p-타입 CZ 규소 웨이퍼로부터 제작한다. 생성된 다공질 규소 영역의 두께는 9.4㎛이고 단위 매스당 표면적은 250㎡/g이다. 상기 다공질 웨이퍼는 SBF 용액에 침지시키기 전에 충분히 숙성시킨다.

도 4는 웨이퍼의 단편을 SBF 용액 30㎤에 7일간 침지시킨 후 다공도가 31%인 다공질 규소층의 표면의, 일반적으로 150으로 표시하는 SEM 조직 사진을 나타내는 것이다. 조직 사진 150은 다공질 규소의 표면 154상의 아파타이트 구과 152와 같은 구과를 나타낸다.

다공도가 48%인 다공질 규소 영역을 갖는 미공성 웨이퍼는 저항이 30Ω㎝인 약하게 붕소 도핑된 p-타입 규소 웨이퍼를 50중량% HF중에서 양극화 전류 밀도 20mA㎝^-2에서 5분간 양극처리하여 제작한다. 생성된 다공질 규소 영역의 두께는 6.65㎛이고 단위 매스당 표면적은 약 800㎡/g이다. 상기 다공질 웨이퍼 단편은 SBF 용액으로 채운 150㎤ 폴리에틸렌병에 침지시키기 전에 충분히 숙성시킨다.

도 5a는 4주간 침지시킨후 다공도가 48%인 웨이퍼의 비양극화 영역상의 아파타이트 침착물 202의, 일반적으로 200으로 표시하는, SEM 조직 사진을 나타낸다. 도 5b는 다공도가 48%인 다공질 영역상에 침착된 아파타이트 구과 252의, 일반적으로 250으로 표시하는, SEM 조직 사진을 나타낸다. 구과 252는 하기 문헌에 기술된 바와 같이 생체활성 세라믹상에서의 아파타이트 성장을 특징으로 하는 컬럼 구조를 갖는 형태를 나타낸다[참조: P. Li et al., Journal of Biomedical Materials Research, Volume 28, 7 내지 15면, 1994]. 유사한 형태를 갖는 아파타이트 구과가 상기 웨이퍼의 비양극화 영역상에서 관찰된다. SBF 용액중에 침지시킨 후 비양극화 영역과 교차하는, 다공도 48%인 웨이퍼의 EDX 단면 스펙트럼은 구과가 아파타이트와 일치하게 칼슘, 인 및 산소를 함유함을 나타낸다. 구과와는 별도로, 주로 규소와 산소를 포함하는, 두께가 단지 150㎚인 계면층이 관찰된다. 푸리에 전형 적외선 분광분석으로 다공질과 비-다공질 영역 둘다에 아파타이트가 존재함을 확인하였다. 카보네이트기 그룹의 진동 모드에 관여하는, 파동수 약 600㎝^-1주변에서 PO₄테트라헤드라의 P-O 벤딩 진동 모드와 1400㎝^-1주변에서 브로드 밴드가 둘다 관찰되었다.

다공질 규소의 일부 형태는 광발광성인 것으로 공지되어 있다. 다공질 규소으로부터 적색 및 오렌지색 광발광성의 관찰은 일반적으로 규소 물질의 양자 와이어 또는 양자 도트의 존재를 나타내는 것이다. SBF 용액에 침지시키기 전에, 충분히 숙성시킨 다공도 48%의 웨이퍼는 광발광성을 나타내는데, 이는 주위 공기에 노출시킴으로써 수화됨에도 불구하고, 다공질 규소 영역이 양자 와이어 또는 도트를 고농도로 보유함을 나타낸다. 발광성은 SBF 용액에 침지시키는 중 또는 후에 보존된다. 이는 아파타이트가 발광성이 보존되도록 다공질 규소상에 침착될 수 있음을 나타낸다. 아파타이트층의 성장후 발광성의 보존은 전자-광학 바이오센서의 개발에 있어서 유용한 특성일 수 있다.

다공도가 70%인 1㎛ 두께 다공질 영역과 단위 매스당 표면적이 640㎡/g인, 전체적으로 중간 다공성이 발광성 다공질 규소 웨이퍼를 SBF 용액에 넣는다. 약 1일 후 SBF 용액중에 용해시켜 다공질 영역을 완전히 제거하면 상기 웨이퍼는 더이상 발광성이 아니다. 다공질 규소 영역 또는 비-다공질 영역에서 둘다에서 아파타이트 침착물은 관찰되지 않는다. 중간 다공질 규소는 SBF 용액에 의해 더욱 효율적으로 습윤되며 따라서 해리 속도가 미공질 규소보다 중간 다공질 규소가 더 높은 것으로 생각된다. 따라서 중간 다공질 규소는 재흡수성 생물질 특성을 나타낸다. 제한된 면적의 중간 다공질 규소를 갖는 생체활성 규소 구조를 제작하여 가용성 규소의 공급원으로서 작용시킬 수 있다. 이는 국소적으로 포화된 규소 용액을 생산하여 아파타이트의 침착을 증진시킬 수 있다.

다공도가 4%이고 두께가 38㎛인 다공질 영역을 갖는 거대 다공질 규소 웨이퍼는 SBF 용액중에 4주간 침지시킨 경우 아파타이트 침착물의 성장을 나타내는 않는 정도로 비양극화 벌크 규소 웨이퍼와 같이 행동한다. 또한, 다공도가 80%이고 두께가 50㎛이며 SBF 용액중에 2주간 침지시킨 후에도 발광성을 보유하는 다공질 규소 영역에서는 아파타이트 성장이 관찰되지 않는다.

다른 대조물로서, 다공질 규소 웨이퍼 단편과 유사한 치수를 갖는 비-다공질 규소 웨이퍼 절단 단편을 SBF 용액 30㎤에 넣는다. 5000/㎠ 미만의, 극히 낮은 밀도의 μ크기 침착물이 SBF 용액중에 5주간 침지시킨 후 관찰된다. 이들 침착물은 규소 웨이퍼의 표면 결함에 존재할 수 있다. 따라서, 비-다공질 벌크 규소는 아파타이트 침착물의 성장 속도가 살아있는 조직과 형성할 결합에 대해 너무 느리기 때문에 생체활성이 아니다.

따라서 이들 실험은 기공 크기와 다공도의 적절한 대조물에 의해, 규소 구조물이 전체 생체활성 스펙트럼을 실질적으로 포괄할 수 있음을 나타낸다. 벌크 및 약한 거대 다공질 규소는 상대적으로 생체불활성이며, 다공도가 높은 중간 다공질 규소는 재흡수성이고 중간 다공도의 미공질 규소는 생체활성이다.

생물질의 화학 조성에서의 변화가 또한 이들이 생체불활성, 재흡수성 또는 생체활성인지에 대해 영향을 줄 수 있음이 공지되어 있다. 상기 실험은 규소의 반도체 특성을 조정하기 위한 불순물 도핑을 제외하고 특정 원소로 의도적으로 도핑시키지 않은 다공질 규소 웨이퍼상에서 수행하였다.

SiO₂, Na₂O, CaO 및 P₂O₅를 함유하는 생체활성 유리로부터 칼슘의 용출은 국소적 과포화를 증진시킴으로써 아파타이트 성장을 확실하게 도울 수 있는 것으로 생각된다. 40% 수성 HF중에서 1분간 20mA/㎠에서 양극 처리하여 가볍게 도핑시킨 p-타입(30Ω㎝) CZ 규소 웨이퍼에 형성된 두께 1.2㎛이고 다공도가 55%인 방금 에칭된 미공질 규소층중으로 칼슘을 함침시킨다. 칼슘 함침은 125㎤의 순수한 에탄올중에서 16시간 동안 CaCl.2H₂O 5g을 함유하는 용액중에 저장함으로써 온화한 산화를 통하여 수행한다. 칼슘, 나트륨 또는 인 또는 이들 화학종 조합물로 다공질 규소를 함침시키면 규소상의 아파타이트 형성을 증진시킬 수 있다.

SBF 용액중에 침지시킨후 양극화된 웨이퍼의 다공질 규소 영역에 인접한 비-다공질 영역에서 아파타이트 침착물 하부의 산화규소 층이 존재하는 것은 다공질 규소 영역으로부터 규소의 해리가 다공질 규소의 생체활성에 대해 중요한 인자일 수 있음을 나타내는 것이다. 규소의 해리는 국소적 과포화 용액을 형성시킬 수 있는데 이는 다공질 산화규소 층을 침착시킨다. 이어서 아파타이트가 다공질 산화규소상에 침착된다. 이는 SBF 용액중에서 정상적인 결정상 벌크 규소보다 용해도가 더 높고 함침된 칼슘을 함유하는, 다양한 종류의 비-다공질 결정상, 다결정상 또는 무정형 규소계 구조물이 생체활성일 수 있음을 제시하는 것이다. 아파타이트 성장을 확실하게 돕기 위해서는, 규소의 결정성을 보존하는 것이 필수적으로 요구되는 것은 아니나, 이전에 발표된 칼슘 도핑된 규소보다 훨씬 더 높은 정도의 칼슘 함침을 필요로한다.

칼슘은 일반적으로 규소에 대해 선호되지 않는 도핑제인 것으로 인식되어 있으며 그 결과 칼슘 도핑된 규소에 대한 연구는 거의 없었다. 문헌(참조: Sigmund, Journal of the Electrochemical Society, Volume 129, 1982, 2809 내지 2812면)에는 단결정상 규소중에서 칼슘의 최대 평형 용해도는 6.0 x 10¹⁸㎝^-3인 것으로 보고되어 있다. 이 농도에서, 칼슘이 아파타이트 성장에 대해 확실한 효과를 갖는것 같지는 않다. 10²¹㎝^-3(2at%)를 초과한 농도의 칼슘의 과포화 수준이 요구된다. 상기와 같이 매우 높은 농도는 다음과 같은 방법으로 성취할 수 있다:

(a) 상기한 바와 같은 다공질 규소의 용액 도핑법;

(b) 칼슘 이온을 갖는 다공질 규소 또는 벌크 규소의 이온 이식법; 또는

(c) 칼슘 또는 칼슘 화합물의 적층 침착후 열처리.

도 6의 경우, 생체활성 규소를 포함하는 의과용의, 일반적으로 300으로 표시한, 발전형 센서의 다이어그램을 나타낸다. 센서 300은 2개의 규소 웨이퍼 단편 302 및 304를 포함한다. 단편 302는 CMOS 회로 306과 회로 306에 연결된 감작 요소 308을 포함한다. 감작 요소 308은 예를들면 클라크 전지(Clark cell)와 같은 산소 센서일 수 있다. CMOS 회로는 소형 배터리(나타나 있지 않음)로 동력을 사용하며 표준 원격 측정 자료 송신술을 사용하여 외부 모니터를 위해 시그날을 생성한다.

웨이퍼 단편 304는 단편 302에 대한 소형기계화 상부 커버이다. 단편 304는 단편 304중으로 기계화된 2개의 주요 동공 310 및 312를 갖는다. 동공 310의 형태는 돔형이다. 단편 302와 304를 함께 결합시킬 경우, 동공 310은 CMOS 회로 306의 상부에 존재하게 된다. 동공 312는 원형 단면을 가지며 감작 요소 308이 센서 주위를 모니터할 수 있도록 단편 304를 통하여 확장되어 있다. 동공 312는 투과성 막 314로 덮여 있다. 주요 동공 310 및 312외에, 동공 316과 같은 작은 동공이 단편 304의 상부면 322상에 분포되어 있다. 작은 동공의 형태는 단면의 직경이 단편내로 증가하는 원추대(frusto-conical) 형태이다. 작은 동공이 존재함으로써 생물학적 고정을 위하여 혈관 조직 또는 뼈가 성장할 수 있도록 한다. 동공 310, 312 및 316은 표준 에칭 기술, 예를 들면 이온-비임 분쇄 및 감광성 내식막 마스크를 통한 반응성 이온 에칭법으로 형성시킨다. 단편 302 및 304의 외부면의 적어도 일부를 양극처리하여 아파타이트의 침착 및 센서와 조직과의 결합을 증진시키기 위한 다공질 규소 영역을 형성시킨다. 도 6에서, 다공질 규소는 단편 304의 상부면상의 환 330과 다른면중의 홈 332로 나타낸다. 도 6에 단편 302와 304의 외부면이 전체적으로 다공질 규소으로 덮여있는 것으로 표시되어 있으나, 다공질 규소를 포함시키기 위해서는 단편 302의 표면 322 및 하부면 334만으로도 충분할 수 있다. 상기와 같은 배열은 제작하기에 더욱 간단한 것이다. 단편 302 및 304를 절연체상의 규소에 대해 개발된 기술을 사용하여 함께 결합시킨다. 양극화 기술이 다공질 규소의 생산에 대해 기술되었는데, 다공질 규소의 생산을 위하여 염색 에칭술이 또한 공지되어 있다. 상기와 같은 기술은 복잡한 형태의 구조물상에 다공질 규소 표면을 생성시키는데 유리할 수 있다.

센서 이외에, 생체활성 규소는 전자 보철 장치, 예를 들어 대체 눈에 사용될 수 있다. 생체활성 규소를 포함할 수 있는 다른 전자 장치로는 지능을 갖는 약물 운반 시스템을 언급할 수 있다.

사람 및 기타 동물체내에 혼입시키기위한 센서 뿐만 아니라, 생체활성 다공질 규소는 시험관내 시험을 위한 바이오센서의 제작에 사용될 수 있다. 다공질 규소상에 아파타이트층을 갖는 다공질 규소의 복합 구조물은 선행 기술의 바이오센서 배열체와 비교하여 세포 화합성을 향상시킬 수 있었다. 바이오센서는 시험관내 약제학적 시험 분야에 있어서 매우 중요하다. 자동화 약제학적 시험의 경우, 생검 장치는 다공질 규소 영역의 매트릭스 배열을 갖는 규소 웨이퍼를 포함할 수 있다. 이어서 세포를 우선적으로 다공질 규소 영역에 배치시킬 수 있는데 이는 약제품에 노출시킨 후 자동화 세포 분석을 용이하게 한다. 다공질 규소의 발광 특성을 사용하여 광학적 세포 분석 기술을 가능케 할 수 있다. 바이오센서 분야의 숙련가들은 이들의 실험을 이용하여 세포 배양이 적합한지에 대해서 및 세포의 행동을 어떻게 모니터할 지 확인할 수 있다.

시험관내 실험 결과를 기술한 반면, 생체내 실험에 대해서는 기술되어 있지 않다. 그러나, 시험관내 실험은 인체내에서의 환경을 모방하기 위하여 고안된 것이다. 시험관내 실험 결과로부터, SBF 용액중에서 아파타이트가 확실하게 침착되는 규소 웨이퍼는 또한 생체내에서도 생체활성 행동을 발휘하는 것으로 결론지을 수 있다.

시험관내에서 규소 또는 다공질 규소 표면상에 아파타이트 필름이 형성되는 것은 생체활성 규소가 특정한 정도로 생체화합성 형태의 규소일 수 있음을 나타내는 것이다. 상기 용어 "생체화합성"은 상기 물질이 반드시 모든 용도에 대해 생물학적으로 허용되는 것은 아니나 상기 물질이 특정 용도에 대해 생물학적으로 허용될 수 있음을 나타내는 것이다. 생체화학성 분야의 일부 숙련가들은 생체화합성의 정의를 기술하기 위하여 더욱 적합한 용어로서 "조직 화합성"을 인정하고 있다. 아파타이트층은 규소의 생리학적 효과를 감소시키기 위한 보호 방벽으로서 작용할 수 있다.

상기 언급한 바와 같이, 중간 다공질 규소는 재흡수성 생물질 특성을 나타낸다. 상기 언급한 문헌[참조: Hench, Journal of the American Ceramic Society)으로부터, 재흡수성 생물질은 일정 기간에 걸쳐 점차적으로 분해되고 천연의 숙주 조직으로 대체되도록 고한된 물질이다. 시뮬레이팅된 체액중에서 중간 다공질 규소의 특성은 적합한 다공도의 중간 다공질 규소가 재흡수성 생물질일 수 있음을 나타낸다. 상기 논의된 바와 같이 도 1의 생체활성 규소 웨이퍼 10의 다공질 영역 20은 중간 다공도 수준이 높다. 이는 중간 다공질 규소의 다공도를 조절하여 다공질 규소 영역이 생체활성인지 또는 재흡수성인지 조정할 수 있음을 나타내는 것이다. 다공도를 튜닝시킴으로써 다공질 규소 영역이 흡수되는 속도를 조정할 수 있다.

SBF 용액중에서의 다공질 규소의 해리로 재흡수성 생물질 특성의 지표가 제공되지만, 생체내에서 다공질 규소 영역의 행동은 SBF 용액중에서 재현불가능한 인자에 의해 영향받을 수 있다. 살아있는 세포가 다공질 규소의 표면상에서 성장하는 경우, 이들 세포는 다공질 규소와 상호반응할 수 있다. 따라서 SBF 용액중에서 수행되는 실험은 재흡수성 물질 용도에 대해 특수 형태의 다공질 규소의 적합성의 분명한 지표를 제공하지 못한다. 실험을 생체내에서 수행하여야만 특정의 목적하는 생리학적 반응이 성취되는지에 대해 결정할 수 있다.

다른 실험을 수행하면 SBF 용액중에 바이어스 전류를 인가함으로써 다공질 규소상의 아파타이트층의 형성을 향상시키거나 억제할 수 있는 것으로 나타난다.

도 7의 경우, 전체 규소 웨이퍼 402에 전류정전(galvanostatic) 부하하기 위한 전기화학 전지 400의 다이어그램이 나타나 있다. 상기 웨이퍼 402는 전지 400에 부하하기 전에 100mA㎝^-2에 40중량% 수성 HF중에서 1분간 양극처리하여 다공도가 약 20%이고 두께가 11㎛이고 BET 측정한 표면적이 약 70㎡/g인 생체활성 다공질 규소층을 형성시킨, 저항이 0.012Ω㎝인, 과하게 도핑된 n-타입 (100) 배향된 규소 웨이퍼이다. 양극처리후, 상기 웨이퍼를 이의 중량이 안정될 때까지 방사 건조시킨 다음 즉시 전지 400중에 부하한다.

웨이퍼 402를 PTFE 카세트 404중에 삽입하고 카세트 404중으로 꼬여져 있으며 PTFE 피복된 O-환 408과 410을 포함하는 직조된 PTFE 환 406을 사용하여 고정한다. 카세트 404에서, 규소 웨이퍼를 금속 배면판 412에 대해 누른다. 상기 배면판 412는 규소 웨이퍼의 뒷면과의 전기적 접촉을 제공하며, 상기 카세트에서 규소 웨이퍼의 다공질 전면의 면적중 36㎠가 노출되어 있다. 카세트 404를 pH 7.3±0.05에서 유기적으로 완충되며 37±1 ℃에서 유지되는 SBF 용액 2ℓ를 함유하는 수조내의 폴리카보네이트 탱크 414에 놓는다. 구형 백금 대응 전극 416이 또한 SBF 용액중에 삽입된다. d.c. 전류정전 동력 공급원 418을 사용하여 웨이퍼 402와 대응 전극 416 사이에 일정한 전류가 유지되도록 한다. 웨이퍼 402는 음극 또는 양극 바이어스 대조군하에 존재할 수 있다. 동력 공급원 418은 36mA의 일정한 전류를 제공하는데, 이는 전류가 주로 규소 골격을 통하여 유동되는 경우 약 1mA㎝^-2또는 전류가 다공질 규소의 기공 네트워크를 통하여 전체 규소-SBF 계면을 횡단하여 균일하게 분산되는 경우 약 1μA㎝^-2인 규소 웨이퍼의 전류 밀도에 대응하는 것이다. 상기 전류는 3시간 동안 유지된다. 전지 400으로부터 제거한 후, 웨이퍼 402를 탈이온수중에서 세정하여 방사 건조시킨다.

SBF에 3시간 동안 노출시킨 후, 다공질 규소 웨이퍼 표면을 6kV의 상승 전위로 JEOL 6400F 주사 전자 현미경(SEM)에서 조사한다. 바이어스 전류를 수용하지 않은 다공화된 대조 웨이퍼와 함께, 양극으로 바이어스된 다공화된 웨이퍼는 다공질 규소상의 표면 침착물에 대한 증거가 없었다. 그러나 음극으로 바이어스된 웨이퍼는 통합된 구과로 완전히 덮여 연속층을 형성하였다. 플랜 뷰 EDX 분석은 상기 중복층이 주로 칼슘 및 인을 함유하는 무기질이며, 탄소, 마그네슘, 나트륨 및 염소와 같은 다른 SBF 구성물은 EDX 검출 제한치(즉, < 1 원자%)에 근사치로 존재한다. 비바이어스 및 양극으로 바이어스된 웨이퍼의 플랜 뷰 EDX 분석은 규소와 산소의 존재만을 나타낸다.

단면 SEM 및 EDX 분석은 음극 바이어스하에서 현상된 칼슘 및 인이 풍부한 무기질이 다공질 규소층의 상부로 제한되며 두께가 약 0.2㎛로 상대적으로 얇은 것으로 나타났다. 다공질 규소내에서 칼슘과 인 수준은 모든 샘플에 대해 EDX 검출 제한치 이하이다. 양극 부하시킨 다공질 규소층은 상기층의 상부 0.5㎛내에 산소를 현저하게 축적시키는 것으로 밝혀졌다.

2차 이온 매스 분광분석법(SIMS)을 이용하여 다른 특정 원소의 심도 분포와 함께 3개의 분별 처리후 층이 석회화되는 정도와 심도를 비교한다. 방금 에칭시킨 미공성 규소는 예를 들어 (SBF중에 존재하는) 칼슘과 나트륨을 매우 낮은 수준으로 함유하지만 (SBF에 존재하지 않는) 불소는 상당한 수준으로 함유하는 것이 밝혀졌다.

도 8은 전기적 바이어싱 처리로부터 발생하는 다양한 수준의 석회화를 나트내는 SIMS 플롯이다. 도 8에서, 음극으로 바이어스된 웨이퍼로부터의 SIMS 플롯은 선 450으로 나타내며, 비바이어스 웨이퍼로부터의 SIMS 플롯은 선 452로 나타내며, 양극으로 바이어스된 웨이퍼로부터의 SIMS 플롯은 선 454로 나타낸다. 다공질 규소의 표면 근처에서 침착이 주로 일어나지만, 모든 경우에 있어서 칼슘 수준은 11㎛ 두께 층을 통하여 기저 수준 이상이다. 선 450은 음극 바이어싱으로 석회화 정도를 상승시키며 양극 바이어싱으로 비바이어스 웨이퍼와 비교하여 석회화 정도를 저하시킴을 나타낸다. SIMS 측정치는 또한 다공질 규소 층을 통하여 SBF 구성성분의 존재를 나타내며 중복층내의 일정 정도의 보유와 함께, 음극 바이어싱 결과 불소가 현저히 이동하여 손실됨을 나타낸다.

시험관내 및 생체내 조직이 전기자극 실험에 있어서 극히 제한된 범위의 투입 동력, 전류 및 전압에 걸쳐 우선적으로 반응한다는 것이 정립되어 있다. 이들 범위는 자극 전극의 특성을 포함한 수많은 인자에 대해 감응성이다. 상기 기술된 바이어싱 실험은 다공질 규소의 석회화 공정의 카이네틱은 음극 바이어스를 인가함으로써 시험관내에서 및 따라서 가능하게는 생체내에서 상승시킬 수 있음을 나타낸다. 이들은 또한 다공질 및 벌크 규소와 같은 유사하지 않은 규소 구조물을 함께 생리학적 전해질중에 침지시킬 경우, 전지 부식 공정은 개발된 어떠한 음극 부위에서 석회화를 좋게할 수 있음을 제시하였다.

무기질 침착의 바이어스 대조를 위하여 전위 인가를 변화시킨다. 살아있는 유기체중으로 전극을 삽입하면 전극 주위에 섬유층이 형성될 수 있다는 것이 공지되어 있으며, 섬유층의 두께는 전극의 생체화합성의 지표이다. 생체내에서 미세전극 주위에 안정한 무기질 침착물이 신속하게 형성되면 조직 성장의 전기자극 또는 대마비 환자의 근육의 자극에 대해 강력한 잇점을 제공한다. 무기질 침착물이 형성되지 않도록 국소화 영역을 배열시킬 수 있는, 무기질 침착의 국소화 대조군은 생체내 및 시험관내 둘다의 바이오센싱 장치 분야에 사용될 수 있다. 증진된 무기질 침착 공정은 체내에 집적회로를 이식하기 전에 규소계 집적회로의 피복에 있어서 유리할 수 있다.

무기질 침착의 전기적 대조군에 대한 상기 기술은 다공질 규소상의 침착과 관련되어 있지만, SBF 용액중에서 비양극화 웨이퍼에 음극 바이어스를 인가할 경우 무기질 침착이 또한 관찰된다.

다른 양태로, 특정 타입의 다결정상 규소(폴리규소)은 또한 SBF 용액으로부터 인산염칼슘의 침착을 유발시킬 수 있으며 따라서 생체활성인 것으로 밝혀졌다.

생체활성 다결정상 규소를 생산하기 위하여, 저항치 범위가 5 내지 10Ω㎝인 100㎜ 직경 <100> p-타입 CZ 규소 웨이퍼를 0.5㎛ 두께의 습식 열적 산화물로 전면 및 후면을 피복시킨 다음 이어서 1㎛ 두께의 폴리규소층으로 피복시켜 미세구조를 변화시킨다. 산화물층을 Thermco TMX9000 확산 전기로에서 성장시키고 폴리규소 층을 Thermco TMX9000 저압 화학 증착 열벽 전기로중에서 성장시킨다. 열적 산화물 성장의 경우, 상기 전기로의 튜브를 1000℃의 균일한 온도에서 유지시키고, 110분 동안 증기 산화법을 사용하여 습식 열적 산화물을 성장시킨다. 폴리규소층의 후속적인 침착은 570 내지 620 ℃ 범위의 온도에서 유지되는 전기로 튜브를 사용하여 250 내지 300 mtorr 범위의 압력에서 SiH₄의 열분해를 포함한다.

폴리규소층의 미세구조가 하기 문헌에 기술된 바와 같이, 온도, 압력, 가스 유속, 및 기판 타입과 같은 수많은 침착 인자에 대해 감작한다는 것이 정립되어 있다[참조: Chapter 2, "Polycrystalline Silicon for Integrated Circuit Applications", T. Kamins, published by Kluwer Acad. Publ. 1988]. 광범위하게 변화되는 미세구조 및 형태의 폴리규소 층은 570℃, 580℃, 590℃, 600℃, 610℃, 및 620℃의 상이한 침착 온도를 사용하여 수득한다. 단면 전송 전자 현미경 분석으로 570℃에서 침착된 층이 이의 표면 근처에서 실질적으로 무정형인 반면 600℃ 및 620℃에서 침착된 층이 이들의 깊이를 통하여 다결정상임이 밝혀졌다. 입자 크기는 침착 온도에 따라 적합하게 변화되며 제시된 층에 대한 심도에 따라 현격하게 변화된다.

이어서 0.5 x 50 x 20㎣의 전형적이 치수를 갖는 웨이퍼의 절단 단편을 상기 기술한 바와 같이 SBF 용액으로 충전된 별개의 30㎤ 폴리에틸렌병에 놓고, SBF의 온도는 37℃±1℃에서 유지시킨다. 상이한 폴리규소층을 관찰하면 단면 SEM 화상법으로 측정한 바와 같이 SBF 용액중에서의 안정성 수준이 변화된다. SBF 용액중에서 64시간 후, 620℃에서 침착된 폴리규소 층은 원래 두께의 약 60%로 박화되는 반면, 570℃에서 침착된 층의 두께는 SBF 용액중에서 160시간 후 실질적으로 변화되지 않는다.

무기질 침착물은 특정의 폴리규소 층에 걸쳐 핵화시키고 증식시키는 것으로 관찰된다. 이들 침착물은 플랜 뷰 SEM을 사용하여 관찰한다. SBF 용액중에서 2주간 침지시킨 후, 무기질 침착물이 600℃ 및 620℃에서 침착된 폴리규소 층상에서 관찰되지만 570℃에서 침착된 층상에서는 관찰되지 않는다. 이들 관찰은 다공질 규소의 경우, 최적의 생체활성을 위하여 미세구조에 따라, 반응성 창이 존재함을 나타낸다. 무기질 침착물의 최대 밀도는 600℃에서 침착된 폴리규소 층에 대해 관찰된다. 전면 및 후면 둘다에서 폴리규소가 침착되는 것과 일치하여, 규소 웨이퍼의 전면 및 후면 둘다에서 현저한 수준의 무기질 침착물이 관찰되었다.

침착물의 EDAX 분석은 칼슘, 인 및 산소의 존재를 나타내는 것으로, 이는 핵화된 아파타이트의 일부 형태와 일치하는 것이다. 그러나 침착물의 형태는 다공질 규소와 관련되어 상기 기술한 구과의 형태와는 상이한데, 상기 침착물은 좀 더 각진 것으로 나타난다. 이에 대한 이유는 밝혀지지 않았으나 폴리규소상의 핵화 부위에서의 국지적 pH가 약간 상이한 것을 반영할 수 있다. 문헌(참조: P. Li et al., Journal of Applied Biomaterials, Volume 4, 1993, 221 면)에는 pH 7.3에서 관찰되는 아파타이트 형태가 실리카겔상에서 성장시키기 위한 pH 7.2에서 관찰되는 것과 약간 상이하다고 보고되어 있다.

생체활성 폴리규소에 대한 잠재적 용도는 생체활성 다공질 규소에 대한 것보다 훨씬 더 광범위하다. 단결정상 규소으로 피복시킬 수 없는 여러가지 기판을 폴리규소으로 피복시킬 수 있다. 외과수술용 이식물을 폴리규소 층으로 피복시켜 뼈와의 접착성을 향상시킬 수 있다. 폴리규소는 또한 복잡한 전자회로가 생체화합성이 되도록하는 VSLI 기술과의 화합성이 매우 높다. 폴리규소를 표면 미세기계처리 하여 여러가지 장치 및 패키지 배열물을 생산할 수 있다.

한가지 가능한 생체활성 규소 패키지 고안이 도 6을 참고로 하여 이미 기술하였다. 생체활성 폴리규소의 경우, 더욱 소형인 바이오칩을 제작할 수 있을 것이다. 도 9의 경우, 생체활성 폴리규소를 포함하는 바이오센서 장치 500의 다이어그램이 제시되어 있다. 상기 장치 500은 벌크 규소 웨이퍼 510을 포함하는데 상기 웨이퍼상에 CMOS 회로 512 및 센서 요소 514가 조립되어 있다. 센서 요소 514는 회로 512에 전기적으로 연결되어 있다. 회로 512는 예를 들어 산화규소와 질화규소으로 이루어진 방벽층 516으로 보호되어 있다. 센서 요소 514에 대한 창 518을 제외하고 장치 500은 전체적으로 생체활성 폴리규소 층 520으로 덮여있다. 폴리규소 자체가 입자 경계면을 통한 확산으로 인하여 규소계 회로에 대해 양호한 보호층이 아니므로 방벽층 516이 요구된다. 따라서 방벽층 516은 회로 512와 폴리규소층 520 사이에 존재하게 된다.

다공질 규소를 사용하는 경우의 결과와 유사하게, 다결정상 규소의 생체활성은 이들 칼슘, 나트륨 또는 인 또는 이들 화학종의 배합물로 도핑시킴으로써 향상시킬 수 있다.

생체활성 폴리규소는 생검 장치에 대한 적합한 기판일 수 있다. 문헌(참조: L. Bousse et al., IEEE Engineering in Medicine and Biology, 1994, 396 내지 401면)에는 세포를 규소 칩상의 미세기계화 동공중에 트랩시켜 시험관내 측정을 수행하기위한 바이오센서가 기술되어 있다. 상기와 같은 배열체는 아파타이트 층을 갖는 폴리규소의 복합 구조를 포함하는 것이 유리할 수 있는데, 세포 자체는 아파타이트 영역에 우선적으로 위치한다.

Claims

생체활성 규소(20, 520).
제1항에 있어서, 생리학적 온도로 유지되는 시뮬레이팅된 체액중에 침지시 키는 경우, 규소가 규소상에 무기질 침착물(54, C)의 침착을 유발함을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제2항에 있어서, 무기질 침착물이 아파타이트임을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제3항에 있어서, 아파타이트가 적어도 100㎛²의 면적에 걸쳐 연속적으로 존재하는 생체활성 규소.
제1항에 있어서, 규소(20)이, 다공도가 4% 이상 70% 미만인 적어도 부분적으로 다공성임을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제5항에 있어서, 다공질 규소가 미공성임을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제5항에 있어서, 다공질 규소가 중간 다공성임을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제5항에 있어서, 다공질 규소가 가시적 발광성임을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제1항 또는 제5항에 있어서, 규소가 칼슘, 나트륨 및 인으로부터 선택된 화학종 1개 이상으로 함침되어 있음을 특징으로 하는 생체활성 규소.
제1항에 있어서, 규소가 다결정상 규소(520)임을 특징으로 하는 생체활성 규소.
생체활성 규소 구조물(10, 300, 500).
제11항에 있어서, 구조물이 다공도가 4% 이상 70% 미만인 다공질 규소 영역(20)을 포함함을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제12항에 있어서, 다공질 규소가 미공성임을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제12항에 있어서, 다공질 규소가 중간 다공성임을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제12항에 있어서, 구조물이 또한 거대 기공을 포함함을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제11항 또는 제12항에 있어서, 규소가 칼슘, 나트륨 및 인으로부터 선택된 화학종 1개 이상으로 함침되어 있음을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제16항에 있어서, 다공질 규소가 10²¹㎝^-3이상의 농도로 칼슘으로 함침되어 있음을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제11항에 있어서, 구조물이 재흡수성 규소 물질을 포함함을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
제11항에 있어서, 구조물이 다결정상 규소(520) 영역을 포함함을 특징으로 하는 생체활성 규소 구조물.
생체활성 규소(20, 520)을 포함함을 특징으로 하는, 살아있는 인체 또는 동물체에서 작동시키기 위한 전자 장치(300, 500).
제20항에 있어서, 생체활성 규소가 다공도가 4% 이상 70% 미만인 적어도 부분적으로 다공성인 규소를 포함함을 특징으로 하는 전자 장치.
제21항에 있어서, 다공질 규소가 혈관 조직의 내부 성장을 향상시키기위하여 거대 기공을 함유함을 특징으로 하는 전자 장치.
제21항에 있어서, 다공질 규소가 장치의 외부면상에 적어도 부분적으로 확장되어 있음을 특징으로 하는 전자 장치.
제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 장치가 센서 장치임을 특징으로 하는 전자 장치.
제20항에 있어서, 생체활성 규소가 다결정상 규소임을 특징으로 하는 전자 장치.
규소의 적어도 일부를 다공질이 되도록함을 특징으로 하여, 규소를 생체활성이 되도록하는 방법.
제26항에 있어서, 방법이 다공질 규소를 칼슘으로 함침시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.
다결정상 규소 층을 침착시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 생체활성 규소의 제작 방법.
살아있는 인체 또는 동물체에서 사용하기 위한 장치(300, 500)를 제작하기 위한 생체활성 규소의 용도.
인체 또는 동물체의 치료 방법에 있어서 사용하기 위한 생체활성 규소(20, 520).
살아있는 인체 또는 동물체에 사용하기에 적합한 장치(300, 500)에 포함시킨 생체활성 규소(20, 520).
생체화합성 규소(20, 520).
제32항에 있어서, 생리학적 온도에서 유지되는 시뮬레이팅된 체액중에 침지시키는 경우, 규소가 규소상에 무기질 침착물의 침착을 유발시킴을 특징으로 하는 생체화합성 규소.
재흡수성 규소.
제30항에 있어서, 재흡수성 규소가 시뮬레이팅된 체액중에 침지시키는 경우, 다공질 규소가 일정 시간에 걸쳐 용해되도록 다공질 규소 영역을 포함함을 특징으로 하는, 재흡수성 규소.
규소에 전기 바이어스를 인가하는 단계를 포함함을 특징으로 하여, 생리학적 전해질중에서 규소상에서의 무기질 침착물의 침착 속도를 상승 또는 저하시키는 방법.
제36항에 있어서, 규소가 다공질 규소임을 특징으로 하는 방법.
생체활성 물질의 생체활성을 상기 물질에 전기 바이어스를 인가함으로써 조정할 수 있음을 특징으로 하는 생체활성 물질(20).
생체활성 도전성 물질(20, 520).
생체활성 규소 영역(20, 520)과 이 위의 무기질 침착물을 포함하는 복합 구조물(10, 300, 500).
제40항에 있어서, 무기질 침착물이 아파타이트임을 특징으로 하는 복합 구조물.
제40항 또는 제41항에 있어서, 생체활성 규소 영역이 다공질 규소(20)임을 특징으로 하는 복합 구조물.
제40항 또는 제41항에 있어서, 생체활성 규소가 다결정상 규소(520)임을 특징으로 하는 복합 구조물.
생체활성 규소와 이 위의 무기질 침착물로 이루어진 복합 구조물을 형성시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 바이오센서의 제작 방법.
규소 기판의 적어도 일부가 생체활성 규소으로 이루어져 있음을 특징으로 하는, 규소 기판을 포함하는 화합물의 약리학적 활성 시험용 바이오센서.