RU2504403C1 - Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle - Google Patents

Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle Download PDF

Info

Publication number
RU2504403C1
RU2504403C1 RU2012139200/15A RU2012139200A RU2504403C1 RU 2504403 C1 RU2504403 C1 RU 2504403C1 RU 2012139200/15 A RU2012139200/15 A RU 2012139200/15A RU 2012139200 A RU2012139200 A RU 2012139200A RU 2504403 C1 RU2504403 C1 RU 2504403C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
silicon
nanoparticles
distilled water
suspension
porous silicon
Prior art date
Application number
RU2012139200/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Юрьевич Тимошенко
Любовь Андреевна Осминкина
Владимир Борисович Зайцев
Татьяна Юрьевна Базыленко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2012139200/15A priority Critical patent/RU2504403C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2504403C1 publication Critical patent/RU2504403C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine, pharmaceutics.
SUBSTANCE: invention refers to a method for preparing a water suspension of silicon nanocrystalline particles for biomedical applications. The declared method is characterised by the fact that a porous silicon film of the thickness of 1 to 100 mcm and the porosity of 50 to 80% is formed on the surface of silicon plates. The film is formed by electrochemical etching in a solution containing 40-50% aqueous solution of fluoric acid and alcohol in ratio 1:1 to 1:5 for a period of time of 10 to 60 minutes at specific current 20 to 60 mA/cm2. The prepared silicon plates coated with a porous silicon layer is washed in distilled water, dried and placed in a container with distilled water. Then, they are exposed to ultrasound for more than 10 minutes at the intensity of the silicon plate exposure in water of 100 Wt/cm2 at frequency 23 kHz. This provides forming the stable suspension in distilled water from nanoparticles of the lateral dimension of 10 to 500 nm.
EFFECT: invention provides preparing the biocompaticle suspension of silicon nanoparticles that penetrate into living cells preserving its useful biological properties and luminescence.
4 dwg, 1 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области неорганических наноматериалов, которые могут быть использованы в биомедицинских применениях. Более конкретно настоящее изобретение относится к кремниевым наночастицам для биомедицинских применений, а также к методу получения таких наночастиц.The invention relates to the field of inorganic nanomaterials that can be used in biomedical applications. More specifically, the present invention relates to silicon nanoparticles for biomedical applications, as well as to a method for producing such nanoparticles.

Уровень техникиState of the art

Из современного уровня развития биологии и медицины хорошо известны технические решения, основанные на применении различных видов наночастиц.From the current level of development of biology and medicine, technical solutions based on the use of various types of nanoparticles are well known.

Кремний является одним из наиболее распространенных элементов на Земле, и интерес к его роли в человеческой физиологии и метаболизме неуклонно растет после новаторских работ Е.М. Карлисле (Carlisle Е.М. "Silicon: an essential element for the chick" // Science 1972. V.178. PP.619-62; Carlisle E.M. "The nutritional essentiality of silicon" // Nutr. Rev. 1982. V.40. PP.193-1988) и последующих затем исследований (Dobbie J.W, Smith M.J.B. "Silicon: its role in medicine and biology" // Scott. Med. 1982. V.27; Seaborn C. "Silicon: a nutritional beneficence for bones, brain and blood vessels" // Nutr. Today. 1993. V.28. PP.13-18; Van Dyck K. "Indication of silicon essentiality in humans: serum concentrations in Belgian children and adults, including pregnant women" // Biol. Trace Elem. 2000. V.77. PP.25-32; Bisse E. "Reference values for serum silicon in adults" // Anal. Biochem. 2005. V.337. PP.130-135). Установлено, что ортокремниевая кислота является наиболее быстро усваиваемой и выделяемой формой кремния и силикатов у людей (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-993).Silicon is one of the most common elements on Earth, and interest in its role in human physiology and metabolism is growing steadily after the pioneering work of EM Karlisle (Carlisle E.M. "Silicon: an essential element for the chick" // Science 1972. V.178. PP.619-62; Carlisle EM "The nutritional essentiality of silicon" // Nutr. Rev. 1982. V .40. PP.193-1988) and subsequent research (Dobbie JW, Smith MJB "Silicon: its role in medicine and biology" // Scott. Med. 1982. V.27; Seaborn C. "Silicon: a nutritional beneficence for bones, brain and blood vessels "// Nutr. Today. 1993. V.28. PP.13-18; Van Dyck K." Indication of silicon essentiality in humans: serum concentrations in Belgian children and adults, including pregnant women " // Biol. Trace Elem. 2000. V.77. PP.25-32; Bisse E. "Reference values for serum silicon in adults" // Anal. Biochem. 2005. V.337. PP.130-135). It has been established that orthosilicic acid is the most rapidly absorbed and excreted form of silicon and silicates in humans (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-993) .

Общее содержание кремния в теле здорового взрослого человека весом 70 кг в норме составляет 0,5-1,0 г., что делает кремний третьим наиболее распространенным микроэлементом в организме человека после железа и цинка (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-93).The total silicon content in the body of a healthy adult person weighing 70 kg is normally 0.5-1.0 g, which makes silicon the third most common trace element in the human body after iron and zinc (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" / (Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-93).

Коммерчески доступные кремниевые добавки базируются на кремнеземе или силикатах вместо использования кремния в его чистой полупроводниковой форме, и биологическая усвояемость таких форм кремния переменна и низка (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-93).Commercially available silicon additives are based on silica or silicates instead of using silicon in its pure semiconductor form, and the bioavailability of such silicon forms is variable and low (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-93).

Интерес к наночастицам кремния на начальном этапе изучения был вызван возможностями их применения в оптоэлектронике и работами Л. Кэнама (Canham L.T. "Nanoscale semiconducting silicon as a nutritional food additive" // Nanotechnology. 2007. V.18. P.185704), который продемонстрировал интенсивную красную фотолюминесценцию данного материала. Однако еще более удивительным было обнаруженное свойство биосовместимости и биодеградации нанокремния (Seaborn С."Silicon: a nutritional beneficence for bones, brain and blood vessels" // Nutr. Today. 1993. V.28 PP.13-18; Van Dyck K. "Indication of silicon essentiality in humans: serum concentrations in Belgian children and adults, including pregnant women" // Biol. Trace Elem. Res. 2000. V.77. PP.25-32). Материал ведет себя настолько дружественно к живой ткани, что способствует росту живых клеток на своей поверхности (нейронов, костной ткани и т.д.). Это открытие ознаменовало собой прорыв в биомедицинских применениях нанокремния, позволяя предложить инновационные методы и материалы для доставки лекарств, способные рассасываться ортопедические материалы, биосовместимые ткани и т.д. В работе Е. Биссе (Bisse Е. "Reference values for serum silicon in adults" // Anal. Biochem. 2005. V.337. PP.130-135.) установлено, что нанокремний может стать важнейшим биоматериалом, и предполагает, что на его основе может в дальнейшем развиваться биомедицинская инженерия и биосенсорная технология. Биоматериал - это неживой материал, который используют в биомедицине для взаимодействия с биологическими системами. Биоматериалы могут быть "биоинертными", "биоактивными" и "биорастворимыми". Биоактивные - это такие материалы, при попадании которых в живой объект (in-vivo) образуются связи между данным материалом и живой тканью (Bisse Е. "Reference values for serum silicon in adults" // Anal. Biochem. 2005. V.337. PP.130-135).The interest in silicon nanoparticles at the initial stage of the study was caused by the possibilities of their use in optoelectronics and the work of L. Kenama (Canham LT "Nanoscale semiconducting silicon as a nutritional food additive" // Nanotechnology. 2007. V.18. P.185704), which demonstrated intense red photoluminescence of this material. However, even more surprising was the discovered property of biocompatibility and biodegradation of nanosilicon (Seaborn C. "Silicon: a nutritional beneficence for bones, brain and blood vessels" // Nutr. Today. 1993. V.28 PP.13-18; Van Dyck K. "Indication of silicon essentiality in humans: serum concentrations in Belgian children and adults, including pregnant women" // Biol. Trace Elem. Res. 2000. V.77. PP.25-32). The material behaves so friendly to living tissue that it promotes the growth of living cells on its surface (neurons, bone tissue, etc.). This discovery marked a breakthrough in the biomedical applications of nanosilicon, allowing us to offer innovative methods and materials for drug delivery that can absorb orthopedic materials, biocompatible tissues, etc. In the work of E. Bisset (Bisse E. "Reference values for serum silicon in adults" // Anal. Biochem. 2005. V.337. PP.130-135.) It was established that nanosilicon can become an important biomaterial, and suggests that Based on it, biomedical engineering and biosensor technology can be further developed. Biomaterial is an inanimate material that is used in biomedicine to interact with biological systems. Biomaterials can be “bioinert”, “bioactive” and “bio-soluble”. Bioactive - these are materials that, when they enter a living object (in-vivo), form bonds between this material and living tissue (Bisse E. "Reference values for serum silicon in adults" // Anal. Biochem. 2005. V.337. PP.130-135).

Одним из первых методов получения кремниевых наночастиц явился метод электрохимического формирования так называемого пористого кремния (ПК) при его электрохимическом травлении монокристаллического кремния (c-Si), предложенный еще в 1956 г.группой ученых под руководством А. Улира (A. Uhlir), и затем изучалось многими исследователями. Обзор таких работ имеется, например, в работе Р.Югдаосайна (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-93). В качестве электролитов обычно используют концентрированную плавиковую кислоту (HF) или ее водно-спиртовые смеси HF:H2O:C2H5OH в различных пропорциях, в зависимости от условий эксперимента. Данный способ получения пленок ПК, состоящего из нанокристаллических кремниевых частиц, до сих пор остается одним из наиболее практичных и доступных.One of the first methods for producing silicon nanoparticles was the method of electrochemical formation of the so-called porous silicon (PC) during its electrochemical etching of single-crystal silicon (c-Si), proposed back in 1956 by a group of scientists led by A. Uhlir, and then studied by many researchers. A review of such works is available, for example, in the work of R. Yugdaosain (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V.75. PP.887-93). Concentrated hydrofluoric acid (HF) or its water-alcohol mixtures HF: H 2 O: C 2 H 5 OH in various proportions, depending on the experimental conditions, are usually used as electrolytes. This method of obtaining films of PC, consisting of nanocrystalline silicon particles, is still one of the most practical and affordable.

Известны также многочисленные методы получения ПК с использованием не электрохимического, а чисто химического травления кремния. Для этого в состав раствора наряду с HF вводится сильный окислитель, например, KNO2, HNO3 и т.п.(Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V. 75. PP. 887-93). Такой пористый кремний по сравнению со сформированным электрохимическим способом имеет ограниченную толщину слоя (от 100 нм до единиц мкм). Известен также способ создания кремниевых наночастиц с помощью измельчения (помола) кремниевых порошков в планетарных мельницах (Seaborn С."Silicon: a nutritional beneficence for bones, brain and blood vessels" // Nutr. Today 1993.V. 28. PP. 13-18., Canham L.T. "Nanoscale semiconducting silicon as a nutritional food additive"// Nanotechnology. 2007. V.18. P. 185704.). Для получения нанопорошков кремния также используют лазерную абляцию из кремниевых мишеней (Canham L.T., Reeves C.L., King D.O., Branfield P.J., Crabb J., Ward M.C.L. // Adv Mater. 1996. V.8. P. 850; Canham L.T. // Adv Mater. 1995. V.7. No 12. P.1033).Numerous methods are also known for the production of PCs using not electrochemical, but purely chemical etching of silicon. For this, along with HF, a strong oxidizing agent, for example, KNO 2 , HNO 3 , etc., is introduced into the solution (Jugdaosingh R. "Dietary silicon intake and absorption" // Am. J. Clin. Nutr. 2002. V. 75 .PP. 887-93). Such porous silicon in comparison with the formed electrochemical method has a limited layer thickness (from 100 nm to units of microns). There is also a method of creating silicon nanoparticles by grinding (grinding) silicon powders in planetary mills (Seaborn C. "Silicon: a nutritional beneficence for bones, brain and blood vessels" // Nutr. Today 1993. V. 28. PP. 13- 18., Canham LT "Nanoscale semiconducting silicon as a nutritional food additive" // Nanotechnology. 2007. V.18. P. 185704.). To obtain silicon nanopowders, laser ablation from silicon targets is also used (Canham LT, Reeves CL, King DO, Branfield PJ, Crabb J., Ward MCL // Adv Mater. 1996. V.8. P. 850; Canham LT // Adv Mater. 1995. V.7. No 12. P.1033).

Все вышесказанное свидетельствует о том, что проблема получения нанопорошков кремния все еще находится в процессе обсуждения, а соответствующие теории получения наночастиц кремния сложны, и в ряде случаев противоречивы. Очевидно также, что понимание механизмов образования наночастиц кремния, а также результирующей биосовместимости и биоактивности кремниевых наночастиц, невозможно без учета конкретных химических свойств кремния.All of the above indicates that the problem of obtaining silicon nanopowders is still in the process of discussion, and the corresponding theories of obtaining silicon nanoparticles are complex, and in some cases contradictory. It is also obvious that understanding the mechanisms of the formation of silicon nanoparticles, as well as the resulting biocompatibility and bioactivity of silicon nanoparticles, is impossible without taking into account the specific chemical properties of silicon.

Известен патент 1999 г.US 5,914,183, в котором описаны слои пористого кремния и раскрыт способ их изготовления с помощью жидкостного электрохимического травления. Известен также патент US 6,666,214, а также патенты US 7,186,267 и US 7,332,339, где показано, что некоторые виды кремниевых наноструктур и наночастиц являются биосовместимыми и биоактивными.Known 1999 patent US 5,914,183, which describes the layers of porous silicon and disclosed a method for their manufacture using liquid electrochemical etching. Also known patent US 6,666,214, as well as patents US 7,186,267 and US 7,332,339, where it is shown that some types of silicon nanostructures and nanoparticles are biocompatible and bioactive.

В заявках на изобретения US 2011204489 и US 2011215441 описываются сходные методы создания легко отделяемых от кремниевой подложки кремниевых наноструктур с помощью химического осаждения ионов металла на окисленную поверхность кремния. Ионы металла создают на поверхности наноструктуры, которые служат маской при травлении кремния. После химического травления и удаления металла остаются ансамбли кремниевых наноструктур. В заявке на изобретение US 2007104888 раскрыт метод создания центров нуклеации и последующего роста на них наноструктур. Для создания центров нуклеации подложка облучается пучком ионов кремния. В международной заявке WO/2011/073666 раскрыт метод создания наноструктур на поверхности кремния (то есть пористого кремния) с помощью химического травления в присутствии ионов металлов.Patent applications US2011204489 and US201215441 describe similar methods for creating silicon nanostructures that are easily detachable from a silicon substrate by chemically depositing metal ions on an oxidized silicon surface. Metal ions create on the surface of the nanostructure, which serve as a mask during the etching of silicon. After chemical etching and metal removal, ensembles of silicon nanostructures remain. In the patent application US 2007104888 a method for creating nucleation centers and subsequent growth of nanostructures on them is disclosed. To create nucleation centers, the substrate is irradiated with a beam of silicon ions. International application WO / 2011/073666 discloses a method for creating nanostructures on a silicon surface (i.e., porous silicon) by chemical etching in the presence of metal ions.

Известны методы измельчения твердых веществ. Так в патентах US 6,537,672 и US 6,500,534 в частности раскрывается метод измельчения суспензии неорганических частиц, например, бемита до размеров частиц от 1 до 100 нм с помощью ультразвукового воздействия. В международной заявке WO/2003/099262 раскрывается метод создания биодеградируемых полимерных наночастиц в водно-масляной эмульсии с применением ультразвука. В международной заявке публикации WO/2001/003670 описано приготовление суспензий из готовых (заранее созданных) наночастиц с помощью ультразвука. Патент US 7,671,113 описывает метод приготовления наноэмульсии эластичного материала, например стирен-бутадиеновой резины с узким распределением частиц по размерам. Для этого жидкость с частицами эластичного материала размером от 600 до 1000 нм пропускают через кавитационное устройство. Кавитацию вызывают пропусканием через жидкость ультразвука частотой от 16 до 100 кГц.Known methods of grinding solids. So in patents US 6,537,672 and US 6,500,534 in particular, a method is disclosed for grinding a suspension of inorganic particles, for example, boehmite, to particle sizes from 1 to 100 nm using ultrasonic treatment. International application WO / 2003/099262 discloses a method for creating biodegradable polymer nanoparticles in an oil-water emulsion using ultrasound. In the international application publication WO / 2001/003670 describes the preparation of suspensions from finished (pre-created) nanoparticles using ultrasound. US 7,671,113 describes a method for preparing a nano-emulsion of an elastic material, for example styrene-butadiene rubber with a narrow particle size distribution. For this, a fluid with particles of elastic material ranging in size from 600 to 1000 nm is passed through a cavitation device. Cavitation is caused by the passage of ultrasound through a liquid with a frequency of 16 to 100 kHz.

Наиболее близким аналогом к данному изобретению является патент US 6,585,947 "Method for producing silicon nanoparticles", в котором раскрыт метод получения нанокристаллов кремния размером 1 нм с очень узким распределением частиц по размерам. Наночастицы кремния получают в процессе электрохимического травления кремниевой подложки в растворе HF и Н2О2. После чего посредством ультразвуковой обработки в ацетоне, этаноле или метаноле отделяют наночастицы от кремниевой подложки после травления. Полученные наночастицы предлагается использовать для последующей обработки или создания нанокомпозитов, в том числе, получения водных суспензий для биомедицинских применений.The closest analogue to this invention is US patent 6,585,947 "Method for producing silicon nanoparticles", which discloses a method for producing silicon nanocrystals with a size of 1 nm with a very narrow distribution of particle sizes. Silicon nanoparticles are obtained by electrochemical etching of a silicon substrate in a solution of HF and H 2 O 2 . Then, by ultrasonic treatment in acetone, ethanol or methanol, the nanoparticles are separated from the silicon substrate after etching. It is proposed to use the obtained nanoparticles for subsequent processing or the creation of nanocomposites, including the preparation of aqueous suspensions for biomedical applications.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Главными проблемами при разработке методов создания суспензий кремниевых наночастиц для биомедицинских применений являются: 1) создание наночастиц с необходимыми размерами (10 до 500 нм), сохраняющих кристаллическую структуру, которые могли бы образовывать устойчивые суспензии; 2) получение суспензий таких частиц концентрацией 1 г/л или более, так чтобы они могли бы быть использованы в биомедицинских применениях. Существующие в настоящее время методы получения кремниевых наночастиц не дают возможности получать их устойчивые водные суспензии. Имеющиеся методы позволяют изготавливать наночастицы либо с большим числом дефектов, либо недостаточного размера. Водные суспензии таких наночастиц слишком быстро деградируют для того, чтобы их можно было использовать в биомедицинских применениях. Кроме того, химический состав поверхности таких частиц может быть недостаточно хорошо контролируем для того, чтобы они были биосовместимыми.The main problems in the development of methods for creating suspensions of silicon nanoparticles for biomedical applications are: 1) the creation of nanoparticles with the required sizes (10 to 500 nm) that preserve the crystalline structure that could form stable suspensions; 2) obtaining suspensions of such particles with a concentration of 1 g / l or more, so that they could be used in biomedical applications. Existing methods for producing silicon nanoparticles do not make it possible to obtain their stable aqueous suspensions. Available methods make it possible to produce nanoparticles with either a large number of defects or insufficient size. Aqueous suspensions of such nanoparticles are degrading too fast to be used in biomedical applications. In addition, the chemical composition of the surface of such particles may not be well controlled to make them biocompatible.

Задачей изобретения является создание способа получения биосовместимых водных суспензий наночастиц кремния преимущественно для использования в биомедицинских целях, включая диагностику и терапию различных заболеваний.The objective of the invention is to provide a method for producing biocompatible aqueous suspensions of silicon nanoparticles mainly for use in biomedical purposes, including the diagnosis and treatment of various diseases.

Технический результат изобретения заключается в получении биосовместимой суспензии наночастиц кремния при помощи измельчения пленок пористого кремния в воде ультразвуковым излучением определенной интенсивности с сохранением пористой и нанокристаллической структуры наночастиц с размерами от 10 до 500 нм. При измельчении пленок пористого кремния массой 1 г в объеме воды 1 л получается суспензия наночастиц кремния с концентрацией 1 г/л. Полученные наночастицы проникают в живые клетки, сохраняя свои полезные биологические свойства и люминесценцию.The technical result of the invention is to obtain a biocompatible suspension of silicon nanoparticles by grinding films of porous silicon in water by ultrasonic radiation of a certain intensity while maintaining the porous and nanocrystalline structure of nanoparticles with sizes from 10 to 500 nm. When grinding porous silicon films weighing 1 g in a volume of 1 l of water, a suspension of silicon nanoparticles with a concentration of 1 g / l is obtained. The resulting nanoparticles penetrate into living cells, while maintaining their useful biological properties and luminescence.

Оригинальность используемого метода заключается в выборе в качестве исходного материала пленок пористого кремния определенной пористости, определяющей биосовместимость и биодеградируемость материала, и последующего их измельчения ультразвуком определенной интенсивности, что обеспечивало получение водной суспензии пористых наночастиц кремния, сохраняющих свои полезные свойства биосовместимости и биодеградируемости, а также способных проникать в живые клетки.The originality of the method used consists in the selection of porous silicon films of a certain porosity as the starting material, which determines the biocompatibility and biodegradability of the material, and their subsequent grinding with ultrasound of a certain intensity, which ensured the production of an aqueous suspension of porous silicon nanoparticles, which retain their useful biocompatibility and biodegradability properties, as well as capable penetrate into living cells.

Поставленная задача решается тем, что способ получения водных суспензий кремниевых нанокристаллических частиц для биомедицинских применений включает формирование на поверхности кремниевых пластин пленки пористого кремния (толщиной от 1 до 100 мкм и пористостью от 50 до 80%) методом электрохимического травления в растворе, содержащем плавиковую кислоту (водный раствор с концентрацией кислоты от 40 до 50% по объему) и этиловый, метиловый, пропиловый, изопропиловый спирт или другие подобные спирты в соотношении от 1:1 до 1:5, в течение промежутка времени от 10 до 60 минут с плотностью тока от 20 до 60 мА/см2, после чего полученные пластины кремния, покрытые слоем пористого кремния, промывают в дистиллированной воде, высушивают, затем помещают в емкость с дистиллированной водой и в течение промежутка времени не менее 10 минут подвергают обработке ультразвуком с интенсивностью воздействия на пластины кремния в воде 10-100 Вт/см2 с частотой 23 кГц или больше с получением в дистиллированной воде устойчивой суспензии из наночастиц с поперечными размерами от 10 до 500 нм.The problem is solved in that the method of producing aqueous suspensions of silicon nanocrystalline particles for biomedical applications involves the formation on the surface of silicon wafers of a film of porous silicon (thickness from 1 to 100 μm and porosity from 50 to 80%) by electrochemical etching in a solution containing hydrofluoric acid ( an aqueous solution with an acid concentration of 40 to 50% by volume) and ethyl, methyl, propyl, isopropyl alcohol or other similar alcohols in a ratio of 1: 1 to 1: 5 over a period of time a volume of 10 to 60 minutes with a current density of 20 to 60 mA / cm 2 , after which the obtained silicon wafers coated with a layer of porous silicon are washed in distilled water, dried, then placed in a container with distilled water and for a period of not less than 10 minutes are subjected to sonication with an intensity of exposure to silicon wafers in water of 10-100 W / cm 2 with a frequency of 23 kHz or more to obtain a stable suspension of nanoparticles with transverse sizes from 10 to 500 nm in distilled water.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид пленки пористого кремния в сканирующем электронном микроскопе, фиг.2, - изображение полученных наночастиц кремния в просвечивающем электронном микроскопе, фиг.3 - картина электронной дифракции от полученных наночастиц кремния, которая демонстрирует их нанокристаллическое строение, фиг.4 - результаты проведенного эксперимента по использованию полученных водных суспензий наночастиц кремния в качестве люминесцентных меток для окрашивания клеток млекопитающих, на которой представлены фотографии клеток тимоцита собаки CF2Th, сделанные через красный фильтр, на которых яркие белые точки соответствуют наночастицам кремния, проникшим в клетку.The invention is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a general view of a porous silicon film in a scanning electron microscope, Fig. 2, an image of the obtained silicon nanoparticles in a transmission electron microscope, Fig. 3 is an electron diffraction pattern of the obtained silicon nanoparticles, which shows their nanocrystalline structure, Fig. 4 - results of an experiment on the use of the obtained aqueous suspensions of silicon nanoparticles as luminescent labels for staining mammalian cells, on which presented photographs dog thymocyte cells CF2Th, taken through a red filter, in which bright white points correspond silicon nanoparticles infiltrated into the cell.

В настоящем изобретении предлагается использовать двухстадийный метод производства водных суспензий нанокристаллических кремниевых частиц для биомедицинских применений.The present invention proposes to use a two-stage method for the production of aqueous suspensions of nanocrystalline silicon particles for biomedical applications.

На первой стадии процесса на поверхности кремниевых пластин формируют пленки пористого кремния методом электрохимического травления в растворе, содержащем плавиковую кислоту (водный раствор с концентрацией кислоты от 40 до 50% по объему) и этиловый, метиловый, пропиловый, изопропиловый спирт или другой подобный спирт в соотношении от 1:1 до 1:5, в течение промежутка времени от 10 до 60 минут с плотностью тока от 20 до 60 мА/см2. В результате данного процесса на поверхности кремниевых пластин формируются слои пористого кремния толщиной от 1 до 100 мкм и пористостью от 50 до 80%. Полученные пластины кремния, покрытые слоем пористого кремния, тщательно промывают в дистиллированной воде и высушивают, что обеспечивает контролируемый химический состав их поверхностного покрытия.At the first stage of the process, porous silicon films are formed on the surface of silicon wafers by electrochemical etching in a solution containing hydrofluoric acid (an aqueous solution with an acid concentration of 40 to 50% by volume) and ethyl, methyl, propyl, isopropyl alcohol or other similar alcohol in the ratio from 1: 1 to 1: 5, over a period of time from 10 to 60 minutes with a current density of 20 to 60 mA / cm 2 . As a result of this process, layers of porous silicon with a thickness of 1 to 100 μm and a porosity of 50 to 80% are formed on the surface of silicon wafers. The obtained silicon wafers coated with a layer of porous silicon are thoroughly washed in distilled water and dried, which provides a controlled chemical composition of their surface coating.

На второй стадии процесса пластины кремния, покрытые слоем пористого кремния, помещают в емкость с дистиллированной водой и в течение не менее 10 минут подвергают обработке ультразвуком высокой интенсивности воздействия на пластины кремния в воде от 10 до 100 Вт/см2 с частотой около 23 кГц или больше. В результате ультразвуковой обработки слои пористого кремния отделяются от кремниевых пластин и разрушаются на отдельные наночастицы с размерами от 10 до 500 нм. При этом разрушение происходит в области максимально напряженного и дефектного материала. В результате, получаемые наночастицы остаются кристаллическими и малодефектными. Эти наночастицы образуют в дистиллированной воде суспензию, которую можно вводить в живой организм.In the second stage of the process, silicon wafers coated with a layer of porous silicon are placed in a container with distilled water and subjected to a high-intensity ultrasonic treatment for 10 to 100 W / cm 2 on a silicon wafer with a frequency of about 23 kHz or more. As a result of ultrasonic treatment, layers of porous silicon are separated from silicon wafers and destroyed into individual nanoparticles with sizes from 10 to 500 nm. In this case, the destruction occurs in the region of the most stressed and defective material. As a result, the resulting nanoparticles remain crystalline and poorly defective. These nanoparticles form a suspension in distilled water that can be introduced into a living organism.

Новизна заявляемого способа формирования суспензий наночастиц кремния для биомедицинских применений заключается в использовании в качестве исходного материала пленок кремния с высокой пористостью не менее 50%, которые можно измельчать в воде при помощи ультразвука относительно низкой интенсивности, что сохраняло одновременно нанокристаллическую структуру наночастиц и их пористость. Такие наночастицы существуют в виде водных суспензий, которые являются биосовместимыми и допускают введение в живые системы и последующее использование в диагностике и терапии.The novelty of the proposed method for the formation of suspensions of silicon nanoparticles for biomedical applications is the use of silicon films with a high porosity of at least 50% as starting material, which can be crushed in water using ultrasound of relatively low intensity, which simultaneously preserves the nanocrystalline structure of the nanoparticles and their porosity. Such nanoparticles exist in the form of aqueous suspensions, which are biocompatible and allow the introduction into living systems and subsequent use in diagnostics and therapy.

Предлагаемый метод изготовления наночастиц кремния позволяет получать водные суспензии с известными размерами наночастиц от 10 до 500 нм и высокой концентрации до 10 г/л. Указанные суспензии могут храниться в темноте при комнатной температуре в течение не менее одного месяца. При этом размеры наночастиц существенно не изменяются. Наночастицы в виде суспензий могут быть введены в культуры клеток и биологические системы, а именно в кровь, соединительные и мышечные ткани для использования их в качестве диагностического и терапевтического средства.The proposed method for the manufacture of silicon nanoparticles allows to obtain aqueous suspensions with known sizes of nanoparticles from 10 to 500 nm and a high concentration of up to 10 g / l. These suspensions can be stored in the dark at room temperature for at least one month. In this case, the sizes of nanoparticles do not change significantly. Suspension nanoparticles can be introduced into cell cultures and biological systems, namely, blood, connective and muscle tissues for use as a diagnostic and therapeutic agent.

Данные суспензии могут вводиться в биологические системы, а именно, культуры клеток и ткани, для последующей активации с помощью света, ультразвука и других физических воздействий для достижения необходимого диагностического или терапевтического эффекта.These suspensions can be introduced into biological systems, namely, cell and tissue cultures, for subsequent activation by light, ultrasound and other physical influences to achieve the necessary diagnostic or therapeutic effect.

Исследованиям токсикологической безопасности наночастиц в биомедицинских исследованиях уделяется повышенное внимание (Garnett М.С., Kallinteri P. "Nanomedicines and nanotoxicology. some physiological principles"// Occup.Med. 2006. V.56, PP.307-311; Дурнев А.Д., Соломина А.С. и др. "Исследование генотоксической и тератогенной активности нанокристаллов кремния" // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2010. Т.148. №4. С.429-433).Toxicological safety studies of nanoparticles in biomedical research are receiving increased attention (Garnett M.S., Kallinteri P. "Nanomedicines and nanotoxicology. Some physiological principles" // Occup.Med. 2006. V.56, PP.307-311; Durnev A. D., Solomina A.S. et al. "Study of the genotoxic and teratogenic activity of silicon nanocrystals" // Bulletin of experimental biology and medicine. 2010. V.148. No. 4. S.429-433).

В работе (Дурнев А.Д., Соломина А.С. и др. "Исследование генотоксической и тератогенной активности нанокристаллов кремния" // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2010. Т.148. №4. С.429-433), описано, что при попадании наночастиц в кровоток, возможен их транспорт через все тело и накопление в конкретных органах. Здесь же отмечено, что если в организм попадает биорастворимый кремний, то он легко выводится в виде ортокремниевой кислоты.In the work (Durnev A.D., Solomina A.S. et al. "Study of the genotoxic and teratogenic activity of silicon nanocrystals" // Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2010. V.148. No. 4. S.429-433), It is described that when nanoparticles enter the bloodstream, their transport through the whole body and accumulation in specific organs is possible. It is also noted here that if biosoluble silicon enters the body, it is easily excreted in the form of orthosilicic acid.

Пример получения суспензииAn example of a suspension

Наноструктурированные кремниевые поверхности были получены стандартным методом электрохимического травления пластин кристаллического кремния (c-Si) р-типа проводимости с ориентацией поверхности (100) и удельным сопротивлением 10 Ом-см в растворе плавиковой кислоты и этилового спирта (HF(50%):C2H5OH) при плотности тока травления от 50 мА/см2 в течение 60 минут. Это позволяло сформировать на подложке с-Si слои так называемого пористого кремния с пористостью 50%. Толщина слоя пористого кремния составила около 100 мкм (большее время травления обеспечивало большую толщину слоя). Как показали исследования в атомно-силовом микроскопе, на поверхности слоя присутствовали наноструктуры в виде выступов и впадин высотой 10-100 нм (Фиг.1). После получения пористого слоя, кремниевые пластины подвергались тщательной промывке и сушке, что обеспечивало контролируемый состав поверхностного покрытия наночастиц кремния. Для получения водных суспензий кремниевых наночастиц осуществлялась обработка кремниевых пластин с пористой пленкой или отслоенных пленок пористого кремния ультразвуковыми колебаниями с частотой 23 кГц, интенсивностью 60 Вт/см2 в дистиллированной воде в течение 15 мин. При этом пленка пористого кремния разрушалась с образованием водной суспензии кремниевых наночастиц размером 200-400 нанометров, сохраняющих пористое строение (Фиг.2). Концентрация получаемых суспензий составляла 1 г/л, что определялось долевым соотношением массы используемых пленок пористого кремния (1 г) и воды (1 л). Нанокристаллическая структура получаемых наночастиц подтверждалась данными электронной дифракции (Фиг.3).Nanostructured silicon surfaces were obtained by the standard method of electrochemical etching of crystalline silicon (c-Si) p-type wafers with a surface orientation of (100) and a resistivity of 10 Ohm-cm in a solution of hydrofluoric acid and ethyl alcohol (HF (50%): C 2 H 5 OH) at an etch current density of 50 mA / cm 2 for 60 minutes. This made it possible to form so-called porous silicon layers with a porosity of 50% on a c-Si substrate. The thickness of the porous silicon layer was about 100 μm (a longer etching time provided a larger layer thickness). As shown by studies in an atomic force microscope, nanostructures in the form of protrusions and depressions 10-100 nm high were present on the surface of the layer (Figure 1). After obtaining the porous layer, the silicon wafers were thoroughly washed and dried, which ensured a controlled composition of the surface coating of silicon nanoparticles. To obtain aqueous suspensions of silicon nanoparticles, silicon wafers with a porous film or peeled films of porous silicon were processed by ultrasonic vibrations at a frequency of 23 kHz and an intensity of 60 W / cm 2 in distilled water for 15 min. When this film of porous silicon was destroyed with the formation of an aqueous suspension of silicon nanoparticles with a size of 200-400 nanometers, preserving the porous structure (Figure 2). The concentration of the resulting suspensions was 1 g / l, which was determined by the proportion of the mass of the used films of porous silicon (1 g) and water (1 l). The nanocrystalline structure of the obtained nanoparticles was confirmed by electron diffraction data (Figure 3).

Биосовместимость полученных водных суспензий проверяли в экспериментах на животных, в ходе которых полученную суспензию вводили внутрибрюшинно крысам в дозах 5, 25 и 50 мг/кг. Исследуемый материал не показал цитогенетической активности в клетках костного мозга испытуемых животных после 24-х часовой, 7 и 14 дневной экспозиции при однократного введения.The biocompatibility of the obtained aqueous suspensions was checked in animal experiments, during which the suspension was administered intraperitoneally to rats at doses of 5, 25 and 50 mg / kg. The test material did not show cytogenetic activity in the bone marrow cells of the test animals after 24-hour, 7 and 14 days exposure with a single injection.

Таким образом, в проведенном исследовании не выявлено цитогенетических эффектов водной суспензии наночастиц кремния in vivo, показана их незначительная генотоксическая активность в клетках костного и головного мозга. Представленные результаты характеризуют полученные водные суспензии наночастиц кремния как биосовместимый наноматериал.Thus, the study did not reveal the cytogenetic effects of an aqueous suspension of silicon nanoparticles in vivo, their insignificant genotoxic activity in bone marrow and brain cells is shown. The presented results characterize the obtained aqueous suspensions of silicon nanoparticles as a biocompatible nanomaterial.

Claims (1)

Способ получения водной суспензии кремниевых нанокристаллических частиц для биомедицинских применений, характеризующийся тем, что на поверхности кремниевых пластин формируют пленку пористого кремния толщиной от 1 до 100 мкм и пористостью от 50 до 80% методом электрохимического травления в растворе, содержащем плавиковую кислоту в виде водного раствора с концентрацией от 40 до 50% по объему, и этиловый или другой спирт в соотношении от 1:1 до 1:5, в течение промежутка времени от 10 до 60 мин с плотностью тока от 20 до 60 мА/см2, после чего полученные пластины кремния, покрытые слоем пористого кремния, промывают в дистиллированной воде, высушивают, затем помещают в емкость с дистиллированной водой и в течение промежутка времени не менее 10 мин подвергают обработке ультразвуком с интенсивностью воздействия на пластины кремния в воде 100 Вт/см2 с частотой 23 кГц с получением в дистиллированной воде устойчивой суспензии из наночастиц с поперечными размерами от 10 до 500 нм. A method of obtaining an aqueous suspension of silicon nanocrystalline particles for biomedical applications, characterized in that on the surface of the silicon wafers a porous silicon film is formed with a thickness of 1 to 100 μm and a porosity of 50 to 80% by electrochemical etching in a solution containing hydrofluoric acid in the form of an aqueous solution with concentration from 40 to 50% by volume, and ethyl or other alcohol in a ratio of 1: 1 to 1: 5, for a period of time from 10 to 60 minutes with a current density of 20 to 60 mA / cm 2 , after which the resulting pl silicon wafers coated with a layer of porous silicon are washed in distilled water, dried, then placed in a container with distilled water and subjected to an ultrasound treatment with an intensity of exposure to silicon wafers of 100 W / cm 2 with a frequency of 23 for at least 10 minutes kHz with obtaining in distilled water a stable suspension of nanoparticles with transverse sizes from 10 to 500 nm.
RU2012139200/15A 2012-09-13 2012-09-13 Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle RU2504403C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012139200/15A RU2504403C1 (en) 2012-09-13 2012-09-13 Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012139200/15A RU2504403C1 (en) 2012-09-13 2012-09-13 Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2504403C1 true RU2504403C1 (en) 2014-01-20

Family

ID=49947919

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012139200/15A RU2504403C1 (en) 2012-09-13 2012-09-13 Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2504403C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2553913C1 (en) * 2014-07-22 2015-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "Нанолек" Method of producing porous ceramic biocompatible nanocarriers
WO2019170856A1 (en) * 2018-03-08 2019-09-12 Patentpool Innovations Management Gmbh Method for quantifying porous media by means of analytical particles and uses thereof
RU2722745C1 (en) * 2018-12-27 2020-06-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of producing nanocontainers for chemotherapeutic anticancer drugs

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6597496B1 (en) * 1999-10-25 2003-07-22 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Silicon nanoparticle stimulated emission devices
WO2011073666A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Intrinsiq Materials Global Limited Porous silicon
US20110204489A1 (en) * 2010-02-25 2011-08-25 National Taiwan University Silicon substrate having nanostructures and method for producing the same and application thereof
US20110300222A1 (en) * 2009-02-20 2011-12-08 The Regents Of The University Of California Luminescent porous silicon nanoparticles, methods of making and using same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6597496B1 (en) * 1999-10-25 2003-07-22 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Silicon nanoparticle stimulated emission devices
US20110300222A1 (en) * 2009-02-20 2011-12-08 The Regents Of The University Of California Luminescent porous silicon nanoparticles, methods of making and using same
WO2011073666A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-23 Intrinsiq Materials Global Limited Porous silicon
US20110204489A1 (en) * 2010-02-25 2011-08-25 National Taiwan University Silicon substrate having nanostructures and method for producing the same and application thereof

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2553913C1 (en) * 2014-07-22 2015-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "Нанолек" Method of producing porous ceramic biocompatible nanocarriers
WO2019170856A1 (en) * 2018-03-08 2019-09-12 Patentpool Innovations Management Gmbh Method for quantifying porous media by means of analytical particles and uses thereof
CN111819432A (en) * 2018-03-08 2020-10-23 拍特恩特普尔创新管理股份有限公司 Method for the quantification of porous media by means of analytical particles and use thereof
US20210033515A1 (en) * 2018-03-08 2021-02-04 Patentpool Innovations Management Gmbh Method for quantifying porous media by means of analytical particles and uses thereof
RU2722745C1 (en) * 2018-12-27 2020-06-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Method of producing nanocontainers for chemotherapeutic anticancer drugs

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Highly crystallized iron oxide nanoparticles as effective and biodegradable mediators for photothermal cancer therapy
Mondal et al. Recent progress on fabrication and drug delivery applications of nanostructured hydroxyapatite
Cai et al. Ultrasonic controlled morphology transformation of hollow calcium phosphate nanospheres: a smart and biocompatible drug release system
Ksenofontova et al. Porous silicon and its applications in biology and medicine
Kim et al. Mineralisation of reconstituted collagen using polyvinylphosphonic acid/polyacrylic acid templating matrix protein analogues in the presence of calcium, phosphate and hydroxyl ions
Wang et al. The preparation of hollow mesoporous bioglass nanoparticles with excellent drug delivery capacity for bone tissue regeneration
Chen et al. Biodegradable and bioabsorbable sensors based on two-dimensional materials
Tiwari et al. Biomedical materials and diagnostic devices
RU2504403C1 (en) Method for preparing water suspension of biocompatible porous silicon particle
Dong et al. Degradable and Excretable Ultrasmall Transition Metal Selenide Nanodots for High‐Performance Computed Tomography Bioimaging‐Guided Photonic Tumor Nanomedicine in NIR‐II Biowindow
Ma et al. Two‐dimensional silicene/silicon nanosheets: an emerging silicon‐composed nanostructure in biomedicine
Li et al. Urchin-like hydroxyapatite/graphene hollow microspheres as pH-responsive bone drug carriers
Render et al. Bio-based calcium carbonate (CaCO3) nanoparticles for drug delivery applications
Chai et al. Fabrication of phospholipid vesicle-interacted calcium phosphate films with sterilization stability
Gravina et al. Striped, bioactive Ce–TiO 2 materials with peroxynitrite-scavenging activity
Latocha et al. Morphology‐controlled precipitation/remodeling of plate and rod‐shaped hydroxyapatite nanoparticles
Das et al. A focus on biomaterials based on calcium phosphate nanoparticles: an indispensable tool for emerging biomedical applications
Sabaghi et al. Hierarchical design of intelligent α-MnO2-based theranostics nanoplatform for TME-activated drug delivery and T1-weighted MRI
Ding et al. Pyro-piezoelectric effect of BaTiO3 bio-nanocarrier for osteomyelitis therapy
Vankayala et al. MXenes and their composites for medical and biomedical applications
CN112089703B (en) Preparation method of zoledronic acid-loaded zeolite imidazole framework nanoparticle material
CN108069458A (en) A kind of ultra micro nano-level sphere bismuth tungstate crystal grain and preparation method and application
Kolesnikova et al. Atomic force microscopy characterization of ultrasound-sensitive nanocomposite microcapsules
CN113633789B (en) Liquid metal nano probe integrating light acoustic imaging and drug inclusion and preparation method thereof
Al-Shaibani et al. Evaluation the effect of CaO Nanoparticles on the body weight and Lipid factors in male Wister Rats