Structural and chemical modifications of porous silicon for biomedical applications

Mäkilä Ermei

Huokoisen piin (porous silicon, PSi) monipuoliset ominaisuudet ovat mahdollistaneet runsaasti erilaisia sovelluksia, lähtien mikroelektroniikasta ja ilmaisimista aina tämän käyttöön bioyhteensopivana materiaalina lääkeannostelussa. Tässä työssä osoitettiin huokoisen piin rakenteen olevan jälkikäteen muokattavissa hallitusti lämpökäsittelyn avulla. Huokoskokoa kasvattamalla mahdollistettiin tarpeen vaatiessa suurempien biomolekyylien pääsy huokosiin. Tämän lisäksi esiteltiin menetelmä huokoisen piin nanopartikkelien valmistamiseksi syövyttämällä sähkökemiallisesti huokoinen monikerrosrakenne, missä tasaisin välimatkoin sijaitsevat hauraat korkean huokoisuuden kerrokset toimivat murtumista edistävinä kohtina. Menetelmää on sittemmin hyödynnetty tähän mennessä yli 70:ssä tieteellisessä julkaisussa.
Huokoisen piin mikro- ja nanopartikkelien bioyhteensopivuuden ja kulkeutumisen hallintaan työssä kehitettiin kaksi uutta pintakemiallista muunnosta huokoiselle piille, mikä oli esikäsitelty heikosti veteen liukenevaksi. Muunnokset perustuivat vapaiden amiiniryhmien ja alkyynien saatavuuteen huokoisen piin pinnoilla. Näistä edellinen mahdollisti biologisen funktionalisoinnin karbodi-imidisilloituksen kautta, jälkimmäisen puolestaan mahdollistaen monipuolinen funktionalisointi kupariavusteisen sykloadditioreaktion kautta.
Lääkemolekyylien fysikaalista olotilaa nanokokoluokan huokosissa tutkittiin huokoisen piin mikropartikkelien avulla. Huokosiin adsorboitujen niukkaliukoisten lääkeaineiden tiedetään liukenevan tehokkaasti veteen, mutta syitä tälle voi olla useita. Pienmolekyylilääkkeiden havaittiin olevan osittain nestemäisessä muodossa huokosten sisällä NMR-tutkimusten mukaan. Molekyylien lähijärjestys vaikutti myös osittain muuttuneen, huokosiin adsorboituneen lääkeaineen tiheyden ollessa tavallista amorfista tilaa alhaisempi. Lääkeaineen adsorptiota huokosiin pyrittiin myös tehostamaan seuraamalla liuottimen ja lääkeaineliuoksen konsentraation vaikutusta. Sopivin parametrein saavutettiin korkea lääkkeen hyötykuorma, ilman lääkemolekyylien kiteytymistä huokoisen piin mikropartikkelien ulkopinnoille.