DE60008517T2

DE60008517T2 - Derivatisiertes poröses silicium

Info

Publication number: DE60008517T2
Application number: DE60008517T
Authority: DE
Inventors: Trevor Leigh Canham; Paul Christopher Malvern BARRETT
Original assignee: Psimedica Ltd
Current assignee: Psimedica Ltd
Priority date: 1999-05-01
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: AU4418600A; CN1365292A; WO2000066190A1; AU763168B2; NZ515189A; DE60008517D1; CA2368679C; CA2368679A1; JP2003516169A; US20050266045A1; EP1175233B1; EP1175233A1; ES2211538T3

Description

Die Erfindung betrifft derivatisiertes poröses Silicium, Biomaterial, das derivatisiertes poröses Silicium enthält, und Anwendungen eines solchen Biomaterials.
Ein Biomaterial ist hier als lebloses Material definiert, das in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers verwendet wird. Beabsichtigt ist die Wechselwirkung mit der biologischen Umgebung, in die es eingeführt wurde. Solche Biomaterialien können je nach ihrer Wechselwirkung mit dem lebenden Gewebe des menschlichen oder tierischen Körpers bioinert, bioaktiv oder resorbierbar sein. Ein relativ bioinertes Biomaterial, wie Titan, erfährt durch das umgebende Gewebe eine minimale Korrosion und minimale fibröse Einkapselung. Ein bioaktives Biomaterial, wie Bioglass (eingetr. Warenz.), unterliegt der Korrosion und begünstigt dadurch das Gewebewachstum auf seiner Oberfläche. Ein resorbierbares Biomaterial, wie Polylactid, unterliegt einer ausreichenden, kontinuierlichen Korrosion, um im Körper mit der Zeit vollständig aufgelöst zu werden.
Die praktische Überlebensfähigkeit der meisten biomedizinischen Vorrichtungen und Strukturen (d.h. Vorrichtungen und Strukturen, die in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers verwendet werden) hängen zu verschiedenen Ausmaßen von solchen Kriterien ab, wie Stabilität ihres aufbauenden Biomaterials und Wechselwirkungen zwischen der Biomaterial- Oberfläche und der biologischen Umgebung des Körpers, in oder auf dem die Vorrichtung platziert wurde. Für einige Anwendungen (z.B. wiederaufbauende Prothesen, Wundverschluss, Biochip-Integration, Arzneimittelabgabe) ist die Biomaterial-Korrosion erwünscht. Das Ausmaß der erwünschten Korrosion hängt von der speziellen Anwendung ab, allerdings ist es vielfach erwünscht, dass das Biomaterial in seiner Umgebung im wesentlichen stabil ist, d.h. die Korrosion erfolgt während eines langen Zeitraums. Für andere Anwendungen (Biosensoring, Biofiltration, Neuro-Interfacing) wird eine stabile Grenzfläche zwischen dem Biomaterial und seiner Umgebung benötigt, d.h. es ist erwünscht, dass wenig oder vorzugsweise keine Korrosion des Biomaterials stattfindet. Insbesondere für Biofiltrationsanwendungen, ist es zudem erforderlich, dass das Biomaterial porös, tatsächlich oft stark porös ist. Die Anforderungen von Stabilität und Porosität sind oft gegensätzlich, da wenn ein Material poröser gemacht wird, seine Stabilität oft abnehmen kann.
Der folgende Stand der Technik kann für die vorliegende Erfindung von Bedeutung sein: Adv. Meter., Bd. 11, Nr. 18, Dezember 1999; Chem. Commun., Bd. 12, Juni 1999; Langmuir, Bd. 15, Nr. 11, Juni 1999; J. Am. Chem. Soc., Bd. 121, Nr. 34, September 1999; J. Am. Chem. Soc. 120, 1998, Ss. 1339-1340; J. Am. Chem. Soc., Bd. 118, 1996, Ss. 7225-7226; J. Am. Chem. Soc., Bd. 120, 1998, Ss. 12108-12116; WO 97 06 101; Science, Bd. 278, 1997, Ss. 840-843; Thin Solid Films 297, 1997, ix-x; Advanced Materials, Bd. 8, Nr. 10, 1996, Ss. 847-849; Advanced Materials, Bd. 8, Nr. 10, 1996, Ss. 850-852, Advanced Materials, Bd. 7, Nr. 12, 1995, Ss. 1033-1037; Thin Solid Films, Bd. 297, 1997, Ss. 304-307; Advanced Materials, Bd. 11, Nr. 3, Februar 1999, Ss. 265-267, US 5 763 399 ; und GB 2 303 847.
Silicium wurde viele Jahre lang aufgrund seiner festgestellten Bioinkompatibilität als nicht wachstumsfähiges Biomaterial angesehen. Neuerdings wurde gezeigt, dass durch das Einbringen von verschiedenen Porositätsniveaus in Silicium seine Biokompatibilität erhöht werden kann. Poröses Silicium wurde, obwohl biokompatibel, in einigen biologischen Umgebungen in lebenden menschlichen oder tierischen Körpern oder Nachbildungen hiervon als nicht stabil betrachtet. Die Korrosion erfolgt in Tagen oder auch Stunden. Allerdings gibt es, wie vorstehend angegeben, viele Anwendungen, wobei Stabilität oder zumindest eine nennenswerte Stabilität eines Biomaterials erwünscht ist.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird derivatisiertes poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht bereitgestellt, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen enthält, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind, wobei Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so sind, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Das derivatisierte poröse Silicium kann derivatisiertes mesoporöses Silicium sein.
Das derivatisierte poröse Silicium kann eine Zusammensetzung und Struktur aufweisen, derart, dass die Korrosionsgeschwindigkeit des derivatisierten mesoporösen Siliciummaterials in (SHP) um einen Faktor von mindestens zwei Größenordnungen geringer ist als die des underivatisierten mesoporösen Siliciums.
Die Porosität des derivatisierten porösen Siliciums kann mindestens 5 % betragen.
Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Biomaterial bereitgestellt, das derivatisiertes poröses Silicium enthält.
Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine biomedizinische Vorrichtung bereitgestellt, die derivatisiertes poröses Silicium enthält.
Derivatisiertes poröses Silicium wird zweifelsfrei als poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht, die an mindestens einen Teil seiner Oberfläche kovalent gebunden ist, betrachtet. Die Oberfläche des porösen Siliciums enthält die Oberflächen der Poren. Wie es hinreichend bekannt ist, ist poröses Silicium Silicium, das durch Anodisierung, Fleck-Ätzen oder fotochemisches Ätzen in Lösungen auf HF-Basis porös gemacht wurde. Auf diese Weise hergestelltes poröses Silicium besitzt eine Porosität von größer als 0,1 % und typischer von größer als 1 %.
Es wurde festgestellt, dass die Derivatisierung des porösen Siliciums seine Stabilität vergrößert.
Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Biofiltrationsvorrichtung bereitgestellt, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die ein oder mehrere derivatisierte poröse Siliciumfilter enthält, wobei das oder jedes derivatisierte poröse Siliciumfilter derivatisiertes poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht aufweist, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen enthält, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind, wobei Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so ist, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Das oder jedes oder einige der Filter wirken vorzugsweise als Molekularsiebe. Vorzugsweise lassen sie einige Moleküle, z.B. Nährstoffe und Abfallprodukte, passieren, allerdings verhindern sie, dass dies mit anderen Molekülen, z.B. Komponenten des Immunsystems, wie Makrophagen und Immunglobulinmoleküle, der Fall ist. Die Porengröße des oder jedes oder einiger der Filter bestimmt vorzugsweise die Moleküle, die durch sie hindurchgelassen werden. Der Durchmesser der Poren des oder jedes oder einiger der Filter können im Bereich von 15-50 nm liegen. Das oder jedes oder einige der Filter können eine Dicke von einigen μm aufweisen. Die Porosität des oder eines jeden oder einiger der Filter beträgt vorzugsweise mindestens 5 % und könnte 10 % oder 15 % oder höher sein.
Die Biofiltrationsvorrichtung kann Teil einer Mehrelement-Vorrichtung bilden. Die Mehrelement-Vorrichtung kann zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt sein. Die Mehrelement-Vorrichtung kann ein Biosensor sein. Der Biosensor kann zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt sein. Der Biosensor kann eine oder mehrere physiologische Funktionen des Körpers überwachen. Der Biosensor kann eine oder mehrere Aspekte von einem oder mehreren Fluiden des Körpers überwachen. Der Biosensor kann die Glucosespiegel und/oder Lithiumionenspiegel und/oder den Kalium- und/oder Alkoholspiegel im Körper überwachen.
Nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Immunisoliervorrichtung bereitgestellt, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die eine Biofiltrationsvorrichtung aufweist, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die ein oder mehrere derivatisierte poröse Siliciumfilter aufweist, wobei das oder jedes derivatisierte poröse Siliciumfilter derivatisiertes poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht enthält, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen aufweist, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind, wobei Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so sind, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Biofiltrationsvorrichtung so aufgebaut ist, dass bei Betrieb der Immunisoliervorrichtung in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers mindestens eines der derivatisierten porösen Siliciumfilter mindestens einige Moleküle des Immunsystems von der Immunisoliervorrichtung ausschließt.
Die Immunisoliervorrichtung kann eine Siliciumkapsel mit einer Dicke von vorzugsweise weniger oder gleich 500 μm aufweisen. Die Immunisoliervorrichtung und vorzugsweise die Kapsel können mit einem oder mehreren derivatisierten porösen Siliciumfiltern ausgestattet sein. Das derivatisierte poröse Siliciumfilter kann derivatisiertes mesoporöses Silicium sein. Das oder jedes oder einige der Filter schließen vorzugsweise mindestens einige Moleküle des Immunsystems aus der Vorrichtung aus. Solche Moleküle könnten beispielsweise Makrophagen und Immunglobulinmoleküle sein. Das oder jedes oder einige der Filter lassen vorzugsweise Nicht-Immunsystemmoleküle hinein und aus der Vorrichtung heraus. Solche Moleküle können beispielsweise Nährstoffe und Abfallprodukte sein. Die Porengröße des oder jedes oder einiger der Filter bestimmt vorzugsweise die Moleküle, die durch sie hindurch gelassen werden. Der Durchmesser der Poren des oder jedes oder einiger der Filter liegt vorzugsweise im Bereich von 15-50 nm. Das oder jedes oder einige der Filter können durch Anodisierung von einem oder mehreren Teilen der Kapsel hergestellt werden. Das oder jedes oder einige der Filter können eine Dicke von einigen μm aufweisen. Die Porosität des oder jedes oder einiger der Filter beträgt vorzugsweise mindestens 5 % und könnte 10 % oder 15 % oder höher sein.
In der Vorrichtung können Zellen zur ihrer Isolierung von den Komponenten des Immunsystems platziert werden. Sie können auf den Innenflächen des oder jedes oder einiger der derivatisierten porösen Siliciumfilter kultiviert werden. Solche Zellen können Insulin-sezernierende Zellen (Langerhanssche Inselzellen), Babyhamsternierenzellen, die den ziliären neurotrophischen Faktor freisetzen, zur Behandlung von amyotropher Lateralsklerose, adrenale chromaffine Zellen aus Rindern zur Behandlung von unbehandelbaren Schmerzen sein. In diesem Fall ist die Porengröße des oder jedes oder einiger der Filter vorzugsweise groß genug, damit die Diffusion von Nährstoffen für die Zellen in die Vorrichtung und von Abfallprodukten und Insulin aus der Vorrichtung möglich ist, die allerdings eine solche Größeverteilung aufweist, dass sie sämtliche Zellen und spezifische Proteine des Immunsystems aus der Vorrichtung ausschließt.
Nach einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Batterievorrichtung bereitgestellt, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die eine Stromquelle und eine Biofiltrationsvorrichtung umfasst, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die ein oder mehrere derivatisierte poröse Siliciumfilter umfasst, wobei das oder jedes derivatisierte poröse Siliciumfilter derivatisiertes poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht aufweist, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen aufweist, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind, wobei Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so sind, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Die Stromquelle kann einen oder mehrere biolumineszente Organismen, die Licht emittieren, aufweisen. Der oder jeder oder einige der Organismen können Mikroorganismen sein, die mit dem Green Fluorescent Protein (GFP) genetisch modifiziert worden sind. Dies führt vorzugsweise zu hohen Quantenausbeuten (größer als 50 %) und elektrischer Energie, die groß genug ist zum Antrieb von CMOS-Transistoren. Der oder jeder oder einige der Organismen können Luziferase-Enzyme enthalten, das in Gegenwart von ATP, Mg²⁺, Sauerstoff und Luciferin 560-nm-Licht erzeugt. Vorzugsweise versorgen die Körperfluide, die die Nährstoffe, wie Glucose, enthalten, die Organismen mit kontinuierlicher Energie. Die Batterievorrichtung kann einen oder mehrere Fotodetektoren, wie p-n-Übergänge oder p-i-n-Übergänge, aufweisen. Diese können das durch den oder jeden oder einige der Organismen erzeugte Licht in elektrische Energie umwandeln. Der oder jeder oder einige der Fotodetektoren können in Verbindung mit einem oder mehreren Spiegeln verwendet werden, um den Lichtsammel-Wirkungsgrad zu verbessern.
Die Stromquelle kann eine elektrochemische Stromquelle sein. Diese kann mindestens ein Elektrodenpaar aufweisen. Der Strom kann durch Elektronenübertragung zu und von den Elektroden erzeugt werden. Das oder jedes Paar von Elektroden können unähnliche Metalle, z.B. Aluminium und Silber, enthalten. Eine solche Quelle erzeugt vorzugsweise mindestens 0,8 V. Das oder jedes Paar von Elek troden kann mit einem Enzym ausgestattet sein, das an eine der Elektroden gebunden ist. Das Enzym kann Glucoseoxidase sein. Vorzugsweise wird Glucose der Batterie zugeführt, die unter Erzeugung von Wasserstoffperoxid mit der Glucoseoxidase reagiert, das seinerseits mit der anderen Elektrode reagiert, was zu einer Elektronenübertragung zwischen den Elektroden führt. Eine solche Quelle erzeugt vorzugsweise mindestens 2 V.
Die Batterievorrichtung kann einen Siliciumkasten aufweisen. Die Batterievorrichtung und vorzugsweise der Kasten können mit einem oder mehreren derivatisierten porösen Siliciumfiltern ausgestattet sein. Das derivatisierte poröse Silicium kann derivatisiertes mesoporöses Silicium sein. Das oder jedes oder einige der Filter schließen vorzugsweise Substanzen aus, die für die Stromquelle aus der Batterievorrichtung von Nachteil sind. Solche Substanzen können Moleküle des Immunsystems, Proteine und Enzyme einschließen. Das oder jedes oder einige der Filter lassen vorzugsweise Substanzen, die für die Stromquelle von Vorteil sind, in die Batterievorrichtung eintreten. Solche Substanzen können Nährstoffe, wie Glucose und Wasser, umfassen. und Abfallprodukte. Das oder jedes oder einige der Filter gestatten vorzugsweise, dass Substanzen, die von der Stromquelle erzeugt werden, die Batterievorrichtung verlassen. Solche Substanzen können Abfallprodukte umfassen. Die Porengröße des oder eines jeden oder einiger der Filter bestimmt vorzugsweise die durch sie hindurchgehenden Substanzen. Der Durchmesser der Poren des oder eines jeden oder einiger der Filter liegt vorzugsweise im Bereich von 15-50 nm. Das oder jedes oder einige der Filter können durch Anodisierung von einem oder mehreren Teilen der Batterievorrichtung, vorzugsweise des Siliciumkastens, hergestellt wer den. Das oder jedes oder einige der Filter können eine Dicke von einigen μm aufweisen. Die Porosität des oder eines jeden oder einiger der Filter beträgt vorzugsweise mindestens 5 % und könnte 10 % oder 15 % oder höher sein.
Die Batterievorrichtung kann einer oder mehrerer Vorrichtungen Energie liefern. Die Vorrichtungen können zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers oder in vitro ausgelegt sein. Die elektrischen Anschlüsse können zwischen der Batterievorrichtung und der oder jeder Vorrichtung vorgesehen sein. Die oder jede oder einige der Vorrichtungen können mikrofluide Arzneimittelabgabevorrichtungen, Biosensoren, Nervenstimulatorische Vorrichtungen, Identifizierungs/Marker-Vorrichtungen sein.
Nach einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Vorrichtung bereitgestellt, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist und einen mehrschichtigen Spiegel, der einen Stapel von alternierenden Schichten von derivatisiertem porösem Silicium mit einer ersten Porosität und einem ersten Brechungsindex aufweist, enthält, wobei das derivatisierte poröse Silicium eine zweite Porosität und einen zweiten Brechungsindex aufweist, der höher ist als der erste Brechungsindex, wobei das derivatisierte poröse Silicium eine im wesentlichen monomolekulare Schicht aufweist, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen aufweist, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind, wobei Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so sind, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte, poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Laser und optische Geräte werden im Allgemeinen in der Gesundheitsvorsorge sowohl zur nicht-invasiven/minimal-invasiven Diagnostik als auch zur therapeutischen Behandlung zunehmend eingesetzt. Gut bekannte Beispiele umfassen Puls-Oximetrie zur Aufzeichnung des Blut-Oxygenierungsspiegels, endoskopische Fluoreszenz-Bilderzeugung zum Krebsnachweis, fotodynamische Therapie (PDT), nicht-invasive spektroskopische Wege der Glucose-Überwachung, etc. Ein wesentlicher Punkt bei sämtlichen optischen diagnostischen Techniken ist eine Quantifizierung/Kontrolle der Weglänge, die das Licht in vivo von der verwendeten Quelle vor dem Nachweis zurücklegt. Ein wesentlicher Punkt bei Techniken, wie PDT, ist die Minimierung der Schädigung des gesunden Gewebes, das die behandelte kanzeröse Stelle umgibt. Beide Probleme entstehen durch die inhomogenen, stark streuenden optische Eigenschaften von Gewebe.
Die Vorrichtung kann zur Verwendung in Verbindung mit einer Lichtquelle ausgelegt sein. Die Vorrichtung steuert vorzugsweise die Weglänge des Lichts von der Quelle. Dies kann durch eine strategische Anordnung der Vorrichtung im Körper erreicht werden.
Die optische Vorrichtung kann eine Struktur mit starkem Reflexionsvermögen, vorzugsweise über etwa 95 %, aufweisen. Die optische Vorrichtung kann einen mehrschichtigen Spiegel aufweisen. Der mehrschichtige Spiegel kann aus einem Stapel alternierender Schichten aus derivatisiertem porösem Siliciummaterial mit einer ersten Porosität und einem ersten Brechungsindex bestehen, wobei das derivatisierte poröse Siliciummaterial eine zweite Porosität und einen zweiten Brechungsindex aufweist, der höher ist als der erste Brechungsindex. Die Porosität kann umgekehrt proportional zum Brechungsindex sein. Die erste Porosität kann einen Wert im Bereich von 40 % aufweisen, und die zweite Porosität kann einen Wert im Bereich von 90 % aufweisen. Die erste Porosität kann einen Wert im Bereich von 50 % aufweisen, und die zweite Porosität kann einen Wert im Bereich von 71 % aufweisen. Die Schichten von Siliciummaterial weisen vorzugsweise eine Dicke im Bereich von einem Viertel der Wellenlänge des auf sie einfallenden Lichts auf. Die Dicke der Schichten liegt vorzugsweise im Bereich von 500–1000 nm. Wenn der Lichteinfall auf die Schichten im blauen Bereich des sichtbaren Spektrums erfolgt, d.h. eine Wellenlänge von etwa 400 nm aufweist, liegt die Dicke der Schichten vorzugsweise im Bereich von 100 nm. Wenn das Licht dem nahen Infrarotbereich des Spektrums angehört, d.h. eine Wellenlänge von etwa 2 μm aufweist, liegt die Schichtdicke vorzugsweise im Bereich von 500 nm. Wenn der Lichteinfall auf den Spiegel im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich des Spektrums erfolgt, liegen die Brechungsindices der Schichten vorzugsweise im Bereich von 1,3–3,5. Das Reflexionsvermögen des Spiegels ist vorzugsweise bei einer einzigen Wellenlänge oder in einem Bereich von Wellenlängen hoch (z.B. über 95 %), entsprechend der oder den Wellenlängen des hier auftreffenden Lichts. Dies wird als Sperrbande des Spiegels bezeichnet. Die Wellenlänge-Position und die Breite der Sperrbande werden vorzugsweise durch den Aufbau des Spiegelstapels gesteuert, durch solche Merkmale, wie Porositäten des verwen deten Siliciummaterials und Anzahl und Dicke der Schichten. Die zentrale Wellenlänge der Sperrbande (als Bragg-Wellenlänge, λ_Bragg bekannt), ist angegeben durch: m λBragg = 2 (d1n1 + d2n2)wobei m in der Größenordnung der Bragg-Bedingung liegt, d die Schichtdicke bezeichnet, n den Brechungsindex bezeichnet und die tiefgestellte 1 und 2 den ersten und zweiten Brechungsindex angeben. Die Brechungsindices für die Schichten können so gewählt werden, dass die Sperrbande des Spiegels im Bereich von 700–1000 nm liegt. Dies ist der Spektralbereich, in dem lebendes Gewebe ein optisches Fenster aufweist. Vorzugsweise werden sehr hohe Niveaus des Reflexionsvermögens, vorzugsweise größer als 95 %, erzielt. Unter Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium in solchen optischen Vorrichtungen verbessert sich ihre Stabilität im Vergleich zu den bisher bekannten Vorrichtungen und stellt ein Mittel zur Verlängerung ihrer Lebensdauer in vitro oder in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers bereit. Beispielsweise lösen sich underivatisierte poröse mehrschichtige Siliciumspiegel in einigen Tagen in einem simulierten menschlichen Plasma (SHP) auf, wohingegen derivatisierte Spiegel in SHP für die Zeiträume von Wochen oder Monaten stabil sein können. Bei Verwendung im Körper ist die optische Vorrichtung vorzugsweise gegebenenfalls im Körper abbaubar. Sie braucht dann nicht operativ entfernt zu werden, wenn sie nicht mehr benötigt wird, und Probleme, die mit dauerhaft implantierten Vorrichtungen zusammenhängen, werden vermieden.
Die optische Vorrichtung ist vorzugsweise mindestens im wesentlichen hydrophob. Dies schränkt das Benetzen der Vorrichtung durch wässrige Fluide, z.B. Körperfluide, ein, die sonst in die Vorrichtung eindringen und deren Korrosion hervorrufen würden, insbesondere von innen. Jede Korrosion der hydrophoben Vorrichtung wird dann durch den Oberflächenangriff dominiert.
Das Reflexionsvermögen des Spiegels kann von der Anzahl von Schichten in dem Spiegel abhängen. Allerdings nimmt das Reflexionsvermögen nicht allgemein mit der Anzahl von Schichten linear zu, sondern sättigt sich, d.h. es erreicht nach einer bestimmten Anzahl von Schichten, z.B. zehn Schichten, die Sättigungsschichten genannt werden, einen maximalen Wert. Eine Zugabe von weiteren Schichten über diese Anzahl hinaus erhöht das Reflexionsvermögen nicht wesentlich. Der Spiegel kann eine Anzahl von Schichten aufweisen, die größer ist als die Anzahl von Schichten, die für ein gesättigtes Reflexionsvermögen erforderlich ist. Der Lichteinfall auf den Spiegel wechselwirkt mit den Sättigungsschichten. Schichten zwischen diesen sind am Anfang "überflüssige" Schichten, und sie tragen nicht wesentlich zum Reflexionsvermögen des Spiegels bei. Wenn die Korrosion des Spiegels von dem Oberflächenangriff dominiert wird, da die Schichten hiervon weg korrodiert werden, ist das Reflexionsvermögen des Spiegels zumindest zu Beginn nicht nennenswert beeinflusst. Dies beruht darauf, dass bei Entfernung einer Schicht durch Korrosion, eine bisher überflüssige Schicht zu einer der Sättigungsschichten wird und die Anzahl dieser Schichten aufrecht erhält. Dies setzt sich fort, bis die Anzahl der Schichten unter die zur Sättigung erforderliche Anzahl fällt, wobei das Reflexionsvermögen des Spiegels dann anfängt abzunehmen. Dadurch, dass die Anzahl der überflüssigen Schichten im Vergleich zur Anzahl der Schichten, die zur Sättigung erforderlich ist, groß gemacht wurde, kann das maximale Reflexionsvermögen beibehalten werden, bis der Spiegel praktisch weg korrodiert wurde. Wenn die Korrosionsrate bekannt ist, kann die Anzahl von überflüssigen Schichten so gewählt werden, dass das Reflexionsvermögen des Spiegels bei maximalem Durchmesser während des Zeitraums, in dem der Spiegel erforderlicherweise in Betrieb ist, mit der Zeit maximal bleibt. Die Lebensdauer des Spiegels in vitro oder in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers vor der Resorption kann durch die Anzahl der Schichten darin genau eingestellt werden.
Die optische Vorrichtung kann in der Lage sein, in vitro oder in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers an Knochen zu binden. Dies kann auf der Knochenbindungsfähigkeit von derivatisiertem, porösem Silicium beruhen. Bei Verwendung in einem lebenden Körper kann die optische Vorrichtung auf Knochen, vorzugsweise in Haut-Nähe, platziert werden. Die optische Vorrichtung kann an einer subkutanen Stelle platziert werden. Die optische Vorrichtung kann mit einem Endoskop verwendet werden. Für invasive therapeutische Anwendungen könnte die optische Vorrichtung Teil einer größeren optischen Hohlraum-Vorrichtung oder einer mikrooptischen Bank bilden.
Nach einem achten Aspekt der Erfindung wird eine kardiovaskuläre Vorrichtung bereitgestellt, die derivatisiertes poröses Silicium umfasst.
Die kardiovaskuläre Vorrichtung kann zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers oder in vitro ausgelegt sein. Die Vorrichtung kann in direkten und möglicherweise verlängerten Kontakt mit Blut kommen. In einem solchen Fall ist das derivatisierte poröse Silicium vorzugsweise hämokompatibel, und die Oberfläche davon ist vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Gerinnselbildung und/oder Kalkablagerung darauf vermieden werden. Auf Grund von Blutgerinnungszeit-Studien ist bekannt, dass underivatisiertes Massensilicium thrombogen ist.
Das derivatisierte poröse Silicium besitzt vorzugsweise eine oder mehrere organische Gruppen, die an der Oberfläche davon angebracht sind. Die organischen Gruppen können hydrophile polymere Gruppen, z.B. Polyethylenoxid, und/oder hydrophobe polymere Gruppen, z.B. Polyurethane, umfassen. Die polymeren Gruppen können polare Phospholipidgruppen enthalten. Solche organischen Gruppen führen bekanntlich zu einer besseren Hämokompatibilität als Siliciumoxid, die normale Oberflächenkomponente von underivatisiertem porösem Silicium unter physiologischen Bedingungen. Die organischen Gruppen können auch aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt werden, Substanzen, wie Heparin, Albumin, Phosphorylcholin, oder andere biologische Mittel zu binden. Die organischen Gruppen können auch auf Grund ihrer Fähigkeit ausgewählt werden, die Wirtszellenüberwachsung zu beschleunigen, z.B. Überwachsen von Endothelzellen (die Zellen, die die Innenflächen von Blutgefäßen auskleiden). Das derivatisierte poröse Silicium besitzt vorzugsweise eine Matrix von hoher spezifischer Oberfläche/Volumen, in die Antikalkbildungsmittel eingebettet sein können. Durch die Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium wird die Korrosion, die be kanntlich ein Faktor bei der Beschleunigung der Kalkablagerung ist, minimiert.
Nach einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Mikroelektrodenvorrichtung bereitgestellt, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen und eine Mikroelektrode aufweist, die derivatisiertes poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht aufweist, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen aufweist, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind, wobei Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so sind, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf einer Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Handelsübliche biomedizinische Mikroelektroden verwenden oft poröse Beschichtungen zur Verbesserung der Gewebeintegration und erniedrigen dadurch die Grenzflächenimpedanz. Solche porösen Beschichtungen müssen allerdings leitend bleiben und unter einer elektrischen Vorspannung eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit besitzen. Underivatisierte poröse Silicium-Mikroelektroden würden unter den meisten physiologischen Bedingungen von einem pH von größer als 7, z.B. Weichgewebe, Knochen, Muskel und Blut, eine wesentliche Korrosion erfahren. Das Anlegen einer elektrischen Vorspannung an die Elektroden, entsprechend einer positiven Ober flächenladung, würde diesen Zerfall beschleunigen. Die Impedanz würde mit der Zeit ansteigen, und die Wechselstromverschiebung wäre ebenfalls unakzeptabel. Die Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium bei der Herstellung von Mikroelektroden-Vorrichtungen bemüht sich um eine Linderung dieser Probleme.
Nach einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wundverschlussvorrichtung bereitgestellt, die derivatisiertes poröses Silicium enthält.
Die Wundverschlussvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers oder in vitro zu arbeiten. Die Wundverschlussvorrichtung kann derivatisiertes poröses Silicium-Mikrovelcro enthalten. Eine solche Vorrichtung ist porös und trotzdem mindestens im wesentlichen in vitro und in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers stabil. Die Vorrichtung kann imprägniert sein, beispielsweise mit einem oder mehreren biologisch aktiven Mitteln, wie Antibiotika und/oder Silber.
Gemäß einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Radiotherapievorrichtung bereitgestellt, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, die ein Pellet enthält, das mindestens teilweise aus einem Radioisotop und derivatisiertem porösem Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht geformt ist, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen umfasst, die kovalent über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums gebunden sind, wobei Struktur und Zu sammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums so sind, das es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird, wobei ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Radiotherapie ist eine wirksame Behandlung für Krebs. Glasmikrokügelchen wurden zur in situ Bestrahlung entwickelt. Das radioaktive Material ist in das Glas eingebettet, das sehr niedrige Korrosionsgeschwindigkeiten in Körperfluiden aufweisen muss, um zu gewährleisten, dass an den benachbarten Organen eine minimale Bestrahlungsdosis vorliegt. Die Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium zur Herstellung von Radiotherapievorrichtungen gewährleistet eine gute Stabilität hiervon in vitro oder in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers. Derivatisiertes poröses Silicium kann zu einer Vielzahl von Formen maschinell mikro-bearbeitet werden, wobei die Vorrichtung zur Anpassung an die Form eines physiologischen Orts, an den die Anknüpfung beabsichtigt ist, z.B. ein Knochentumor, geformt sein kann.
Nach einem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Arzneimittelabgabevorrichtung bereitgestellt, die derivatisiertes poröses Silicium enthält.
Die Arzneimittel-Abgabevorrichtung kann zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt sein. Unter Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium wird die Stabilität der Vorrichtung gegenüber den existieren den Vorrichtungen wesentlich verbessert, und vorzugsweise wird die Nutzlast des Arzneimittels verbessert. Die Vorrichtung kann zu einer sehr langzeitigen Abgabe (das heißt, viele Monate bis Jahre) in der Lage sein.
Die Derivatisierung stellt vorzugsweise auch ein Mittel der kovalenten Bindung eines Bereichs von therapeutischen Elementen und/oder niedermolekularen Arzneimittelmolekülen an die Innenfläche des derivatisierten porösen Siliciums bereit. Die verbesserte Stabilität der Vorrichtung unterstützt vorzugsweise die elektrische Steuerung der Arzneimittelabgabe. Das derivatisierte poröse Silicium kann eine oder mehrere funktionelle Gruppen, die an die Oberfläche davon gebunden sind, aufweisen. Diese schützen vorzugsweise das darunter liegende Silicium vor Korrosion. Sie können gegebenenfalls abbaubar, z.B. unter physiologischen Bedingungen resorbierbar, sein. Vorzugsweise zersetzten sie sich zu nicht toxischen Produkten. Sie können resorbierbare Polymere sein, die nach verlängerter Hydrolyse zu CO₂ und Wasser abgebaut werden können.
Vorzugsweise wird das derivatisierte poröse Silicium über eine Technik, die keine Oxidation des Siliciums umfasst, derivatisiert. Die Technik kann zu derivatisiertem porösem Silicium mit Si-R-Enden führen, wobei R eine oder mehrere funktionelle Gruppen darstellt, die über Si-C-Bindungen an das Silicium gebunden sind. Die Verwendung einer solchen Technik hat eine Anzahl von Vorteilen. Derivatisiertes poröses Silicium ist stabiler als underivatisiertes poröses Silicium. Die Termination des Siliciums durch Si-C-Bindungen verhindert die Oxidation des Siliciums, d.h. die Bildung von Si-O_x- Bindungen auf der Oberfläche davon. Dies hält die halbleitende Natur des Materials aufrecht, wobei Siliciumoxid ein Isolator ist.
Das poröse Silicium wird vorzugsweise durch Hydrosilylierung und mehr bevorzugt durch Lewis-Säure-vermittelte Hydrosilylierung derivatisiert. Die Lewis-Säure kann vorzugsweise EtAlCl₂ sein. Die Hydrosilylierung umfasst vorzugsweise die kovalente Modifikation der Oberfläche des porösen Siliciums, vorzugsweise die Hydrosilylierung von Alkinen und/oder Alkenen unter Erhalt von Vinyl- und/oder Alkylgruppen, die an die Oberfläche des porösen Siliciums gebunden sind.
Die Derivatisierung verbessert vorzugsweise die Stabilität des porösen Siliciums unter oxidierenden Bedingungen. Derivatisiertes poröses Silicium ist vorzugsweise für mindestens 2 h gegenüber Kochen in belüftetem Wasser stabil. Unmodifiziertes (d.h. underivatisiertes) poröses Silicium erfährt nach 1 h in kochendem Wasser eine wesentliche Oxidation und einen wesentlichen Abbau. Derivatisiertes poröses Silicium ist vorzugsweise im wesentlichen mindestens 1 h gegenüber Kochen in belüfteten basischen Lösungen von wässrigem KOH (pH 10) und Lösungen von 25 % EtOH/75 % wässrigem KOH (pH 10) stabil. Unmodifiziertes poröses Silicium löst sich unter diesen Bedingungen schnell auf.
Poröses Silicium kann je nach Art der Porosität unterteilt werden. Mikroporöses Silicium enthält Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 Å; mesoporöses Silicium enthält Poren mit einem Durchmesser im Bereich von 20 Å bis 500 Å; und makroporöses Silicium enthält Poren mit einem Durchmesser von größer als 500 Å.
Das derivatisierte poröse Silicium kann derivatisiertes mesoporöses Silicium sein.
Die Korrosionsgeschwindigkeit des derivatisierten mesoporösen Siliciummaterials in simuliertem menschlichem Plasma ist vorzugsweise um einen Faktor von mindestens zwei Größenordnungen geringer als die von underivatisiertem mesoporösem Silicium.
Die Porosität des derivatisierten porösen Siliciums beträgt vorzugsweise mindestens 5 % (d.h. seine Hohlraum-Fraktion oder der Prozentgehalt an Luft kann 5 % betragen), könnte allerdings so hoch sein wie 60 % oder 70 %, 80% oder 90 %. Die Stabilität eines solchen hoch porösen Materials zeigt zum ersten Mal, dass hochporöse Strukturen realisiert werden können, die sowohl (a) nicht stark oxidiert werden und daher von halbleitender Natur sind als auch (b) relativ stabil gegenüber physiologischen Umgebungen sind. Im Vergleich erfährt underivatisiertes hochporöses (75 %) mesoporöses Silicium unter physiologischen Bedingungen von pH 7 ein gewisses Ausmaß an Korrosion und ist in vitro und in vivo resorbierbar. Es ist bekannt, dass sich Dünnfilme (5–10 μm dick) aus einem solchen underivatisierten mesoporösen Silicium in simuliertem menschlichem Plasma nach einem Tag auflösen.
Nach einem zwölften Aspekt stellt die Erfindung ein Korrosionsanalysesystem bereit, das folgendes aufweist:

(a) eine elektromagnetische Strahlungsquelle;
(b) einen Detektor für elektromagnetische Strahlung;
(c) eine Prozessoreinrichtung;

Beispielsweise können Quelle und Detektor Teil eines Spektralphotometers zur Bestimmung von Reflexionsvermögen oder spezifischer Durchlässigkeit des oder der Spiegel bilden. Die Korrosion kann von der Implantation des Spiegels in einen tierischen oder menschlichen Körper herrühren.
Die Prozessoreinrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie ein von dem Detektor erzeugtes Signal unter Erhalt der in dem oder jedem Spiegel vorhandenen Anzahl von Schichten zu verarbeiten vermag.
Die Korrosion kann zum Verlust der Anzahl von Schichten, aus der der Spiegel gebildet ist, führen. Die Prozessoreinrichtung kann zur Bereitstellung von Information bezüglich der Anzahl verloren gegangener Schichten oder der Anzahl bestehen gebliebener Schichten ausgelegt sein.
Alternativ kann die Prozessoreinrichtung so ausgelegt sein, dass sie ein durch den Detektor erzeugtes Signal unter Erhalt der Menge ei ner beliebigen Substanz, die von dem oder jedem Spiegel erodiert wurde, zu verarbeiten vermag.
Der Spiegel kann eine Substanz enthalten, wie ein Arzneimittel oder ein Mineral. Bei Korrosion des Spiegels kann die Substanz an den Körper des Tiers oder Menschen abgegeben werden. Die Prozessoreinrichtung kann so ausgelegt sein, dass sie Information bezüglich der Menge der Substanz, die durch Korrosion verloren gegangen ist, oder Information bezüglich der Menge der Substanz, die im unkorrodierten Teil des Spiegels bestehen geblieben ist, ergeben kann.
Das Korrosionsanalysesystem kann außerdem den mindestens einen Spiegel enthalten.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Derivatisierung von Hydrid-terminiertem porösem Silicium durch eine Lewis-Säure-vermittelte Hydrosilylierungsreaktion von 1-Dodecin;
2(a), (b), (c) und (d) Rasterelektronenmikroskop(SEM)-Draufsicht- und -Querschnittsbilder von underivatisiertem porösem Silicium (a, b) vor der SHP-Exposition und derivatisiertem porösem Silicium (c, d) nach vierwöchigem Eintauchen in SHP;
3(a), (b) und (c) eine Draufsicht auf SEM-Bilder von einer underivatisierten porösen Siliciumoberfläche nach verschiedenen Zeiten in SHP (a) 1 h, (b) 5 h, (c) 70 h;
4(a), (b) und (c) Sekundärionen-Massenspektroskopie(SIMS)-Tiefenprofile des Sauerstoffgehalts von (a) derivatisiertem porösem Silicium vor SHP-Exposition, allerdings nach 6 Wochen Alterung, d.h. Lagerung an Luft, (b) underivatisiertem porösem Silicium nach 5-stündiger SHP-Exposition, und (c) derivatisiertem porösem Silicium nach vierwöchiger SHP-Exposition;
5(a), (b) und (c) Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie(FTIR)-Spektren von (a), frisch derivatisiertem porösem Silicium, (b) derivatisiertem porösem Silicium nach 4 Wochen in SHP und (c) derivatisiertem porösem Silicium nach 2 Monaten in Umgebungsluft;
6(a) und (b) Querschnittsansichten und Draufsichten einer Immunisoliervorrichtung;
7 eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Batterievorrichtung;
8 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Batterievorrichtung;
9 eine schematische Darstellung eines mehrschichtige Spiegels;
10(a) und (b) EDAX-Ergebnisse für derivatisierte poröse Siliciumspiegel;
11 die Auswirkung der Inkubation in SHP an einem 80-schichtigen Spiegel, der Dodecenyl-terminiertes poröses Silicium enthält;
12 die Auswirkung der Inkubation in SHP auf einen 40-schichtigen Spiegel, der Dodecyl-terminiertes oxidiertes poröses Silicium enthält;
13(a) und (b) Reflexionsspektren für einen 80-schichtigen Spiegel, der Dodecenyl-terminiertes oxidiertes poröses Silicium enthält, vor und nach Eintauchen in SHP;
14 eine theoretische Vorhersage der Variation des Reflexionsvermögens mit der Anzahl von Schichten, von derivatisiertem porösem Silicium;
15 ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Biofiltrationsvorrichtung;
16 eine erfindungsgemäße kardiovaskuläre Vorrichtung;
17(a) ein schematisches Diagramm eines Teils einer erfindungsgemäßen Wundverschlussvorrichtung;
17(b) ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Mikroelektrodenvorrichtung;
18(a) ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Radiotherapievorrichtung;
18(b) einen Teil eines erfindungsgemäßen Arzneimittelabgabesystems; und
19 ein erfindungsgemäßes Korrosionsanalysesystem.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Derivatisierungsverfahrens an Siliciumwafern. Es handelt sich um Bor-dotierte p-Typ-(100)-Wafer mit einem spezifischen Widerstand von 7,5–8,5 Ωcm. Sie wurden zuvor bei 1,7 mAcm^–2 in einem auf das Volumen bezogenen 1:1-Gemisch von 48 % HF:C₂H₅OH für 5 min im Dunkeln unter Erhalt einer Einzelschicht von porösem Silicium galvanostatisch anodisiert. Die Einzelschicht von porösem Silicium weist über ihre gesamte Dicke eine im wesentlichen gleichmäßige Porosität auf. Anschließendes Spülen mit Ethanol und einem Überschuss an trockenem Hexan wurden durchgeführt, ohne dass ein zwischenzeitliches Trocknen der Wafer zugelassen wurde. Sodann wurde die Derivatisierung unter Verwendung einer Lewis-Säure(EtAlCl₂)-vermittelten Hydrosilylierung unter Ersatz der Siliciumhydrid-Termination der Wafer durchgeführt. Die Hydrosilylierung wurde mit 1-Dodecin durchgeführt und ergab eine Dodecenyl-terminierte Oberfläche. Die Lewis-Säure-vermittelte Hydrosilylierung wurde folgendermassen durchgeführt:
Eine Hexanlösung der Lewis-Säure (EtAlCl₂) wird mit der Oberfläche der frisch anodisierten Probe von porösem Silicium (enthält eine Einzelschicht von gleichmäßiger Porosität) in Kontakt gebracht. 1-Dodecin wird ebenfalls auf die Oberfläche des porösem Siliciums aufgebracht, und die anschließende Reaktion wird bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C für die Dauer von 1 h ablaufen gelassen. Sodann wird die Probe mit THF, anschließend mit CH₂Cl₂ gestoppt. Das gesamte Verfahren von der Anwendung der Lewis-Säure bis zum Stoppen mit CH₂Cl₂ wird unter Inertatmosphäre durchgeführt. Anschließend wird die derivatisierte Probe in Ethanol gespült und unter einem N₂-Strom getrocknet.
Die resultierende Oberfläche wird mit einer Monoschicht von Dodecenylgruppen gekappt. Ein solches derivatisiertes Material erfährt auch nach 1 h in siedenden basischen Lösungen (pH 10) von wässrigem KOH nur geringfügige Oxidationsniveaus. Um dies in einen Zusammenhang zu stellen, werden stark basische Lösungen häufig zum selektiven Lösen vieler μm von porösem Silicium von den Wafern innerhalb von Sekunden bis Minuten bei Raumtemperatur verwendet.
Die Reaktion solcher Wafer auf physiologische Umgebungen (pH 7,3) wurde bewertet. Derivatisiertes Material wurde SHP ausgesetzt, und sein Korrosions-, Oxidations- und Kalkablagerungsgrad durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) und Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) überwacht. Dies wurde mit Kontrollwafern der gleichen Mikrostruktur, die nicht derivatisiert waren und somit eine Hydrid-Termination aufwiesen, verglichen.
Die derivatisierten Wafer und die Kontrollwafer wurden bei 37 °C für die Dauer von Stunden bis Wochen in zellfreiem SHP inkubiert. Die Innenkonzentration des SHP ist wie folgt:
Die 2(a) und 2(b) zeigen die Oberflächentopographie eines Kontrollwafers vor SHP-Exposition. Die poröse Siliciumschicht des Wafers ist relativ dünn (275±15 nm in der Mitte der anodisierten 155-mm²-Fläche) und steigt nach und nach auf 350±15 nm an (an ihren Umfang) und weist eine durch die Pfeile angedeutete Oberflächenkontamination durch Teilchen von einigen nm auf. 3(a) zeigt die schnelle Zunahme in der Oberflächenrauhigkeit des Kontrollmaterials, die innerhalb 1 h Exposition gegenüber dieser simulierten physiologischen Umgebung auftritt. Nach 5 h (3(b)) existiert ein Beweis für einen auftretenden kombinierten Auflösungs-/Abscheidungsprozess, und nach 70 h (3(c)) waren große Bereiche des Kontrollwafers vollständig entfernt, wobei die verbleibenden Bereiche ein stark aufgerautes Aussehen aufwiesen.
Die 2(c) und 2(d) zeigen die Oberflächentopographie eines derivatisierten Wafers nach 4 Wochen Eintauchen in SHP. Im starken Gegensatz dazu ist die derivatisierte poröse Siliciumschichtdicke im Wesentlichen unverändert. Ein großer Teil der Änderung in der Oberflächentopographie von 2(c) im Vergleich zu derjenigen von 2(a) beruht wahrscheinlich auf den sehr dünnen SHP-Ablagerungen. Die durch den Pfeil angedeutete Grübchenkorrosion im nm-Maßstab korreliert anscheinend mit Oberflächenteilchen, die nach der Anodisierung, allerdings vor der Derivatisierung, vorhanden sind. Unter der Annahme, dass sie lokal kleine Bereiche, die ausgehöhlt werden, vor der Dodecenyl-Termination abschirmen, ist dies weder für den Derivatisierungsprozess noch das derivatisierte Material die eigentliche Form der Korrosion.
Ein Vergleich der 2 und 3 mit der zusätzlichen Beobachtung, dass nach 70 h der größte Teil der 275 nm dicken underivatisierten porösen Siliciumschicht vollständig entfernt worden ist, zeigt die dramatische Änderung in der Stabilität an, die durch diesen Derivatisierungsprozess zustande gekommen ist. Aus den 2(a) und 2(d) und 4 kann abgeschätzt werden, dass jede Schicht-Verdünnung während der etwa 4-wöchigen (700 h) Dauer für das derivatisierte Material < 25 nm, für das underivatisierte Kontrollmaterial allerdings während 70 h im Durchschnitt etwa 250 nm beträgt. Folglich wurde die Korrosionsgeschwindigkeit während dieser Zeiträume und unter diesen physiologischen Bedingungen um mindestens einen Faktor von 100 vermindert.
Das Ausmaß, zu dem das derivatisierte poröse Silicium durch das SHP infiltriert worden ist und eine Oxidation erfahren hat, wurde untersucht. SIMS-Profile ergaben nennenswerte Konzentrationen an Na, K, Cl, Mg und Ca über die Wafer-Tiefe. Da diese Elemente in SHP vorhanden sind, allerdings sowohl in frisch geätztem als auch gealtertem (in Umgebungsluft) porösem Silicium sehr niedrige Konzentrationen aufweisen, besteht wenig Zweifel, dass die SHP-Lösung zu einem gewissen Ausmaß in die Poren des Siliciums eingesickert ist. Die 4(a), (b) und (c) vergleichen die Sauerstoffgehalte in gealtertem derivatisiertem porösem Silicium mit denjenigen von SHP-behandeltem underivatisiertem und derivatisiertem porösem Silicium. Die SIMS-Analysen wurden jeweils für die drei angegebenen Materialien in Richtung des Umfangs der anodisierten Fläche durchgeführt, wo Querschnitts-SEM-Bilder eine Wafer-Ausgangsdicke von 315±15 nm anzeigten. Underivatisiertes poröses Silicium weist nach 5 h in SHP einen höheren Oxidationsgrad auf (und war bemerkenswert verdünnt) als derivatisiertes poröses Silicium nach 4-wöchigem Eintauchen. Dennoch ist klar, dass im Vergleich mit derivatisiertem nicht porösem Silicium, das 6 Wochen an Luft gelagert wurde, etwas zusätzliche Oxidation des derivatisierten porösen Siliciums in SHP auftrat.
Das Obige wird durch FTIR-Analyse verifiziert (5). Die relativen Mengen von Silicium, das wieder an Sauerstoff im Grundgerüst gebunden wurde, entsprechen offenbar denjenigen von Umgebungsluft-gealtertem Kontrollmaterial, allerdings ist die Si-O-Streckmode bei etwa 1100 cm^–1 in dem SHP-eingetauchten Material wesentlich stärker. Dies würde damit im Einklang stehen, dass das porösen Silicium-Grundgerüst eine Hydrolyse erfährt, während seine hydro phoben Oberflächengruppen die Oberfläche schützen und es intakt halten. Die (c=c)-Streckschwingung ν vermindert sich in der Intensität nach 4-wöchigem Eintauchen in SHP, was durch Vergleich der 5(a) und 5(b) festgestellt werden kann, möglicherweise aufgrund der Isomerisierung der vorherrschenden cis-Form der Doppelbindung gegenüber der unter diesen Bedingungen thermodynamisch stabileren trans-Konformation. Falls das poröse Siliciummaterial 6 Wochen an Luft gelagert wird, erfolgt eine Adsorption von Kohlenwasserstoff-Verunreinigungen, was durch die Änderung im Verhältnis von ν (CH₃) bzw. ν (CH₂) bei 2690 cm^–1 bzw. 2925 cm^–1 und durch die Zunahme in der Intensität von δ (CH₂) bei 1460 cm^–1 angegeben wird.
Die 6(a) und 6(b) zeigen Querschnittsansichten und Draufsichten einer Immunisoliervorrichtung, die Insulin-sezernierende Zellen enthält. Diese enthält eine Kapsel mit dem Silicium-Einkristallwafer 1, mit einem Reservoir 2, das die Insulin-sezernierende Zellen enthält, ein derivatisiertes mesoporöses Siliciumfilter 3 und einen Deckel 4, der mit einem derivatisierten mesoporösen Siliciumfilter 5 ausgestattet ist. Die Kapsel wird in einem lebenden menschlichen oder tierischen Körper verwendet, und die Zellen grenzen über die Filter an den Körper.
Das Reservoir wird unter Verwendung eines anisotropen Ätzmittels, wie KOH, fotolithographisch definiert. Der Kapseldeckel weist eine im Handel erhältliche Siliciummembran auf und ist unter Verwendung einer sehr dünnen Schicht, z.B. weniger als 1 μm, eines medizinischen Klebstoffs, der bekanntermaßen Hydrolyse-resistent ist, wie Cyanoacrylat oder Dentalklebstoff oder Siliconelastomer, an die Kapsel gebunden. Alternativ kann eine direkte Silicium-an-Silicium-Bindung oder Silicium-an-SiO_x-an-Silicium-Bindung verwendet werden, die durch ein Verfahren gebildet werden, das die Temperatur der Kapsel um nicht mehr als 30 °C erhöht, so dass die Zellen nicht beschädigt werden. Die Dimension der Kapsel von Filter 3 zu Filter 5 beträgt 500 μm oder weniger. Dies gewährleistet, dass die Insulinsezernierenden Zellen nicht mehr als 500 μm von den Blutgefäßen oder anderen Quellen von Nährstoffen beabstandet sind, was sie zum schlechten Funktionieren oder sogar zum Absterben veranlassen würde. Dickere Kapseln können realisiert werden und besitzen den Vorteil, dass sie eine größere Anzahl von Zellen beinhalten können. Allerdings müssen die Innenflächen solcher Kapseln mit Zellen, wie Endothelzellen, übersät sein, um das Tragen der in der Kapsel platzierten Zellen zu unterstützen. Mit diesen derivatisierten porösen Siliciumfiltern 3,5 werden durch Anodisieren Teile der Kapsel und des Deckels ausgestattet. Sie weisen Dicken von einigen μm und Porositäten über 5 % für 50-nm-Durchmesser-Poren und von 15 % für 15-30-nm-Durchmesser-Poren auf. Dies ermöglicht, dass die Insulin-sezernierenden Zellen von ausreichenden Nährstoffkonzentrationen erreicht werden und einen ausreichenden Diffusionsdurchsatz aufweisen, um eine schnelle Insulinfreisetzung als Reaktion auf die sich verändernden Glucosespiegel im Körper zu ermöglichen.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Batterie. Diese weist einen im wesentlichen hohlen Siliciumkasten 1 mit einem ersten und zweiten derivatisierten mesoporösen Siliciumfilter 2,3 und ersten und zweiten Photodetektoren 4,5 auf. Die Photodetektoren sind aus Silicium hergestellt und weisen p-n-Übergänge auf. Ein bioluminiszenter Organismus, der grün fluoreszierendes Protein enthält, ist in Hohlraum 6 des Kastens enthalten. Licht, das durch den Organismus erzeugt wird, wird von den Photodetektoren 4,5 empfangen und in elektrische Energie umgewandelt. Die Filter 2,3 ermöglichen, dass Nährstoffe, wie Glucose, in den Kasten hinein gelangen und dass Abfallprodukte den Kasten verlassen, sie verhindern allerdings, dass Komponenten des Immunsystems, die den Organismus zerstören könnten, in den Kasten gelangen.
8 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Batterie. Diese enthält erste und zweite Schichten von nicht-porösem Massensilicium 1,2 und erste und zweite derivatisierte poröse Siliciumfilter 3,4. Erste und zweite Elektroden 5,6 werden zwischen den Schichten von Massensilicium fest gehalten. Der zwischen dem Massensilicium und dem porösem Silicium ausgebildete Hohlraum 7 enthält ein Fluid, z.B. ein Körperfluid. Die erste Elektrode 5 enthält Aluminium, und die zweite Elektrode 6 enthält Silber. Die Elektronenübertragung erfolgt zwischen den Elektroden über das Fluid und erzeugt elektrische Energie. Dieses Elektrodensystem erzeugt etwa 0,8 V und weist einen Kurzschlußstrom auf, der durch die Elektrodenfläche vorgegeben wird. Die Elektroden sind mit elektrischen Anschlüssen (nicht gezeigt) ausgestattet, um die Energie aus der Batterie auszuleiten. Die Filter 2,3 verhindern, dass Substanzen, die für die Elektroden von Nachteil sind, mit ihnen in Kontakt kommen. Bei einer weiteren Ausführungsform weist die erste Elektrode 5 daran verankertes Glucoseoxidaseenzym auf. Glucose, die über die Filter in die Batterie gelangt, wird unter Erhalt von Wasserstoffperoxid durch das Enzym kataly siert. Dies erfolgt durch die folgende Reaktion an der zweiten Elektrode 6: H2O2 + 2H+ + 2e– → 2H2O
Dies führt zu einer Elektronenübertragung zwischen den Elektroden und erzeugt elektrische Energie. Dieses Elektrodensystem erzeugt etwa 2V. Die Filter erlauben einen Eintritt von für die Elektroden förderlichen Substanzen, z.B. Glucose, in die Batterie, sie verhindern allerdings, dass für sie ungünstige Substanzen in die Batterie gelangen.
9 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Spiegels. Zwei Typen von mehrschichtigen Spiegeln wurden hergestellt: ein 40-schichtiger Spiegel und ein 80-schichtiger Spiegel. Die Spiegel wurden durch Anodisieren eines p-Typ-Siliciumwafers mit einem spezifischem Wiederstand von 0,01 Ωcm unter Verwendung von 20 % Ethansäure-haltiger HF-Säure hergestellt. Der Strom wird zwischen 0,75 A für 4,5-s-Intervalle und 4,55 A für 2,55-s-Intervalle moduliert. Die Modulation wird zur Erzeugung des 80-schichtigen Spiegels für 40 Zyklen oder zur Erzeugung des 40-schichtigen Spiegels für 20 Zyklen wiederholt. Die Modulation des Stroms auf diese Weise führt zur Bildung alternierender Schichten von porösem Silicium mit hoher 1 und niedriger 2 Porosität. Die hochporösen porösen Siliciumschichten 1 besitzen eine Porosität von 71 % und eine Dicke von 180 nm, die niederporösen porösen Siliciumschichten 2 besitzen eine Porosität von 50 % und eine Dicke von 90 nm. Die Dicke der Schichten kann durch Variation der Dauer der hohen und niedrigen Stromintervalle variiert werden. Die anodisierten Wafer waren native, durch ihre Lagerung in Umgebungsluft für die Dauer von 2 Jahren Oxid-passivierte Wafer.
Die 40- und 80-schichtigen Spiegel wurden durch zwei verschiedene Verfahren derivatisiert. Das erste Verfahren entspricht demjenigen, das bereits zur Derivatisierung einer Einzelschicht von porösem Silicium beschrieben wurde, nämlich die Lewis-Säure/Dodecin-Hydrosilylierung. Wie bei dem unter Bezug auf 1 beschriebenen früheren Verfahren wird die Lewis-Säure (EtAlCl₂) auf die poröse Siliciumoberfläche des Spiegels aufgebracht. Sodann wird zur Herbeiführung der Hydrosilylierung auch 1-Dodecyn auf die Oberfläche aufgebracht. Dieses Derivatisierungsverfahren ergibt Dodecenyl-terminiertes poröses Silicium. Im Gegensatz zum früheren Verfahren wird das poröse Silicium allerdings zur Entfernung der Oxidschicht, die als Ergebnis des zweijährigen Passivierungsprozesses vorhanden ist, mit HF vorbehandelt.
Das zweite Derivatisierungsverfahren umfasst das Eintauchen des Spiegels in Trichlordodecylsilan für 24 h bei Raumtemperatur unter Erhalt von Dodecyl-terminiertem oxidiertem porösem Silicium. Im Gegensatz zum ersten Verfahren ist der Spiegel nicht zur Entfernung der von dem Passivierungsprozess herrührenden Oxidschicht mit HF vorbehandelt. Die Probe wird in Ethanol gespült und unter Vakuum getrocknet.
Sowohl die derivatisierten als auch die underivatisierten 40- und 80-schichtigen Spiegel wurden bei 37 °C und pH 7,3 in simuliertem Humanplasma (SHP) inkubiert. Die Spiegel wurden nach Zeiträumen im Bereich von einigen Stunden bis vielen Monaten entfernt, und die Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines JEOL 6400F-Rasterelektronenmikroskops analysiert. Die Elektronenmikroskopie-Ergebnisse für die underivatisierten Spiegel zeigten innerhalb einiger Stunden der Inkubation Anzeichen einer Korrosion, und eine eintägige Inkubation war ausreichend, um einen Spiegel-Zerfall beim Lufttrocknen zu verursachen.
Es wurde festgestellt, dass die Derivatisierung der Spiegel entweder durch das erste oder zweite Verfahren kein Trocknungs-induziertes Reißen oder einen nennenswerten Porositätsgradienten einführt. Die in 10 gezeigten EDAX-Ergebnisse zeigen die Kohlenstoff-Imprägnierung über die vollen Längen der Spiegel und zeigen, dass die Poren der Spiegel während des Derivatisierungsprozesses nicht blockiert werden. 10a zeigt die EDAX-Ergebnisse für einen porösen Siliciumspiegel, der durch das zweite Verfahren-derivatisiert worden ist. 10b zeigt die EDAX-Ergebnisse für einen porösen Siliciumspiegel, der durch das erste Verfahren derivatisiert worden ist.
11 zeigt die Auswirkung von Inkubation in SHP an einem 80-schichtigen Spiegel, der Dodecyl-derivatisiertes poröses Silicium enthält. 11a zeigt den Spiegel vor der Inkubation, 11b zeigt den Spiegel nach 425 h Inkubation, und 11c zeigt den Spiegel nach 2125 h Inkubation. Nach 425 h verbleiben 72 der ursprünglichen 80 Schichten intakt, nach 2125 h verbleiben unter den Abscheidungen von Hydroxylapatit etwa 50 Schichten intakt. Die eventuelle Kalkablagerung hat die Auflösungsgeschwindigkeit verlangsamt; es würde mehr als 6 Monate dauern, dass die derivatisierten porösen Siliciumschichten vollständig aufgelöst werden.
12 zeigt die Auswirkung von Inkubation in SHP auf einen 40-schichtigen Spiegel, der Dodecyl-derivatisiertes poröses Silicium enthält. 12a zeigt den 40-schichtigen Spiegel vor der Inkubation, 12b zeigt den 40-schichtigen Spiegel nach 425 h Inkubation, und 12c zeigt den Spiegel nach 2125 h Inkubation. Nach 2125 h ist die oberste Schicht sehr stark oxidiert, hat sich allerdings nicht aufgelöst. Unter der Annahme einer linearen Korrosionsgeschwindigkeit würde die vollständige Auflösung etwa 10 Jahre dauern.
Die 13a und 13b zeigen die Reflexionsspektren für einen 40-schichtigen Spiegel, der Dodecenyl-terminiertes poröses Silicium enthält, vor und nach dem Eintauchen in SHP. 13a zeigt das Reflexionsvermögen vor dem Eintauchen, und 13b zeigt das Reflexionsvermögen nach dem Eintauchen für 2125 h. Diese Ergebnisse zeigen, dass korrodierte Strukturen weiterhin als Spiegel wirken.
14 zeigt eine theoretische Vorhersage für die Variation des Reflexionsvermögens mit der Anzahl von Schichten von derivatisiertem porösem Silicium. Die Vorhersage zeigt, dass auch dann, wenn nur eine relativ geringe Anzahl an Schichten verbleibt, das Reflexionsvermögen hoch bleibt.
15 zeigt ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Biofiltrationsvorrichtung, die allgemein mit 151 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 151 weist ein Gehäuse 152, einen Glucosesensor 153, einen Hohlraum 154, ein derivatisiertes poröses Siliciumfilter 155 und eine Hohlraumverschlusswand 156 auf. Die Biofiltrationsvorrichtung 151 wird durch Ätzen eines Siliciumwafers unter Bildung des Hohlraums 154 und anschließende Porosifizierung der Oberfläche gegenüber derjenigen des Hohlraums hergestellt. Anschließend wird das poröse Silicium derivatisiert, der Sensor wird mit der Verschlusswand 156 verbunden, die ihrerseits mit dem Gehäuse 152 verbunden wird, so dass der Sensor in dem Hohlraum 154 abgelagert wird. Medizinischer Klebstoff wird zum Verbinden des Sensors 153 mit der Verschlusswand 156 und der Verschlusswand 156 mit dem Gehäuse 152 verwendet.
Die Vorrichtung 151 kann im Blutstrom oder im Gewebe eines Patienten platziert werden. Das Filter 155 lässt Glucosemoleküle passieren, während es verhindert, dass Blutzellen und anderes Material den Glucosesensor 153 erreichen. Die Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium ist zweckmäßig, da es die Abscheidung von Material auf dem Filter 155 vermindert. Auf diesem Weg wird die Abscheidung sowohl auf dem Sensor 153 als auch auf dem Filter 155 minimiert.
16 zeigt ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen kardiovaskulären Vorrichtung. Die gezeigte kardiovaskuläre Vorrichtung ist ein Stent, der allgemein mit 161 bezeichnet ist, der ein Trägergerüst 162 und einen Blutflusssensor 163 aufweist. Der Stent kann zum Stützen einer Arterienwand 164 unter Aufrechterhaltung ihres Durchmessers verwendet werden; der Blutflusssensor 163 weist die Blutflussgeschwindigkeiten nach. Der Sensor 163 besitzt eine Außenfläche, die derivatisiertes poröses Silicium enthält.
Die Derivatisierung kann so gewählt sein, dass Gerinnsel und/oder Kalkablagerung minimiert werden.
Durch den Sensor 163 lässt sich der Blutfluss überwachen; wenn ein unzureichender Blutfluss nachgewiesen wird, werden Arzneimittel verabreicht, oder der Patient wird zur Behebung der Situation operiert. Sensoren zum Überwachen des Blutflusses oder Blutdrucks, die derivatisiertes poröses Silicium enthalten, können ebenfalls in Verbindung mit anderen kardiovaskulären Vorrichtungen, wie Kathetern, verwendet werden.
17a zeigt ein schematisches Diagramm von einem Teil einer erfindungsgemäßen Wundverschlussvorrichtung. Die Verschlussvorrichtung enthält Mikrovelcro, wovon ein Teil mit 171 bezeichnet ist, die eine Aneinanderreihung von Buchsen 172 und Steckern 173 zeigt. Die Stecker 173 sind aus einem ersten Siliciumwafer gebildet und die Buchsen aus einem zweiten Siliciumwafer. Die Seite eines jeden Siliciumwafers gegenüber derjenigen der Stecker 173 oder Buchsen 172 wird mit dem zu reparierende Gewebe verbunden. Sodann werden die zwei Wafer so zusammengesteckt, dass die Stecker 173 in den Buchsen 172 befestigt sind. Durch die Derivatisierung von porösem Silicium auf diese Weise läßt sich die Korrosionsgeschwindigkeit des porösen Siliciums steuern und die Kalkablagerung vermindern. Die Verwendung eines porösen Siliciummaterials erlaubt das Einwachsen von Gewebe in die Poren und eine Erleichterung des Wundverschlusses.
17b zeigt ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Mikroelektrodenvorrichtung, die allgemein mit 171 bezeichnet ist. Die Vorrichtung weist eine Mikroelektrode 174 auf, die derivatisiertes poröses Silicium und die elektrischen Anschlüsse 175 enthält; sie kann zur elektrischen Simulation eines Körperteils oder zur Aufzeichnung von elektrischer Aktivität in einem Patienten verwendet werden. Ein Kontrollsystem (nicht gezeigt) kann auf Grund seiner relativen Raumbeanspruchung beabstandet von dem Punkt der elektrischen Simulation angeordnet und über die elektrischen Anschlüsse 175 an die Mikroelektrode 174 angeschlossen sein. Die poröse Natur der Mikroelektrode 174 erleichtert Gewebeintegration und verringert dadurch die Grenzflächenimpedanz.
Die Derivatisierung vermindert die Korrosion des porösen Siliciums, so dass die elektrischen Eigenschaften der Elektrode 174 relativ konstant bleiben.
18a zeigt ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Radiotherapievorrichtung, die allgemein mit 181 bezeichnet ist. Die Radiotherapievorrichtung 181 umfasst derivatisiertes poröses Silicium in Kombination mit einem Radioisotop 182, wie ⁹⁰Y. Die Vorrichtung liegt in Pellet-Form vor, das im Bereich eines Tumors in ein Organ implantiert werden kann.
Die Pellets können aus einem Silicium-auf-Oxid-Wafer durch ein mehrstufiges Verfahren hergestellt werden. Der erste Schritt ist die Bildung, durch lithographisches Ätzen der Massensiliciumschicht, einer Vielzahl von Siliciumteilchen, die an das darunter liegende Siliciumoxid gebunden sind. Sodann werden die Siliciumteilchen in einer HF-Lösung porös gemacht, wobei die Siliciumoxidschicht während des Porosifizierungsverfahrens mit einer Maske geschützt ist.
Die Dotierung mit dem Radioisotop 182 wird durch Eintauchen der porös gemachten Teilchen in eine wässrige Lösung des Isotops 182 und anschließendes Verdampfen erreicht. Das poröse Silicium, das nun das Isotop 182 aufweist, das in seinen Poren 183 lokalisiert ist, wird geglüht, um das Radioisotop 182 in das Grundgerüst 184 hinein zu treiben. Die Glühtemperatur liegt zwischen 300 °C und 1150 °C, für die Dauer von 30 s bis 5 h. Auf die Derivatisierung des dotierten porösen Siliciums folgt die Entfernung von dem Oxidsubstrat.
Durch die Verwendung von porösem Silicium lassen sich die Pellets überall in ihrem Volumen dotieren. Die Gegenwart des Radioisotops 182 in dem Grundgerüst 184 des Pellets vermindert das Auslecken des Isotops 182 in Teile des Körpers, die anders sind als diejenigen, die behandelt werden. Wurden die Pellets aus kristallinem Massensilicium gebildet, würde dies das Dotieren der Ionenimplantation notwendig machen; eine relativ teure Technik, die die Dotierungstiefe begrenzt. Die durch Massensilicium gebildeten Pellets würden darum zu einem erhöhten Risiko einer solchen Ausleckung führen. Die Verwendung von derivatisiertem porösem Silicium bedeutet eine Verminderung der Korrosionsgeschwindigkeit und daher des Verlusts des Radioisotops 182.
18b zeigt ein schematisches Diagramm von einem Teil einer erfindungsgemäßen Arzneimittelabgabevorrichtung, die allgemein mit 185 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 185 enthält eine Probe von derivatisiertem porösem Silicium, in dem Moleküle einer pharmazeutischen Verbindung 186 in den Poren 187 verteilt sind. Das poröse Silicium ist so derivatisiert, dass das Pharmazeutikum an das Silici um-Grundgerüst 188 gebunden ist. Durch die Derivatisierung auf diese Weise läßt sich potentiell eine konstante Freisetzungsgeschwindigkeit der pharmazeutischen Moleküle 186 erreichen.
19 zeigt ein erfindungsgemäßes Korrosionsanalysesystem, das allgemein mit 191 bezeichnet ist. System 191 enthält eine elektromagnetische Strahlungsquelle 192, einen Strahlungsdetektor 193 und eine optische Vorrichtung, die derivatisiertes poröses Silicium 195 enthält. Die Vorrichtung 191 arbeitet durch Bestrahlung des Spiegels 195. Die Bestrahlung wird anschließend durch den Spiegel 195 reflektiert und durch den Detektor 193 detektiert. Der Spiegel ist in dem Körper 195 eines menschlichen oder tierischen Patienten lokalisiert. Bei Korrosion des Spiegels im Körper 194 verändern sich seine optischen Eigenschaften, und diese Änderung kann durch Detektor 193 nachgewiesen werden. Auf diese Weise kann die Korrosion des Spiegels 195 im Körper 194 überwacht werden.

Claims

Derivatisiertes poröses Silicium mit einer im wesentlichen monomolekularen Schicht, wobei die monomolekulare Schicht eine oder mehrere organische Gruppen aufweist, die über Hydrosilylierung an mindestens einen Teil der Oberfläche des porösen Siliciums kovalent gebunden sind und Struktur und Zusammensetzung des derivatisierten porösen Siliciums derart sind, dass es zur Verwendung als Biomaterial geeignet ist, wobei das derivatisierte poröse Silicium als Biomaterial verwendet wird und ein Biomaterial ein lebloses Material zur Verwendung in oder auf der Oberfläche eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Derivatisiertes poröses Silicium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das derivatisierte poröse Silicium derivatisiertes mesoporöses Silicium ist.
Derivatisiertes poröses Silicium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das derivatisierte poröse Silicium eine Zusammensetzung und Struktur aufweist, derart, dass die Korrosionsgeschwindigkeit des derivatisierten mesoporösen Siliciummaterials in (SHP) um einen Faktor von mindestens zwei Größenordnungen geringer ist als die von underivatisiertem mesoporösem Silicium.
Derivatisiertes poröses Silicium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität des derivatisierten porösen Siliciums mindestens 5 % beträgt.
Biofiltrationsvorrichtung, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, aufweisend ein oder mehrere derivatisierte poröse Siliciumfilter, wobei das oder jedes derivatisierte poröse Siliciumfilter derivatisiertes poröses Silicium nach Anspruch 1 enthält.
Immunisoliervorrichtung, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, welche eine Biofiltrationsvorrichtung nach Anspruch 5 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Biofiltrationsvorrichtung so aufgebaut ist, dass bei Betrieb der Immunisoliervorrichtung in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers mindestens eines der derivatisierten porösen Siliciumfilter mindestens einige Moleküle des Immunsystems von der Immunisoliervorrichtung ausschließt.
Batterievorrichtung, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, welche eine Stromquelle und eine Biofiltrationsvorrichtung nach Anspruch 5 aufweist.
Optische Vorrichtung, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, welche einen mehrschichtigen Spiegel aufweist, der einen Stapel von alternierenden Schichten von derivatisiertem porösem Silicium nach Anspruch 1 mit einer ersten Porosität und einem ersten Brechungsindex und derivatisiertem porösem Silicium mit einer zweiten Porosität und einem zweiten Brechungsindex, der höher ist als der erste Brechungsindex, umfasst.
Radiotherapievorrichtung, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, welche ein Pellet aufweist, das mindestens teilweise aus einem Radioisotop und derivatisiertem porösem Silicium nach Anspruch 1 gebildet ist.
Mikroelektrodenvorrichtung, die zum Betrieb in oder auf der Oberfläche eines menschlichen oder tierischen Körpers ausgelegt ist, welche eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen und eine Mikroelektrode, die derivatisiertes poröses Silicium nach Anspruch 1 aufweist, umfasst.