Наноструктуризация и исследование полученных свойств поверхности кремниевых пластин как основы для развития биоэлектроники

Наноструктуризация и исследование

полученных свойств поверхности кремниевых

пластин как основы для развития

биоэлектроники

Как есть и не полнеть - мы не знаем. Зато знаем, как хранить память вечно! Дорогие друзья, у Вас есть уникальная возможность заглянуть в будущее! Благодаря современным технологиям наша команда смогла объединить живую материю с неживой.

Наши партнеры

ФГАОУ ВО Национальный исследовательский технологический университет МИСиС

Цели и задачи:

Цель:

Создание прототипа неинвазивного, пористого и проводящего электричество материала, способствующего повышению адгезионной и пролиферативной активностей клеток.

Задачи:

-Выбор режима травления подложек на основе кремния.

-Изучение гидрофильности и гидрофобности экспериментальных образцов.

-Изучение влияния рельефа поверхности (микропористость, нанопористость) и состава примесей (n- и p-тип) на пролиферативную и адгезионную активность клеток.

-Проведения анализа по цитотоксичности кремниевых пластин (MTT-тест).

-Подсчёт оптимального значения силы тока для обучения клеток.

-Изготовление прототипа устройства для проведения фундаментальных исследований.

-Изготовление прототипа био-флеш-накопителя.

Характеристики пластин

МТТ-тест

Для оценки цитотоксичности кремниевых пластин мы провели колориметрический
МТТ-тест

На чем основан тест?

В живых клетках на внешней мембране митохондрий под действием ферментов происходит восстановление желтого красителя МТТ до пурпурного красителя фармазана, с помощью данной химической реакции мы можем оценить выживаемость клеток на пластинах.

Результаты МТТ-теста

Было выявлено, что:
1) пластины с микропорами способствуют лучшей пролиферация клеток чем с нанопорами.
2) при увеличении глубины пор увеличивается выживаемость и пролиферация клеток.

Разработка прототипа устройства для проведения исследований in vitro

В ходе работы претерпевал изменения корпус устройства, а так же основа для корпуса

Протокол проведения МТТ-теста

Клеточная память

В качестве направления дальнейшего развития проекта была выбрана разработка клеточной памяти. Нами был разработан макет био-флеш-накопителя. Он состоит из пластового корпуса, пары кремниевых пластин, интегрированных в микросхему, с высаженными клетками.

Выводы

В качестве материала для посадки клеток выбраны пористые слои, сформированные на монокристаллических пластинах кремния марки КЭФ (100) - 0,08
Для получения пористых слоев был выбран режим анодного травления кремния в растворе HF:Et= 1:10 в течение 10-15 мин при плотности тока 80 мА/см. Формируемая глубина слоев составляла 48-66 мкм.
Для определения степени гидрофобности полученных пористых структур проведено исследование измерения среднего значения краевого угла смачивания. Для нанопористых структур - 18° (поверхность обладает гидрофильными свойствами). Для микропористых структур -76,05° (поверхность обладает гидрофобными свойствами).
Результаты MTT-теста: пластины с микропорами способствуют лучшей пролиферация клеток, чем с нанопорами; при увеличении глубины пор увеличивается выживаемость клеток
Изготовлены прототипы устройств

Выводы

В качестве материала для посадки клеток выбраны пористые слои, сформированные на монокристаллических пластинах кремния марки КЭФ (100) - 0,08
Для определения степени гидрофобности полученных пористых структур проведено исследование измерения среднего значения краевого угла смачивания. Для нанопористых структур - 18° (поверхность обладает гидрофильными свойствами). Для микропористых структур -76,05° (поверхность обладает гидрофобными свойствами).

Для получения пористых слоев был выбран режим анодного травления кремния в растворе HF:Et= 1:10 в течение 10-15 мин при плотности тока 80 мА/см. Формируемая глубина слоев составляла 48-66 мкм.
Результаты MTT-теста: пластины с микропорами способствуют лучшей пролиферация клеток, чем с нанопорами; при увеличении глубины пор увеличивается выживаемость клеток

Изготовлены прототипы устройств

Планы на будущее

Изучение возможностей по обеспечению энергией клеток за счёт получения протонного градиента в пористом слое кремния
"Клеточная" память
Проведение подобных экспериментов с клетками иммунной и и/или нервной системы
Изучение сигнальной активности созданных монослойных и 3D структур клеток с помощью внешних электрических импульсов.

Наша команда

Илясов Артем Романович
Научный руководитель
Степанов Тимофей Сергеевич
Клеточный биолог, инженер
Бобарыкина Варвара Андреевна
Инженер
Калиниченко Егор Максимович
Инженер

Гостева Екатерина Александровна
Научный руководитель
Султыгова Амина Рустамовна
Клеточный биолог
Гиниятуллин Иляс
Мансурович
Клеточный биолог
Федченко Анастасия Сергеевна
Клеточный биолог

Для тех, кто хочет знать больше

• McWhorter, F. Y., Davis, C. T., & Liu, W. F. (2015). Physical and mechanical regulation of macrophage phenotype and function. Cellular and molecular life sciences

• S. Cai, C. Wu, W. Yang, W. Liang, H. Yu, and L. Liu, “Recent advance in surface modification for regulating cell adhesion and behaviors”

•Uribe R., Bonilla O., Lascano, L. & González G. (2021). Effect of Low Magnetic Field on Biomimetic Deposition of Hydroxyapatite on Titanium and BIOLINE Stainless Steel. Coatings.

• Ossowska A., Ryl J. & Sternicki T. (2022). Production and Properties of the Porous Layer Obtained by the Electrochemical Method on the Surface of Austenitic Steel. Materials.

• E. Gosteva, A. Iliasov, D. Sedlovets and V. Starkov, "Nanostructured surface's cytotoxicity study of silicon wafers to mammalian cells," 2021