Silicon dioxide microstructures based on macroporous silicon for biomedical applications.

Abstract

En aquesta tesi hem desenvolupat materials microestructurats basats en silici macroporós, centrant-nos en la producció de microestructures per la seva aplicació en biomedicina. El silici macroporós es forma per atac electroquímic de silici en electròlits basats en àcid fluorhídric. Es fabriquen mostres de silici macroporós ordenat i aleatori. Amb un procés litogràfic, es pot crear un patró predisenyat en el silici, i així definir els punts de nucleació i aconseguir porus amb un creixement ordenat i un diàmetre uniforme. L’oxidació tèrmica del silici macroporós permet la formació de noves estructures, com micropilars de SiO2. El SiO2 es normalment acceptat com un material biocompatible. Tot i això, utilitzem l’espectroscòpia infraroja per realitzar una caracterització exhaustiva i una modificació adequada de la química de superfície orientada cap a la conjugació de biomolècules. La peculiar arquitectura d’aquests substrats va permetre la creació de partícules multifuncionals amb una doble funcionalització selectiva en les cares interior i exterior. Aquestes microestructures van ser concebudes com a materials per al transport de fàrmacs. Així doncs, aquestes micropartícules de SiO2 van ser proposades com a sistemes d’alliberament de fàrmacs per control de pH quan es combinen amb polielectròlits sensibles al pH. Finalment, la doble funcionalització va ser explotada per crear micropartícules multifuncionals per l’alliberament de fàrmacs dirigida cap a cèl•lules diana. La viabilitat del sistema va ser provada amb cèl•lules cancerígenes in vitro.

En esta tesis hemos desarrollado materiales microestructurados basados en silicio macroporoso, centrándonos en la producción de plataformas y partículas para su aplicación en biomedicina. El silicio macroporoso se forma por ataque electroquímico de silicio en electrolitos basados en ácido fluorhídrico. Se fabricaron muestras de silicio macroporoso ordenado y aleatorio. Con un proceso litográfico, se puede crear un patrón prediseñado en el silicio, y así definir los puntos de nucleación y conseguir poros con un crecimiento ordenado y un diámetro uniforme. La óxidación térmica del silicio macroporoso permite la formación de nuevas estructuras, como micropilares de SiO2. El SiO2 es normalmente aceptado como un material biocompatible. A pesar de esto, utilizamos la espectroscopía infraroja para realizar una caracterización exhaustiva y una modificación adecuada de la química de superficie orientada hacia la conjugación de biomoleculas. La peculiar arquitectura de estos sustratos permitió la creación de partículas multifuncionales con una doble functionalización selectiva en las caras interior y exterior. Estas microestructuras fueron concebidas como materiales para el transporte de fármacos. Así pues, estas micropartículas de SiO2 fueron propuestas como sistemas de liberación de fármacos por control de pH cuando se combinan con polielectrolitos sensibles al pH. Finalmente, la doble funcionalización fue explotada para crear micropartículas multifunctionales para la liberación de fármacos dirigida hacia células diana. La viabilidad del sistema fue probada con células cancerígenas in vitro.

This thesis has explored the fabrication of silicon oxide (SiO2) microstructures based on macroporous silicon (macro-pSi), with a focus on producing suitable platforms and particles for application in biomedicine. Macroporous silicon was formed by the electrochemical etching of low doped p-type silicon in hydrofluoric acid based solutions. Both random and ordered structures were fabricated. A patterning lithography prior etching led to an ordered pore nucleation and consequently tubular structures of uniform size were produced. Thermal oxidation of macro-pSi allowed the formation of novel structures such as SiO2 micropillars, with identical arrangement and dimensions of those in the preceding macro-pSi. SiO2 is generally accepted as a biocompatible material; nevertheless, a methodical study of the surface chemistry and its modification was performed by infrared (IR) spectroscopy to generate surfaces capable of interfacing with living cells. The particular architecture of these substrates allowed creating multifunctional particles with a selective dual functionality in nanometrically separated internal and external sides. We also foresaw these microstuctured materials as drug carriers. Thus, SiO2 microparticles were proposed as pH-controlled drug delivery system when they are combined with pH-responsive polyelectrolytes. Finally, a dual-functionalization of the inner/outer sides was employed for creating multifunctional microparticles, which were demonstrated to be cancer-targeted in in vitro tests.