(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ構造体（１８）を封止する方法であって、該方法が、
基板（１４）を提供する段階と、
前記基板（１４）にプラグ材から成るプラグ（１６）を形成する段階と、
前記プラグ（１６）にナノ構造体（１８）を形成する段階と、
少なくとも１つのシェル材が、前記ナノ構造体（１８）および前記プラグ材の少なくとも一部を被覆するように前記ナノ構造体（１８）の外面上に少なくとも１つのシェル材から成るシェル（２０）を形成する段階であって、それにより前記シェル（２０）および前記プラグ（１６）が前記ナノ構造体（１８）を封止する、段階と、
を含み、
前記プラグ（１６）を形成する段階の前または直後に、前記基板（１４）上または前記プラグ（１６）上にパターン形成されるように、前記基板（１４）上にシード（１２）を提供する段階をさらに含み、
前記ナノ構造体（１８）が、物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、電気または無電解堆積、分子ビームエピタキシー、およびインクジェット印刷を含む群から選択される成長法によって形成され、
前記ナノ構造体が、前記シードの上に堆積または成長させることができる材料を使用して製造される、方法。
【請求項２】
スパッタリング、パルスレーザ堆積法、物理気相堆積法（ＰＶＤ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、斜め堆積法（ＧＬＡＤ）、もしくは分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）によって、電気もしくは無電解堆積によって、またはプリントもしくはナノプリント法によって、前記プラグ（１６）を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
スパッタリング、パルスレーザ堆積法、物理気相堆積法（ＰＶＤ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、斜め堆積法（ＧＬＡＤ）、もしくは分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）によって、電気もしくは無電解堆積によって、またはプリントもしくはナノプリント法によって、前記シェル（２０）を形成する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラグ（１６）の材料が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４を含む酸化物、またはＰｔ、Ａｕ、もしくはＴｉを含む金属、または金属合金を含む不活性安定材料を含む材料の群から選択され、かつ／または前記シェル（２０）の材料が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４を含む酸化物、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはＴｉを含む金属、または金属合金を含む不活性安定材料を含む材料の群から選択され、かつ／または前記シェル（２０）が前記プラグ（１６）と同一の材料から形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記プラグ（１６）の材料としてポリマーまたは酸化物などの材料を特に選択することによって、前記プラグ（１６）が前記基板（１４）および／または環境からの物理および／または化学バリアとして作用するように適合され、かつ／または、前記シェル（２０）の材料としてポリマーまたは酸化物などの材料を特に選択することによって、前記シェル（２０）が前記基板（１４）および／または環境からの物理および／または化学バリアとして作用するように適合される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ナノ構造体（１８）が、少なくとも１つの寸法が１０ｎｍから１００００ｎｍの範囲内で選択されるサイズを有する前記プラグ（１６）に形成され、かつ／または前記ナノ構造体（１８）が少なくとも１つのコア材料から成り、複数の材料の場合には、これらの異なる材料が混合されるかまたは互いに隣接して配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ナノ構造体（１８）の材料が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｇｄ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｎａ、Ｌｉ合金、酸化物、および前述の材料の組み合わせ、Ｃｕナノへリックス、イメージングの造影剤、温熱治療用磁性材料、移動および薬物送達用ナノプロペラ形状、磁気治療用磁性材料、放射性材料、プラズモン活性を示す材料、酸化を受けやすい材料を含む材料の群から選択される、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
封止されたナノ構造体（１０）を前記基板（１４）から分離して個別の封止ナノ構造体を形成する段階をさらに含み、かつ／または前記プラグ（１６）および前記ナノ構造体（１８）を除去して中空シェル（２４）を形成する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記プラグ（１４）を形成する段階の前に前記基板（１４）上に犠牲層（２２）を提供する段階をさらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記プラグを形成する段階および／または前記ナノ構造体を提供する段階が、フォトリソグラフィ、ｅビームリソグラフィ、二光子リソグラフィ、またはナノインプリントリソグラフィによって達成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記シェル（２０）が、複数の異なる材料または異なる材料のシェル層から成り、かつ／または前記シェル（２０）が、生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの層、および生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの層を封止する少なくとも１つのさらなる層の形態で堆積される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ構造体を封止する方法、被覆ナノ構造体、および被覆ナノ構造体の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ構造体の製造では、多様な材料が対象である。例えば、潜在的に特異的な電子的、光学的、磁気的、および触媒的特性に起因して、金属、磁性、半導体、誘電、およびメタ材料の純および合金化コロイド粒子は非常に興味深い。さらに、例えば患者に投与される薬剤の投与量を低減するために製薬材料が対象である。残念なことに、多種多様なこれらの材料は、製造が困難なだけでなく、溶液中で不安定である（腐食、分解、酸化等に起因して）か、または有害である。このことは、いくつかの材料は容易に製造することができず、他の材料は製造すると取り扱うことができないことを意味しており、金（Ａｕ）などの周知の安定な材料およびいくつかの酸化物のみが多様な用途において使用されている。このため、特別な電気的、磁気的、および／または光学的効果を有し得る材料から作製されたナノ粒子の生物媒体における応用ならびに溶液系の応用は、現在のところ安定な形態では実現することができない。
【０００３】
いわゆる湿式化学を使用して材料を保護することが当分野において知られている。例えば、コア材料／構造体を被覆するためにシリカ（ＳｉＯ２）シェルを生成することができる。しかしながら、この方法は、以下の厳しい制限を有する。第１に、溶液系保護技術では、シェルによって適切に保護される前にコア材料が酸化および腐食し得るため、使用することができるコア材料が制限される。第２に、このような方法は、コア材料が変更される度に精密な最適化を必要とする。克服しなければならないさらなる課題は、シェルが高品質でかつ明確な厚さを有さなければならない場合、そのような構造体の再現はナノスケールでは依然として困難である。第３に、多くの材料が使用する溶液の存在下で溶解または劣化するため、湿式化学保護方法はわずかな材料に制限される。
【０００４】
逆に、保護層として対象の粒子上にナノシェルを成長させるために、スパッタ、ならびにパルスレーザ堆積、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、斜め堆積（ＧＬＡＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、および化学気相堆積（ＣＶＤ）などのその他形態の堆積を含む物理的方法を使用することができる。このような物理的方法は、原子スケールの解像度での形状および材料の多くの選択肢にわたって高い自由度を有する高度に均一な表面の成長を可能にするため、これらの方法を使用して所望の再現性が実現される。
【０００５】
しかしながら、物理的方法は、粒子（コア材料）の保護において決定的な欠点を有する。該方法は、一般的に、ナノ構造体を完全に被覆することができないため、ナノ構造体は完全には封止されず、コアは完全には保護されない。したがって、被覆された粒子を溶液、反応性ガス環境、または生物媒体に移動した場合に、粒子コアの腐食、または例えば有害なコア材料の漏えい、または経時的なコア材料の劣化が起こる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第８７６８５０１号明細書
【特許文献２】米国特許第６２０６０６５号明細書
【特許文献３】独国特許第１０２００７０１７０３２号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｌｉ，Ｊ．Ｆ．；Ｈｕａｎｇ，Ｙ．Ｆ．；Ｄｉｎｇ，Ｙ．；Ｙａｎｇ，Ｚ．Ｌ．；Ｌｉ，Ｓ．Ｂ．；Ｚｈｏｕ，Ｘ．Ｓ．；Ｆａｎ，Ｆ．Ｒ．；Ｚｈａｎｇ，Ｗ．；Ｚｈｏｕ，Ｚ．Ｙ．；ＷｕＤｅ，Ｙ．；Ｒｅｎ，Ｂ．；Ｗａｎｇ，Ｚ．Ｌ；Ｔｉａｎ，Ｚ．Ｑ．、「Ｓｈｅｌｌ−ｉｓｏｌａｔｅｄ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｎａｔｕｒｅ、２０１０年、４６４（７２８７）、３９２−３９５頁
【非特許文献２】Ｌｉ，Ｊ．Ｆ．；Ｔｉａｎ，Ｘ．Ｄ．；Ｌｉ，Ｓ．Ｂ．；Ａｎｅｍａ，Ｊ．Ｒ．；Ｙａｎｇ，Ｚ．Ｌ．；Ｄｉｎｇ，Ｙ．；Ｗｕ，Ｙ．Ｆ．；Ｚｅｎｇ，Ｙ．Ｍ．；Ｃｈｅｎ，Ｑ．Ｚ．；Ｒｅｎ，Ｂ．；Ｗａｎｇ，Ｚ．Ｌ．；Ｔｉａｎ，Ｚ．Ｑ．、「Ｓｕｒｆａｃｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｕｓｉｎｇ  ｓｈｅｌｌ−ｉｓｏｌａｔｅｄ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｎａｔ．  Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ、２０１３年、８（１）、５２−６５頁
【非特許文献３】Ｒｅｉｎｅｃｋ，Ｐ．；Ｇｏｍｅｚ，Ｄ．；Ｎｇ，Ｓ．Ｈ．；Ｋａｒｇ，Ｍ．；Ｂｅｌｌ，Ｔ．；Ｍｕｌｖａｎｅｙ，Ｐ．；Ｂａｃｈ，Ｕ．、「Ｄｉｓｔａｎｃｅ  ａｎｄ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｂｙ  Ａｕ＠ＳｉＯ２  ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」、ＡＣＳ  Ｎａｎｏ、２０１３年、７（８）、６６３６−６６４８頁
【非特許文献４】Ｗａｎｇ，Ｗ．；Ｌｉ，Ｚ．；Ｇｕ，Ｂ．；Ｚｈａｎｇ，Ｚ．；Ｘｕ，Ｈ．、「Ａｇ＠ＳｉＯ２  Ｃｏｒｅ−Ｓｈｅｌｌ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｂｉｎｇ  Ｓｐａｔｉａｌ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｖｉａ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ」、ＡＣＳ  Ｎａｎｏ、２００９年、３（１１）、３４９３−３４９６頁
【非特許文献５】Ｓｏｎｇ，Ｃ；Ｃｈｅｎ，Ｊ．；Ａｂｅｌｌ，Ｊ．Ｌ；Ｃｕｉ，Ｙ．；Ｚｈａｏ，Ｙ．、「Ａｇ−ＳｉＯ２  Ｃｏｒｅ−Ｓｈｅｌｌ  Ｎａｎｏｒｏｄ  Ａｒｒａｙｓ：  Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃａｌ，  Ｏｐｔｉｃａｌ，  ＳＥＲＳ，  ａｎｄ  Ｗｅｔｔｉｎｇ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｌａｎｇｍｕｉｒ、２０１１年、２８（２）、１４８８−１４９５頁
【非特許文献６】Ｈｕ，Ｚ．；Ｌｉｕ，Ｚ．；Ｌｉ，Ｌ．；Ｑｕａｎ，Ｂ．；Ｌｉ，Ｙ．；Ｌｉ，Ｊ．；Ｇｕ，Ｃ、「Ｗａｆｅｒ−Ｓｃａｌｅ  Ｄｏｕｂｌｅ−Ｌａｙｅｒ  Ｓｔａｃｋｅｄ  Ａｕ／Ａｌ２Ｏ３＠Ａｕ  Ｎａｎｏｓｐｈｅｒｅ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｗｉｔｈ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｎａｎｏｓｐａｃｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ」、Ｓｍａｌｌ、２０１４年、７０（１９）、３９３３−３９４２頁
【非特許文献７】Ｇａｏ，Ｃ；Ｌｕ，Ｚ．；Ｌｉｕ，Ｙ．；Ｚｈａｎｇ，Ｑ．；Ｃｈｉ，Ｍ．；Ｃｈｅｎｇ，Ｑ．；Ｙｉｎ，Ｙ．、「Ｈｉｇｈｌｙ  Ｓｔａｂｌｅ  Ｓｉｌｖｅｒ  Ｎａｎｏｐｌａｔｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ」、Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ  Ｃｈｅｍｉｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｄｉｔｉｏｎ、２０１２年、５１（２３）、５６２９−５６３３頁
【非特許文献８】Ｙａｎｇ，Ｘ．Ｈ．；Ｆｕ，Ｈ．Ｔ．；Ｗｏｎｇ，Ｋ．；Ｊｉａｎｇ，Ｘ．Ｃ；Ｙｕ，Ａ．Ｂ．、「Ｈｙｂｒｉｄ  Ａｇ＠ＴｉＯ２  ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈｌｙ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０１３年、２４（４１）、４１５６０１
【非特許文献９】Ａ．Ｇ．Ｍａｒｋ，Ｊ．Ｇ．Ｇｉｂｂｓ，Ｔ．−Ｃ．Ｌｅｅ，Ｐ．Ｆｉｓｃｈｅｒ、「Ｈｙｂｒｉｄ  ｎａｎｏｃｏｌｌｏｉｄｓ  ｗｉｔｈ  ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ  ３Ｄ−ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、２０１３年、１２，８０２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このため、本発明の主要な目的は、ナノ構造体を完全に封止することである。本発明のさらなる目的は、再現可能かつ均一に製造することができる被覆ナノ構造体を製造することである。本発明のさらなる目的は、従来可能であった材料よりも広範囲にわたる材料で被覆ナノ構造体を製造する方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、請求項１に記載の方法によって解決される。したがって、ナノ構造体を封止するための本発明による方法は、
基板（１４）を提供する段階と、
前記基板（１４）にプラグ材から成るプラグ（１６）を形成する段階と、
前記プラグ（１６）にナノ構造体（１８）を形成する段階と、
少なくとも１つのシェル材が、前記ナノ構造体（１８）および前記プラグ材の少なくとも一部を被覆するように前記ナノ構造体（１８）の外面上に少なくとも１つのシェル材から成るシェル（２０）を形成する段階であって、それにより前記シェル（２０）および前記プラグ（１６）が前記ナノ構造体（１８）を封止する、段階と、
を含む。
【００１０】
好ましくは、該方法は、気体および／または真空雰囲気で実施され、前記真空雰囲気は、少なくとも前記シェルおよび前記プラグの形成を可能にするように選択される。有利には、これにより、プラグまたはシェルの形成速度を制御するために例えばＰＶＤまたはＣＶＤ法の使用が可能となり、これらを再現可能な方法で製造することが可能となる。さらに、気体および／または真空雰囲気を使用することにより、コア材料を溶解または分解し得る溶媒の使用を避けることができる。
【００１１】
こうして、粒子の「基板側」は被膜によって通常保護されないが、本発明によるとプラグが存在するため、基板上に堆積されるコア材料の粒子は、基板から分離されたときに完全に保護される。したがって、被覆された粒子が溶液、反応性ガス環境、または生物媒体へと移動されると、封止された粒子のコアは、腐食、例えば有毒コア材料の漏えい、およびコア材料の望ましくないまたは早期の分解から保護される。
【００１２】
したがって、本発明は、安定なナノ粒子およびナノコロイドを製造および応用する方法を利用可能にする。この方法を使用して、１つの空間次元が数ナノメートルから最大数ミクロンのサイズ範囲のコア‐シェル粒子を製造することができ、例えばナノ構造体は、少なくとも１つの寸法が１０ｎｍから１００００ｎｍの範囲内で選択されるサイズを有する前記プラグに形成され得る。封止ナノ構造体のコア、すなわちナノ構造体自体、または機能化もしくは被覆ナノ構造体は、シェルによって保護されるべき、またはシェルによって機能化されるべき対象の材料であるかまたはそれを含み得る。封止ナノ構造体のコアは機能性材料を含むことができ、金属、磁性材料、絶縁体、および半導体またはシードの上にナノ構造体として堆積または成長させることができる任意の材料および／またはそれらの組み合わせを使用して製造することができる。
【００１３】
支持基板との間の不溶性の安定な仕切り層として、およびコアの基板側に位置する保護層として形成される「プラグ」が重要である。プラグは、電気絶縁を提供し、コア材料の溶解および腐食を防ぐことができ、代替的に、プラグは封止材料から有毒材料が周囲に漏えいすることを防ぐことができる。したがって、シェルは、プラグと共に、粒子の腐食、溶解を防ぎ、電気絶縁し、かつ有毒材料の周囲への漏えいを防ぐために外部環境から残りのコア部を完全に隔離することができる完全保護層を形成する。プラグおよびシェル材の両方は、気体または分子に対する拡散バリアとして作用することも可能である。
【００１４】
プラグが、特に、プラグの材料として、ポリマーまたは酸化物または金属などの材料を選択することによって、基板および／または環境からの物理および／または化学バリアとして作用するように適合されることが好ましい。
【００１５】
また、シェルが、特に、シェルの材料として、ポリマーまたは酸化物または金属などの材料を選択することによって、基板および／または環境からの物理および／または化学バリアとして作用するように適合されることが好ましい。
【００１６】
これに関連して、プラグおよびシェルが、基板および環境からの物理および／または化学バリアをともに形成する、すなわち完全被膜をともに形成するように選択された場合、完全に封止されたコアは、コア材料の腐食または溶解から保護されることに留意すべきである。したがって、気体または液体または外部ポテンシャル（例えば電気、化学、および便乗性）が存在するとき、コア材料は、環境から遮蔽され得る。
【００１７】
このような製造方法を採用することによって、例えば磁性を有し、対象の細胞において使用することができる特注のナノ粒子を成長させることができる。シェルは、化学機能化を可能にし、コア構造体は、他の製造方法によって実現することができないかまたは困難である機能をナノ粒子に与えることができる。本明細書に記載した方法により、複数の機能を有し、溶液中で安定であり、例えば以下において使用されるナノ構造体を成長させることができる：
‐イメージング（ＭＲＩ）の造影剤
‐温熱治療用磁性材料
‐移動および薬物送達用ナノおよびマイクロプロペラ形状
‐磁気治療用磁性材料粒子
‐レオロジー応用の磁性材料粒子
‐磁気治療用異方性磁性粒子
‐放射性材料
‐プラズモン活性
‐従来の手段によってナノ粒子を作製するためおよびこれらの材料を保護するために使用することができない材料の使用
【００１８】
好ましくは、プラグの材料としてＰＴＦＥまたはＳｉＯ２などの電気絶縁材料を特に選択することによって、プラグ材は、基板からの不可侵バリアとして作用するように適合される。
【００１９】
好ましくは、シェルがプラグ材の少なくとも一部を被覆する領域において、シェルは、化学結合、物理結合（例えば接触表面粗さによる）、またはファンデルワールス力によってプラグ材に接続される。
【００２０】
有利には、プラグは、スパッタリング、またはパルスレーザ堆積法、物理気相堆積法（ＰＶＤ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、斜め堆積法（ＧＬＡＤ）、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）などの他の堆積プロセスによって、電気もしくは無電解堆積によって、またはプリントもしくはナノインプリント法によって形成される。有利には、これらの方法により、プラグの均一かつ再現可能な形成が可能となる。
【００２１】
好ましくは、プラグは、事前に画定可能なサイズおよび形状を有するように形成され、プラグの事前に画定可能なサイズおよび形状は、任意選択的に、ナノ構造体のサイズおよび／または形状の少なくとも１つと少なくとも実質的に一致するように選択される。
【００２２】
有利には、シェルは、スパッタリング、またはパルスレーザ堆積法、物理気相堆積法（ＰＶＤ）、化学気相堆積法（ＣＶＤ）、原子層堆積法（ＡＬＤ）、斜め堆積法（ＧＬＡＤ）、分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）などの他の堆積プロセスによって、電気もしくは無電解堆積によって、またはプリントもしくはナノプリント法によって形成される。有利には、これらのプロセスにより、均一かつ再現可能なシェルの形成が可能となる。
【００２３】
プラグの材料が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２などの酸化物、Ｐｔ、ＡｕもしくはＴｉなどの金属または金属合金を含む不活性安定材料を含む材料の群から選択されると好ましい。これらの材料は、費用対効果の高い方法で製造され、プラグに基本的な機能を提供し、ナノ構造体を完全に封止することができる。
【００２４】
また、シェルの材料が、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２などの酸化物、Ｐｔ、ＡｕもしくはＴｉなどの金属、またはそれらの合金を含む不活性安定材料を含む材料の群から選択されると好ましい。これらの材料は、費用対効果の高い方法で製造され、シェルに基本的な機能を提供し、プラグと共にナノ構造体を完全に封止することができる。
【００２５】
場合によっては、シェルがプラグと同一の材料から形成されると有利であり得る。この場合、プラグおよびシェルを形成する同一の方法が採用され得、同一のセットアップが使用され得、封止ナノ構造体の製造コストが低減される。
【００２６】
好ましくは、ナノ構造体は、少なくとも１つのコア材料で構成され、複数の材料の場合には、これらの異なる材料は混合されるかまたは互いに隣接して配置される。こうして、ナノ構造体の設計を特定の用途に適合させることができる。
【００２７】
有利には、ナノ構造体は、物理気相堆積（ＰＶＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、電気または無電解堆積、分子ビームエピタキシー、およびインクジェット印刷を含む群から選択される成長法によって形成される。有利には、これらの方法により均一かつ再現可能なナノ構造体の形成が可能となる。
【００２８】
ナノ構造体の材料が、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｇｄ、Ｐｔ合金、酸化物、および前述の材料の組み合わせ、特にＦｅ２Ｏ３およびＦｅ３Ｏ４、イメージングの造影剤の化合物、温熱治療用磁性材料の化合物、移動および薬物送達用ナノおよびマイクロプロペラ形状の材料の化合物、磁気治療およびレオロジー用磁性材料の化合物、放射性材料、プラズモン活性を示す材料、酸化を受けやすい材料を含む材料の群から選択されると好ましい。
【００２９】
これに関して、ナノ構造体の材料もまた、Ｍｇ、Ｃａ、Ｎａ、およびＬｉから選択され得る。
これらの材料は、費用対効果の高い方法で部分的に製造され得、ナノ構造体に基本的な機能を提供し、ナノ構造体の特定の標的の応用を可能にする。
【００３０】
場合によっては、コア材料がプラグに確実に接着するように、プラグとコア材料との間にプラグ結合材料の層が堆積されると有利である。プラグ結合材料の層は、ＴｉまたはＣｒを含み得る。
同様に、コア上にシェルを堆積する前に、コア上にシェル結合材料の層を堆積することができる。シェル結合材料の層は、ＴｉまたはＣｒを含み得る。
場合によっては、プラグ結合材料の層は、シェル結合材料の層と同一であり得る。特に、プラグおよびシェルが同一材料から形成される場合である。
【００３１】
有利には、該方法は、封止ナノ構造体を基板から分離して個別の封止ナノ構造体を形成する段階をさらに含む。
例えば超音波による機械撹拌を使用して、封止ナノ構造体を基板から分離し、その後目的の用途で利用することができる。
【００３２】
有利には、該方法は、プラグを形成する段階の前に、基板上に犠牲層を提供する段階をさらに含む。有利には、そのような犠牲層は、基板から封止ナノ構造体を容易に分離するために使用され得る。
【００３３】
好ましくは、該方法は、プラグを提供する段階の前または直後に、基板上またはプラグ材上にパターン形成されるように、基板上にシードを提供する段階をさらに含む。有利には、基板の表面上にシードまたは不純物を使用することによって、シードまたは不純物がナノ構造体の成長促進剤として作用する。シードは、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｆｅ２Ｏ３およびＦｅ３Ｏ４、ＳｉＯ２等を含む材料の群から選択され得る。
【００３４】
本方法のさらなる使用において、プラグを形成する段階および／またはナノ構造体を提供する段階は、フォトリソグラフィ、ｅビームリソグラフィ、二光子リソグラフィ、またはナノインプリントリソグラフィなどのリソグラフィ法によって達成される。こうして、プラグおよびナノ構造体の両方の形状およびサイズは、リソグラフィ法の間に採用されるマスクによって事前に画定され得る。有利には、このような技法により、高度な均一性を有し、再現可能な被覆ナノ構造体を成長させることができる。
【００３５】
しかしながら、プラグ材は、環境に気体または液体が存在する場合、環境において分解または崩壊するように選択され得る。コア材料が例えば異なる化学環境を特徴とし得る対象領域において溶解すると有利である。
【００３６】
有利には、プラグおよびナノ構造体が除去されて中空シェルが形成され得る。この場合、該方法により、ナノ構造化シェルの成長が可能となる。
【００３７】
いくつかの応用では、シェルが複数の異なる材料または異なる材料のシェル層で構成されると有利である。この場合、より自由度の高いシェルが形成され得る。
【００３８】
好ましくは、シェルは、生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの層、および生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの層を封止する少なくとも１つのさらなる層の形態で堆積される。
【００３９】
これは、例えば製薬材料が人の体内において標的の位置まで輸送され、生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの層を封止するさらなる層および／またはプラグが所定の時間内に分解するように選択され、生物活性材料または製薬材料が定量的に標的の位置へと送達され、患者への投与が減少するように、ナノ構造体がナノプロペラである場合に有利である。
【００４０】
さらなる態様において、本発明は被覆ナノ構造体に関する。該被覆ナノ構造体は、
ナノ構造体と、
少なくとも１つの場所を除いて前記ナノ構造体を被覆するシェルと、
少なくとも１つの場所またはそれらの各々に位置するプラグであって、前記シェルおよび前記プラグがナノ構造体を封止する、プラグと、
を備える。
【００４１】
本発明によるナノ構造体は、方法と同様に開発され、同様の利点を示し得る。そのような有利な特徴は例示的であるが、独立請求項に従属する従属請求項に非排他的に記載される。
【００４２】
有利には、被覆ナノ構造体のシェルは、複数の異なる材料または異なる材料のシェル層で構成される。
【００４３】
これに関して、シェルは、コアの材料上に自然に形成された材料の層で構成され得る。これは、シェルが例えば自然酸化物から形成され、必ずしもシェル材の層として堆積されなくてもよいことを意味する。
【００４４】
好ましくは、シェルは、生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの内層および生物活性材料または製薬材料の少なくとも１つの内層を封止する少なくとも１つのさらなる層を含む。
【００４５】
場合によっては、シェルが、体液によってまたはその存在下で、かつ／または環境化学物質によって溶解または分解されるように選択されると好ましい。
【００４６】
有利には、被覆ナノ構造体のプラグは、体液によってまたはその存在下で、かつ／または環境化学物質によって溶解または分解されるように選択される。
【００４７】
有利には、ナノ構造体は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｇｄ、Ｐｔ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｎａ、Ｌｉ合金、酸化物、および前述の材料の組み合わせ、特にＦｅ２Ｏ３およびＦｅ３Ｏ４、イメージングの造影剤の化合物、温熱治療用磁性材料の化合物、移動および薬物送達用ナノプロペラ形状を形成する材料の化合物、常磁性、超常磁性および強磁性材料を含む磁気治療用の磁気モーメントを有する材料、磁気治療用の磁場においてトルクを受ける異方性ロッド様形状を形成する材料の化合物、放射性材料、プラズモン活性を示す材料、酸化を受けやすい材料を含む群から選択される。
【００４８】
さらなる態様において、本発明は、プラグ＝Ａｌ２Ｏ３、コア＝Ｇｄ、シェル＝Ａｌ２Ｏ３等のイメージング用造影剤の化合物、プラグ＝Ａｌ２Ｏ３、コア＝Ｆｅ２Ｏ３、シェル＝Ａｌ２Ｏ３等の温熱治療用の磁性材料の化合物、プラグ＝Ａｌ２Ｏ３、コア＝ＮｉおよびＳｉＯ２、シェル＝ＳｉＯ２等の移動および薬物送達用ナノプロペラ形状を形成する材料の化合物、病気のまたは異常な組織の温熱治療用の材料の化合物、プラグ＝Ａｌ２Ｏ３、コア＝Ｃｏ、シェル＝ＳｉＯ２、等の磁気治療用磁気特性を有する材料の化合物、放射性材料、プラグ＝ＳｉＯ２、コア＝ＡｇまたはＡｕ、シェル＝ＳｉＯ２等のプラズモン活性を示す材料、例えばＡｇ、Ｃｏ、等の例えば酸化によって、または環境流体の存在下で、被膜なしで劣化する材料の保護としての本発明の方法によって製造された被覆ナノ構造体および／または本発明による被覆ナノ構造体の使用に関する。
【００４９】
本発明の方法によって製造された被覆ナノ構造体の好ましい使用において、磁気治療用の磁気特性を有する材料の化合物として、Ｔｉで形成されたプラグ、Ｃｏで形成されたコア、およびＨｆＯ２で形成されたシェルを有するナノ構造体が使用される。
【００５０】
本発明は、以下において、実施形態および添付の図面を参照した例によって、さらなる特徴および利点に関してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】ａ〜ｅは、封止ナノ構造体の製造プロセスを詳述する第１のスキームである。
【図２】ａは製造された封止ナノ構造体のＴＥＭ画像であり、ｂは図２ａの封止ナノ構造体のＥＤＸマッピング画像である。
【図３】被覆ナノ構造体、プラグを有さない被覆ナノ構造体、および被覆されていないナノ構造体のａ）１ｍＭ  Ｈ２Ｏ２、およびｂ）酢酸緩衝液ｐＨ４〜６の存在下での寿命の比較である。
【図４】可能な封止ナノ構造体の例である。
【図５】製造された封止ナノ構造体のさらなる例のＴＥＭ画像である。ａ）およびｂ）プラグ＝ＳｉＯ２、コア＝Ａｕ−Ｔｉ、シェル＝自然酸化物ＴｉＯ２、ｃ）プラグ＝ＳｉＯ２、コア＝Ａｌ、シェル＝Ａｌ２Ｏ３、およびｄ）プラグ＝ＳｉＯ２、コア＝Ａｌ−Ｆｅ、シェル＝Ａｌ２Ｏ３、ｅ）プラグ＝Ｔｉ、コア＝Ｃｏ、シェル＝ＨｆＯ２
【図６】ａ〜ｄは、封止ナノ構造体のさらなる製造プロセスを詳述する第２のスキームである。
【図７】ａおよびｂは、ナノサイズのシェルの製造を詳述するスキームである。
【図８】らせん形状を有する被覆ナノ構造体の製造を詳述するさらなるスキームである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、封止ナノ構造体１０の製造プロセスを詳述する第１のスキームを示す。安定なコロイドコア‐シェル粒子１０を製造する第１のステップにおいて、基板１４にシード１２のアレイが提供される。シード１２のアレイは、既定のパターンで提供され得る（図１ａ参照）。シード１２の提供に続いて、シード１２上にプラグ１６が形成される（図１ｂ参照）。その後、プラグ上にナノ構造体１８が形成される（図１ｃ参照）。ナノ構造体１８は、コア‐シェル粒子１０のコアを形成する。安定なコロイドコア‐シェル粒子１０の製造における次のステップは、ナノ構造体１８上にシェル２０を形成する段階である（図１ｄ参照）。図１に示す最後のステップは図１ｅに示されており、該ステップにおいて、コア‐シェル粒子１０はコア‐シェル粒子１０のコロイド溶液中に存在し、続いてコア‐シェル粒子１０が基板１４から分離される。
【００５３】
ここで、図１に示された製造スキームを参照して封止ナノ構造体の製造の第１の例を説明する。
特に、図２（ａ）は、図１に関して説明した製造スキームに従って製造したコア‐シェルナノへリックスのＴＥＭ画像を示す。図２ｂは、対応するＥＤＸ元素マッピング画像を示す。コア‐シェル粒子１０の様々な成分が明確に見られる。最上段は、Ａｕのシード１２の存在を表す小さな主に白色の丸い領域を示す。中段は、主にＣｕからなるらせん形状ナノ構造体１８を示す。下段において、ナノ構造体１８は、Ａｌ２Ｏ３で形成されるシェル２０とＳｉＯ２で形成されるプラグ１６との組み合わせである、Ｏの存在を示唆する層によって被覆されている。
【００５４】
図２ｂの画像は、Ａｌ２Ｏ３シェル２０およびＳｉＯ２プラグ１６の両方によって囲まれた外部環境からコア１８（Ｃｕ）が完全に隔離されたことを明確に示している。高腐食性環境（例えば、Ｈ２Ｏ２、塩含有緩衝液等）において成長したこのようなコア‐シェルナノ粒子１０の寿命は、プラズモン、光学、電気、および／または磁気特性をインサイチュー監視することによる粒子の安定性および品質を通して試験することができる（図３参照）。この方法により、らせん、ジグザグ、バーコード、ロッド形状等の多様な形状およびコア構造体の多様な材料の選択肢を有する安定なナノコロイド１０の成長が可能となる。コア構造体の材料は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｔ等を含むがそれらに限定されない。このように多様な構造および材料は、既存の技術によって得ることはできない。
【００５５】
図３ａは、Ｃｕナノへリックス１８（四角）、Ａｌ２Ｏ３シェル２０を有するＣｕナノへリックス１８（丸）、ならびにＳｉＯ２プラグ１６およびＡｌ２Ｏ３シェル２０を有するＣｕナノへリックス１８（三角）の１ｍＭ  Ｈ２Ｏ２中で２時間の寿命の評価を示す。シェル２０およびプラグ１６を使用してナノへリックス１０を完全に封止することによって、Ｃｕナノへリックス１８が最も良好に保護されることが明らかである。図３ｂは、Ｃｕナノへリックス１８およびＡｌ２Ｏ３シェル２０を有するＣｕナノへリックス１８のｐＨ４、５、および６の酢酸緩衝液の存在下での寿命を示す。完全に封止されたＣｕナノへリックス１０がＣｕナノへリックス８よりも著しく安定であることがわかる。
【００５６】
図４は、コア‐シェル粒子１０の例を示す。上段は、ナノ構造体１８の材料の選択肢の自由度を示す。左から右において、ナノ構造体１８のコアは、１つの材料ＡまたはＢで形成され得るかまたは、ナノ構造体は材料Ａ‐Ｂのハイブリッドもしくは多層構造で構成され得る。下段は、コア‐シェル粒子１０がコア１８が異なるアスペクト比を有するような異なる形状で製造することができることを示しており、特に一番右のスキームは材料および形状両方の自由度を示している。
【００５７】
次に、図３で示された製造スキームを参照して封止ナノ構造体の製造の第２の例を説明する。
図５は、封止ナノ構造体１０の４つの例を示す。図５（ａ）は、異なる材料を有するＡｕ−Ｔｉハイブリッドで形成されたコア１８およびＴｉＯ２で形成されたシェル２０を備えるが、図１および４に関して説明した製造スキームに従って製造したコア‐シェルナノへリックス１０のＴＥＭ画像を示す。図５（ｂ）は、対応するＥＤＸ元素マッピング画像を示す。左側のパネルは、Ａｕ−Ｔｉハイブリッドで形成されたコア１８の主な構成要素の１つであるＴｉの存在を示唆するらせん形状を示す。右側のパネルは、ＳｉＯ２で形成されたプラグ１６およびＴｉＯ２で形成されたシェル２０の両方を示唆する酸化物層を示す。図５（ｃ）および（ｄ）は、それぞれＡｌおよびＡｌ‐Ｆｅハイブリッドの異なるコア１８材料を有する封止ナノへリックスのＴＥＭ画像を示す。図５（ｅ）は、Ｔｉで形成されたプラグ、Ｃｏで形成されたコア、およびＨｆＯ２で形成されたシェルを有する封止ナノロッドのＴＥＭ画像を示す。
【００５８】
図６は、コア‐シェル粒子１０を製造するさらなるスキームを示す。このスキームは、従来のリソグラフィ技術を採用する。プラグ１６を形成するために、基板１４上に犠牲層２２を調製することによって基板１４を調製する（図６ａ参照）。犠牲層２２は、製造後に被覆ナノ構造体１０を基板１４から容易に取り外すために設けられる。犠牲層２２は、堆積によって、またはポリマー溶液のスピンコートもしくはドロップキャスティングによって、基板１４上に形成され得る。犠牲層は、例えば塩（ＮａＣｌ）または可溶性ポリマーから構成されてよく、水または有機溶媒で除去することができる。
【００５９】
犠牲層２２の製造に続いて、犠牲層２２上にプラグ１６およびコア１８がパターン形成される（図６ｂ参照）。ポリマー層は、犠牲層上にスピンコートされ、予め設計されたマスク（またはテンプレート）を通して選択的エネルギー移動（光照射、加熱、等）および市販の現像液または任意の適当な溶媒による曝露領域の現像で構成される適当なリソグラフィ技術（例えば、フォトリソグラフィ、ｅビームリソグラフィ、二光子リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、走査プローブリソグラフィ、等）を使用することによって逆に予めパターン形成される。パターン形成された領域は、適当な成長技術（ＰＶＤ、ＣＶＤ、電気または無電解めっき、ＭＢＥ、インクジェットプリント、等）によって、プラグ材１６、次いでコア材料１８で充填され、その後、パターン形成されたポリマーは、アセトンまたは脱重合のための適当な溶媒によって、またはプラズマ処理（アッシング、洗浄、エッチング、等）によって除去される。
【００６０】
図６ｃは、ナノ構造体１８上のシェル２０の形成を示す。シェル２０は、適当なスパッタリングまたは他の堆積成長技術（ＡＬＤ、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ＭＢＥ、シラン処理、等）によって成長させる。
【００６１】
図６ｄは、犠牲層２２を除去し、純水または安定剤（クエン酸ナトリウム、ＰＶＰ、等）中の水の水溶液において粒子１０を超音波処理することによって、コア‐シェルナノ粒子１０のコロイド溶液を得るために、基板１４から除去された後のコア‐シェル粒子１０を示す。他の媒体に移動させるその他の方法もまた可能である。
【００６２】
図７は、コロイドシェル（チューブ）粒子２４の製造を示す。特に、図７（ａ）は、プラグ１６およびコア１８を除去する前のコア‐シェル粒子１０を示す。この点で、例えばプラグ１６およびコア１８を水または酸化剤と接触させると、それぞれの材料がプラグ１６に隣接するシェル２０の端部で容易に溶解または除去され得るようにプラグ１６およびコア１８が選択される。このような可溶性または除去可能な材料の例は、Ａｇ、Ｃｕ、ＮａＣｌ、Ｃｏ、Ｇａ等である。
【００６３】
図７ｂは、シェル（チューブ）粒子２４を製造するためにプラグ１６およびコア１８を除去した後に残るシェル構造体２０を示す。可溶性プラグ１６とは、例えばＡｇ、Ｃｕ、ＮａＣｌ、Ｃｏ、Ｇａ等、コア１８の適当な材料を選択することによって、コア１８を周囲環境から完全に隔離することができないものを意味し、シェル２０を破壊することなくコア１８を選択的除去することができる適当なエッチング液、例えばアンモニアおよび過酸化水素の混合物、酸、ピラニア溶液等に浸漬することによって、容易に除去することができる。
【００６４】
容易に溶解または除去されるようにプラグ１６を構成することはまた、コア１８が、例えばプラグ１６が溶解するとシェル２０から放出され得る薬品を構成することができることを意味する。この場合、シェル１８は、薬品の容器であり得る。したがって、場合によっては生物学的マーカーによって誘発され、適当な環境において溶解するプラグ１６を選択することで、所望の特性を有し得るコア１８の材料の誘発放出を促進することができ、例えば材料は化合物の標的への送達または適用する位置でイメージングマーカーとして使用され得る。
【００６５】
同様に、シェル２０が任意の形状、好ましくはロッド状形態である超常磁性材料を封入する応用がある。超常磁性ナノ構造体１８を酸化物で被覆した後、シラン化学を使用してこの被覆ナノ構造体１０を化学的に機能化することができる。化学的機能化は、特定の細胞型を標的とし、かつ／または粒子のエンドサイトーシスを促進するように選択され得る。そうして、細胞を殺傷するかまたは無効にするため、または機械的刺激の後に他の細胞機能を誘発するために使用され得る低周波磁場を印加することが可能となる。超常磁性ナノ構造体１８は、移動するときに追跡および／またはガイドされ得るため、超常磁性ナノ構造体１８が対象の特定のセルタイプおよび／または対象の粒子に到達することができる。
【００６６】
図８を参照して説明されるスキームにしたがって、製造の詳細な例を説明する。いわゆるシャドウ堆積法（図１参照）によってらせん形状を有するコア‐シェル粒子１０を作製した。得られるコア‐シェル粒子１０は、材料の形状および組成に関して操作することができる。
【００６７】
第１のステップにおいて、ブロックコポリマーミセルナノリソグラフィ（ＢＣＭＬ）によって、基板１４上にＡｕナノシード１２のアレイをパターン形成した（図８ａの最上段の図参照）。基板１４上にシード１２を形成するために、４ｍｇ・ｍＬ−１の濃度でトルエンにポリ（スチレン）−ｂ−ポリ（２−ビニルピリジン）（Ｓユニット：１０５６；ＶＰユニット：６７１）を溶解し、一晩撹拌した。続いて、ビニルピリジンユニット当たり０．５モル比でのポリマー溶液にＨＡｕＣｌ４−３（Ｈ２Ｏ）を添加し、少なくとも４８時間撹拌した。こうして、コアにＡｕ塩が充填された自己組織化球形ミセルが生成された。ミセルの準六方最密充填アレイを形成するために、８００ｒｐｍで１分間Ｓｉ（またはガラス）ウエハ上にミセルをスピンコートした。続いて、１０％Ｈ２および９０％Ａｒプラズマ処理（電力：３５０Ｗ、圧力：０．４ｍｂａｒ、時間：４５分間）を使用してミセルを除去した。こうして、Ａｕは１２ｎｍの直径を有し、隣接するシード１２が約１００ｎｍの間隔を有するナノ粒子サイズのシード１２として還元および結晶化された。
【００６８】
使用することができるウエハの例は、ガラス（ＳｉＯ２、サファイア、ＩＴＯ等）、Ｓｉ、Ｇｅ、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、窒化ケイ素、およびガリウムヒ素等である。
この例では基板１４上にシード１２としてＡｕナノ粒子を配置したが、Ｐｔ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｆｅまたはそれらの合金などの材料もまたシード１２として堆積させることができる。シード１２のサイズもまた例えば２から３０ｎｍの範囲のサイズに変更することができる。さらに、シード間の距離は、例えば２０から３００ｎｍの範囲のサイズに変更することができる。シード１２のサイズ、シード１２間の距離、およびシード１２のパターンは、金属イオンおよびブロックコポリマーの濃度および組成を制御することによって容易に調整することができる。
【００６９】
さらに、ＢＣＭＬの代わりに、ナノスケールからマイクロスケールで構造体のアレイを製造することができる任意のリソグラフィ技術（図４参照）を使用することができる。
【００７０】
第２のステップでは、斜め堆積（ＧＬＡＤ）を使用してナノシード１２上にプラグ１６を成長させるために、物理気相堆積（ＰＶＤ）システムにおいて、８３から８７°の入射角でＳｉＯ２蒸気フラックスをナノシード１２のアレイに当てた。プラグ１６を成長させるために、ＧＬＡＤシステムは、純、合金化（またはハイブリッド）、および多層ナノ構造体を成長させることができる、約１×１０−６ｍｂａｒ以下の基圧を有する二電子ビームエバポレータを備える。基板マニピュレータは、堆積の間の分子フラックス方向および方位方向φの独立した制御を提供する。プラグ１６を成長させるために、水晶モニタ（ＱＣＭ）上への材料堆積速度の測定に基づく閉ループフィードバックで、フラックス角度αおよび単位厚さ当たりの方位回転速度ｄφ／ｄθを８５°および１８±０．１ｎｍに維持した。独立して各エバポレータからのＱＣＮ上への堆積速度を測定および制御することにより、合金化学量論を制御することができる。
【００７１】
成長プロセスの間に二自由度（ＤＯＦ）の基板の回転および二電子ビームエバポレータを使用することによって、球形、ロッド、らせん、ジグザグ、等を含むナノ構造体の３次元コアを容易に得ることができる。らせんの成長について、例えばＡ．Ｇ．Ｍａｒｋ、Ｊ．Ｇ．Ｇｉｂｂｓ、Ｔ．−Ｃ．Ｌｅｅ、Ｐ．Ｆｉｓｃｈｅｒによる文献「Ｈｙｂｒｉｄ  ｎａｎｏｃｏｌｌｏｉｄｓ  ｗｉｔｈ  ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ  ３Ｄ−ｓｈａｐｅ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ」、Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  １２、８０２（２０１３）に記載されている。
【００７２】
次のステップでは、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）および脱イオン化Ｈ２Ｏを繰り返し注入することによって、原子層堆積（ＡＬＤ）を使用し、シェル２０として、Ｔ＝１００℃、０．１ｎｍ／サイクルの成長速度で基板の全表面を被覆する薄いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）層を成長させた。
【００７３】
このプロセスはＡＬＤに限定されず、コア１８の全表面に薄い均一な層を成長させることができるあらゆる技術を代替的に使用してシェル２０を形成することができる。このようなプロセスは、スパッタリング、ＰＶＤ、ＭＢＥ、ＣＶＤ、シラン化処理（気相または溶媒層）、等を含む。さらに成長の間に基板を操作することによって、シェル２０を成長させるために、ＧＬＡＤ技術を直接使用することができる。
【００７４】
被覆ナノ構造体１０を基板１４から分離するために、サンプルウエハ片（約１ｃｍ２）を１ｍＭのクエン酸ナトリウム（または他の適当な安定剤）の水溶液中で約２分間超音波処理することによって、両者を分離した。
【００７５】
前述の方法によって、例えば磁性であり、例えば血液、細胞等の生物環境において使用することができる個別仕様のナノ粒子１０を成長させることができる。シェルは、化学機能化を可能にし、コア構造体は、他の方法では実現することができないかまたは困難を伴う機能をナノ粒子に与えることができる。本明細書に記載した方法を使用することによって、複数の機能性を有し、溶液中で安定な粒子を成長させることが可能である。
【００７６】
１．ＭＲＩ造影剤：磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）において体内構造の可視化を向上させるために、造影剤としてＧｄ、Ｆｅ酸化物（Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４等）、ＦｅＰｔ、およびＭｎが一般的に使用される。本方法は、材料の寿命を向上させ、毒性を低下するようにこれらの材料で造影剤を製造することを可能にするだけでなく、強力な信号コントラストのために磁性を有する材料で製造することを可能にする。このような新種のコロイド粒子は、例えば磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、起磁超音波イメージング、光音響イメージング、表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）イメージング、暗視野イメージング、等の様々なイメージング技術用の造影剤として用途を拡大する。
【００７７】
２．マイクロ／ナノロボット：溶液および生物媒体中のスイマーおよびプロペラとしてらせん状構造体が使用される。本明細書に記載した「プラグ＋シェル」コンセプトは、薬物送達（分子結合による）、局所手術、動的分光法およびイメージング（ブラウン運動または変調による）のため、ならびにプロペラの全ての部分を保護するために（例えば図６ａ参照）選択されるプラグ１６およびシェル２０の表面化学を、過酷な環境または生物環境に用途を拡大することができる。プラグおよびシェルは、細胞毒性を有する磁性材料を封入すると同時に化学的および物理的に隔離することができる。
【００７８】
３．温熱療法（医学療法の一形態）：磁気誘導加熱およびプラズモン加熱を含む無線加熱現象は、温熱療法に使用することができる治療手段である。ゆえに、磁性コア、プラズモンコア、合金、または材料の複合体を含むコア‐シェルナノ粒子１０は、医学療法に使用することができる。粒子１８は、粒子１８を環境から阻み、環境を材料から阻む保護シェル２０を有する。医学療法の別の形態は、細胞を殺傷するかまたは機械的に刺激するために、磁性粒子に印加することができるトルクおよび／または力を利用する。そのために、粒子１８は、好ましくはロッド形状を含む異方性の形状であり、粒子１８にトルクを印加するために磁場が使用され得るように、常磁性、超常磁性、または強磁性である磁性材料から構成される。磁性材料は、磁性応用に好ましい形態に成長され得る。シェル材２０およびプラグ材１６は、粒子を環境から隔離すると同時に化学機能化および／または分子との結合の可能性を提供する。
【００７９】
４．診断プローブ：媒体または流体、例えば血液のレオロジー（例えば粘度または粘弾性）を分析するために磁性（または磁気プラズモン）粒子として含む、診断プローブとして使用されるナノ構造体の材料を封止する。一方で、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を介して粒子の表面上の有効屈折率の変化を監視することによる病気の早期診断のために、金属ナノ粒子を使用することができる。保護シェル２０は、それらを安定化し、スペクトルに影響を及ぼす粒子‐粒子の接触を防ぐ。プラズモン粒子に周知の分子結合スキーム（ＥＬＩＳＡ、抗体‐抗原相互作用、ビオチン‐アビジン親和性、等）を使用することによって、選択的なターゲットの検出および多重化が可能となる。このような粒子は、体外および体内多重化の両方でＳＥＲＳに使用することができる。
【００８０】
５．標的治療：媒体に反応するプラグ１６を使用することによって、プラグ１６が媒体または対象の組織付近で、または接触して、除去されるかまたは腐食される。これにより、構造体が開放され、特定の機能を有する封止されたコア１８が放出される。代替的に、放射性材料をシェル２０内に封入することができる。
【００８１】
６．メタマテリアル：本方法は、溶液中での安定なメタマテリアル、例えばメタコロイド、メタフルイド等の製造を可能にする。このスキームは、基礎科学およびデバイス応用に興味深い。
【００８２】
７．エネルギー生成および貯蔵：電子キャリアを移動させるために適した設計で金属酸化物、半導体、およびプラズモン材料を構造化することにより、自然からのエネルギー生成のための反応波長領域の柔軟性を有する光触媒デバイスが可能となる。一方で、コアとシェルとの間に空隙を有するヨーク‐シェル構造は、コア部の堆積膨張を伴うリチオ化の間に高い安定性を提供するため、リチウムイオン電池に有用である。本方法を使用してこのような形状を製造することにより、材料および形状の広範囲の選択肢が可能となる。
【００８３】
８．コロイド科学：従来の手段によってナノ粒子を作製するため、およびこれらの材料を保護するために使用することができない腐食性、酸化、揮発性、可溶性、爆発性、毒性、液体、および／または反応性材料を溶液中で使用する。
【符号の説明】
【００８４】
１０  封止ナノ構造体／コア‐シェル粒子
１２  シード
１４  基板
１６  プラグ
１８  ナノ構造体／コア
２０  シェル
２２  犠牲層
２４  シェル（チューブ）粒子
Ａ、Ｂ  材料のタイプ
【図１（ａ）】
0006731940.tif 000002
【図１（ｂ）】
0006731940.tif 000003
【図１（ｃ）】
0006731940.tif 000004
【図１（ｄ）】
0006731940.tif 000005
【図１（ｅ）】
0006731940.tif 000006
【図２】
0006731940.tif 000007
【図３】
0006731940.tif 000008
【図４】
0006731940.tif 000009
【図５】
0006731940.tif 000010
【図６（ａ）】
0006731940.tif 000011
【図６（ｂ）】
0006731940.tif 000012
【図６（ｃ）】
0006731940.tif 000013
【図６（ｄ）】
0006731940.tif 000014
【図７（ａ）】
0006731940.tif 000015
【図７（ｂ）】
0006731940.tif 000016
【図８（ａ）】
0006731940.tif 000017
【図８（ｂ）】
0006731940.tif 000018
【図８（ｃ）】
0006731940.tif 000019
【図８（ｄ）】
0006731940.tif 000020