МАССИВ НАНОТРУБОК ДЛЯ ТРАНСФЕКЦИИ КЛЕТОК

Техническое решение относится к медицине, биохимии, цитологии, нанотехнологии и предназначено для создания наноустройств, используемых на клеточном уровне для введения сред.
Известен массив нанотрубок для трансфекции клеток (патент РФ №2179458 на изобретение, МПК: 7 А51М 5/32), содержащий трубку из механически напряженных слоев, связанную с кристаллом-подложкой, в виде трубки-свитка, частично лежащего на кристалле-подложке и выступающего за пределы кристалла-подложки.
К недостаткам приведенного аналога относятся потери внеклеточного материала при трансфекции клеток, отсутствие возможности интеграции массива нанотрубок с устройствами подачи по трубкам внеклеточного материала для введения его внутрь клетки, в том числе общей интеграции массива.
В приведенном техническом решении интегральное исполнение означает, что технологические операции формирования трубки, обеспечение позиционирования трубки относительно кристалла-подложки, полностью совместимы с технологией изготовления интегральных схем.
Трансфекция клеток подразумевает образование в плазматической мембране отверстий, через которые внутрь клетки может проникать внеклеточный материал.
Осуществление трансфекции предполагает интеграцию массива трубок со средствами подачи внеклеточного материала для введения его внутрь. Использование известного технического решения в этих целях является затруднительным по конструктивным причинам. В нем не предусмотрены средства, позволяющие осуществить каким-либо образом интеграцию массива. Приведенное выполнение массива трубок теоретически дает возможность интеграции всего массива через индивидуальную интеграцию каждой трубки. Однако, последняя на практике трудноосуществима, ввиду отсутствия для этого конкретных средств. Также невозможна общая интеграция всего массива по причине отсутствия необходимых для этого конструктивных элементов.
Осуществление трансфекции подразумевает возможность проникновения внеклеточного материала в клетку. Однако полноценной реализации такой возможности зачастую препятствуют потери при транспортировке внеклеточного материала. Неизбежность потерь возникает по причине отсутствия герметичного соединения трубок со средствами подачи внеклеточного материала внутрь клетки. Также потери возникают и по причине отсутствия герметизации трубок по массиву друг относительно друга при выполнении общей интеграции массива трубок со средствами подачи внеклеточного материала. Известное техническое решение не гарантирует исключение потерь, поскольку в нем не предусмотрено какое-либо герметичное соединение трубок, друг относительно друга или с указанными средствами.
-10
-5
В качестве ближайшего аналога взят массив нанотрубок для трансфекции клеток (патент РФ №2341299 на изобретение, МПК: 8 А51М 5/32), содержащий трубку из механически напряженных слоев, связанную с кристаллом-подложкой, при этом она соединена с кристаллом-подложкой изогнутым пленочным элементом из механически напряженных слоев, обеспечивающим позиционирование трубки относительно кристалла-подложки, и жестко закреплена с кристаллом-подложкой посредством закрепляющего элемента. Механически напряженные слои выполнены в виде псевдоморфных монокристаллических пленок веществ, имеющих в свободном состоянии различные периоды кристаллической решетки или в виде пленок материалов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули Юнга, или с использованием и первых, и вторых. Механически напряженные слои выполнены с использованием пары материалов GaAs и InGaAs, или Si и SiGe, или Au и Ti, или Cr и SiGe, или Cr и Si; либо трех видов материалов Si, и SiGe, и Cr; либо четырех видов Si, SiGe, Au, Ti или GaAs, InGaAs, Au, Ti. Суммарные толщины механически напряженных слоев трубки и механически напряженных слоев изогнутого пленочного элемента равны от 5×10 до 10 м, при этом конкретное значение толщины механически напряженных слоев трубки задано исходя из получения требуемого диаметра трубки, а конкретное значение толщины механически напряженных слоев изогнутого пленочного элемента задано исходя из достижения требуемого позиционирования трубки относительно кристалла-подложки. Закрепляющий элемент выполнен из полимеризованного резиста.
К недостаткам приведенного аналога относятся потери внеклеточного материала при трансфекции клеток, отсутствие возможности интеграции массива нанотрубок с устройствами подачи по трубкам внеклеточного материала для введения его внутрь клетки, в том числе общей интеграции массива.
В приведенном техническом решении интегральное исполнение означает, что технологические операции формирования трубки, обеспечение позиционирования трубки относительно кристалла-подложки, полностью совместимы с технологией изготовления интегральных схем.
Трансфекция клеток подразумевает образование в плазматической мембране отверстий, через которые внутрь клетки может проникать внеклеточный материал.
Осуществление трансфекции предполагает интеграцию массива трубок со средствами подачи внеклеточного материала для введения его внутрь. Использование известного технического решения в этих целях является затруднительным по конструктивным причинам. В нем не предусмотрены средства, позволяющие осуществить каким-либо образом интеграцию массива. Приведенное выполнение массива трубок теоретически дает возможность интеграции всего массива через индивидуальную интеграцию каждой трубки. Однако, последняя на практике трудноосуществима, ввиду отсутствия для этого конкретных средств. Также невозможна общая интеграция всего массива по причине отсутствия необходимых для этого конструктивных элементов.
Осуществление трансфекции подразумевает возможность проникновения внеклеточного материала в клетку. Однако полноценной реализации такой возможности зачастую препятствуют потери при транспортировке внеклеточного материала. Неизбежность потерь возникает по причине отсутствия герметичного соединения трубок со средствами подачи внеклеточного материала внутрь клетки. Также потери возникают и по причине отсутствия герметизации трубок по массиву друг относительно друга при выполнении общей интеграции массива трубок со средствами подачи внеклеточного материала. Известное техническое решение не гарантирует исключение потерь, поскольку в нем не предусмотрено какое-либо герметичное соединение трубок, друг относительно друга или с указанными средствами.
Трубка лишь жестко закреплена с кристаллом-подложкой посредством закрепляющего элемента.
Техническим результатом является:
- достижение предотвращения потерь внеклеточного материала при трансфекции клеток;
- получение возможности интеграции массива нанотрубок с содержащими адаптер объектов, принадлежащих разным масштабным шкалам, устройствами подачи по трубкам внеклеточного материала для введения его внутрь клетки - общей интеграции массива.
Технический результат достигается в массиве нанотрубок для трансфекции клеток, содержащем трубку из механически напряженных слоев, выполненном в составе N трубок, где N≥1, причем каждая трубка между концами закреплена герметично в мембране, выполненной с возможностью интеграции со средствами подачи внеклеточного материала.
В массиве нанотрубок механически напряженные слои выполнены в виде псевдоморфных монокристаллических пленок веществ, имеющих в свободном состоянии различные периоды кристаллической решетки или в виде цленок материалов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули Юнга, или с использованием и первых, и вторых.
В массиве нанотрубок механически напряженные слои выполнены с использованием пары материалов GaAs и InGaAs, или Si и SiGe, или Au и Ti, или Cr и SiGe, или Cr и Si; либо трех видов материалов Si, и SiGe, и Cr; либо четырех видов Si, SiGe, Au, Ti или GaAs, InGaAs, Au, Ti.
-10
-5
В массиве нанотрубок суммарные толщины механически напряженных слоев трубки равны от 5×10 до 10 м, при этом конкретное значение толщины механически напряженных слоев трубки задано исходя из получения требуемого диаметра трубки.
Массив нанотрубок выполнен в составе N, где N≥1, трубок с заданным распределением и положением в пространстве друг относительно друга, причем трубки расположены друг относительно друга так, что их оси параллельны, с образованием двойных рядов с расстоянием между рядами в паре равным, 20 мкм, а между двойными рядами - 120 мкм.
В массиве нанотрубок каждая трубка между концами закреплена герметично в мембране, в качестве которой использована гибкая полимерная мембрана из полимеризованного полидиметилсилоксана.
Сущность технического решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
На Фиг.1 схематически показан массив нанотрубок, закрепленных герметично в гибкой полимерной мембране, которая в свою очередь герметично крепится к подложке с микроотверстием, выполняющей функцию адаптера объектов, принадлежащих разным масштабным шкалам: где 1 - трубка, 2 - мембрана, 3 - подложка.
На Фиг.2 схематически показан процесс изготовления, отдельной нанотрубки массива с позиционированием ее относительно кристалла-подложки, при котором ось трубки расположена по нормали к плоскости кристалла-подложки: а) изготовление освобождаемой области пленочной структуры от кристалла подложки с формированием контура освобождаемой области пленочной структуры от кристалла-подложки, участка, предназначенного для формирования трубки, участка, предназначенного для формирования изогнутого пленочного элемента, обеспечивающего позиционирование трубки относительно кристалла-подложки; б) освобождение от связи с кристаллом-подложкой участка, предназначенного для формирования трубки, трансформация его в трубку; в) освобождение от связи с кристаллом-подложкой участка, предназначенного для формирования изогнутого пленочного элемента, обеспечивающего позиционирование трубки относительно кристалла-подложки за счет механических напряжений, создающих вращающий момент сил, стремящихся изогнуть пленочный элемент, и силы Архимеда, способствующей достижению требуемого позиционирования трубки относительно кристалла-подложки: где 1 - трубка, 4 - контур освобождаемой области пленочной структуры с механически напряженными слоями от кристалла-подложки, 5 - участок, предназначенный для формирования трубки, 6 - участок, предназначенный для формирования изогнутого пленочного элемента, 7 - стопорный элемент.
На Фиг.3 представлены изображения отдельных стадий формирования вертикальных трубок на изогнутом пленочном элементе («петле»), обеспечивающем позиционирование трубки относительно кристалла-подложки: а) литографический рисунок, соответствующий готовности конструктивных элементов будущей трубки и «петли», которые, однако находятся в плоском состоянии, поскольку связаны с кристаллом-подложкой; б) сформированные трубки на «петле», расположенные вне кристалла-подложки в результате освобождения от связи с кристаллом-подложкой участка, предназначенного для формирования трубки, и участка, предназначенного для формирования изогнутого пленочного элемента, пленочной структуры посредством травления материала жертвенного слоя или кристалла-подложки - изображение получено при фокусировании на кристалле-подложке; в) сформированные трубки на «петле», расположенные вне кристалла-подложки в результате освобождения от связи с кристаллом-подложкой участка, предназначенного для формирования трубки, и участка, предназначенного для формирования изогнутого пленочного элемента, пленочной структуры посредством травления материала жертвенного слоя или кристалла-подложки -изображение получено при фокусировании на концах трубок.
На Фиг.4 представлены изображения, полученные после выполнения литографий двух уровней: а) изображение, полученное после выполнения литографии первого уровня с формированием контура освобождаемой области пленочной структуры от кристалла-подложки, содержащей участок, предназначенный для формирования трубки, и участок, предназначенный для формирования изогнутого пленочного элемента («петли»); б) изображение, полученное после выполнения литографии второго уровня с формированием стопорного элемента: где 5 - участок, предназначенный для формирования трубки, 6 - участок, предназначенный для формирования изогнутого пленочного элемента, 7 - стопорный элемент.
На Фиг.5 приведена полученная с помощью электронного микроскопа фотография трубок с позиционированием, при котором ось трубки расположена под небольшим углом относительно нормали к плоскости кристалла-подложки за счет стопорного элемента.
На Фиг.6 схематически показано изготовление непроницаемой для жидкостей полимерной мембраны, выполняющей функцию герметизации и крепления массива трубок: а) помещение в емкость с водой изготовленного массива нанотрубок с требуемым позиционированием их относительно кристалла-подложки и последующее нанесение на поверхность воды капли жидкого полимера, например, полидиметилсилоксана, с формированием на водной поверхности тонкой пленки; б) удаление воды из емкости, понижение уровня воды с опусканием пленки на водной поверхности к концам трубок; в) прокалывание пленки трубками при ее опускании и последующая полимеризация термическим воздействием с использованием температуры 60°С пленки с получением водонепроницаемой мембраны, выполняющей функцию герметизации и крепления трубок массива и интеграции со средствами подачи внеклеточного материала; г) бондинг для интеграции со средствами подачи внеклеточного материала мембраны и подложки, выполняющей функцию адаптера объектов, принадлежащих разным масштабным шкалам: где 1 - трубка, 3 - подложка, 8 - кристалл-подложка, 9 - вода, 10 - пленка жидкого полимера, 11 - отверстие в подложке.
Достижение технического результата обеспечивается наличием в конструкции мембраны. Массив нанотрубок для трансфекции клеток выполнен в составе N трубок 1, где N≥1, из механически напряженных слоев. Каждая трубка 1 между концами закреплена герметично в мембране 2 (см. Фиг.1). Так решается проблема герметизации трубок по массиву друг относительно друга. Кроме того, мембрана 2 выполнена обеспечивающей интеграцию со средствами подачи внеклеточного материала. Выполнение мембраны 2, обеспечивающей интеграцию со средствами подачи внеклеточного материала, означает, что средства подачи внеклеточного материала могут быть соединены с массивом нанотрубок посредством мембраны 2, причем герметичным соединением, поскольку она гарантирует герметизацию нетолько трубок, но и других элементов, контактирующих с ней. Например, подложки 3 (см. Фиг.1). Так, при интеграции массива нанотрубок он, в частности, оказывается снабженным подложкой 3 с отверстием для подсоединения к микронасосу. В результате холодного бондинга мембраны 2 и подложки 3, подложка 3, герметично прикреплена к мембране 2. В подложке 3 выполнено микроканальное отверстием (позиция на Фиг.1 не показана) для интеграции массива трубок со средствами подачи внеклеточного материала. В отверстии расположены трубки 1 массива. При подсоединении к отверстию микронасоса, трубки, будучи расположенными в отверстии, оказываются соединенными с микронасосом, обеспечивающим подачу внеклеточного материала. Подложка 3 выполняет функцию адаптера объектов, принадлежащих разным масштабным шкалам, в данном случае нанообъектов и микрообъекта - массива нанотрубок и микронасоса.
Таким образом, наличие мембраны обеспечивает следующее. Во-первых, исключение потерь внеклеточного материала при его транспортировке, поскольку осуществляется достижение герметизации трубок относительно средств подачи по трубкам внеклеточного материала и друг относительно друга по массиву. Во-вторых, получение возможности интеграции массива нанотрубок с устройствами подачи по трубкам внеклеточного материала для введения его внутрь клетки - общей интеграции массива. С одной стороны, мембрана - конструктивный элемент, закрепляющий трубки массива друг относительно друга, фиксирующий их расположение друг относительно друга, причем герметичным образом. С другой стороны, мембрана - конструктивный элемент, к которому присоединены элементы средств подачи внеклеточного материала, причем опять же герметичным образом.
В общем случае выполнения массив нанотрубок для трансфекции клеток (см. Фиг.1) содержит трубку 1 из механически напряженных слоев, причем он выполнен в составе N трубок 1, где N≥1. Каждая трубка 1 между концами закреплена герметично в мембране 2, выполненной с возможностью интеграции со средствами подачи внеклеточного материала.
-10
-5
Механически напряженные слои выполнены в виде псевдоморфных монокристаллических пленок веществ, имеющих в свободном состоянии различные периоды кристаллической решетки или в виде пленок материалов, имеющих различные коэффициенты термического расширения и модули Юнга. Выполнение может быть реализовано также с использованием и первых, и вторых. Механически напряженные слои выполнены с использованием пары материалов GaAs и InGaAs, или Si и SiGe, или Au и Ti, или Cr и SiGe, или Cr и Si; либо трех видов материалов Si, и SiGe, и Cr; либо четырех видов Si, SiGe, Au, Ti или GaAs, InGaAs, Au, Ti. Суммарные толщины механически напряженных слоев трубки равны от 5×10 до 10 м, при этом конкретное значение толщины механически напряженных слоев трубки задано исходя из получения требуемого диаметра трубки.
Массив нанотрубок выполнен в составе N, где N≥1, трубок 1 с заданным распределением и положением в пространстве друг относительно друга. В частности, трубки 1 расположены друг относительно друга так, что их оси параллельны, с образованием двойных рядов с расстоянием между рядами в паре равным 20 мкм, а между двойными рядами - 120 мкм.
При реализации массива нанотрубок трубки расположены на кристалле-подложке и связаны с ней посредством изогнутого пленочного элемента - «петли», из механически напряженных слоев, обеспечивающего позиционирование трубки относительно кристалла-подложки (см. Фиг.2 и 3).
В массиве каждая трубка 1 между концами закреплена герметично в мембране, в качестве которой использована гибкая полимерная мембрана из полимеризованного полидиметилсилоксана.
Массив нанотрубок при осуществлении интеграции снабжен подложкой 3 посредством холодного бондинга мембраны и указанной подложки. Подложка 3, герметично прикрепленная к мембране, снабжена микроканальным отверстием для интеграции массива трубок со средствами подачи внеклеточного материала, в отверстии в результате бондинга расположены трубки 1 массива. Указанная подложка 3 выполнена жесткой из полупроводникового материала или полимера.
Трубки 1, образующие массив, выполнены (см. Фиг.2), как и в приведенных известных технических решениях, в форме многослойной криволинейной оболочки -освобожденной от связи с кристаллом-подложкой тонкой искривленной пленки, которая будучи исходно в плоском состоянии содержит механически напряженные слои, обеспечивающие кривизну за счет действия упругих напряжений. Каждая трубка 1 массива первоначально связана с кристаллом-подложкой посредством изогнутого пленочного элемента - «петли» (см. Фиг 2), изготавливаемого также из механически напряженных слоев, впоследствии при снабжении массива трубок 1 мембраной массив трубок «отрывается» в месте соединения «петлей» от кристалла-подложки.
1
2
В основе создания оболочек лежит метод сворачивания тонких напряженных пленок при их освобождении от связи с кристаллом-подложкой (V.Ya. Prinz, V.A. Seleznev, A.K. Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V. Preobrazenskii, M.A. Putyato, T.A. Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v. 6, N 1-4, p.p.828-831). Так, напряженная двухслойная пленка в составе сжатого и растянутого слоев из материалов с различными постоянными кристаллической решетки, полученная на жертвенном слое кристалла-подложки, при освобождении ее от связи с кристаллом-подложкой изгибается и сворачивается, например, в рулон под действием внутренних механических напряжений. Упругие силы в образующих оболочку слоях, в частности, в сжатом слое, расположенном на жертвенном слое, и растянутом слое, расположенном на сжатом слое, направлены в противоположные стороны и создают момент сил, стремящийся изогнуть пленку. Пока жертвенный слой не подвергнут травлению, пленка жестко связана с кристаллом-подложкой посредством жертвенного слоя и удерживается в плоском состоянии. При направленном боковом травлении жертвенного слоя пленка, образованная механически напряженными слоями, начинает отделяться от кристалла-подложки в заданном направлении. Под действием момента сил упругих деформаций пленка изгибается в заданном направлении, приобретая криволинейную форму, соответствующую минимуму энергии внутренних напряжений. Так, например, пленка сворачивается в трубку. Таким же образом процесс самосворачивания пленочной структуры происходит и в случае, когда пленочная структура с механически напряженными слоями выращивается на кристалле-подложке и отделяется от нее путем селективного травления кристалла-подложки, которая, в данном случае, играет роль жертвенного слоя. Радиус трубки можно задавать с прецизионной точностью. Он определяется толщиной пленки и величинами механических напряжений в ней. Радиус воспроизводится с прецизионной точностью, поскольку он задается строго определенным относительным несоответствием периодов кристаллических решеток Δа/а и толщинами механически напряженных слоев d и b, которые при эпитаксиальном росте заданы с точностью до моноатомных слоев. Формируя исходные структуры с разной толщиной эпитаксиальных слоев и составами твердых растворов, можно очень точно получать требуемое значение радиуса кривизны. В простейшем случае двухслойной гетеропленки радиус R определяется формулой:
1
2
1
2
3
R=(1/6)·(d+d)/(Δа/а)·dd).
Рассмотренный принцип формирования оболочек лежит в основе как формирования непосредственно трубки, так и изогнутого пленочного элемента, предназначенного для позиционирования трубки относительно кристалла-подложки, посредством которого осуществляется связь трубки с последней. Возможность реализации изогнутого пленочного элемента, обеспечивающего позиционирование трубки относительно кристалла-подложки, также как и трубки, обуславливает наличие механически напряженных слоев, поскольку в них действуют упругие, силы, создающие момент сил, стремящийся изогнуть пленочную структуру и придать ей ту или иную криволинейную конфигурацию.
Формирование механически напряженных слоев осуществляют на стадии получения пленочной структуры посредством планарной технологии: материалов и методов выращивания из них слоев. Для получения механически напряженных слоев с однородностью по толщине слоя и однородностью механических напряжений по слою используют эпитаксию, электрохимическое осаждение, вакуумное напыление.
Отделяя пленочную структуру с механически напряженными слоями от кристалла-подложки предварительно задав контур освобождаемой области - 4, охватывающий участок, предназначенный для формирования трубки, - 5 и участок, предназначенный для формирования изогнутого пленочного элемента, обеспечивающего позиционирование трубки относительно кристалла-подложки, - 6, (см. Фиг.2а)) ее трансформируют в конструктивные элементы - трубку 1 и изогнутый пленочный элемент или «петлю» (позиция не показана), посредством чего трубка остается связанной с кристаллом-подложкой (см. Фиг.2б) и в)). Сначала сворачивают трубку 1 (см. Фиг.2б)), а затем -изогнутый пленочный элемент (см. Фиг.2в), позиция не показана). Конкретное значение радиуса кривизны изогнутого пленочного элемента - «петли» и трубки 1 (диаметр трубки) можно задавать в широком диапазоне с высокой точностью выбором значений внутренних напряжений между слоями, образующими пленочную структуру, толщинами и механическими свойствами материалов слоев. Изгиб «петли» обеспечивает то или иное позиционирование трубки 1 относительно кристалла-подложки. Точное выведение трубки 1 на требуемую позицию относительно кристалла-подложки достигают тем, что после освобождения от связи с кристаллом-подложкой второго участка (участок, предназначенный для формирования изогнутого пленочного элемента, обеспечивающего позиционирование трубки относительно кристалла-подложки, - 6 (см. Фиг.2а))), изгибающегося за счет механических напряжений, дополнительно к действию механических напряжений, создающих вращающий момент сил, стремящихся изогнуть пленочный элемент, используют силу Архимеда, способствующую достижению требуемого позиционирования трубки 1 относительно кристалла-подложки.
Используемая на разных стадиях при получении массива нанотрубок планарная технология является базовой. Она позволяет на стадиях изготовления многослойной пленочной структуры и формирования контуров освобождаемой области пленочной структуры, что осуществляют на первом уровне литографии, реализовать не только создание рисунка, но и задать направление изгибания отделяемой от кристалла-подложки пленочной структуры, в процессе которого формируются конструктивные элементы (см. Фиг.3 и 4). А также изготавливать другие дополнительные элементы - стопорные, на втором уровне литографии (см. Фиг.2б) и 4б)).
После формирования многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями, осуществляя литографию первого уровня, с помощью которой и последующего травления создают геометрию, или иначе говоря, рисунок, задающий контур, освобождаемой области пленочной структуры, содержащей два объединенных плоских участка, которые в последствии трансформируются в конструктивные элементы. Геометрия (например, как на Фиг.2а), Фиг.4а)) выбирается такой, чтобы освобождаемая область пленочной структуры от связи с кристаллом-подложкой содержала участок (плоский элемент), который обеспечивает формирование трубки, и участок (плоский элемент), который обеспечивает формирование изогнутого пленочного элемента -«петли» и позиционирование трубки относительно кристалла-подложки. Иными словами, геометрия выбирается такой, чтобы одна часть освобождаемой области (плоский элемент) имела возможность свернуться в трубку (Фиг.2б)), а вторая часть (плоский элемент) -изогнуться (Фиг.2в)) при последовательном освобождении их от связи с кристаллом-подложкой.
Достижение этого условия обеспечивается формой плоских элементов, или участков 5 и 6 освобождаемой области пленочной структуры (см. Фиг.2а) и 4а)). Сворачивание преимущественно инициируется с ровных, протяженных участков. Именно такая геометрия задается участкам 5, предназначенным для формирования трубки 1, (см. Фиг.2а) и 4а)). Возможность получения такого результата закладывается на стадии формирования рисунка, задающего контур, освобождаемой области. При этом геометрическая форма второго плоского элемента, то есть участка 6, предназначенного для формирования изогнутого пленочного элемента, такова, что при изгибании приводит, в частности, к формированию «петли», когда сформированная трубка 1 под действием упругих сил слоев участка 6, то есть, не свернувшейся части освобождаемой области пленочной структуры, и дополнительно приложенной силы Архимеда поднимается над кристаллом-подложкой и, достигнув требуемого положения, например, при котором ось трубки 1 расположена по нормали к плоскости кристалла-подложки, стопорится.
Наличие силы Архимеда, способствующей достижению требуемого позиционирования трубки 1 относительно кристалла-подложки, обуславливают следующим образом. После последовательного освобождения первого из указанных участков (участок, предназначенный для формирования трубки, - 5) с трансформацией его за счет механических напряжений в трубку 1 и второго участка (участок, предназначенный для формирования изогнутого пленочного элемента, - 6) (см. Фиг.2а) и 4а)), изгибающегося за счет механических напряжений, изготовленную структуру размещают в среде с более высокой плотностью по сравнению с плотностью среды в трубке. В результате разности плотности возникает дополнительная к действию механических напряжений, создающих вращающий момент сил, стремящихся изогнуть пленочный элемент, подъемная сила.
4
9
2
5
4
9
3
В конкретном случае реализации массива нанотрубок для наличия подъемной силы осуществляют, например, следующие действия. Для размещения изготовленной структуры в среде с более высокой плотностью по сравнению с плотностью среды в трубке, трубку сначала заполняют изопропиловым спиртом. При этом промывают изготовленную структуру в смеси воды с изопропиловьм спиртом, и затем в чистом изопропиловом спирте в течение 30 минут. После того как объем трубки заполнен изопропиловым спиртом структуру размещают в жидкости Novec 7200, Novec 7200 - реагент 3М™ Novec™ 7200 Engineered Fluid, представляющий собой этокси-нонафторбутан (ethoxy-nonafluorobutane) CFOCH. Указанная жидкость характеризуется более высокой плотностью, и таким образом, создают подъемную силу. Вместо Novec 7200 может использоваться его более тяжелый аналог Novec 7100 - реагент 3М Novec™ 7100 Engineered Fluid, представляющий собой метокси-нонафторбутан (methoxy-nonafluorobutane) CFOCH. В описываемой реализации массива используют жидкость Novec 7200.
Для создания дополнительной подъемной силы можно использовать различные комбинации жидкостей. Например, спирт-вода, ацетон-вода, спирт-хлороформ, ацетон-хлороформ, вода-Novec 7200, спирт-Novec 7200, ацетон-Novec 7200. Плотность при 20°С: изопропилового спирта - 785 г/л; ацетона - 791 г/л; воды - 998 г/л; хлороформа - 1489 г/л; жидкости Novec 7100-1520 г/л; жидкости Novec 7200-1430 г/л.
При помещении структуры в среду с большей плотностью, чем среда в объеме трубок, подъем трубок происходит практически мгновенно. В частном случае реализации массива нанотрубок после формирования контура освобождаемой области пленочной структуры от кристалла-подложки осуществляют литографию второго уровня, в результате которой изготавливают стопорный элемент 7 (элементы) (см. Фиг.2б) и 4б)). Стопорный элемент определяет позиционирование трубки 1 относительно кристалла-подложки в результате стопорения движения трубки 1. Движение, посредством которого трубка 1 достигает требуемого положения в пространстве, обусловлено действием механических напряжений, создающих вращающий момент сил, стремящихся изогнуть пленочный элемент, и силы Архимеда. В момент достижения трубкой 1 требуемого положения стопорный элемент 7 препятствует дальнейшему перемещению трубки 1 (см. Фиг.2в)). В частности, в момент достижения трубкой 1 положения, при котором ось трубки расположена по нормали к плоскости кристалла-подложки (см. Фиг.2) или, например, с небольшим углом относительно нормали (см. Фиг.5), если задано такое положение трубок в массиве.
Для изготовления стопорного элемента осуществляют литографию второго уровня. Так, после формирования контура освобождаемой области пленочной структуры от кристалла-подложки (см. позиция 4 на Фиг.2 а)) на последнюю наносят методом центрифугирования резист Su-8 толщиной от 10 до 20 мкм. Резист высушивают при температуре от 65 до 95°С. Затем приступают к экспонированию ультрафиолетом через литографическую маску и последующей полимеризации экспонированных участков резиста термическим воздействием при температуре 65-95°С. В качестве литографической маски выбирают маску с отверстиями для экспонирования резиста в форме полос шириной 20 мкм. Маску перед экспонированием располагают с возможностью формирования полосы из полимеризованного резиста параллельно направлению сворачивания трубки, перпендикулярно направлению изгибания пленочного элемента, с примыканием к последнему (см. Фиг.4б)). В финале изготовления стопорного элемента проводят проявление резиста и при температуре 120°С его окончательную полимеризацию.
На Фиг.4б) и Фиг.5 показаны стопорные элементы, изготовленные в виде полос полимеризованного резиста Su-8, для трубок, расположенных в ряд (линейка трубок). Один стопорный элемент выполняет свою функцию в отношении одного ряда регулярно расположенных трубок. Такой стопорный элемент «подпирает» ряд трубок, не давая им опрокинуться. «Петля» для подъема трубок выполнена из маленького участка пленочной структуры в основании освобождаемой области по сравнению с участком, предназначенным для формирования трубки. Так, размер участка, предназначенного для формирования трубки, дает возможность изготавливать трубки длиной от 50 до 70 мкм, что значительно больше высоты «петли». Высота стопорного элемента превышает высоту «петли», поэтому он способен застопорить движение трубок. Так, для указанной длины трубок высота стопорного элемента составляет от 10 до 20 мкм. Стопорный элемент в форме полосы полимеризованного резиста выполняют с возможностью его примыкания к основанию освобождаемой области, а именно, к границе участка, предназначенного для формирования изогнутого пленочного элемента. На фир.5 показаны ряды трубок, трубки прижаты к полосе полимеризованного резиста Su-8, расстояние между трубками в ряду - 20 мкм, расстояние между двойными рядами трубок (на фотографии показан один двойной ряд, см Фиг.5) составляет 120 мкм. Кроме того, полимеризованный резист выполняет и другую функцию. Поскольку он расположен с возможностью примыкания к основанию освобождаемой области пленочной структуры, то с этой стороны он препятствует доступу травителя к жертвенному слою или кристаллу-подложке, если последняя выполняет функцию жертвенного слоя. Травление жертвенного слоя инициируется с другой стороны пленочной структуры, со стороны участка, предназначенного для изготовления трубки. Процесс травления осуществляют так, что сначала сворачивают трубку, а затем изготавливают «петлю», и в этой последовательности свою роль играет и присутствие стопорного элемента. «Петля» не может изогнуться, прежде чем не свернулась трубка.
Толщины участков освобождаемой области пленочной, структуры задают на стадии изготовления многослойной пленочной структуры с механически напряженными слоями. При этом для конструктивных (механически напряженных) слоев используют широкий круг материалов с прецизионным подбором их толщин и напряжений с целью получения определенного диаметра трубки и локальной кривизны изогнутого пленочного элемента, обеспечивающей требуемое позиционирование трубки в пространстве. В частных случаях плоские элементы, или участки освобождаемой области пленочной структуры, выполняют разной толщиной, например, второй участок 6 (Фиг.2) для получения требуемого радиуса кривизны выполняют из более толстой пленки, содержащей то же количество слоев, но более толстых, или большее количество слоев.
В составе многослойной пленочной структуры при ее изготовлении выращивают не менее двух механически напряженных друг относительно друга слоев. При этом толщина каждого слоя может составлять от одного атомного монослоя до нескольких микрон. В частном случае может быть выполнена последовательность напряженных слоев с механическими напряжениями, отличающимися друг от друга, однако данная последовательность должна обеспечить градиент механических напряжений, направленный поперек ее.
3
4
2
2
2
6
4
4
2
2
4
2
3
6
3
Контур освобождаемой области пленочной структуры формируют с помощью литографии первого уровня, открывая окна для доступа травителя к жертвенному слою или кристаллу-подложке. При формировании окна к жертвенному слою или подложке используют жидкостное и плазмохимическое травление. Для травления сквозных окон в механически напряженных слоях InGaAs и GaAs используют плазменное травление либо травитель на основе ортофосфорной кислоты (HPO:HO:HO/3:1:50). Для травления сквозных окон в механически напряженных слоях SiGe и Si используют реактивное ионное травление в плазме SF, CHF или CF. Пленки хрома травят в плазме Cl+CO, а также при помощи раствора Се-(NH)-(NO)СНСООН=1:1.
После того, как с помощью литографии и последующего травления сформирован в виде сквозного (до жертвенного слоя или до подложки) окна контур освобождаемой области пленочной структуры от кристалла-подложки, начинают ее освобождение от связи с кристаллом-подложкой. При этом, поскольку травление жертвенного слоя или кристалла-подложки, если не предпринять определенные меры, может начинаться одновременно со всех сторон, освобождаемая область пленочной структуры также будет сворачиваться со всех сторон одновременно. Для решения проблемы случайного характера процесса сворачивания и формирования непрогнозируемых образований используют задание направления сворачивания. Проблема направленного сворачивая достаточно хорошо проработана, имеются опубликованные работы (Vorob'ev А. В., Prmz V. Ya. «Directional rolling of strained heterofilms», Semiconductor Science and Technology, 2002, 17 (6), p.p.614-615; Golod S. V., Prinz V. Ya., Mashanov V. I., Gutakovsky A. K. «Fabrication of conducting GeSi/Si micro- and nanotubes and helical microcoils», Semiconductor Science and Technology, 2001, 16, p.p.181-185; Golod S. V., Prinz V. Ya., Mashanov V. I. «Directional-rolling method for strained SiGe/Si films and its application to fabrication of hollow needle», Thin Solid Films, 2005, v. 489/1-2, p.p.169-176; Bean K.E. «Anisotropic etching of silicon», IEEE Trans. Electron Devices ED-25, 1978, №10, pp.1185-1193). Отметим, что при реализации направленного сворачивания в основе могут лежать принципы использования физических и химических свойств самих материалов, а также и самый простой подход, который, основан на том, что контур освобождаемой области пленочной структуры задают прерывистыми и сплошными литографическими линиями-окнами, через которые обеспечивают доступ травителя к жертвенному слою, с инициацией отделения пленочной структуры и ее изгибания в области сплошной линии-окна, что определяет направление сворачивания пленочной структуры.
Таким образом, выше показано, как может быть получен массив нанотрубок на кристалле-подложке.
Далее изготавливают непроницаемую для жидкостей полимерную мембрану, выполняющую функцию герметизации и крепления массива трубок, а также интеграции средств подачи внеклеточного материала (см. Фиг.6). Выполненный на кристалле-подложке 8 массив трубок 1 с требуемым позиционированием их относительно кристалла-подложки 8 погружают в воду 9 и на поверхность воды наносят жидкий полимер с формированием на водной поверхности сплошной пленки (пленка жидкого полимера 10) (см. Фиг.6а)). Затем осуществляют понижение уровня воды относительно кристалла-подложки 8 с приближением пленки на водной поверхности к концам трубок 1 (см. Фиг.6б)). Пленку прокалывают трубками, устанавливая требуемое расстояние между пленкой и кристаллом-подложкой, задавая расположение будущей мембраны между концов трубок массива, после чего осуществляют полимеризацию термическим воздействием с использованием температуры 60°С в течение нескольких часов (см. Фиг.6в)), получая указанную мембрану. В качестве материала мембраны используют полимер, например, полидиметилсилоксан (ПМДС). Указанный материал при нанесении его на поверхность воды не смешивается с ней, не растворяется, и образует на водной поверхности сплошную пленку. Кроме того, он не попадает внутрь трубок, поскольку они заполнены водой. После изготовления мембраны при осуществлении интеграции проводят холодный бондинг по полимеризованному ПДМС подложки 3 (см. Фиг.6г)), полупроводниковой или жесткой полимерной. Подложка 3 снабжена микроканальным отверстием - отверстие 11 (см. Фиг.6г)), в котором расположены трубки 1. Массив нанотрубок пока связан с кристаллом-подложкой 6 посредством «петель» Далее, в области «петель» производят отрыв от кристалла-подложки 8 массива нанотрубок, в котором каждая трубка между концами закреплена герметично в мембране, выполненной с возможностью интеграции со средствами подачи внеклеточного материала. В результате получают объект, показанный на Фиг.1.
После завершения операций, которые связаны с использованием тех или иных жидкостей, структуры промывают и сушат.
Трубки после каждой такой операции заполнены жидкостями. При сушке из-за капиллярных эффектов может происходить «схлопывание» стенок трубки. Отметим, что многовитковые трубки весьма прочны и выдерживают действие капиллярных сил во время сушки. Одновитковые трубки при сушке в результате испарения жидкости могут сильно деформироваться.
2
2
Решение данной проблемы осуществляется путем использования сверхкритической сушки, в процессе которой отсутствует формирование границы газ-жидкость, и, соответственно, отсутствуют капиллярные силы (Seleznev V. A., Yamaguachi H., Hirayama Y., and Prinz V. Ya. «Single-turn GaAs/InGa nanotubes fabricated using the supercritical СО drying technique» J. J. Appl. Phys., 2003, 42, Part 2 (7A), p.p.L791-L794; Chehovskiy A. V. and Prinz V. Ya. «Application of supercritical fluids for fabrication of free-standing nanoobjects» Intemation Journal of Nanoscience, 2004, v. 3, 1&2, p.p.1-8). Использование сверхкритической сушки в СО позволяет сушить трубки, например, толщиной всего 9А. Также используется сублимационная сушка с возгонкой трет-бутанола (Kaneko Y., Matsushima H., Sekine M., Matsumoto К. «Preparation of Plant Protoplast for SEM Observation by t-Butanol Freeze-Drying Method», Journal of Electron Microscopy, 39, 1990, p.p.426-428).
Однако в случаях применения жидкости Novec 7200 можно осуществлять прямую сушку - испарением Novec 7200 на воздухе. Жидкость Novec 7200 характеризуется малым коэффициентом поверхностного натяжения (13, 6 дин/см) и, соответственно, капиллярные силы, возникающие при сушке малы и не деформируют трубки.
Полученный массив нанотрубок для трансфекции клеток в составе N трубок, где N≥1, причем каждая трубка между концами закреплена герметично в мембране, выполненной с возможностью интеграции со средствами подачи внеклеточного материала, используют следующим образом.
Осуществляют указанную интеграцию массива нанотрубок для трансфекции клеток со средствами подачи внеклеточного материала. В этих целях проводят бондинг мембраны и подложки с микроканальным отверстием для подсоединения к микронасосу. В отверстии размещают массив нанотрубок для трансфекции клеток. Подсоединяют насос для подачи внеклеточного материала к трубкам. После чего осуществляют трансфекцию клеток без потерь внеклеточного материала при его транспортировке. Нанотрубки герметично встроены в мембрану, к мембране герметично крепится подложка с микроканальным отверстием, в котором размещены трубки. Жидкость или газ прокачивают через нанотрубки без утечек.
Отметим, что давление, вызываемое поступлением внеклеточного материала к нанотрубкам, размещенным в отверстии, прикладывается изнутри к мембране и может вызвать ее изгиб, который, в свою очередь, приведет к смещению трубок в направлении нормали к поверхности мембраны. Данную особенность конструкции можно использовать при прокалывании клеток, осуществляя изменение давления в импульсном режиме.
Жесткость мембраны задается материалом, из которого, она изготовлена, а также ее геометрическими размерами. Возможен вариант реализации, в котором каждая отдельная трубка интегрирована с отдельным микроканальным отверстием в подложке. В этом случае будет достигнута максимальная жесткость конструкции и минимальные перемещения трубок при изменении давления.