СПОСОБ СОЗДАНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУР ДИФЕНИЛАЛАНИНА ЗАДАННОЙ ГЕОМЕТРИИ Российский патент 2024 года по МПК C07K5/65 B01D9/00 H10N30/857 

Изобретение относится к способам, специально предназначенным для изготовления пьезоэлектрических элементов, и может быть использовано для создания биосовместимых пьезоэлектрических структур с заданной геометрией на основе дифенилаланина.

Способ кристаллизации пептидов специфичен для типа используемого пептида. Для дифенилаланина и пептидов на его основе известен способ кристаллизации, заключающийся в растворении пептида в смеси 2% 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанола и 98% деионизированной воды, нанесении капли раствора на ровную поверхность и высушивании капли в комнатных условиях [1].

Недостатками данного способа является невозможность контроля размера и формы кристаллических структур, их радиальное направление от края капли к центру, а также низкая плотность.

Известны способы получения кристаллических структур из дифенилаланина вытягиванием из раствора дифенилаланина с концентрацией 1-16 мг/мл в смеси воды и 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанола в соотношении от 1:1 до 9:1 [2,3], эпитаксиальный рост микротрубок дифенилаланина в атмосфере перенасыщенных паров [4,5], синтез структур на основе дифенилаланина из гидрогеля [6]. Преимуществом данных способов является получение кристаллических структур с выраженным направлением роста. Недостатком данных методов является то, что полученные данными способами кристаллические структуры обладают выраженной морфологией и низкой плотностью, что создает технологическую проблему при нанесении электродов и формировании конденсаторной структуры, необходимой для применений в актюаторах, генераторах, датчиках и т.д.

Альтернативой для кристаллических структур из дифенилаланина являются кристаллические структуры β-глицина в матрице из хитозана [7]. Способ их получения заключается в нанесении капли раствора смеси β-глицина и хитозана в уксусной кислоте с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 2 дней. Преимуществом данных структур является высокая гибкость. Недостатком является выраженная морфология получаемых структур, что создает технологическую проблему при нанесении электродов, а также низкие, по сравнению с дифенилаланином, пьезоэлектрические свойства, что приводит к уменьшению эффективности структур на базе β-глицина.

Известен способ получения кристаллических структур из дифенилаланина с плоской морфологией струйной печатью [8]. Преимуществом метода является автоматизация процесса размещения капли раствора и получение структур с плоской морфологией. Недостатком способа является получение структур с низкой плотностью и разупорядоченностью расположения.

Из известных аналогов наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков и назначению является способ получения кристаллических структур из дифенилаланина путем твердофазной кристаллизации в атмосфере водяных паров [9]. Процесс получения кристаллических структур данным способом производится в два этапа:

1) Нанесение раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле с концентрацией в пределах от 2 до 100 мг/мл на плоскую поверхность методом центрифугирования.

2) Однородная обработка парами воды в климатической камере с относительной влажностью 90%.

В результате достигается получение однородных кристаллических структур высокой плотности с плоской морфологией. Недостатком данного способа является невозможность создания кристаллических структур заданной геометрии в пьезоэлектрически неактивной матрице, так как область кристаллизации определяется областью нанесения раствора. Это делает невозможным управление процессом кристаллизации и ограничивает применимость способа для производства иерархических пьезоэлектрических структур для производства микроэлектромеханических устройств.

В основу изобретения положена задача, обеспечивающая разработку способа получения кристаллических структур из дифенилаланина с заданной геометрией и размером кристаллических областей в матрице из аморфного дифенилаланина.

Техническим результатом изобретения является усовершенствование технологического процесса кристаллизации дифенилаланина созданием условий, при которых кристаллизация аморфного дифенилаланина происходит локально только в рамках областей заданной геометрии.

Технический результат достигается тем, что способ частичной или полной кристаллизации дифенилаланина в областях с заданной геометрией без изменения морфологии исходных структур включающий, согласно аналогу, нанесение раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле с концентрацией в пределах от 2 до 240 мг/мл в формы с произвольной геометрией при помощи методов центрифугирования, нанесения погружением или заливания в атмосфере сухого воздуха/азота, сушки растворителя в атмосфере сухого воздуха/азота и последующей кристаллизацией в атмосфере водяных паров, отличается тем, что кристаллизация производится при градиенте абсолютной влажности. Градиент абсолютной влажности достигается созданием градиента температуры в климатической камере или частичным ограничением проникновения водяных паров в аморфную структуру, путём закрытия областей структуры маскирующим слоем вещества с ограниченными условиями проникновения водяных паров: жирных кислот, полимеров. Твердофазная кристаллизация аморфной структуры дифенилаланина происходит из-за взаимодействия молекул дифенилаланина с молекулами воды, а управление процессом кристаллизации происходит при помощи изменения локальной концентрации молекул воды в заданных пространственных областях структуры.

Сущность изобретения заключается в том, что разработан метод управления процессом твердофазной кристаллизации дифенилаланина, а именно управление геометрией получаемой кристаллической структуры, размером кристаллических доменов, а также локализацией областей, где происходит твердофазная кристаллизация. При этом получаемая кристаллическая структура дифенилаланина не изменяет свою исходную морфологию. Процесс получения кристаллических структур дифенилаланина заданной формы состоит из следующих этапов:

1) Получение исходного раствора путём растворения дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле. Минимальная концентрация полученного раствора составляет 2 мг/мл, ниже которой невозможно получение однородного слоя на этапе 3. Максимальная концентрация раствора 240 мг/мл определяется предельной растворимостью дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле.

2) Нанесение исходного раствора на подложку заданной геометрии в атмосфере сухого воздуха/азота (фиг. 1). Нанесение раствора может производиться следующими методами:

• центрифугированием;

• погружением подложки в раствор с последующим вытягиванием с постоянной скоростью;

• заливанием раствора в формы с произвольной геометрией (аналогично фиг. 1).

3) Выдержка подложки с раствором в атмосфере сухого воздуха/азота в течение не менее 2 минут для испарения 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропанола. В процессе испарения растворителя на подложке формируется аморфная структура дифенилаланина.

4) Определение геометрии кристаллических областей.

5) Аморфная структура дифенилаланина, полученная любым методом, вносится в климатическую камеру, в которой задаются следующие условия: относительная влажность от 80 до 90%, комнатная температура. При относительной влажности ниже 80% кристаллизация не происходит, выше 95% кристаллизация происходит с получением структур с выраженной морфологией.

6) Кристаллизация в выбранных областях структур производится следующими способами:

• закрытием поверхности дифенилаланина маской с отверстиями, геометрия которых соответствует кристаллизуемым областям. Маска состоит из вещества с ограниченным условиями проникновения водяных паров - насыщенных жирных кислот, полимеров;

• размещением в климатической камере конфигурации нагревательных узлов, геометрия которых соответствует не кристаллизуемым областям, помещением подложки с дифенилаланином под нагревательными узлами, повышением относительной влажности в камере до 70%, после чего температура нагревательных узлов повышается не менее чем на 10°С относительно комнатной температуры в климатической камере, относительная влажность в камере повышается до 90%, и производится выдержка в камере в течение не менее 1 часа;

• размещением в климатической камере конфигурации холодильных узлов, геометрия которых соответствует кристаллизуемым областям, помещением подложки с дифенилаланином на холодильных узлах, повышением относительной влажности в камере до 70%, после чего температура холодильных узлов понижается не менее чем на 10°С относительно комнатной температуры в климатической камере, относительная влажность в камере повышается до 90%, и производится выдержка в камере в течение не менее 1 часа;

• размещением в климатической камере конфигурации нагревательных узлов, геометрия которых соответствует не кристаллизуемым областям, помещением подложки с дифенилаланином на нагревательных узлах, повышением относительной влажности в камере до 70%, после чего температура нагревательных узлов повышается не менее чем на 10°С относительно комнатной температуры в климатической камере, относительная влажность в камере повышается до 90%, и производится выдержка в камере в течение не менее 1 часа.

Преимуществами данного способа являются:

• возможность создания аморфных плёнок не только центрифугированием, но и методом нанесения погружением и методом нанесения из капли в форму в случае нанесения в атмосфере сухого азота/кислорода,

• возможность нанесение раствора в маску произвольной формы, что позволяет управлять геометрией получаемых кристаллических структур дифенилаланина,

• твердофазная кристаллизация проводится в условиях градиента абсолютной влажности, что позволяет управлять локализацией и размером кристаллических доменов в структурах дифенилаланина.

Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображено:

На фиг. 1 показана кристаллическая структура дифенилаланина вблизи границы покрытой и непокрытой олеиновой кислотой областей дифенилаланина по Примеру 1.

На фиг. 2 показана схема локального нагрева нагревательным узлом, расположенным в климатической камере над дифенилаланином, и оптическое изображение кристаллической структуры в области нагрева и рядом с ней по Примеру 2.

На фиг. 3 представлена схема кристаллизации дифенилаланина по Примеру 3 с охладителем, помещённым под подложку.

На фиг. 4 показана кристаллическая структура дифенилаланина, полученная в области непосредственно над охладителем и на отдалении от него по Примеру 3.

На фиг. 5 представлена схема кристаллизации дифенилаланина по Примеру 4 с нагревателем, помещённым под подложку.

На фиг. 6 показана кристаллическая структура дифенилаланина, полученная в области непосредственно над нагревателем и на отдалении от него по Примеру 4.

Осуществление заявляемого способа подтверждается следующими примерами.

Пример 1

Капля раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле с концентрацией 100 мг/мл объёмом 10 мкл была нанесена методом центрифугирования со скоростью вращения 3000 оборотов в минуту на пластину монокристаллического кремния с напылением платины и выдержана 10 минут в атмосфере сухого воздуха. Половина полученной структуры была закрыта слоем олеиновой кислоты, препятствующей проникновению паров воды в покрытой области. Полученная структура с покрытием была помещена в климатическую камеру при температуре 24°С, относительная влажность воздуха в камере 90%. В результате кристаллизация наблюдалась только на не покрытой олеиновой кислотой части (фиг. 1).

Пример 2

Капля раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле с концентрацией 100 мг/мл объёмом 10 мкл была нанесена методом центрифугирования со скоростью вращения 3000 оборотов в минуту на пластину монокристаллического кремния с напылением платины и выдержана 10 минут в атмосфере сухого воздуха. Задана геометрия не кристаллизуемой области в виде круга. Аморфная структура дифенилаланина была помещена в камеру при температуре 24°С и относительной влажности воздуха 90%. После чего был произведен локальный нагрев на 10°С области в виде круга при помощи облучения источником света. Нагретая область не кристаллизовалась (фиг. 2).

Пример 3

Капля раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле с концентрацией 100 мг/мл объёмом 10 мкл была нанесена методом центрифугирования со скоростью вращения 3000 оборотов в минуту на пластину монокристаллического кремния с напылением платины и выдержана 10 минут в атмосфере сухого воздуха. Геометрия кристаллизуемой области задана как половина подложки. Полученная аморфная структура дифенилаланина была помещена в камеру при температуре 26°С и относительной влажности воздуха 90%. После чего одна часть маски была охлаждена на 10°С (фиг. 3). Выдержка в климатической камере происходила в течение часа, что привело к полной кристаллизации на охлаждённой части, в то время как кристаллизации на неохлаждённой части не происходило (фиг. 4).

Пример 4

Капля раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле с концентрацией 100 мг/мл объёмом 10 мкл была нанесена методом центрифугирования со скоростью вращения 3000 оборотов в минуту на пластину монокристаллического кремния с напылением платины и выдержана 10 минут в атмосфере сухого воздуха. Задана геометрия не кристаллизуемой области в виде круга. Полученная аморфная структура дифенилаланина была помещена в камеру при температуре 24°С и относительной влажности воздуха 90%. После чего температура нагревателя была повышена до 34°С (фиг. 5). Выдержка в климатической камере происходила в течение часа, что привело к отсутствию кристаллизации на нагретой части, в то время на ненагретой части произведена полная кристаллизация (фиг. 6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Nuraeva A. et al. Evaporation-Driven Crystallization of Diphenylalanine Microtubes for Microelectronic Applications // Cryst Growth Des. 2016. Vol. 16, № 3. P. 1472-1479.

2. Lee J.H. et al. Diphenylalanine peptide nanotube energy harvesters // ACS Nano. 2018. Vol. 12, № 8. P. 8138-8144.

3. Slabov V. et al. Triboelectric Generator Based on Oriented Self-Assembled Peptide Microbelts // Nanomaterials. 2022. Vol. 12, № 22. P. 1-11.

4. Bank-Srour B. et al. Physical vapor deposition of peptide nanostructures // Polym J. Nature Publishing Group, 2013. Vol. 45, № 5. P. 494-503.

5. Nguyen V., Jenkins K., Yang R. Epitaxial growth of vertically aligned piezoelectric diphenylalanine peptide microrods with uniform polarization // Nano Energy. Elsevier Ltd, 2015. Vol. 17. P. 323-329.

6. Ryan K. et al. Nanoscale Piezoelectric Properties of Self-Assembled Fmoc-FF Peptide Fibrous Networks // ACS Appl Mater Interfaces. 2015. Vol. 7, № 23. P. 12702-12707.

7. Hosseini E.S. et al. Glycine-Chitosan-Based Flexible Biodegradable Piezoelectric Pressure Sensor // ACS Appl Mater Interfaces. 2020. Vol. 12, № 8. P. 9008-9016.

8. Safaryan S. et al. Diphenylalanine-Based Microribbons for Piezoelectric Applications via Inkjet Printing // ACS Appl Mater Interfaces. 2018. Vol. 10, № 12. P. 10543-10551.

9. Romanyuk K. et al. Piezoactive dense diphenylalanine thin films via solid-phase crystallization // Appl Mater Today. Elsevier Ltd, 2022. Vol. 26. P. 101261.

Изобретение относится к способам, предназначенным для изготовления пьезоэлектрических элементов, и может быть использовано для создания биосовместимых пьезоэлектрических структур с заданной геометрией на основе дифенилаланина. Техническим результатом изобретения является усовершенствование технологического процесса кристаллизации дифенилаланина созданием условий, при которых кристаллизация аморфного дифенилаланина происходит локально только в рамках областей заданной геометрии. Технический результат достигается за счет создания в процессе кристаллизации градиента относительной влажности в климатической камере с изменением локальной концентрации молекул воды в заданных пространственных областях. 4 н.п. ф-лы, 6 ил., 4 пр.

1. Способ создания кристаллических структур дифенилаланина с заданной формой и размером кристаллических областей, включающий нанесение раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле на подложку в атмосфере сухого воздуха/азота, выдержку в атмосфере сухого воздуха/азота в течение не менее 2 минут, помещение в климатическую камеру в атмосферу паров воды с относительной влажностью 90%, выдержку в климатической камере в течение не менее 1 часа, отличающийся тем, что после выдержки в атмосфере сухого воздуха/азота перед внесением в климатическую камеру задают геометрию областей, в которых должна производиться кристаллизация, закрытием поверхности дифенилаланина маской с отверстиями, геометрия которых соответствует кристаллизуемым областям, где маска состоит из вещества с ограниченным условиями проникновения водяных паров.

2. Способ создания кристаллических структур дифенилаланина с заданной формой и размером кристаллических областей, включающий нанесение раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле на подложку в атмосфере сухого воздуха/азота, выдержку в атмосфере сухого воздуха/азота в течение не менее 2 минут, помещение в климатическую камеру в атмосферу паров воды с относительной влажностью 90%, выдержку в климатической камере в течение не менее 1 часа, отличающийся тем, что перед внесением слоя дифенилаланина на подложке в климатическую камеру задают геометрию областей, в которых не должна производиться кристаллизация, в климатическую камеру вносят систему из тепловых узлов, геометрия которых соответствует заданным областями, подложку с дифенилаланином вносят в климатическую камеру и располагают под системой тепловых узлов, повышают относительную влажность в климатической камере до 70% при комнатной температуре, повышают температуру тепловых узлов не менее чем на 10°С относительно комнатной температуры, после чего повышают относительную влажность в климатической камере до 90% и выдерживают в течение не менее 1 часа.

3. Способ создания кристаллических структур дифенилаланина с заданной формой и размером кристаллических областей, включающий нанесение раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле на подложку в атмосфере сухого воздуха/азота, выдержку в атмосфере сухого воздуха/азота в течение не менее 2 минут, помещение в климатическую камеру в атмосферу паров воды с относительной влажностью 90%, выдержку в климатической камере в течение не менее 1 часа, отличающийся тем, что перед внесением слоя дифенилаланина на подложке в климатическую камеру задают геометрию областей, в которых должна производиться кристаллизация, в климатическую камеру вносят систему из холодильных узлов, геометрия которых соответствует заданным областями, подложку с дифенилаланином помещают сверху на систему холодильных узлов, повышают относительную влажность в климатической камере до 70% при комнатной температуре, понижают температуру холодильных узлов не менее чем на 10°С относительно комнатной температуры, после чего повышают относительную влажность в климатической камере до 90% и выдерживают в течение не менее 1 часа.

4. Способ создания кристаллических структур дифенилаланина с заданной формой и размером кристаллических областей, включающий нанесение раствора дифенилаланина в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле на подложку в атмосфере сухого воздуха/азота, выдержку в атмосфере сухого воздуха/азота в течение не менее 2 минут, помещение в климатическую камеру в атмосферу паров воды с относительной влажностью 90%, выдержку в климатической камере в течение не менее 1 часа, отличающийся тем, что перед внесением слоя дифенилаланина на подложке в климатическую камеру задают геометрию областей, в которых не должна производиться кристаллизация, в климатическую камеру вносят систему из нагревательных узлов, геометрия которых соответствует заданным областями, подложку с дифенилаланином помещают сверху на систему нагревательных узлов, повышают относительную влажность в климатической камере до 70% при комнатной температуре, повышают температуру нагревательных узлов не менее чем на 10°С относительно комнатной температуры, после чего повышают относительную влажность в климатической камере до 90% и выдерживают в течение не менее 1 часа.