鄭海峰，賈晟哲，王崧成，韓瑞，韓丹丹，高振國，龔俊波

（天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué) 工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

引 言

納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域，主要包括納米材料、納米動力學(xué)、納米生物學(xué)和藥物學(xué)以及納米電子學(xué)。一般來說，納米材料的三維尺寸中至少有一維尺寸小于100 nm，包括一些顆粒（粉體）、薄膜等[1]。隨著納米高新技術(shù)的發(fā)展，越來越多的超細(xì)材料被制備出來，比如亞微米級的炸藥、微米級甚至納米級的藥物顆粒、納米級的催化劑等。在這些材料中，超細(xì)晶體作為一種應(yīng)用前景較為廣闊的新型材料被世界各國學(xué)者深度研究。從廣義上來說，超細(xì)晶體是指從微米級到納米級的晶體顆粒，狹義上是指粒徑范圍在0.1～5 μm 的一系列晶體。由于超細(xì)晶體在光學(xué)、熱力學(xué)、電學(xué)等方面具有獨(dú)特的性質(zhì)，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、電子、能源和建筑裝修等多個領(lǐng)域。目前為止，研究人員通過不同制備方法之間的耦合技術(shù)以及外場強(qiáng)化輔助手段制備了不同種類的超細(xì)晶體。例如，Xu 等[2]用高壓均質(zhì)化技術(shù)和噴霧干燥手段制備出高性能的布地奈德顆粒用于肺部給藥系統(tǒng)，在1000 bar(1 bar=0.1 MPa)，循環(huán)60 次的情況下，制備出了平均粒徑為640 nm的顆粒。Bayat等[3]通過超聲輔助溶析結(jié)晶的手段制備出了具有優(yōu)異性能的納米CL-20 炸藥，與微米級的CL-20 相比，它的撞擊感度和摩擦感度都得到了降低。

一般來說，超細(xì)晶體的制備方法可分為自上而下法和自下而上法。自上而下法就是通過機(jī)械力的作用，將較大的顆粒進(jìn)行粉碎從而得到超細(xì)顆粒[4]。濕磨、氣流噴射研磨[5]、高壓均質(zhì)化都是被廣泛研究的自上而下制備方法[4-5]。自下而上法則是從分子水平制備超細(xì)晶體，與自上而下法相比，它可以實(shí)現(xiàn)對顆粒尺寸、粒度分布以及晶習(xí)的控制[6]。在這類制備方法中，溶析結(jié)晶（反溶劑結(jié)晶）、噴霧干燥結(jié)晶、超臨界流體技術(shù)等結(jié)晶手段被深入研究與應(yīng)用。因此，本文綜述了自上而下和自下而上的制備方法及其制備原理。超細(xì)晶體憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢，在藥物、含能材料、催化劑等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。但由于超細(xì)晶體的Ostwald熟化現(xiàn)象更加明顯，顆粒聚結(jié)也更嚴(yán)重，所以在晶體懸浮液中，顆粒的穩(wěn)定性是一個不可忽視的問題。因此，本文討論了兩種穩(wěn)定劑（聚合物和表面活性劑）對顆粒聚結(jié)的影響。

1 超細(xì)晶體的應(yīng)用

超細(xì)晶體由于其粒徑小、比表面積大而具有某些特殊性質(zhì)，因此，本小節(jié)綜述了其在吸入劑、含能材料和水難溶性藥物領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.1 吸入劑

吸入劑是將藥物溶解或分散在介質(zhì)中，以氣溶膠或蒸氣形式遞送至肺部發(fā)揮局部或全身作用的液體或固體制劑。吸入制劑一般為處方和輔料的組合體，兩部分共同影響使用效果。吸入制劑主要分為4 類，分別是吸入氣霧劑、吸入粉霧劑、吸入噴霧劑和吸入液體制劑[7]。與普通口服制劑相比，吸入制劑的藥物可直接到達(dá)作用部位，減小用藥劑量，起效快，生物利用度高；與注射劑相比，可以提高患者依從性，同時減輕部分藥物的不良反應(yīng)。吸入治療被多國推薦為防止哮喘和慢性阻塞性肺疾?。–OPD）等呼吸道疾病的首要給藥方式。

吸入制劑中活性成分的粒度控制是藥物研發(fā)的關(guān)鍵，根據(jù)人體呼吸道的結(jié)構(gòu)，藥物沉積形式與部位受微粒直徑影響。直徑＞5.0 μm 的微粒會由于粒子間的碰撞，沉積在咽喉和上呼吸道位置，只有0.5～1 μm 的顆粒才可以有效到達(dá)支氣管和肺部。而粒徑＜0.5 μm 的顆粒會由于布朗運(yùn)動隨氣流被呼出體外，無法在肺部沉積。因此，可以利用超細(xì)晶體制備技術(shù)生產(chǎn)出滿足藥物顆粒粒徑要求的吸入制劑。Wu 等[8]用噴霧干燥技術(shù)制備了可吸入的他克莫司納米顆粒，用于肺深部的藥物輸送，這種微粒的最佳粒徑范圍是1.29～1.62 μm，適合深層肺部輸送。Kim 等[9]利用一個基于超臨界CO2的氣溶膠溶劑萃取系統(tǒng)（ASES）實(shí)現(xiàn)了異丙托溴銨的微粉化。結(jié)果表明制備出的顆粒粒徑范圍在2～3 μm之間，主要沉積在肺部的呼吸道。

1.2 含能材料

含能材料包括推進(jìn)劑、炸藥、煙火，這些材料被認(rèn)為是可控的化學(xué)能量儲存系統(tǒng)。推進(jìn)劑和煙火通過相對緩慢的爆燃過程釋放能量，通常需要幾秒才可以實(shí)現(xiàn)完全的燃燒過程。然而，炸藥是在微秒的時間尺度上釋放能量[10]。在含能材料領(lǐng)域，研究的目標(biāo)是發(fā)展高性能、低感度的含能材料。這些材料的感度和它們的化學(xué)性質(zhì)以及物理性質(zhì)是緊密聯(lián)系的。含能材料的物理性質(zhì)，如晶體尺寸、外貌、純度、內(nèi)外部的缺陷、內(nèi)部晶體孔隙的微觀結(jié)構(gòu)在感度方面起著重要作用[11]。炸藥沖擊起爆的理論模型表明，隨著晶體尺寸的減小，炸藥對外界刺激的敏感性降低[12]。Wang 等[13]的研究表明納米級的六硝基芪對沖擊刺激的敏感性低于微米級的六硝基芪。

在亞微米炸藥顆粒中，除了感度明顯降低以外，也觀察到了炸藥顆粒從爆燃到爆轟轉(zhuǎn)變過程中的新行為。有文獻(xiàn)報道納米級的TATB 與微米級的TATB 晶體相比，有更高的質(zhì)量損失。因此，通過減小晶體尺寸，炸藥的感度下降，反應(yīng)性得到提高。Zhang 等[14-15]的研究表明，炸藥的顆粒大小對爆轟的沖擊靈敏度和最大能量輸出有影響。因此，可以通過超細(xì)晶體制備技術(shù)制備低感度、高性能的含能材料。Kumar 等[11]通過溶析結(jié)晶技術(shù)制備出了粒徑范圍在40～230 nm 的納米級RDX。Stepanov 等[16]利用CO2作為溶劑，通過超臨界溶液快速膨脹技術(shù)成功制備出粒徑范圍為200～500 nm 的超細(xì)RDX 晶體，并在無涂層和蠟涂層的樣品上進(jìn)行了感度和靜電放電刺激的起始感度測試，測試數(shù)據(jù)顯示，與粗粒度的樣品相比，RDX 的納米晶體樣品對沖擊刺激的敏感性大大降低。

1.3 水難溶性藥物

大量的活性藥物成分溶解度差已經(jīng)是藥物開發(fā)過程中的一個主要挑戰(zhàn)，溶解度差的藥物很難通過傳統(tǒng)方法制備，且生物利用度差。據(jù)報道，超過40%的藥物分子由于溶解度和生物利用度差導(dǎo)致其不能被有效地開發(fā)利用[17]。國際上通用的藥物分類系統(tǒng)包括生物藥劑學(xué)分類系統(tǒng)（biopharmaceutic classification system,BCS）和藥物可開發(fā)性分類系統(tǒng)（developability classification system, DCS）。BCS 系統(tǒng)根據(jù)藥物的溶解度和膜滲透性，分為4類，大部分的水難溶性藥物屬于BCSⅡ類（低溶解度和高滲透性）[18]。為了解決水難溶性藥物的這些問題，研究者們開發(fā)了大量的方法提高它們的溶解度和溶出速率。增加藥物溶出度的傳統(tǒng)方法包括形成鹽，使用增溶劑、絡(luò)合劑等。目前，傳統(tǒng)方法的使用越來越受到限制，主要是由于與鹽形成相關(guān)的副作用、共溶劑的添加，以及在配方中需要大量的輔料[19]。其他提高藥物生物利用度的方法包括微乳劑、熔體擠出、脂質(zhì)體[20]及固體分散體[21]等。這些方法已成功地用于開發(fā)低水溶性藥物。除了上面提到的方法之外，顆粒超細(xì)化也是提高水難溶性藥物生物利用度的有效途徑。根據(jù)Noyes-Whitney 公式[式（1）][22]和Ostwald-Freundlich 公式[式（2）][23]，降低藥物粒徑能夠增大藥物表面積，從而提高藥物在水中的溶解度和溶出速率。

式中，dX∕dt是溶出速率；D是擴(kuò)散系數(shù)；a是表面積；hD是擴(kuò)散距離；Cs是飽和溶解度；Ct是顆粒濃度。

式中，Cα是含有大顆粒的固體溶解度；σ是界面張力；V是顆粒的摩爾體積；R是摩爾氣體常數(shù)；T是熱力學(xué)溫度；ρ是固體密度；r是半徑。

Mezzomo 等[24]利用SAS 技術(shù)成功制備出了納米尺寸的布洛芬（超臨界CO2作為反溶劑），評價了溫度、壓力、溶液的進(jìn)料濃度、溶液流動速率對布洛芬析出的影響，制備出了粒徑范圍在（380±84）nm的布洛芬，并確定了最佳制備條件。通過減小布洛芬的顆粒尺寸到納米尺度，顆粒表面積增加，生物利用度顯著提高。Kakran 等[25]通過高壓均質(zhì)化、球磨和溶析結(jié)晶三種方法分別制備出了槲皮素納米晶體，溶解度研究結(jié)果表明，相比于粗槲皮素粉，槲皮素納米晶體的飽和溶解度顯著增加。槲皮素納米晶體的溶出率高于粗粒槲皮素。研磨法制備的納米懸浮液在120 min 內(nèi)完全溶解，而均質(zhì)法制備的納米懸浮液溶出率為70%，粗粒槲皮素微懸浮液溶出率僅為10%。

除了上述應(yīng)用外，超細(xì)晶體在催化劑、顆粒噴涂領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。張曉萌等[26]通過原位還原氯鉑酸和十甲基五元瓜環(huán)的超分子晶體材料，成功制備了粒徑尺寸約3 nm 的超細(xì)鉑納米粒子，該粒子對于溫和條件下催化加氫硝基苯反應(yīng)具有優(yōu)良的催化活性、高穩(wěn)定性和高化學(xué)選擇性[26]。

2 制備方法

本小節(jié)綜述了超細(xì)晶體不同的制備方法，包括自上而下法和自下而上法，并總結(jié)了各種制備方法的粒度控制因素、制備原理等，如圖1所示。

圖1 超細(xì)晶體的制備方法[17，27-29]Fig.1 The preparation methods of ultrafine crystals[17，27-29]

2.1 自下而上法

2.1.1 溶析結(jié)晶 溶析結(jié)晶，也叫作反溶液結(jié)晶，是在制備超細(xì)晶體時，一種被廣泛應(yīng)用和研究的制備手段。簡單來說，就是向溶液中加入反溶劑，從而降低溶質(zhì)在溶液中的溶解度，使其結(jié)晶析出的過程。反溶劑既可以是液相，也可以是氣相[30-32]。在溶析結(jié)晶制備超細(xì)晶體的過程中，關(guān)鍵的問題是促進(jìn)晶體的成核，抑制晶體的生長。而較大的過飽和度可以提高成核速率，因此在溶析結(jié)晶中，過飽和度的調(diào)控對最終產(chǎn)品的粒度分布以及晶習(xí)有著至關(guān)重要的作用[30]。除此之外，溶劑和反溶劑的類型、溶劑與反溶劑的比值、溶劑與反溶劑的加入順序都會影響到結(jié)晶過程，從而對最終產(chǎn)品的性質(zhì)產(chǎn)生影響。Thorat 等[30]綜述了利用溶析結(jié)晶制備水難溶性藥物超細(xì)顆粒的策略，重點(diǎn)討論了控制顆粒尺寸、粒度分布、顆粒穩(wěn)定的方法。如圖2所示，Dalvi等[33]提出了溶析結(jié)晶中顆粒的形成過程，即溶液與反溶劑充分混合產(chǎn)生過飽和度，進(jìn)一步促進(jìn)晶體自發(fā)成核，然后晶體生長，聚結(jié)形成顆粒。

圖2 晶體顆粒析出過程示意圖[33]Fig.2 Schematic diagram of crystal particle precipitation process[33]

相比于其他自下而上的制備方法，溶析結(jié)晶的操作流程簡單，設(shè)備簡易，不需要高壓設(shè)備或者其他的一些昂貴設(shè)備，原料可以回收利用，大大減少了生產(chǎn)費(fèi)用，易于產(chǎn)業(yè)放大。但它當(dāng)今面臨的主要問題是粒度分布的調(diào)控，基于Ostwald熟化機(jī)制晶體生長的控制以及晶體顆粒結(jié)塊現(xiàn)象。一些研究人員利用溶析結(jié)晶方法已經(jīng)制備出了性能優(yōu)異的超細(xì)顆粒，并探究了溶析結(jié)晶中影響顆粒尺寸的因素。例如，Zu 等[34]通過溶析結(jié)晶技術(shù)成功制備出了黃杉素納米顆粒，大大提高了其溶解度、抗氧化能力和生物利用度。Zhang 等[35]通過溶析結(jié)晶實(shí)現(xiàn)了阿托伐他汀鈣的微粉化，并探究了攪拌時間、原料濃度以及干燥方法對顆粒尺寸的影響，制備得到的阿托伐他汀鈣顆粒在溶出測試中，表現(xiàn)出良好的溶出度。通過溶析結(jié)晶制備超細(xì)晶體依賴于溶液與反溶劑快速強(qiáng)烈的混合，在短時間內(nèi)形成較大的過飽和度，這類制備方法可分為兩種類型，一種是簡單混合，另一種是強(qiáng)化混合[36]。

簡單混合使用靜態(tài)混合器，以實(shí)現(xiàn)快速均勻混合[30]。在這個過程中，合適的溶劑應(yīng)該可以充分地溶解溶質(zhì)，快速地?cái)U(kuò)散到反溶劑中。溶劑的挑選主要基于藥物在溶劑中的溶解度，此外，溶劑與穩(wěn)定劑之間的相互作用也應(yīng)該被重點(diǎn)考慮。靜態(tài)混合器在研究中被視為一種簡單的混合設(shè)備，相比于其他混合設(shè)備，它具有低成本、低能耗、空間體積小、混合均勻等優(yōu)點(diǎn)。

Sinha 等[32]綜述了制備藥物納米晶體自下而上的方法，總結(jié)了一些強(qiáng)化混合的手段，比如外場的加入，或者結(jié)晶環(huán)境的變化。這些手段可以導(dǎo)致形成更小的顆粒和更窄的粒徑分布。常用的強(qiáng)化混合手段有超聲輔助結(jié)晶、超重力可控結(jié)晶技術(shù)。

超聲輔助結(jié)晶是一種利用超聲強(qiáng)化溶劑與反溶劑混合的一種結(jié)晶手段，它的原理是形成氣泡，氣泡坍塌釋放沖擊波。這種沖擊波導(dǎo)致了更快速、更均一的成核過程，通過控制晶核的數(shù)量，使粒子尺寸更小，減小粒子的團(tuán)聚。最終產(chǎn)品的顆粒尺寸取決于超聲作用的持續(xù)時間、強(qiáng)度以及超聲的頻率。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，將探針超聲器浸入在保持?jǐn)嚢璧娜萜髦幸允谷軇┡c反溶劑充分混合。超聲輔助結(jié)晶是一個快速的過程，可以在幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)溶劑與反溶劑的混合。超聲引起的空化現(xiàn)象經(jīng)典的數(shù)學(xué)方程是Kirkwood-Bethe微分方程，如式（3）。

式中，A是液體中的聲速；H是球形氣泡的臨界焓；U是球形氣泡的臨界速度。

Kirkwood-Bethe 微分方程在空化過程中，對氣泡的形成、發(fā)展、坍塌過程做了一定的簡化。氣泡坍塌釋放的壓力會影響流體的流動情況。科研人員利用超聲制備出了平均粒徑為112 nm 的乙酰氯芬酸超細(xì)晶體，在體外和體內(nèi)的測試中，藥物的溶出速率和生物利用度得到了顯著提高[36]。

超重力可控結(jié)晶技術(shù)常用來制備納米級的無機(jī)顆粒，如CaCO3和Al(OH)3，以及有機(jī)顆粒，如麻黃素、苯甲酸等。通過這種方法制備的顆粒，粒度分布窄、晶習(xí)穩(wěn)定。如圖3所示，這種技術(shù)采用了一個旋轉(zhuǎn)的填料床，填料一般是金屬或者塑料絲網(wǎng)，兩股液體A 和B 經(jīng)過分配器，在旋轉(zhuǎn)填料床的中心混合，由于離心力，中心處的混合液受到超重力作用，使其經(jīng)由填料離開反應(yīng)器。

圖3 超重力可控結(jié)晶示意圖[37]Fig.3 Schematic diagram of high gravity controlled crystallization[37]

超重力溶析結(jié)晶就是將超重力可控結(jié)晶與溶析結(jié)晶結(jié)合的過程。超重力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低成本、高產(chǎn)量，最重要的是，它并不需要穩(wěn)定劑控制顆粒的尺寸，主要是因?yàn)闅庖夯蛞阂簝上嘣诔亓Νh(huán)境下的多孔介質(zhì)或孔道中產(chǎn)生流動接觸，巨大的剪切力和快速更新的相界面使得微觀混合和傳質(zhì)過程都得到極大強(qiáng)化。這可使顆粒成核過程在微觀均勻環(huán)境下進(jìn)行，從而使成核過程可控，粒度分布變窄，無須加入穩(wěn)定劑就能得到納米顆粒。超重力溶析結(jié)晶保留了超重力技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，Chiou 等[38]通過超重力溶析結(jié)晶制備出硫酸沙丁胺醇超細(xì)晶體，制備過程中并未使用穩(wěn)定劑。

在利用溶析結(jié)晶技術(shù)制備超細(xì)晶體時，不同的混合方式對產(chǎn)品的粒徑有一定影響。此外，在制備藥物晶體時，水作為一種優(yōu)良反溶劑被廣泛使用。表1 列舉了溶析結(jié)晶不同混合方式制備的超細(xì)晶體。

2.1.2 噴霧干燥結(jié)晶 噴霧干燥是一個能量集中，連續(xù)可放大的干燥過程，它可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生顆粒粒度分布較窄的納米或微米顆粒[43]。由于噴霧干燥可以除濕且不會影響物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，它最初應(yīng)用于食品和乳制品行業(yè)。然后迅速擴(kuò)展到其他行業(yè)，如化妝品和電子產(chǎn)業(yè)。如圖4所示，噴霧干燥過程可以分為三個階段，原料液的霧化、液滴的干燥、粉末的回收。首先，原料液通過噴嘴進(jìn)入干燥室，經(jīng)噴嘴霧化形成細(xì)小液滴，即圖中的（1）、（2）、（3）部分。其次，干燥氣體與液滴在干燥室中接觸，并在液滴表面進(jìn)行質(zhì)量和熱量傳遞，即圖中的（4）部分。最后，在旋風(fēng)分離器中，固體顆粒從氣相介質(zhì)中分離出來，并被收集裝置收集，即圖中的（5）、（6）部分。

圖4 噴霧干燥過程示意圖[43]Fig.4 Schematic diagram of spray drying process[43]

影響噴霧干燥效果的參數(shù)有兩類，分別是原料液參數(shù)和過程工藝參數(shù)。原料液參數(shù)包括所選溶劑的理化性質(zhì)，如黏度、蒸發(fā)潛熱、溶質(zhì)濃度、原料液的穩(wěn)定性。過程工藝參數(shù)包括進(jìn)料速度、進(jìn)出口溫度、霧化器的類型、干燥氣的類型和流動速率。常見的霧化器可分為超聲噴嘴、旋轉(zhuǎn)霧化器、單流體霧化器、多流體霧化器，不同的霧化器產(chǎn)生的液滴尺寸不同，而液滴的尺寸又會最終影響到產(chǎn)品的粒度[44]。常見的干燥氣為N2、空氣、CO2等。如圖5 所示，按照霧化器相對于進(jìn)口氣體的位置，可將干燥室內(nèi)氣體的流動方式分為并流、對流和混合流。

圖5 干燥室內(nèi)氣體的流動方式[45]Fig.5 Types of airflow in spray dryer[45]

以上這些參數(shù)會對產(chǎn)品的粒度分布、晶習(xí)、堆密度產(chǎn)生重要影響，所以，如果要制備出符合要求的產(chǎn)品，需要選擇合適的操作設(shè)備以及操作參數(shù)。表2列舉了一些影響產(chǎn)品粒徑的參數(shù)，如進(jìn)料速率、干燥氣的類型等。

表2 影響最終產(chǎn)品粒徑的參數(shù)Table 2 Parameters affecting particle size of the final product

隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新穎有前景的噴霧干燥技術(shù)被提出，比如利用靜電排斥作用產(chǎn)生更細(xì)液滴的電噴霧技術(shù)[50]和強(qiáng)化干燥過程的脈沖燃燒噴霧干燥器[51]。其中，電噴霧技術(shù)是指在電場作用下，將帶電液滴破碎成微納米級的液滴。與傳統(tǒng)的機(jī)械噴霧相比，電噴霧技術(shù)產(chǎn)生的液滴更小，尺寸大小分布更均勻，液滴的大小可控，且不易聚集。利用電噴霧技術(shù)，將溶液霧化成納米級液滴，成功制備了納米級的超細(xì)顆粒。噴霧干燥技術(shù)作為一種產(chǎn)品質(zhì)量均一、過程連續(xù)可控、適應(yīng)性強(qiáng)、可放大的超細(xì)晶體制備方法，仍存在一些問題，比如產(chǎn)品易聚結(jié)、不適用于一些熱分解溫度低的物質(zhì)。

2.1.3 超臨界流體技術(shù) 超臨界流體是高效傳質(zhì)的理想介質(zhì)，它極大地縮小了相平衡所需要的時間[52]。通過簡單的減壓、升溫即可引起流體溶解度的變化，從而使其中的溶質(zhì)迅速地達(dá)到過飽和而結(jié)晶析出，所以超臨界流體是一種優(yōu)良的結(jié)晶溶劑。

CO2的臨界溫度是31℃，臨界壓力是7.4 MPa，都比較容易實(shí)現(xiàn)，所以CO2是一種被廣泛應(yīng)用的超臨界流體。在超臨界流體技術(shù)中，可以通過對操作條件的控制制備微米級超細(xì)晶體并且可以控制其粒度分布。目前來說，利用超臨界流體技術(shù)制備超細(xì)晶體應(yīng)用最廣泛的方法分別是超臨界溶液快速膨脹法（RESS）、超臨界反溶劑法（SAS）、氣體飽和溶液粒子沉積（PGSS）。表3 總結(jié)了一些利用超臨界流體技術(shù)制備超細(xì)晶體的例子。

表3 超臨界流體技術(shù)制備超細(xì)晶體Table 3 Ultrafine crystals prepared by supercritical fluid technology

（1）超臨界流體快速膨脹法（RESS）。超臨界流體快速膨脹法適用于在超臨界流體中有較大溶解度的溶質(zhì)，它的原理是將溶解溶質(zhì)的超臨界流體通過特制的噴嘴快速膨脹，其相應(yīng)的溶解能力急劇下降，在短時間（10-5s）內(nèi)，溶質(zhì)在超臨界流體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械擾動和極大的過飽和比，前者可以促進(jìn)均一成核，形成很窄的粒徑分布；后者可以增大成核速率，從而制備出粒度分布均勻的超細(xì)顆粒[33]。研究表明,RESS 過程中的壓力、溫度、噴嘴結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)的濃度等因素都會影響到產(chǎn)品的粒徑和粒度分布。RESS的優(yōu)點(diǎn)是不會存在溶劑殘留現(xiàn)象，但由于大部分物質(zhì)在超臨界流體中溶解度很低，特別是在超臨界CO2中，這就大大限制了它的應(yīng)用。

（2）超臨界反溶劑法（SAS）。超臨界反溶劑法適用于微溶或不溶于超臨界流體的溶質(zhì)。它的原理是首先將溶質(zhì)溶解或懸浮在有機(jī)相中，然后將這種有機(jī)溶液與對溶質(zhì)親和力低、與有機(jī)相具有互溶性的超臨界反溶劑接觸，超臨界反溶劑迅速溶入有機(jī)溶液，使有機(jī)溶液膨脹，降低溶液的溶解能力，從而使溶質(zhì)析出。在這個過程中，晶體的成核與生長被兩個機(jī)理控制：有機(jī)相中反溶劑的擴(kuò)散和反溶劑相中有機(jī)溶劑的蒸發(fā)。反溶劑的擴(kuò)散降低了有機(jī)相對溶質(zhì)的溶解能力，而有機(jī)溶劑的蒸發(fā)增加了溶液的濃度，因此可以提高過飽和度[62]?？梢酝ㄟ^對過程參數(shù)的控制，如溫度、壓力、流動速率、擾動速率等實(shí)現(xiàn)對晶習(xí)的調(diào)控。

SAS 又可細(xì)分為氣體反溶劑法(GAS)、氣溶膠溶劑萃取系統(tǒng)(ASES)和超臨界流體強(qiáng)化溶液分散(SEDS)。GAS 是一個間歇過程，它是將超臨界流體逐漸地加入到溶液中，因此，超臨界流體的加入速率成為控制晶習(xí)、顆粒尺寸以及粒度分布的重要參數(shù)。ASES是一個半連續(xù)的過程，它是將溶液通過噴嘴霧化后進(jìn)入到壓縮氣體中，形成超細(xì)液滴。在這個過程中，促進(jìn)了溶劑和超臨界流體之間的質(zhì)量傳遞，形成了超細(xì)顆粒。Thies 等[63]發(fā)展了ASES 法并以此制備了聚乳酸顆粒，研究了噴嘴直徑、CO2密度和所使用的噴射壓力對最終微粒的影響。ASES 不適用于水體系，因?yàn)樽畛Ｓ玫某R界流體——超臨界CO2，在水中具有非常低的溶解度。因此，在此基礎(chǔ)之上，SEDS 方法得以發(fā)展起來。在這種方法中，溶液和超臨界流體同時引入噴嘴中使超臨界流體能與溶液高度混合，產(chǎn)生的液滴比純液相溶液噴射得到的液滴尺寸更小，Ghaderi 等[64]用SEDS 法制備了聚乳酸、聚己酸內(nèi)酯微粒，直徑達(dá)幾個微米。與RESS方法類似，影響SAS過程的一些主要因素是溫度、壓力、溶質(zhì)濃度、噴嘴結(jié)構(gòu)等。SAS 的優(yōu)點(diǎn)是便于對顆粒性質(zhì)組成進(jìn)行監(jiān)控，操作靈活，但產(chǎn)業(yè)放大困難、物質(zhì)利用度低限制了它的應(yīng)用。

（3）氣體飽和溶液粒子沉積(PGSS)。PGSS 過程的原理是基于超臨界流體在液態(tài)或者一些高聚物中的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這些物質(zhì)在超臨界流體中的溶解度，在該過程中，將超臨界CO2溶入液態(tài)或固態(tài)懸浮液中，達(dá)到飽和后，高壓的氣液或氣液固混合物經(jīng)過噴嘴降壓膨脹，由于焦耳-湯姆遜效應(yīng)，溶液溫度降低，便會形成超細(xì)顆粒[65]。以超臨界CO2為例，首先將超臨界CO2溶解在熔融狀態(tài)或液相懸浮狀態(tài)的物質(zhì)中，導(dǎo)致氣相過飽和狀態(tài)的形成，然后將其通過噴嘴膨脹形成固體顆?；蛞旱?。PGSS 的優(yōu)點(diǎn)是超臨界流體用量低、在相對低壓下操作、產(chǎn)品中無溶劑、應(yīng)用較為廣泛。

2.2 自上而下法

2.2.1 介質(zhì)研磨 介質(zhì)研磨是一個機(jī)械摩擦的過程，通過研磨介質(zhì)和表面修飾劑的作用，將微米級的晶體顆粒濕磨成超細(xì)晶體。研磨介質(zhì)一般是球形，平均尺寸小于3 mm。研磨介質(zhì)通常是氧化鋯、硅酸鋯或者其他的介質(zhì)，如二氧化鈦、玻璃、高交聯(lián)的聚苯乙烯樹脂等。表面修飾劑包括各種各樣的聚合物、天然產(chǎn)物和表面活性劑，如聚乙烯吡咯烷酮、Pluronic F68。在介質(zhì)研磨過程中，高能剪切力和研磨介質(zhì)與固體藥物碰撞時產(chǎn)生的力為晶體破碎成納米級顆粒提供能量[66]。介質(zhì)研磨過程的示意圖如圖1 所示。Liversidge 等[67-68]報道了水難溶性藥物萘普生，經(jīng)過5 d 的濕磨后，顆粒粒徑從20 μm 左右減小到270 nm。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）K-15 在懸浮液中被用作穩(wěn)定劑，萘普生和聚乙烯吡咯烷酮K-15 的含量比例為5∶3。在長達(dá)4 周的時間里，萘普生懸浮液依舊沒有發(fā)生聚結(jié)，理化性質(zhì)很穩(wěn)定。然而，介質(zhì)研磨的局限性在于研磨材料的殘余物會引入最終產(chǎn)物中，從而污染產(chǎn)物。這些研磨介質(zhì)在腸胃流體中并不會溶解，因此在藥物研發(fā)中這是個棘手的問題。此外，介質(zhì)研磨花費(fèi)的時間一般較長，引入空氣中微生物污染的風(fēng)險也相應(yīng)地提高了。

2.2.2 高壓均質(zhì)化技術(shù) 高壓均質(zhì)化技術(shù)是另一種利用機(jī)械作用制備超細(xì)晶體的方法，具體來說，是通過高壓均質(zhì)機(jī)（比如活塞均質(zhì)機(jī)）產(chǎn)生的空化作用將懸浮液中的晶體顆粒粉碎成超細(xì)顆粒。在均質(zhì)化的過程中，含有晶體顆粒的懸浮液通過均質(zhì)機(jī)上一個非常小的噴嘴。在這個均質(zhì)化噴嘴里，根據(jù)伯努利方程，晶體顆粒懸浮液的流速和動壓力增加，靜壓力降低，導(dǎo)致水的沸點(diǎn)降低。因此，水在室溫下開始沸騰并產(chǎn)生氣泡，當(dāng)流體離開噴嘴時，氣泡破裂產(chǎn)生的空化作用可以把藥物顆粒粉碎成超細(xì)顆粒[4]。此外，顆粒之間的高速碰撞也有助于形成超細(xì)晶體。高壓均質(zhì)機(jī)的示意圖如圖1 所示。

通過高壓均質(zhì)化制備超細(xì)晶體，兩個重要的技術(shù)參數(shù)分別是均質(zhì)壓力和循環(huán)次數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)對顆粒尺寸進(jìn)行控制。Muller 等[69-70]通過高壓均質(zhì)化技術(shù)，在1500 bar 的壓力，循環(huán)10 次的情況下，成功制備出了平均粒徑為511 nm 的布地奈德。高壓均質(zhì)化技術(shù)制備超細(xì)晶體的優(yōu)點(diǎn)是易于產(chǎn)業(yè)放大，可以實(shí)現(xiàn)每小時幾百升到幾千升的產(chǎn)量，但對于高壓均質(zhì)化技術(shù)來說，產(chǎn)品結(jié)晶度是一個不可忽略的挑戰(zhàn)，在高壓情況下，一些晶體的結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變，從而影響產(chǎn)品的結(jié)晶度。

表4 是各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，從表中可以看出，相比于其他方法，自上而下法更加普遍，便于產(chǎn)業(yè)放大，操作也更為簡單，但自上而下法也有其局限的地方，如耗時耗能、可能會引起產(chǎn)品性質(zhì)的變化、產(chǎn)品中可能有金屬成分殘余物等。自下而上法從分子水平上制備超細(xì)晶體，耗能少，設(shè)備簡單且制備的晶體粒徑分布窄。但由于過程中影響顆粒粒徑的因素復(fù)雜，對實(shí)驗(yàn)條件的準(zhǔn)確控制較難。

表4 超細(xì)晶體制備方法優(yōu)缺點(diǎn)匯總Table 4 Summary of advantages and disadvantages of ultrafine crystal preparation methods

3 超細(xì)晶體懸浮液穩(wěn)定劑

在超細(xì)晶體的制備過程中，晶體顆粒一般存在于液相介質(zhì)中，從而形成納米混懸液。由于納米混懸液中顆粒的高比表面積以及正的Gibbs 自由能，它在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，傾向于通過聚結(jié)降低它的總能量[71-72]。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的活化能在聚結(jié)過程中起重要作用，通過向系統(tǒng)中加入穩(wěn)定劑，可以增加系統(tǒng)的活化能以有效地阻止聚結(jié)，即一個合適的穩(wěn)定劑應(yīng)該為聚結(jié)提供一個能壘[72]。如圖6 所示，提供這種能壘的機(jī)制是靜電排斥和空間位阻效應(yīng)，可以分別通過添加帶電表面活性劑和非離子表面活性劑或聚合物實(shí)現(xiàn)。

圖6 穩(wěn)定劑的穩(wěn)定機(jī)制示意圖[73]Fig.6 Schematic diagram of mechanisms of the stabilizer[73]

理論上可以通過經(jīng)典或者優(yōu)化的Deryagin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理論理解能壘的概念。DLVO 理論描述了固體粒子在液相介質(zhì)中的相互作用，包括：吸引力，即范德華相互作用；排斥力，即溶液中顆粒周圍的雙電層之間的靜電相互作用以及溶劑化作用（優(yōu)化的DLVO 理論），來自于固體顆粒周圍的溶劑分子層[72]。因此，可以通過加入合適的穩(wěn)定劑提高顆粒聚結(jié)的能壘，防止顆粒發(fā)生聚結(jié)現(xiàn)象。對于防止顆粒聚結(jié)、提高最終產(chǎn)品的保質(zhì)期來說，不管用自上而下的方法還是自下而上的方法，合適穩(wěn)定劑的挑選以及最佳濃度的選擇都是非常重要的[13]。常用的穩(wěn)定劑包括聚合物和表面活性劑，以下將分別討論這兩類穩(wěn)定劑對顆粒聚結(jié)、懸浮液穩(wěn)定性的影響。

3.1 表面活性劑

表面活性劑吸附在固液相界面處，降低了表面張力，從而增加了晶體的成核速率，利于產(chǎn)生小尺寸的顆粒。表面活性劑可分為離子型表面活性劑和非離子型表面活性劑。離子型表面活性劑吸附在顆粒表面形成雙電層產(chǎn)生靜電排斥作用，從而可以防止顆粒聚結(jié)。非離子型表面活性劑吸附在顆粒表面，通過空間位阻效應(yīng)穩(wěn)定懸浮液，抑制顆粒聚結(jié)。表面活性劑的類型和濃度會影響懸浮液的穩(wěn)定效果。增加表面活性劑的濃度，有利于它更快速地吸附在顆粒表面，從而導(dǎo)致更小的顆粒尺寸。但是，在臨界膠束濃度以上，表面活性劑更傾向于自身團(tuán)聚而不是吸附在其他表面[13]。因此，顆粒表面的表面活性劑相應(yīng)地會減少，顆粒會更易于聚結(jié)，從而導(dǎo)致更大的顆粒尺寸[74]。此外，表面活性劑的最佳濃度也取決于它的分子結(jié)構(gòu)。Dalvi 等[14]的研究表明，對于長疏水鏈、親水頭部基團(tuán)較大的表面活性劑來說，最佳濃度也更低。因?yàn)殚L的疏水鏈可以覆蓋更大的顆粒面積，更大的親水頭部基團(tuán)可以提供更大位阻，從而阻止顆粒聚結(jié)。在臨界膠束濃度以下，離子型表面活性劑比非離子型表面活性劑具備更優(yōu)的穩(wěn)定效果，這是由于離子型表面活性劑可以吸附在顆粒表面，利用電荷排斥作用防止顆粒聚結(jié)，使溶液更加穩(wěn)定。常用的離子型表面活性劑有SDS（十二烷基硫酸鈉）和NaDC（脫氧膽酸鈉）。非離子型表面活性劑有泊洛沙姆、Tween80、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羥丙基甲基纖維素（HPMC）。Dalvi 等[14]通過超聲輔助溶析結(jié)晶的方法成功制備出超細(xì)灰黃霉素顆粒，通過加入表面活性劑，比如SDS 和Tween80，有效地防止了顆粒聚結(jié)，并對比了兩種穩(wěn)定劑的防聚結(jié)效果。

3.2 聚合物

與表面活性劑一樣，聚合物吸附在固液相界面，降低界面張力從而增加成核速率。另一方面，聚合物吸附在顆粒表面通過空間位阻效應(yīng)防止顆粒聚結(jié)[75]。與表面活性劑的臨界膠束濃度相似，對于聚合物來說，如果濃度超過臨界聚沉濃度，也會發(fā)生自身的團(tuán)聚從而增加顆粒尺寸。對于離子型的聚合物來說，它可以兼具電荷排斥作用和空間位阻效應(yīng)，所以防聚結(jié)的效果更好。但是，離子型聚合物在水中的溶解度一般較大，吸附在顆粒表面的聚合物就相應(yīng)地減少，影響防聚結(jié)的效果，從而增加了最終顆粒的尺寸[76]。在聚合物溶液中，顆粒的穩(wěn)定性取決于幾個重要的因素，分別是溶劑性質(zhì)，吸附在顆粒表面聚合物的數(shù)目和聚合物表面親和力。Sinha 等[32]深入研究了穩(wěn)定劑對顆粒聚結(jié)的影響，如圖7 所示，在合適的溶劑里，聚合物充分地吸附在顆粒表面，確保了顆粒的穩(wěn)定。聚合物不完全吸附在顆粒表面或者吸附速率太慢，會導(dǎo)致顆粒之間發(fā)生相互作用產(chǎn)生聚結(jié)或者以聚合物為輔助橋梁的形式產(chǎn)生聚結(jié)。另一方面，不適宜的溶劑將會引發(fā)顆粒的聚結(jié)。在這種情況下，即使有聚合物吸附在顆粒表面，也會導(dǎo)致位阻效應(yīng)降低，范德華吸引力增加，相比于溶劑與聚合物的吸引力，聚合物之間的吸引力成為主導(dǎo)作用。

圖7 顆粒-穩(wěn)定劑-溶劑之間的相互作用示意圖[13]Fig.7 Schematic description of particle-stabilizer-solvent interaction[13]

此外，聚合物的黏度也會影響顆粒的尺寸，高黏度的聚合物會降低晶體顆粒的流動性，減少顆粒的碰撞頻率從而降低最終顆粒的尺寸。

4 結(jié)論與展望

近年來，超細(xì)晶體因其顆粒小、比表面積大等特殊的理化性質(zhì)，在化工、印刷、食品和生物等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了超細(xì)晶體在吸入劑、含能材料和水難溶性藥物領(lǐng)域的重要應(yīng)用。其次，總結(jié)了超細(xì)晶體的制備方法，其在總體上可以概括為兩類，一類是利用物理機(jī)械力的辦法將晶體粉碎，比如介質(zhì)研磨法和高壓均質(zhì)化技術(shù)。這類方法操作簡單，便于產(chǎn)業(yè)放大，但耗時耗能。另一類方法是通過化學(xué)合成從分子水平上制備超細(xì)晶體，比如溶析結(jié)晶、噴霧干燥結(jié)晶以及利用超臨界流體技術(shù)。通過這類方法制備超細(xì)晶體可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品粒度、晶習(xí)的控制，但操作過程復(fù)雜，影響最終晶體性質(zhì)的因素太多，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)放大有一定困難。最后，本文總結(jié)了兩種類型的穩(wěn)定劑對顆粒聚結(jié)的影響，討論了穩(wěn)定劑的類型和濃度對聚結(jié)效果的影響，并概括了穩(wěn)定劑防聚結(jié)的機(jī)理以及顆粒穩(wěn)定性的影響因素。

盡管目前來說，超細(xì)晶體的制備方法已經(jīng)成熟，但仍面臨一些問題。對于自上而下法，減少操作時間和外來雜質(zhì)的影響是個挑戰(zhàn)。而對于自下而上法來說，防止顆粒聚結(jié)、溶劑殘留，保持溶液穩(wěn)定是需要重點(diǎn)解決的問題。為此，本文對超細(xì)晶體的制備以及防止顆粒聚結(jié)提出了以下展望。

（1）通過把不同的制備方法連用，來進(jìn)一步提升制備效能是一種可行的方式。例如：把濕磨和高壓均質(zhì)化技術(shù)連用，先將樣品通過濕磨進(jìn)行預(yù)處理，然后通過高壓均質(zhì)化將顆粒進(jìn)一步粉碎。也可以將結(jié)晶手段與高壓均質(zhì)化技術(shù)結(jié)合，制備性能優(yōu)異的超細(xì)晶體。

（2）開發(fā)性能優(yōu)異的穩(wěn)定劑或者將不同穩(wěn)定劑復(fù)合使用也有助于解決懸浮液中顆粒聚結(jié)的問題。

（3）研究新型反應(yīng)裝置并用外場強(qiáng)化手段輔助結(jié)晶，以促進(jìn)結(jié)晶過程中的充分混合也是制備高性能超細(xì)晶體的可行舉措。