四川大學(xué)/上海交大合作，最新Nature Chemical Engineering：破解納米載體規(guī)模化生產(chǎn)難題

納米載體（直徑1–1000 nm）是藥物遞送、疫苗研發(fā)和診斷等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可或缺的工具。它們可以由脂質(zhì)、表面活性劑、共聚物或無機(jī)物構(gòu)建而成。盡管近年來微流控技術(shù)等先進(jìn)方法在制備均勻納米載體方面取得了顯著成功，但目前的制造方法仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：要么需要高壓均質(zhì)、超聲等特殊設(shè)備，能耗高且易產(chǎn)生熱量；要么制備出的顆粒多分散性高。雖然自納米乳化作為一種更環(huán)保的替代方案?jìng)涫荜P(guān)注，但現(xiàn)有方法通常需要高濃度的表面活性劑（引發(fā)安全擔(dān)憂），或?qū)H值、溫度等環(huán)境因素極為敏感，且生產(chǎn)效率相對(duì)較低，難以滿足大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用需求。

針對(duì)這一長(zhǎng)期存在的瓶頸，四川大學(xué)的汪偉教授與上海交通大學(xué)的鄧楠楠副教授合作研發(fā)了一種由非平衡表面活性劑分配驅(qū)動(dòng)的自納米乳化新機(jī)制。核心在于，利用表面活性劑在水相和油相之間的自發(fā)、快速遷移，誘導(dǎo)油-水界面產(chǎn)生劇烈的不穩(wěn)定性，從而自發(fā)地將大油滴破碎成均勻的納米級(jí)液滴。該方法能在1分鐘內(nèi)快速生產(chǎn)出5升高度均一的納米乳液（其中分散相為0.2升），液滴直徑可小至34 nm，多分散性指數(shù)低于0.10。該技術(shù)對(duì)廣泛的pH值（~3–11）和溫度（~4–85 °C）條件都具有魯棒性，并兼容超過十種油-水-表面活性劑體系，可用于制備納米液滴、膠束、囊泡、聚合物納米粒子和金屬有機(jī)框架納米晶體等多種功能納米載體。相關(guān)研究成果以題為“Non-equilibrium surfactant partitioning drives self-nanoemulsification for scalable nanocarrier production”發(fā)表在最新一期《nature chemical engineering》上。

機(jī)理研究

研究的核心機(jī)制在于利用表面活性劑的分配系數(shù)（KP）。當(dāng)一個(gè)優(yōu)先分配于油相的表面活性劑被預(yù)先放置在水相中時(shí)，兩相接觸瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)巨大的濃度差（ΔC>0）和吉布斯自由能變化（ΔG>0），驅(qū)動(dòng)表面活性劑分子自發(fā)地從水相穿過界面涌入油相（圖1a, b）。為了直觀展示這一過程，研究者利用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）進(jìn)行觀察。當(dāng)將含有尼羅紅（LR300）染料的二氯甲烷液滴注入含有熒光標(biāo)記表面活性劑（RhB-F127）的水相中時(shí)，可以清晰地看到表面活性劑（綠色）在界面上迅速富集，隨后界面發(fā)生扭曲并噴射出大量的子液滴（圖2a, b）。定量分析顯示，靠近界面處生成的子液滴尺寸更小，證明了界面處劇烈的物質(zhì)交換和破碎過程（圖2d）。

圖 1 | 表面活性劑助溶自納米乳化的示意圖

圖 2 | 自發(fā)性表面活性劑轉(zhuǎn)移引起的自納米乳化

驅(qū)動(dòng)力分析

為了量化驅(qū)動(dòng)力，研究者系統(tǒng)性地調(diào)節(jié)了表面活性劑的初始濃度，以控制界面處的濃度差（ΔC）。實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)系統(tǒng)滿足ΔC>0的條件時(shí)，油滴才能實(shí)現(xiàn)最快的體積消耗速率和最高效的自乳化（圖3b, c）。有趣的是，當(dāng)油相中預(yù)先溶解了達(dá)到分配平衡濃度的表面活性劑（ΔC=0）時(shí)，并未觀察到高效的乳化現(xiàn)象。這證實(shí)了非平衡狀態(tài)下的表面活性劑通量（SFIII）是驅(qū)動(dòng)乳化的關(guān)鍵，而非僅僅是表面活性劑的存在。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著水相中表面活性劑濃度（Cw,0）增加，所得納米乳液的粒徑（d）迅速減小并趨于穩(wěn)定，當(dāng)濃度達(dá)到臨界膠束濃度（CMC）以上時(shí)，粒徑可穩(wěn)定在27–31 nm，PDI低于0.07（圖3d）。這表明SFIII機(jī)制僅需體相中很低的表面活性劑濃度即可實(shí)現(xiàn)高效乳化。

圖 3 | 基于SFIII的自納米乳化的驅(qū)動(dòng)力

普適性與規(guī)模化生產(chǎn)

該SFIII策略展現(xiàn)出驚人的普適性和規(guī)模化潛力。通過簡(jiǎn)單的60秒手動(dòng)搖晃，含有不同表面活性劑（如F127, F68, L61等）和不同油相（如二氯甲烷、溴乙烷等）的體系均可快速產(chǎn)生粒徑均勻的納米乳液（圖4b, c）。尤為突出的是，該方法可實(shí)現(xiàn)升規(guī)模的快速生產(chǎn)。例如，在攪拌條件下，將0.2 L二氯甲烷與5 L含有F127的水相混合1分鐘，即可得到5 L均勻的乳白色納米乳液，其粒徑僅為34 nm，PDI≤0.10（圖4d, e）。其生產(chǎn)效率比現(xiàn)有方法高出2–3個(gè)數(shù)量級(jí)，展現(xiàn)出巨大的工業(yè)應(yīng)用前景。

圖4 | 高可擴(kuò)展性和快速的納米乳液生產(chǎn)

功能納米材料的構(gòu)建與應(yīng)用

以該乳液為模板，研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了多種功能納米材料。通過蒸發(fā)掉納米乳液中的油相，可以得到均一的F127膠束；若在油相中預(yù)先溶解聚乳酸-羥基乙酸共聚物或聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯三嵌段共聚物，則可分別制備出聚合物納米粒子和納米囊泡；通過在水相和油相中分別引入鋅離子和2-甲基咪唑，還能合成出粒徑約40 nm的ZIF-8金屬有機(jī)框架納米晶體（圖5a-d）。

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用驗(yàn)證中，研究者制備了三種不同尺寸（30 nm、230 nm和540 nm）的載藥膠束。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，尺寸最小的M-30膠束能更高效地被結(jié)腸癌細(xì)胞（Caco-2細(xì)胞）內(nèi)吞（圖5e, f）。負(fù)載抗癌藥物紫杉醇的M-30膠束對(duì)HeLa癌細(xì)胞展現(xiàn)出顯著的殺傷效果，在48小時(shí)內(nèi)的半抑制濃度低至0.02 μg ml?1，證明其作為高效藥物遞送載體的巨大潛力。

圖 5 | 功能性納米材料的生產(chǎn)

總結(jié)與展望

研究團(tuán)隊(duì)提出的“表面活性劑通量誘導(dǎo)界面不穩(wěn)定”機(jī)制，為納米載體的可控制備開辟了一條全新路徑。與依賴高能耗設(shè)備或高濃度表面活性劑的傳統(tǒng)方法相比，SFIII策略具有簡(jiǎn)單、快速、成本低、易于規(guī)模化且環(huán)境友好的顯著優(yōu)勢(shì)。它不僅解決了納米制造領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸，也為研究非平衡態(tài)下的界面動(dòng)態(tài)行為提供了新的視角和模型。未來，該平臺(tái)有望在藥物遞送、個(gè)性化醫(yī)療、功能材料開發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的工業(yè)化轉(zhuǎn)化。