太空化学家：宇航员们的星际“调酒师”
时间：2024-10-10 阅读：264
您了解纳米乳液吗？
纳米乳液常被用于药物传递、食品、化妆品、制药和材料合成。
您是否曾设想过，在浩瀚无垠的太空中，如何巧妙地实现纳米乳液的无重力制造，比如一款太空自动化机器。作为未来“天体药剂师”，它可以为长期太空探索的宇航员提供新鲜的满足营养、质量和风味需求的个性化饮料或者药物配方，支持健康监测数据和医疗专家决策(图1)。
图1. 本研究旨在证明微流体自发乳化的先例（“概念验证”），以满足强化设计饮料的产品需求。后者需要解决超越先例的科学挑战。
让我们一起跟随流动化学领域国际专家，澳大利亚阿德莱德大学Volker Hessel教授团队， 共同探究未来“天体药剂师”—如何在连续流设备中实现微流体自发纳米乳化。
研 究 探 索
神奇的纳米乳液
纳米乳液是一种特定的纳米结构，由液滴（即分散相）分 散在另一种液体（即连续相）中。典型的纳米乳液是油包水（O/ W）纳米乳液和水包油（W/O）纳米乳液。
特征尺寸：与传统乳液相比，纳米乳液的平均液滴直径要小得多，通常 定义为200纳米以下。纳米乳液具有光学透明或轻微浑浊的特性，不太容易受到由重力引起的不稳定机制的影响。
应用优势：O/W纳米乳液在制药和食品研究中备受关 注，可以分别包裹疏水活性药物成分或疏水营养保健品和香精剂。这些化合物通常对环境条件很敏感，而纳米结构封装可以保护生物活性分子免受过早降解，促进生物利用度。
传统制备S连续流自发乳化
传统制备方案
高能量乳化技术：纳米乳液通过高能量乳化技术如高压阀门均质器及超声波均质器等制备。这些技术依赖强大的机械力以诱导液滴分散至油相中。这些方法不仅能耗高，还会在过程中释放大量热量，可能对温度敏感的封装分子造成损害。
图2. 自发乳化的过程：一旦油相和水相接触，表面活性剂会移动到界面，并通过快速扩散形成液滴。
自发乳化（SE）：是表面活性剂由油相因亲水性特性自发迁移至油水界面处的现象。低能量乳化技术利用这一自然机制及乳液相转变等分子间作用，实现乳液稳定形成，避免了高温损害，保护了活性成分（如图2）。
连续流自发乳化
传统方法需高浓度合成表面活性剂或依赖强大的机械力，限制了在食领域的应用。作者聚焦无溶剂自发乳化，并建议与连续流微流体技术结合，以提升乳化效率。
连续自发乳化：
通过连续流探索微小尺度流体，其通道直径介于几十微米至几毫米，此时毛细力和表面张力显著，实现流体精确控制。该技术扩大界面面积，促进传质，并增强相内对流，加速界面更新。
连续流自发乳化，能生成尺寸均匀的液滴，增强了乳液的稳定性。尽管微流体形成的液滴直径下限通常在几微米，但其自发乳化能力在理想条件下能显著超越传统方法，轻松制备出超细液滴。
实验研究过程
实验体系：
作者采用与以往文献相同的油、乳化剂和水相建立作乳液模型系统。
油相组分：超滤制药级中链甘油三酸酯（MCT）
乳化剂：非离子表面活性剂Tween 80（Polysorbate 80）
水相：高度稀释的磷酸盐缓冲液（5 mm；pH 7.4，25 °C）
实验研究：
油相的制备：SOR（surfactant-to oil ratio）是指 Tween 80 和 MCT 质量比
油相密度测量
油相粘度测量
大流体乳化研究（滴定管）
单接触微流体乳化研究：通过使用内径为0.5毫米的T型混合器混合极性相和非极性相进行
多接触微流体乳化研究：使用康宁低流量反应器混 粒度分析
图3 顶部：假定的纳米液滴形成流体在滴定管中，左侧，在T微流体混合器中；左下：康宁高通量微通道反应器系统具有两个泵；右下：康宁反应器中多次重复的心形单元。
实验完成后，作者立即使用静态光散射仪进行了平均粒径（d32）和粒径分布测定，以避免由于颗粒聚集引起的结果失真。
实验结果与讨论
案特征化模型系统
本研究旨在开发稳定的纳米乳液饮料模型系统，通过三元相图分析确定了油-水-表面活性剂的最佳组合（图4）。
图4. Tween 80，中链甘油三酸酯（MCT）和5 mmol磷酸盐缓冲液（水相）组成的系统的三元相图。1）“同时混合”: 所有组分同时混合，2）“水表面活性剂预混合”: 在添加MCT之前混合Tween 80和磷酸盐缓冲液，3）“油表面活性剂预混合”: 在添加水相之前混合Tween 80和MCT。
研究显示：
在低表面活性剂浓度和大量水相浓度的组合范围内，作者找到了一个稳定的三组分组合（图4c）：即10 wt%的中链甘油三酯（MCT）、20 wt%的Tween 80（表面活性剂与油的比例为2.0）和70 wt%的磷酸盐缓冲液。
这一组合不仅稳定，而且不与凝胶形成区域接壤，为后续的深入研究提供了理想的起点。该组合将被视为进一步研究的最高表面活性剂浓度基础，旨在通过优化表面活性剂与油的比例，进一步降低表面活性剂的用量，提高乳液的经济性和环保性。
油相的密度和粘度
作者详细考察了油相（MCT）的密度和粘度，以设定工艺参数，确保其在设备操作范围内。油相密度和粘度随Tween 80浓度增加而增加，高粘度影响准确进料。实验确定了在20-50°C下油-表面活性剂混合物的粘度变化，发现所有混合物在50°C时粘度低于设备限制，但考虑设备温度限制，选定40°C为操作温度。
通过粘度分析，确定了微流体实验中可考虑的最高SOR为1.5，以避免设备损坏。此外，提出了微流体实验建议，强调连续流动乳化过程的优势，可能通过分步添加油相降低表面活性剂浓度，促进自发乳化，进而为接下来的自发乳化和微流体混合评估实验奠定基础。
自发乳化和微流体混合评估
作者对比了自发乳化和传统乳化在宏观流体与微流体混合器中的表现（图7）。
图7 a）Sauter直径与表面活性剂-油比例相关（CE：传统乳化，SE：自发乳化）。b）使用传统乳化制备的宏观流体乳液的粒径分布。c）使用自发乳化制备的宏观流体乳液的粒径分布。
宏观流体实验中，自发乳化在低表面活性剂浓度下即能形成纳米级液滴，显著优于传统乳化。
单接触微流体混合器虽能缩短过程时间，但乳液粒径较大。
多接触微流体混合器在自发乳化条件下，显著降低了液滴尺寸，达到纳米级，且粒径分布更窄，表现出更高的稳定性。特别是在SOR为0.5时，自发乳化结合多接触微流体混合器制备的乳液粒径最小，仅为94纳米，相比宏观流体和单接触微流体分别减小了64%和42%。
多接触微流体装置大幅缩短了处理时间，对于实现宇航空间饮料分配器具有竞争潜力，为制备高效、稳定的纳米乳液提供了新思路。
未 来 展 望
高效混合与纳米乳液应用
鉴于颗粒大小方面的积极结果，但在应用自发乳化时颗粒大小分布方面的意外观察，作者计划未来调查在不同表面活性剂-油比下自发乳化机制。
预计将使用类似混合性能更高的多接触微流体混合器进行实验，例如康宁G1反应器具有类似设计和最大体积流量为300ml/min，进一步显著缩短处理时间
自动化系统与“设计师饮料”
作者未来致力于验证营养品和药物在纳米液滴中的稳定添加，确保纳米乳液的品质，并计划调整微流体制造工艺以优化饮料的整体质量。此外，向纳米乳液中添加风味以提升饮料的感官质量也是作者关注的重点。
展望未来，作者团队将实现微流体系统的全面自动化，这包括安装过程监测传感器和分析设备（如温度、压力、粒径控制等），以及配置阀门以从化学库中精确选择和投放各种营养品和药物，实现定制“设计师饮料”的概念。通过计算机控制泵、阀门和监测装置，不仅能够确保生产过程的精确控制，还将实现远程操作微流体处理单元，为饮料制造业带来灵活性和效率。
参考文献：DOI: 10.1002/adhm.202203363