溶液結(jié)晶過程強化

馮瑤光，陳奎，趙佳偉，王娜，王霆，黃欣，周麗娜，郝紅勛，2

（1 天津大學化工學院，國家工業(yè)結(jié)晶工程技術(shù)研究中心 天津 300072；2 天津化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

結(jié)晶是物質(zhì)以晶體狀態(tài)從蒸氣、溶液或熔體中析出的過程。隨著工業(yè)上對固體產(chǎn)品性能需求的提高，結(jié)晶技術(shù)受到了越來越多的重視，特別是在高純化學品的制造，比如食品、農(nóng)藥、醫(yī)藥等功能晶體等領(lǐng)域[1-2]。結(jié)晶的目標包括物質(zhì)的分離和提純，以及調(diào)控具有特定結(jié)構(gòu)和形態(tài)的晶體產(chǎn)品等[3-4]。溶液結(jié)晶是常用的結(jié)晶手段，主要通過改變結(jié)晶溫度、結(jié)晶溶劑、過飽和度等諸多條件實現(xiàn)對結(jié)晶的過程控制，得到具有理想純度、晶型、晶習和粒度的晶體產(chǎn)品。其中，晶體的成核和生長是溶液結(jié)晶的兩個關(guān)鍵步驟，它們直接決定了晶體產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、尺寸、形態(tài)等重要的質(zhì)量指標[5]。晶體成核是結(jié)晶過程的第一步，是過飽和體系中的分子聚集體開始出現(xiàn)并形成新相的過程[6-7]。在成核初期，溶質(zhì)分子有序堆積形成穩(wěn)定晶核，隨后溶質(zhì)分子繼續(xù)從過飽和溶液中擴散到穩(wěn)定晶核表面，并整合到晶格中，晶核開始生長為宏觀晶體[8]。然而，對于某些蛋白質(zhì)[9-12]、部分抗生素藥物[13-17]等物系，單純通過溶液結(jié)晶來獲得顆粒大、生長迅速、晶型理想的晶體產(chǎn)品往往較為困難。在這種情況下，可以通過使用新設(shè)備或新方法增強體系中質(zhì)量和熱量的傳遞速率，進而提高晶體產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[18]。近年來，已經(jīng)在溶液結(jié)晶中陸續(xù)發(fā)展出受限空間和微尺度[19-20]、能量和物理場[21-22]、模板劑及添加劑[23-24]等溶液結(jié)晶過程強化策略。本文基于目前溶液結(jié)晶的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分別從受限空間、物理場、添加劑等方面綜述了不同過程強化策略的基本原理及其研究進展，并展望了溶液結(jié)晶過程強化的研究趨勢和未來發(fā)展方向。

1 限域空間策略

限域結(jié)晶是將結(jié)晶的維度限制在一個很小的封閉空間（從納米級到數(shù)百微米）的結(jié)晶過程[25]。小型化的結(jié)晶空間提供了較大的比表面積，提升了結(jié)晶過程中的傳熱和傳質(zhì)效率。同時，限域結(jié)晶還可以在很大程度上調(diào)控體系的過飽和度，并可以避免不均勻的混合和雜質(zhì)存在對結(jié)晶過程的影響[20]。因此，通過限域結(jié)晶可以強化結(jié)晶過程，并且可以實現(xiàn)對晶體的尺寸、晶型、形態(tài)和生長取向的有效調(diào)控[25-26]。常見的受限空間包括微液滴、微流體和具有納米或微米尺度的多孔材料等[25,27]。

1.1 微液滴策略

微乳液因具有溶解性能好、結(jié)構(gòu)可控、能夠保護被封裝活性成分等優(yōu)點，已在結(jié)晶領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[28]。此外，通過控制微乳液的結(jié)晶過程，可以跳過奧斯特瓦爾德熟化過程，直接獲得穩(wěn)定的晶型，同時還可用于生產(chǎn)均勻和小尺寸的晶體[29-30]。Liu 等[31]研究了甘氨酸的微乳液結(jié)晶過程，并考察了微乳液條件對晶體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，結(jié)合結(jié)晶動力學控制和表面活性劑的模板效應(yīng)，可以直接得到α-甘氨酸晶體。Lee等[32]對液滴內(nèi)磷酸二氫鉀的結(jié)晶研究表明，在限域環(huán)境中，結(jié)晶發(fā)生在極高的過飽和度下，可以在1s 內(nèi)實現(xiàn)非?？焖俚慕Y(jié)晶，并且可以利用成核初期的高過飽和度調(diào)控多晶型的形成。Toldy 等[33]研究了基于微乳液的甘氨酸球形結(jié)晶。結(jié)果顯示，相較于常規(guī)結(jié)晶過程中數(shù)小時的誘導期，微乳液體系的誘導期很短（10～40s），且形成晶核后的晶體生長非常迅速，以高達1mm/s的速度沿徑向方向生長。Meng等[34]以顏料紅146 為模型物質(zhì)，研究了微乳液下的結(jié)晶。如圖1所示，與本體溶液結(jié)晶相比，微乳液結(jié)晶得到的顏料紅146 粒徑小一個數(shù)量級，粒徑分布也更加均勻，能夠滿足噴墨印刷機的尺寸要求?？傊?，微乳液中的結(jié)晶與本體溶液中的結(jié)晶有著根本的不同，通過微乳液強化將極大影響晶體形貌。然而，要維持微乳液系統(tǒng)的穩(wěn)定需要添加較高濃度的乳化劑、助乳化劑等成分，因此使用微乳液強化結(jié)晶可能會影響晶體產(chǎn)品的純度等屬性。綜上所述，雖然微乳液結(jié)晶為操縱晶體的形貌和多晶型提供了一種新的策略，然而目前針對某一晶體產(chǎn)品進行微乳液的特異性設(shè)計研究還較少。此外乳化劑種類繁多，選擇合適的、可用于強化溶液結(jié)晶的乳化劑也并非易事，在今后的研究中也需要注意開發(fā)出更多的適用于微乳液結(jié)晶的無毒的、新型乳化劑。

圖1 從本體溶液、大乳液和微乳液中獲得的顏料紅146的粒度分布[34]

1.2 微流體策略

微流體系統(tǒng)也可促進結(jié)晶過程，并用于生產(chǎn)活性藥物成分、蛋白質(zhì)、精細化學品和納米晶體。與大規(guī)模的結(jié)晶實驗相比，微流體平臺中的結(jié)晶實驗通常使用較少量的溶劑和原料。此外，微流體系統(tǒng)的高比表面積和小通道尺寸引起的短分子擴散距離，可增強體系中動量、質(zhì)量和熱量的傳遞速率（通常比常規(guī)間歇式反應(yīng)器高兩個或三個數(shù)量級[35]），進而實現(xiàn)對微流體系統(tǒng)中結(jié)晶過程的強化。同時，微流體系統(tǒng)還可以通過降低過飽和度梯度來促進均勻成核，進而在給定過飽和度水平下得到更小晶體尺寸和更均勻的尺寸分布[36]。Takano等[37]使用微流通道研究了對乙酰氨基酚的結(jié)晶過程，結(jié)果表明微流混合與間歇混合相比更能促進結(jié)晶，且不同的流動條件還可控制產(chǎn)生對乙酰氨基酚的不同晶型。除此之外，微流系統(tǒng)還可以與物理場耦合實現(xiàn)結(jié)晶強化[38]。Liu等[39]使用微流體連續(xù)結(jié)晶器研究了超聲影響下度魯特韋鈉的連續(xù)反溶劑結(jié)晶，結(jié)果顯示微流體耦合超聲技術(shù)，顯著減少了結(jié)晶過程中晶體的聚集，與市售產(chǎn)品相比，中值粒徑和粒徑分布分別減少了30%和60%。同樣的，F(xiàn)erreira等[40]在溶菌酶的微流體結(jié)晶中進行了超聲處理，結(jié)果表明微流體技術(shù)結(jié)合超聲強化，不僅促進了成核過程，晶體尺寸也更加均勻。此外，基于液滴的微流體平臺還是一種靈活的結(jié)晶工具，用于結(jié)晶條件的高通量篩選和優(yōu)化[41-43]。如Coliaie等[44]使用多孔微流體裝置對L-組氨酸進行了結(jié)晶條件篩選，在30min 內(nèi)通過改變摩爾濃度、過飽和度等8種不同條件，獲得了L-組氨酸不同晶體形態(tài)、多晶型和生長速率的結(jié)晶條件。相比之下，采用常規(guī)的溶液結(jié)晶手段進行類似的研究至少需要240min。然而，雖然微流體強化結(jié)晶是一項有前途的技術(shù)，但需要解決其目前存在的易堵塞、高壓降、成本較高等問題，以便更廣泛地在工業(yè)上應(yīng)用[36]。

1.3 多孔材料策略

目前，大量成核動力學實驗證明了多孔材料可有效誘導晶體成核[45-47]。常用的納米多孔材料有介孔氧化硅、活性炭纖維、多孔玻璃珠、共聚物基底和陽極氧化鋁等[48]。近年來，眾多研究者采用多孔材料策略來實現(xiàn)對晶體成核過程的調(diào)控。例如，Brady 等[49]研究了納米孔玻璃中硫酸鋇水溶液的結(jié)晶過程，在納米孔中獲得了比本體溶液高2～4 個數(shù)量級的異質(zhì)成核速率。Khodaparast等[50]研究了十二烷基硫酸鈉在受限空間中的冷卻結(jié)晶，在具有10μm 的楔形孔基板上，成核誘導時間顯著減少。Diao等[51]發(fā)現(xiàn)直徑為15～120nm的球形納米孔抑制了阿司匹林的溶液成核，而相同尺寸的六角孔和方形孔則顯著減少了成核誘導期（圖2），進一步提出孔隙形狀通過改變孔角附近溶質(zhì)分子的取向順序來影響成核動力學。然而，目前對于多孔材料促進晶體成核的機制仍存在一定爭議。其中，Page等[52]認為當晶體成核發(fā)生在納米級孔隙內(nèi)時，孔隙的大小與溶質(zhì)的臨界核相對應(yīng)，通過“孔隙填充”機制提高成核率。Nanev 等[53]則認為由于孔的空間限制和與孔壁的相互作用，孔內(nèi)的溶質(zhì)濃度會增加到足以使晶體成核開始的水平，從而促進晶體成核。此外，使用多孔材料還可以選擇性調(diào)控多晶型，并且可以實現(xiàn)亞穩(wěn)晶型的長期穩(wěn)定而不發(fā)生向穩(wěn)定晶型的轉(zhuǎn)變。因此，進一步可將多孔材料用于結(jié)晶路徑和機理的研究[54-55]。Anduix-Canto 等[56]研究了亞鐵氰化鉀在孔徑為8nm、48nm 和362nm 的玻璃孔中的結(jié)晶，結(jié)果表明在受限孔中首先形成無水亞鐵氰化鉀，而通過本體溶液結(jié)晶無法觀察到無水物的形成。Dwyer 等[57]使用納米多孔二氧化硅對非諾貝特進行了結(jié)晶研究，結(jié)果表明孔徑在12.7nm以下時，形成無定形非諾貝特，而孔徑在20.2nm 以上時，發(fā)生結(jié)晶并形成非諾貝特晶型Ⅰ。綜上所述，不同孔徑和形狀的納米多孔材料可改變?nèi)芤航Y(jié)晶的成核動力學，并可控制亞穩(wěn)態(tài)多晶型。然而，目前對于多孔材料促進晶體成核的機制仍不清晰，同時多孔材料強化結(jié)晶研究主要基于小體積溶液，未來的工程放大仍需要進行廣泛探索。

圖2 納米孔徑和形狀對阿司匹林平均成核誘導期（τ）的影響[51]

表1總結(jié)了部分溶液結(jié)晶的限域空間強化策略和強化效果。

表1 部分溶液結(jié)晶的限域空間強化策略及強化效果

2 物理場策略

物理場是研究最多的過程強化手段之一，其作為一種強大工具，具有不改變原有體系組成的優(yōu)點，受到了越來越多的關(guān)注。本節(jié)旨在概述常用于溶液結(jié)晶強化的物理場手段，包括超聲波、電場、磁場、微波和激光等。

2.1 超聲波策略

近年來，眾多研究和應(yīng)用結(jié)果表明，超聲波可以減小介穩(wěn)區(qū)寬度、縮短誘導期、減小晶體平均尺寸和改善粒度分布，進而實現(xiàn)溶液結(jié)晶過程強化[58-59]。超聲波在溶液中傳播時，會在溶液中產(chǎn)生大量氣泡，氣泡不斷增長并最終破裂，這一過程稱為空化，空化的氣泡提供了額外的界面以促進初級非均相成核[60]。此外，超聲引起的空化導致溶液湍流，強化了溶液中的分子間碰撞，從而提高了成核速率[59,61]。

Hao 等[62-63]對超聲作用下的蛋白質(zhì)溶菌酶的間歇和連續(xù)結(jié)晶進行了研究，結(jié)果表明超聲作用可以大大提高溶菌酶的成核速率，誘導期更短（圖3），有效提高了溶菌酶的產(chǎn)量。此外，超聲的引入可以有效防止晶體顆粒聚集。如圖4所示，與無超聲作用相比，超聲作用下得到的溶菌酶晶體具有更加均勻的粒度分布和更大的晶體尺寸。然而，持續(xù)的超聲作用也會使得晶體破碎，溶液體系溫度的升高也會溶解部分晶體，最終導致更小的晶體。因此，間斷超聲模式是更快獲得粒度均勻、尺寸更大的蛋白質(zhì)晶體的更有效方法。

圖3 有無超聲波下鹽質(zhì)量分數(shù)4%和溶菌酶濃度25mg/mL、30mg/mL和35mg/mL的誘導期數(shù)據(jù)對比[62]

圖4 不同溶菌酶濃度、不同超聲條件下得到的溶菌酶晶體圖像[63]

除了難結(jié)晶的、結(jié)構(gòu)復雜的蛋白質(zhì)等生物大分子，超聲結(jié)晶還廣泛用于各種小分子的結(jié)晶強化過程，尤其是有機藥物分子的結(jié)晶過程，以獲得粒度更小、生物利用度更高的晶體產(chǎn)品[64]。Gogate 等[65]研究了氨芐西林的超聲輔助冷卻結(jié)晶過程，與傳統(tǒng)的冷卻結(jié)晶相比，在超聲存在下結(jié)晶產(chǎn)率提高了約4.75倍，誘導時間從4min減少至0.5min，在最佳超聲功率下平均粒徑減小了95.7%，這有助于提高藥物的溶出度和生物利用度。Van Gerven 等[66]在管式結(jié)晶器中使用超聲波進行乙酰水楊酸等藥物的連續(xù)溶劑結(jié)晶過程，結(jié)果表明在溶析劑用量降低了48%時的低過飽和度水平下，也能有效實現(xiàn)連續(xù)結(jié)晶而不降低產(chǎn)率。

盡管在過去的幾十年里，在超聲結(jié)晶領(lǐng)域進行了深入研究，但還有諸多問題需要解決。例如，目前已有許多關(guān)于中試規(guī)模的超聲研究，但絕大多數(shù)關(guān)于超聲結(jié)晶的研究都是在實驗室規(guī)模下進行的，缺乏工業(yè)化規(guī)模的實踐[64]。過程放大可以說是超聲強化手段方法在溶液結(jié)晶中應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)之一。由于耗散作用，超聲在溶液中的穿透被限制在幾厘米內(nèi)，當直接放大到更大規(guī)模時，超聲的效果可能會完全減弱?？傊诮窈蟮难芯恐袘?yīng)側(cè)重于放大策略和大型超聲結(jié)晶器的設(shè)計。

2.2 電場策略

電場可以由直流電或者交流電產(chǎn)生，如果電極浸入溶液中，則為內(nèi)部電場，此時電場強度僅限于小電壓或電流，以避免法拉第反應(yīng)。如果施加電場時電極與溶液不接觸，則為外部電場[67]。電場可以通過改變液體和固體之間的化學勢差來影響晶體的成核和生長過程，因此電場在強化晶體生長上也得到了廣泛研究[68-69]。Pareja-Rivera 等[70]研究了外加交流電場對葡萄糖異構(gòu)酶和溶菌酶結(jié)晶過程的影響，如圖5所示，施加電場之后出現(xiàn)晶體的數(shù)量遠大于對照組，并且施加的交流頻率越大，產(chǎn)生的晶體數(shù)量就越多。Rubin 等[71]研究了外部直流電場對葡萄糖異構(gòu)酶結(jié)晶的影響，與沒有電場相比，在電場下的結(jié)晶表現(xiàn)出更大的晶體尺寸和更好的晶體質(zhì)量。Li 等[72]研究了連續(xù)流動中的電場輔助蛋白質(zhì)結(jié)晶，與無電場的對照組相比，施加電場允許在較低的過飽和度下獲得更高的二次成核速率，從而形成更多的晶體總數(shù)，結(jié)晶產(chǎn)率從13.3%提高到34.4%。

圖5 不同交流電場對葡萄糖異構(gòu)酶和溶菌酶結(jié)晶的影響[70]

除了主要應(yīng)用于蛋白質(zhì)等大生物分子結(jié)晶外，電場還可以強化有機小分子的結(jié)晶。Ter Horst 等[73]通過電場強化結(jié)晶，在1,4-二氧六環(huán)的懸浮液中分別從不同的電極上結(jié)晶吩嗪和咖啡因。Azmi等[74]研究了電場強化的L-異亮氨酸冷卻結(jié)晶過程，結(jié)果表明外加電場可以使成核速率提高近2倍。Radacsi等[67]研究了電場對異煙酰胺在1,4-二氧六環(huán)中冷卻結(jié)晶的影響，在電場存在的情況下，在陽極上形成的異煙酰胺晶體的生長速率比沒有電場時提高了至少15倍（從8.3μm/min提高到126μm/min）。

目前關(guān)于電場強化溶液結(jié)晶的主要難點是探明電場調(diào)控晶體成核和結(jié)晶動力學機制以及工業(yè)放大問題[67]。此外，由于結(jié)晶容器通常是金屬的以及溶液結(jié)晶中常用到有機溶劑，電場的使用可能會帶來安全問題，如何在工業(yè)上安全實現(xiàn)電場強化結(jié)晶過程仍是一項挑戰(zhàn)。

2.3 磁場策略

磁場會對溶液產(chǎn)生洛倫茲力和磁化力的作用，從而影響溶液的物理和化學特性，包括磁場對自然對流、黏度、擴散速率以及溶液結(jié)構(gòu)的影響等[75]。此外，磁場具有穩(wěn)定、環(huán)保、易于控制、經(jīng)久耐用等優(yōu)點。因此，利用磁場強化結(jié)晶過程具有現(xiàn)實意義[76]。目前，磁場已用于輔助金屬合金、無機鹽和蛋白質(zhì)的結(jié)晶過程[76]。Song 等[77]研究了磁場對雞蛋清溶菌酶結(jié)晶過程的影響，結(jié)果表明暴露在磁場中的蛋白質(zhì)溶液可以產(chǎn)生更多尺寸更大、形態(tài)更規(guī)則的晶體，如圖6所示。張翔飛等[78]的研究表明靜態(tài)磁場（MFS）對葡萄糖的冷卻結(jié)晶過程有明顯促進作用，晶體析出的數(shù)量和質(zhì)量都明顯好于對照組（圖7），且不同的磁場參數(shù)對結(jié)晶過程的影響也有差異。與上述結(jié)果相反，Zhao等[79]報告了磁場對晶體成核和生長抑制的結(jié)果，表現(xiàn)為在磁場作用下聚酰胺56 鹽冷卻結(jié)晶誘導期和介穩(wěn)區(qū)寬度的增加，以及晶體尺寸的明顯減小。Tai 等[80]也報道了磁場對晶體生長的抑制，有磁場作用下方解石的生長速率低于無磁場，磁場強度越高，生長速率越低。上述結(jié)果表明，不同參數(shù)的磁場對不同物質(zhì)的結(jié)晶過程影響不同，未來仍需要更深入地理解其影響機制。此外，磁場作用下的溶液結(jié)晶研究強烈依賴于硬件條件。永磁體可用于常規(guī)溶液結(jié)晶，但是對于更強磁場的研究，仍然需要超導磁體，這就面臨著設(shè)備成本過高的問題。相信隨著磁體技術(shù)的發(fā)展，磁場強化將為溶液結(jié)晶研究提供新的契機。

圖6 有、無磁場下的雞蛋清溶菌酶的晶體形狀[77]

圖7 靜磁場作用于結(jié)晶過程的實驗設(shè)置示意圖和磁場對葡萄糖冷卻結(jié)晶的影響[78]

2.4 其他物理場策略

近年來，微波作為一種調(diào)控結(jié)晶過程的新方法受到了關(guān)注。微波可以加速溶劑蒸發(fā)，從而加快結(jié)晶速度并減小晶體尺寸。除了溫度效應(yīng)，微波在溶液中傳播時，還會加速分子的運動和碰撞速率，從而影響晶體的成核和生長[81-82]。Radacsi等[83]研究了微波和常規(guī)加熱的尼氟酸的增發(fā)結(jié)晶過程，結(jié)果表明微波輻照有效減少了結(jié)晶時間，并且由于較高的蒸發(fā)速率和微波輻照引起的較高過飽和度，大大減少了晶體尺寸。Li 等[84]通過測量誘導時間研究了微波對硫酸鈣反應(yīng)結(jié)晶過程中初級成核的影響，誘導期隨著所輸入微波能量的增加而顯著減小，并表明擴散系數(shù)的增加是誘導期縮短的主要原因。Constance 等[85]的研究結(jié)果表明，微波輔助既能快速結(jié)晶谷胱甘肽，又能獲得良好的晶體質(zhì)量，與室溫實驗相比，微波輔助的結(jié)晶時間縮短到原來的1/5.8。然而，目前關(guān)于微波輔助結(jié)晶的研究都是在實驗室規(guī)模下進行的，仍然缺乏工業(yè)化規(guī)模的實踐。過程放大的成本問題和大型微波結(jié)晶器的設(shè)計是微波強化手段方法在溶液結(jié)晶中應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。

此外，由于激光具有非接觸、時間和空間可控等優(yōu)勢，在強化晶體成核方面也備受關(guān)注[86-87]。激光誘導成核通常使用連續(xù)激光器和納秒激光器，成核影響機制包括電磁效應(yīng)如激光捕獲和克爾效應(yīng)，以及納米粒子的加熱[88]。使用飛秒激光誘導產(chǎn)生空化氣泡，從而在溶液內(nèi)部形成新的成核表面。同時，氣泡周圍的局部濃度增加，會誘導分子締合和重新定向，最終促進成核。Yuyama 等[86]研究了間歇激光照射的溶菌酶結(jié)晶過程，與對照組相比，結(jié)晶時間縮短到原來的1/20。Yu等[89]研究了飛秒激光誘導的過飽和溶液中磺胺噻唑的結(jié)晶，如圖8 所示，與自發(fā)結(jié)晶相比，聚焦飛秒激光照射可以增強結(jié)晶概率，加速成核過程。盡管激光誘導結(jié)晶已經(jīng)進行了大量研究，但仍然缺少工業(yè)規(guī)模的實踐，缺少工業(yè)放大的指導原則。

圖8 不同激光條件下磺胺噻唑結(jié)晶的顯微圖像[89]

表2總結(jié)了部分溶液結(jié)晶的物理場強化策略和強化效果。

表2 部分溶液結(jié)晶的物理場強化策略及強化效果

3 添加劑策略

可溶性添加劑廣泛用于控制結(jié)晶過程，改變產(chǎn)品晶體的形態(tài)、尺寸、晶型和物理性質(zhì)。添加劑的引入一方面改變了平衡溶解度，另一方面也影響了原溶液中的分子間相互作用，進而影響晶體的成核和生長[90]。目前常用的添加劑可以分為高分子聚合物類、離子液體、小分子化合物以及定制添加劑等[91]。高分子聚合物如環(huán)糊精、纖維素、聚乙烯醇和聚甲基吡咯烷酮等是常用的添加劑。離子液體（ionic liquid，IL）是一類由不同的陰離子和陽離子組成的鹽類化合物，對無機物和有機物有較強的溶解能力[92]。氨基酸、無機鹽、表面活性劑如十二烷基苯磺酸鈉等是常用的小分子添加劑。與結(jié)晶母體分子具有相似分子結(jié)構(gòu)的添加劑稱為定制添加劑[93]。

Wu 等[94]通過實驗和分子模擬研究了4-溴乙酰苯胺和4-氯乙酰苯胺這兩種定制添加劑對甲基乙酰苯胺結(jié)晶過程影響，結(jié)果表明兩種添加劑均會降低體系界面能與成核吉布斯自由能，進而促進了甲基乙酰苯胺成核和晶體生長過程。冷卻結(jié)晶的結(jié)果如圖9所示，所選的兩種添加劑均增大了對甲基乙酰苯胺的晶體尺寸，有效促進對甲基乙酰苯胺的晶體生長。此外，Bodnár等[95]使用多庫酯鈉添加劑對甲芬那酸的成核研究，結(jié)果表明多庫酯鈉的加入促進了甲芬那酸二聚體的形成從而強化了成核。同時，多庫酯鈉存在下也加快了晶體的生長速率。Link等[96]研究發(fā)現(xiàn)精氨酸和亮氨酸都能增強胰島素的成核，而甘氨酸則不能促進。進一步分析表明，精氨酸的添加導致胰島素溶解度的增加，而亮氨酸和甘氨酸沒有改變?nèi)芙舛取Ｒ虼诉@種成核的增強不是由于過飽和度的增加引起的，而是由于氨基酸降低了本體溶液的表面張力，從而降低成核的高能勢壘。

圖9 冷卻結(jié)晶對甲基乙酰苯胺的晶體圖像[94]

此外，Yu 等[97]研究了三種不同的離子液體（1-乙基-3-甲基咪唑溴化物、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑溴化物）對溶菌酶結(jié)晶的作用，成核誘導期結(jié)果如圖10 所示。結(jié)果表明溶菌酶在實驗條件下均為均相成核，且三種離子液體都能顯著加速溶菌酶的成核。Zhang 等[98]使用三種DNA 添加劑（小牛DNA、鮭魚DNA 和鯡魚DNA）來增強溶菌酶結(jié)晶。結(jié)果表明三種DNA的引入均能增強溶菌酶的結(jié)晶過程。如圖11所示，分子量最高的小牛DNA 對溶菌酶結(jié)晶的強化作用最顯著，形成的晶體數(shù)量最多，而鮭魚DNA 和鯡魚DNA則能產(chǎn)生更大的晶體。表3總結(jié)了部分溶液結(jié)晶的添加劑強化策略和強化效果。

表3 部分溶液結(jié)晶的添加劑強化策略及強化效果

圖10 有、無離子液體添加下溶菌酶結(jié)晶的誘導期變化[97]

圖11 有、無DNA添加下溶菌酶結(jié)晶的晶體圖像[98]

然而，添加劑并不總是促進晶體的成核和生長，如Han等[99]以十二烷基苯磺酸鈉為添加劑探究 了對硝酸硫胺素結(jié)晶過程的影響。結(jié)果表明，添加劑與溶質(zhì)分子間存在的氫鍵和靜電相互作用抑制了成核前團簇的形成，并且添加劑阻礙了溶質(zhì)分子在晶體表面的吸附從而抑制了晶體生長。Su 等[100]研究了苯酚對硫酸鈉結(jié)晶的影響，雖然苯酚降低了硫酸鈉的溶解度，但介穩(wěn)區(qū)和誘導期的實驗結(jié)果均表明添加苯酚后抑制了晶體成核。此外，Tan等[101]報道了在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羥丙基甲基纖維素（HPMC）存在下，萘普生晶體的成核速率分別得到增強和抑制。Wu等[102]報道了PEG存在下略微促進唑沙胺晶體成核，而PVP 則抑制成核速率。Cheng等[103]的實驗結(jié)果表明，在PVP存在下4-羥甲基苯甲酸的成核和生長均受到抑制，隨著PVP 濃度的增加，抑制作用越明顯。

總之，不同添加劑對特定的晶體生長和成核過程具有不同的影響，并且添加劑在結(jié)晶過程中的作用是復雜的，完全理解添加劑在結(jié)晶過程中的作用仍然具有挑戰(zhàn)性。作為一種簡單有效的手段，添加劑強化結(jié)晶已經(jīng)得到了廣泛研究，但是目前添加劑的使用仍然是經(jīng)驗性的。隨著對添加劑影響溶液結(jié)晶過程機理的不斷深入研究，結(jié)合多種分子模擬與量子化學計算，在未來必將取得更多的研究結(jié)果。

4 模板劑策略

模板誘導成核是指晶體在有機或無機材料模板表面上的非均相成核。模板表面存在的官能團與溶質(zhì)分子之間的特定分子相互作用，可能降低與晶體成核相關(guān)的界面表面能[104-105]。同時，這些相互作用會影響溶質(zhì)分子向模板表面的擴散[106]。因此，表面化學是影響模板誘導成核的關(guān)鍵因素。其中，氫鍵相互作用在溶質(zhì)分子的自組裝及晶體成核過程中往往起著重要作用。Caridi 等[107]使用合成沸石、鋁硅酸鹽等模板誘導了異煙酰胺在乙醇溶液中的成核，實驗表明所用模板有效減少了成核誘導期（圖12）。Chadwick 等[108]研究了乙醇溶液中對乙酰氨基酚在模板劑上的成核，如石墨、L-組氨酸、氯化鈉、α-乳糖和D-甘露醇。通過誘導期的測量評估了這些基質(zhì)在強化晶體成核上的有效性。此外，溶質(zhì)和模板表面的分子間氫鍵還誘導了溶質(zhì)分子在溶液中形成預(yù)成核團簇，從而實現(xiàn)了特定晶面在模板上的定向生長。Arribas Bueno等[109]研究了非諾貝特在甘露醇、二氧化硅、微晶纖維素、羧甲基纖維素、乳糖和聚己內(nèi)酯等不同基質(zhì)的模板誘導結(jié)晶。模板劑存在下的成核誘導期明顯縮短，非諾貝特的誘導期從22h（無模板誘導）顯著減小到最佳條件下的15min。Verma 等[110]也研究了非諾貝特的模板誘導結(jié)晶，微晶纖維素下的成核誘導期顯著減少（從460min減少到38min）。進一步通過密度泛函理論和分子動力學模擬表明，微晶纖維素上的極性羥基與具有氫鍵受體的非諾貝特分子形成氫鍵（圖13），氫鍵相互作用有助于微晶纖維素表面上非諾貝特分子的吸附和穩(wěn)定。Ouyang 等[111]等使用功能化的二氧化硅（SiO2—NH2、SiO2—COOH）進行了誘導香蘭素成核的研究。功能化二氧化硅能夠顯著提高香蘭素冷卻結(jié)晶的成核速率，誘導期從4h 縮短到20min，模板表面還提高了香蘭素晶體的生長速率。表4總結(jié)了部分溶液結(jié)晶的模板劑強化策略和強化效果。

表4 部分溶液結(jié)晶的模板劑強化策略及強化效果

圖12 異煙酰胺在乙醇中結(jié)晶的誘導期分布[107]

圖13 非諾貝特分子通過氫鍵作用在微晶纖維素模板表面吸附和穩(wěn)定的時間演變[110]

此外，在降低制造成本和提高配方藥物產(chǎn)品功效的需求推動下，模板誘導結(jié)晶已成為藥物制劑的一種工藝強化技術(shù)得到廣泛研究[110-114]。在模板劑結(jié)晶的工業(yè)實踐中，需要既能夠調(diào)控結(jié)晶，同時又能封裝不同化學性質(zhì)的藥物活性成分的生物相容性材料，這給模板劑的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)?？傊M管模板結(jié)晶已經(jīng)得到了廣泛研究，但是模板劑的選擇并沒有明確的原則。在今后的研究中，除了考慮模板表面的化學特性，也可結(jié)合模板的材料特性如納米孔等進行研究。

5 結(jié)語

溶液結(jié)晶強化研究對于提高結(jié)晶過程效率和改善晶體產(chǎn)品性能等方面具有重要的理論意義和實用價值。本文系統(tǒng)綜述了溶液結(jié)晶的過程強化方法，通過使用限域空間、物理場、添加劑和模板劑等改變?nèi)芤航Y(jié)晶的內(nèi)部或外部環(huán)境，可有效增強晶體成核和生長過程，快速獲得滿足不同需求的晶體產(chǎn)品。然而，溶液結(jié)晶是一個復雜的過程，在外場作用和引入外來物質(zhì)情況下的傳遞過程、成核和生長機理及結(jié)晶動力學將更加復雜，因此需要不斷豐富和完善強化機理從而為工藝放大和設(shè)備設(shè)計提供依據(jù)。此外，雖然已經(jīng)廣泛研究了溶液結(jié)晶過程的強化方法，但目前仍存在一些挑戰(zhàn)。例如，目前關(guān)于物理場強化結(jié)晶的研究大部分是在實驗室規(guī)模下進行的，仍然缺乏工業(yè)化規(guī)模的實踐。此外，目前添加劑和模板劑的使用和設(shè)計沒有明確的原則，大部分都基于盲目的篩選。因此，在今后的研究中需側(cè)重物理場作用下的放大策略和經(jīng)濟型物理場耦合結(jié)晶器的設(shè)計開發(fā)，以及添加劑和模板劑使用的普適規(guī)則的建立與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等。此外，對于目前難以工業(yè)放大的磁場、微波、電場、激光等強化結(jié)晶手段，可以嘗試與連續(xù)微流體裝置結(jié)合，滿足強化設(shè)備的小型化和經(jīng)濟性等要求。相信隨著科學技術(shù)的進步，未來將開發(fā)更多用于溶液結(jié)晶的強化方法，以獲得滿足不同需求的晶體產(chǎn)品。