SolvSpace：为微纳制造领域实现可持续溶剂选择而努力

《Journal of Cleaner Production》：SolvSpace: Towards sustainable solvent selection for micro- and nanomanufacturing

微纳米制造中溶剂筛选工具SolvSpace的开发与应用研究摘要：提出基于物理性质和可持续性指标的SolvSpace工具，通过聚类分析和相似性评分实现环保溶剂的快速筛选，验证了γ-戊内酯等新型溶剂在电液动力（EHD）工艺中的可行性，减少有害溶剂使用，促进绿色微纳米制造。

　　在现代微纳米材料制造领域，溶剂的选择一直是影响产品质量和制造可持续性的关键因素。溶剂不仅决定了材料的溶解性，还对最终产品的形态、结构和性能产生深远影响。然而，传统上，许多工业和实验室应用仍然依赖于卤代溶剂，如氯仿和N,N-二甲基乙酰胺（DMAc），这些溶剂虽能提供优良的溶解性能，但其对环境和人体健康的潜在危害却常常被忽视。随着全球对绿色制造和可持续发展的关注日益增加，寻找更加环保的溶剂替代方案已成为科研与工业领域的重要课题。

本文提出了一种名为SolvSpace的溶剂选择工具，旨在通过无监督聚类和相似性评分方法，为微纳米制造过程中的溶剂选择提供实用指导。SolvSpace基于包含58种常见溶剂的数据库，该数据库整合了溶剂的物理性质和定量可持续性指标。通过这种方法，SolvSpace不仅能够识别出具有相似物理性质的溶剂，还能评估其对环境的影响，从而帮助研究人员在保持产品性能不变的前提下，找到更加可持续的替代溶剂。这种工具的应用不仅限于特定的制造技术，还能够扩展至其他溶剂基制造工艺，如薄膜复水法、喷雾干燥等。

为了验证SolvSpace的实用性，本文以电喷雾（EHD）技术为模型，对多种聚合物进行了实验研究。EHD技术是一种利用电场驱动液滴形成和蒸发的微纳米材料制造方法，广泛应用于药物输送、过滤材料、电池和催化剂等领域。实验结果显示，SolvSpace在不同溶剂和聚合物的组合中表现出了良好的适用性。例如，在使用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制备纤维时，SolvSpace推荐的溶剂，如乙醇、丙醇和甲醇，不仅能够完全溶解PVP，还能在相同的EHD操作条件下生产出具有相似尺寸和形态的纤维。这种相似性表明，这些溶剂可以作为DMAc或氯仿的环保替代品，而不会显著影响最终产品的性能。

同样地，在使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制备颗粒时，SolvSpace推荐的溶剂如DMF和DMAc，能够生成尺寸相近且表面形态一致的颗粒。这些结果进一步证明了SolvSpace在EHD过程中的有效性。此外，对于聚己内酯（PCL）的电喷雾实验，SolvSpace也提供了具有相似溶解性和物理特性的溶剂选项，如醋酸和THF，从而减少了对卤代溶剂的依赖。

除了对传统溶剂的替代，本文还评估了一种新型的生物基溶剂——γ-戊内酯（GVL）在电喷雾制备PLGA微纳米颗粒中的应用潜力。GVL作为一种来源于木质纤维素生物质的可再生溶剂，具有较高的可持续性评分和较低的能耗。实验表明，GVL能够生成与DMAc相似的微纳米颗粒，尽管其高沸点可能导致蒸发不完全，但通过与醋酸混合，可以有效解决这一问题。此外，GVL在EHD过程中展现出较低的毒性和较高的安全性，使其成为DMAc的理想替代品。

SolvSpace的开发不仅考虑了溶剂的物理特性，还结合了环境影响和可持续性指标，如GSK的综合评分和累计能量需求（CED）。通过将这些指标与物理性质进行整合，SolvSpace为研究人员提供了一个全面的溶剂选择框架。该工具的使用能够显著减少对有害有机溶剂的依赖，同时保持产品的性能不变，从而推动绿色制造技术的发展。

在实验过程中，研究人员发现，某些溶剂的物理性质与聚合物的溶解性之间存在复杂的相互作用。例如，尽管HSP（Hansen溶度参数）可以用于预测溶剂与聚合物的相容性，但在实际应用中，HSP的距离并不能准确预测溶剂的溶解能力。因此，SolvSpace在构建溶剂空间时，选择了更为直观和实用的物理性质，如沸点、密度、偶极矩、介电常数、粘度和表面张力，这些性质能够更直接地影响EHD过程中的液滴形成和蒸发行为。

此外，SolvSpace的可视化设计使其更加易于理解和使用。通过无监督聚类和相似性评分，研究人员能够直观地看到不同溶剂之间的关系，并据此选择合适的替代溶剂。例如，氯仿在EHD过程中被发现具有较高的毒性评分，而GVL则显示出较低的环境影响，因此成为一种理想的替代溶剂。这种基于物理性质和可持续性指标的综合评估方法，不仅提高了溶剂选择的科学性，还增强了其在实际应用中的可行性。

本文的研究结果表明，SolvSpace作为一种实用的溶剂选择工具，能够在不牺牲产品质量的前提下，有效推动微纳米制造的可持续发展。该工具的广泛应用将有助于减少有害溶剂的使用，降低制造过程中的环境影响，并促进绿色化学和可持续技术的进一步发展。随着更多环保溶剂的引入和数据的完善，SolvSpace有望成为未来微纳米材料制造领域的重要参考工具。