综述：最近在刺激辅助纳米沉淀法用于纳米粒子合成方面的进展

《Current Opinion in Colloid & Interface Science》：Recent advances in stimulus-assisted nanoprecipitation for nanoparticle synthesis

纳米沉淀技术通过溶剂置换合成纳米颗粒，结合外部刺激（超声、电场、超重力等）和混合技术（批次、闪存、微流控等），精准调控颗粒尺寸、形态及功能，拓展了药物递送、催化等应用。本文系统分析各刺激对局部过饱和度、链移动性和界面不稳定性等机制的影响，并探讨多尺度耦合模型和智能反应器设计等未来方向。

　　

李明博|蔡俊浩|高亚文

上海交通大学海洋与土木工程学院，中国上海200240

摘要

纳米沉淀是一种通过快速溶剂置换实现纳米级相分离的方法，它已经从简单的批次操作发展成为一个多功能的纳米材料合成平台。本综述总结了近年来在刺激辅助纳米沉淀方面的进展，其中外部施加的触发因素（超声波、电场、超重力、热能、化学以及光子/其他刺激）与现代混合技术（批次、闪蒸、微流控、膜反应器和高剪切反应器）相结合，以分离并选择性控制纳米粒子的成核、生长动力学和组装过程。这些方法能够精确调节纳米粒子的大小、形态、稳定性和功能性，从而扩展了它们在药物输送、催化和材料科学中的应用。我们通过分析近年来的研究工作，阐述了每种刺激如何改变局部过饱和度、链流动性、界面不稳定性或液滴/薄膜微反应器动力学，并比较了各自的优缺点。同时，我们还探讨了多尺度耦合模型的潜在发展趋势、适用于刺激条件的连续反应器设计规则，以及采用数据驱动优化框架来提升纳米沉淀在先进纳米材料设计中的能力。

引言

纳米沉淀（“Ouzo效应”、溶剂置换或反溶剂沉淀）是一种通过将溶质溶液（例如聚合物或小分子）与可混溶的反溶剂（例如水或缓冲溶液）混合来制备纳米粒子（NPs）的通用且低能耗的方法[1]。快速溶剂交换会导致过饱和、链结构崩解并发生从几纳米到几微米的相分离[2]。根据过饱和度的不同，纳米粒子要么逐渐生长（“成核-生长”），要么聚集（“成核-聚集”），从而产生不同大小和分散度的纳米粒子。快速混合通常有利于生成小尺寸/单分散的纳米粒子，而缓慢混合则会产生较大尺寸/多分散的纳米粒子。最近的研究[3]表明，平衡-纳米沉淀法（在去除溶剂之前先使胶束达到平衡状态）比传统方法更能提高纳米粒子的单分散性。

通过一步法或将溶质溶液逐滴加入反溶剂中来实现批次纳米沉淀，这是最简单的方法。连续技术如闪蒸纳米沉淀（FNP）和微流控纳米沉淀可以在几毫秒内实现超快速且可重复的混合。尽管混合方式不同，但两者都依赖于溶剂置换机制，并适用于疏水性和亲水性溶质[2]。为了增强结构控制，顺序纳米沉淀将核心形成与稳定化过程分开，这使得可以独立调节聚集动力学和表面覆盖率，而这在一步混合中较为困难。通过多步骤溶剂置换的可编程纳米沉淀技术进一步实现了具有明确形态的聚合物纳米粒子的按需工程化[4],[5]。到目前为止，传统[4]、微流控[6]和闪蒸[7]方法都已被用于顺序纳米沉淀，以生成具有定制结构的纳米粒子[8]。

纳米沉淀已经能够制备出多种纳米材料，包括聚合物纳米粒子、醋酸纤维素纳米粒子、食品级纳米粒子、脂质纳米粒子、半导体纳米晶体、Janus纳米粒子和中孔纳米粒子[1],[9]。因此，已经获得了多种纳米结构，如致密型、核壳型、多孔型、Janus型、中空型、层状、斑块状和Janus-层状形态[9],[10]。所得纳米粒子的性质受到溶剂组成、混合速率、稳定剂和物理化学参数的显著影响。例如，两亲共聚物在溶剂置换过程中会自组装成胶束、囊泡、脂质体或聚合物体，并且通常在没有表面活性剂的情况下能够保持稳定性数天甚至数月[11]。

特别是，外部刺激已被引入纳米沉淀过程以调节纳米粒子的大小、形态、稳定性和功能性。这些刺激辅助方法使该技术超越了单纯的溶剂混合范畴，扩展了其在药物输送、催化、光学及相关应用中的用途。在本综述中，我们首先总结了混合策略的最新进展，然后重点介绍了六类刺激辅助纳米沉淀方法，阐明了其机制原理、优缺点及典型实例。我们的目标是提供一个全面而简洁的概述，展示如何利用刺激因素来扩展纳米沉淀的技术工具箱，并为纳米材料设计的进一步发展提供灵感。

章节摘录

用于控制纳米沉淀的快速混合方法

不同的快速混合方法，包括传统的批次混合、闪蒸、微流控、膜反应器以及一系列替代反应器，提供了不同的且互补的控制手段来调节纳米沉淀的结果（大小、分散度、形态），同时解决了可扩展性和重复性挑战[2]。本节简要介绍了这些混合方法。在传统的批次纳米沉淀中（图1(a)），通常通过逐滴加入反溶剂来实现。

外部刺激辅助的纳米沉淀

基于上述混合过程，外部刺激可以调节决定纳米沉淀结果的两个动力学因素：1）成核动力学（成核速率和成核数量）；2）生长和重组动力学（链流动性、结晶或聚并）。控制这些因素可以影响纳米粒子的尺寸分布、多分散性、自组装形态或结晶度/非晶态含量。接下来我们讨论了六类主要因素（图2），包括超声波刺激、电场刺激、超重力刺激等

结论与展望

纳米沉淀由于其快速性、简单性和可重复性，是目前最广泛使用的自下而上的纳米粒子合成方法。然而，刺激辅助纳米沉淀代表了纳米材料合成的前沿领域，其中利用了超出简单混合过程的外部触发因素来定制纳米粒子。在本综述中，我们主要介绍了六类此类外部触发因素：超声波刺激、电场刺激、超重力刺激、热刺激、化学刺激以及其他特殊用途的刺激

未引用的参考文献

[59]。

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12572290和12202244）以及上海交通大学海洋跨学科计划（项目编号SL2023MS002）的支持。