镍基高温合金纳米多孔膜结构对乳化性能的影响机制研究及其在药物递送中的应用

本研究针对传统乳化膜材料（如玻璃、陶瓷和聚合物膜）在高压条件下易碎、易污染等问题，创新性地采用镍基高温合金（CMSX-4）纳米多孔膜进行预混膜乳化研究。通过调控蠕变应变、时间和温度制备出具有不同孔结构的Z型（条纹状）和A型（蚁穴状）膜，在120 bar压力下单次循环即可获得单峰分布的纳米乳液（中位粒径<500 nm）。研究发现Z型膜（143±105 nm窄分布孔）可获得更小且稳定的液滴（X50=171 nm），而A型膜（342±142 nm宽分布孔）通过增加循环次数可进一步破碎液滴。该金属膜的高机械强度支持高达300 bar的操作压力，为静脉注射用纳米乳剂的工业化生产提供了新方案。

　　

在制药和化妆品领域，纳米乳液因其优异的载药能力和稳定性成为研究热点。然而传统膜乳化技术面临两大瓶颈：玻璃陶瓷膜（如SPG膜）虽能制备窄分布纳米乳液但易碎且昂贵；聚合物膜虽成本较低却不耐高压且多为一次性使用。更棘手的是，现有膜材料在高压条件下会出现结构失效，而提高压力恰恰是提升乳化效率最直接的手段。这些矛盾严重制约了纳米乳液在静脉注射等高端领域的应用，特别是对于水溶性差的活性药物成分（API），需要粒径严格控制在200-450 nm且大颗粒（>5 μm）含量低于0.4%的O/W型纳米乳液。

研究人员通过创新材料设计，将航空发动机叶片用镍基单晶高温合金CMSX-4转化为纳米多孔膜。这种合金经过特殊热处理后形成γ'相（Ni₃Al）立方沉淀（约224 nm）和γ基体通道（约35 nm）的双相结构，再通过电化学蚀刻选择性去除γ相，最终获得三维连通的纳米孔道。研究团队系统考察了两种典型孔结构：Z型膜（950°C/250 MPa处理）呈现长条状孔（长宽比2.5），A型膜（1000°C/170 MPa处理）则形成近圆形孔（长宽比1.8）。论文发表在《International Journal of Pharmaceutics: X》。

关键技术包括：1）通过控制蠕变参数制备不同孔结构的合金膜；2）使用压力强化器实现50-300 bar恒压乳化；3）激光衍射谱法（Mastersizer 3000）分析粒径分布；4）扫描电镜（SEM）表征膜孔形貌；5）旋转流变仪测定乳液粘度。

研究结果揭示：

1. 膜结构影响机制：Z型膜（143±105 nm孔）单次循环即可获得X₅₀=206 nm的窄分布乳液（span=1.26），而A型膜需多次循环但最终粒径较大（X₅₀=233 nm）。这表明较小且均匀的孔更利于获得单分散纳米乳液。

2. 压力激活效应：当压力从50 bar升至250 bar时，A型膜的X₉₀保持稳定而X₁₀显著降低，说明高压可激活更小孔道的乳化作用。这种"孔道分级激活"现象为精准调控粒径分布提供了新思路。

3. 能量效率对比：压力提升比循环次数更能有效降低粒径。Z型膜在300 bar单次循环的能耗（2.9×10⁷ J/m³）低于120 bar五次循环（6.0×10⁷ J/m³），但可获得更小粒径（188 nm vs 171 nm）。

4. 抗污染特性：Z型膜在连续操作中会出现流量下降（250 bar时质量流量降低30%），但通过乙醇超声清洗可完全恢复性能，这得益于金属材料的机械强度和化学稳定性。

5. 乳化剂浓度效应：当SDS浓度从7.5%降至0.75%时，A型膜产生的乳液span值从0.65增至1.17，证实充足乳化剂对维持纳米乳液稳定性至关重要。

这项研究突破了传统膜材料的局限性，首次系统阐明了镍基高温合金纳米孔结构对乳化性能的调控规律。其科学价值在于揭示了高压下"孔道分级激活"的新机制，技术价值在于开发出可承受300 bar压力的可重复使用金属膜。特别是Z型膜单次循环即可满足静脉注射纳米乳剂的粒径要求（X₅₀<200 nm），相比需要多次循环的聚合物膜（如PE膜需5次循环达345 nm）具有显著效率优势。该成果为高附加值纳米乳剂的工业化生产提供了可靠解决方案，在肿瘤靶向给药、疫苗佐剂等领域具有广阔应用前景。