微流控调控离子纳米聚集实现海藻酸钠纳米凝胶的连续化制备

《Micromachines》：Controlled Ionic Nanoaggregation by Microfluidics for the Continuous Production of Alginate Nanogels

　　

摘要专业翻译 海藻酸钠纳米凝胶因其良好的生物相容性、高含水量及温和的离子凝胶化过程，是极具前景的药物递送载体。然而，传统制备方法常依赖涉及表面活性剂和有机溶剂的乳液法，这可能损害其在生物医学应用中的适用性。本研究开发了一种全水相微流控策略，通过对预成型聚合物链进行受控离子纳米聚集来制备海藻酸钠纳米凝胶，从而避免了对乳液加工、表面活性剂和有机溶剂的需求。研究人员系统考察了流体动力学条件（包括总流速、流速比和停留时间）以及海藻酸钠和氯化钙浓度的影响，以阐明控制纳米聚集、离子交联和纳米凝胶形成的因素。结果表明，纳米凝胶的性质取决于混合效率与交联动力学之间的相互作用，由此确定了一个可形成小尺寸纳米凝胶同时最大限度减少不受控聚集的操作窗口。在优化条件下，冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）测得纳米凝胶特征直径低于60 nm，尽管动态光散射（DLS）测量显示悬浮液中存在较大聚集体。与传统批式合成相比，进一步证明了微流控方法在控制纳米凝胶形成和减少聚集方面的优势。最后，优化后的纳米凝胶被用作限域反应隔室，通过一氧化碳介导的温和还原在凝胶内部原位形成钯纳米结构。表征结果证实了海藻酸钠基质内钯纳米片的形成，展示了该平台用于开发功能性杂化纳米材料的潜力。本研究建立了一种在纳米凝胶形成过程中控制离子纳米聚集的微流控方法，并为开发面向生物医学应用的功能性海藻酸钠基材料提供了通用途径。

论文解读

一、研究背景与意义

纳米凝胶（nanogel）是尺寸在10–1000 nm之间的水凝胶纳米颗粒，兼具水凝胶和纳米颗粒的双重优势：一方面具有类似固体和流体的力学特性，与天然细胞外基质高度相似，生物相容性好，广泛应用于再生医学；另一方面得益于小尺寸带来的大比表面积、血液循环中延长的滞留时间以及可控药物释放特性，是理想的药物递送系统。纳米凝胶的合成方法直接决定其粒径、形貌和尺寸分布等关键性质。传统方法多依赖自由基聚合结合乳液、细乳液、微乳液或沉淀聚合等分散技术，但这类方法普遍需要表面活性剂，其去除困难、成本高昂且存在污染风险，可能损害最终纳米材料的生物相容性。另一类策略基于预成型聚合物链的纳米聚集（nanoaggregation）及后续交联，可在温和水相条件下进行，避免单体聚合、有机溶剂和表面活性剂，尤其适用于天然来源聚合物。然而，在纳米尺度上控制该过程需要精细调控聚合物聚集和离子交联的动力学，因为快速凝胶化可能促进不受控聚集和宽粒径分布。

微流控技术（microfluidic technology）凭借通道尺寸微型化带来的低试剂消耗、少废物产生、强化传热传质以及易于与自动化高通量平台集成的优势，成为控制合成多种纳米材料的强大工具。已有研究采用流动聚焦（flow-focusing）微流控装置制备海藻酸钠纳米凝胶，但较长的混合时间可能产生局部浓度梯度和过饱和梯度，导致颗粒异质性增加和工艺鲁棒性降低。此外，通道堵塞（channel clogging）是微流控用于纳米颗粒生产的另一大挑战，尤其是快速交联或凝胶化发生在微通道内时，过早的网络形成会扰乱流动模式、降低重现性并中断连续操作。因此，开发一种既能精确调控混合与离子纳米聚集、又能解决污垢和堵塞问题的微流控策略具有重要意义。

本研究旨在开发一种全水相条件下通过受控离子纳米聚集制备海藻酸钠纳米凝胶的微流控策略，不依赖乳液加工、表面活性剂或有机溶剂。该策略利用微流控混合调控海藻酸钠链的初始聚集及其随后与Ca2?的离子交联稳定化过程，系统考察总流速、流速比及两种组分浓度对纳米凝胶形成的影响，以确定促进小尺寸、相对均匀纳米凝胶形成同时最大限度减少不受控聚集和过早凝胶化的条件。该策略采用模块化被动微混合器（passive micromixer），由两个入口流和一个出口组成，内含AISI 304不锈钢螺旋插入件。该插入件可从管路中拆卸清洗、再生或更换，为应对离子凝胶化引起的污垢问题提供了实用手段。

二、主要关键技术方法

研究人员采用自制的AISI 304不锈钢螺旋微混合插入件，通过化学湿法刻蚀制造，置于内径0.03英寸的商用聚四氟乙烯（PTFE）管路中，与Y型接头（Upchurch Scientific, IDEX Health & Science）连接，由两台Harvard PHD ULTRA?注射泵驱动海藻酸钠溶液和氯化钙溶液。该微混合器基于流分配原理，将流入液流反复分割为更小的子流并通过螺旋流道重新合并，缩短特征扩散距离，强化传质并缩短混合时间。纳米凝胶经离心（15,100 g，20 min）浓缩后，采用动态光散射（DLS，Brookhaven 90 Plus）表征流体力学尺寸和尺寸分布，采用冷冻扫描电镜（Cryo-SEM，Nova Nanolab 200）观察水合态形貌，使用ImageJ软件（版本1.54g）对每样本至少250个颗粒进行粒径统计。钯负载纳米凝胶进一步采用透射电镜（TEM，Tecnai T20，200 kV）观察钯纳米结构在凝胶基质内的形成与分布，并采用紫外-可见-近红外分光光度计（UV–Vis–NIR，Jasco V670）在300–1200 nm波长范围记录吸收光谱以评估钯纳米片的等离激元响应。

三、研究结果

3.1 海藻酸钠流速对纳米凝胶形成的影响

研究人员在保持流速比（海藻酸钠流速与氯化钙流速之比）恒定为0.1的条件下，将海藻酸钠流速从200 μL min?1系统变化至800 μL min?1，总流速从2.2增至8.8 mL min?1，对应停留时间分别为约1363、681和340 ms。在最低流速条件（Test 1）下，DLS测得平均流体力学直径为450 ± 242 nm（PDI = 0.287），Cryo-SEM测得约492 ± 181 nm，两者吻合良好。将总流速提高至4.4 mL min?1（Test 2）后，DLS主峰降至约100 nm（PDI = 0.227），Cryo-SEM显示可单独识别的结构平均尺寸为156 ± 39 nm，表明改善混合有利于形成更小纳米凝胶。进一步将总流速提高至8.8 mL min?1（Test 3）时，Cryo-SEM显示特征粒径进一步降至约85 ± 34 nm，但DLS呈现双峰分布（PDI = 0.122），表明极短停留时间（340 ms）可能限制部分初始纳米聚集体的结构稳定和巩固。结果表明，总流速4.4 mL min?1（停留时间约681 ms）提供了混合效率与纳米凝胶稳定化的最佳平衡。

3.2 流速比对纳米凝胶形成的影响

研究人员在海藻酸钠流速恒定为200 μL min?1的条件下，将流速比从0.1增加至0.6。在中等流速比（0.1–0.2）下，纳米凝胶平均直径约450–460 nm，尺寸分布较宽（PDI ≈ 0.29）。流速比增至0.4（Test 5）时，DLS呈现以约700和1100 nm为中心的双峰分布，Cryo-SEM证实存在大尺寸高度聚集结构，且实验期间观察到微混合插入件部分堵塞，表明凝胶化已在微结构腔内推进。在最高流速比0.6（Test 6）下，Cryo-SEM显示以平均直径约76 nm的小型分散良好的纳米凝胶为主，但DLS测得流体力学直径显著更大（790 ± 201 nm），可能归因于悬浮液中存在较大物种（如纳米凝胶聚集体或钙盐沉积物）。结果表明，纳米凝胶形成对流速比呈非单调依赖：中间条件下增加CaCl?相对贡献促进聚集和网络生长，超过临界阈值后系统转变为不同 regime，形成更小更稳定的纳米凝胶。综合粒径分布和系统运行稳定性，选择流速比0.1用于后续实验。

3.3 海藻酸钠和氯化钙浓度对纳米凝胶形成的影响

研究人员在最优流体动力学条件下（海藻酸钠流速400 μL min?1，氯化钙流速4000 μL min?1，停留时间681 ms，流速比0.1）考察浓度影响。三种条件下Cryo-SEM均显示相对均匀的球形纳米凝胶群体，特征平均直径介于43–59 nm之间。Test 7（1 mg mL?1海藻酸钠，20 mM CaCl?）中Cryo-SEM平均粒径约43 nm，但DLS测得流体力学直径显著较大（250 ± 136 nm），归因于悬浮液中较大物种对DLS信号的不成比例贡献。将CaCl?浓度从20增至25 mM（Test 8）后，DLS平均流体力学直径从250降至约100 nm，而Cryo-SEM粒径基本不变（43和47 nm），且SEM图像显示更均匀、分散更好的纳米凝胶群体，表明提高钙离子浓度不改变初级纳米凝胶尺寸，但促进更完全的交联，减少悬浮液中松散聚集体的形成。将海藻酸钠浓度从1增至2 mg mL?1（Test 9）后，Cryo-SEM平均粒径从47略增至59 nm，DLS保持约100 nm且PDI最低（0.182）。结果表明，流体动力学条件决定初始纳米聚集过程，而聚合物和氯化钙浓度主要调控纳米凝胶结构的稳定化和巩固。Test 9被选为最优条件用于后续钯负载实验。

3.4 与已报道海藻酸钠纳米颗粒的比较

研究人员将本研究的粒径和多分散性与文献中不同制备方法（微流控离子凝胶化、纳米乳液、微乳液、常规乳化）的结果进行比较。Bazban-Shotorbani等人采用无表面活性剂流动聚焦装置获得68–138 nm的海藻酸钠纳米颗粒，PDI低于0.2。本研究的优化配方流体力学直径为100 ± 21 nm，PDI为0.182，处于可比的尺寸和多分散性范围。本方法的主要贡献不在于实现独特的小尺寸和窄分布，而在于将受控海藻酸钠纳米聚集和后续离子凝胶化集成于连续流过程，并具有显著更高的体积通量：螺旋微混合器总流速为4400 μL min?1，约为流动聚焦系统最大组合流速（24.5 μL min?1）的180倍。此外，可拆卸螺旋插入件提供了模块化设计，便于拆卸、清洗和再生。

3.5 海藻酸钠纳米凝胶内钯纳米结构的包封与原位合成

研究人员将优化后的纳米凝胶作为平台，通过一氧化碳（CO）介导的温和还原在凝胶内部原位合成钯纳米结构。Pd2?负载的纳米凝胶悬浮液初始呈淡黄色，经CO处理后变为深蓝色，表明金属钯纳米结构形成。UV–Vis–NIR光谱显示还原后样品在近红外区域出现特征宽吸收带，与钯纳米片（palladium nanosheets）的局域表面等离激元共振（LSPR）一致。CO分子对Pd {111}晶面的吸附强于{100}晶面，通过动力学控制引导晶体生长，促进侧向生长同时抑制垂直方向生长，形成厚度近乎均匀的超薄钯纳米片。海藻酸钠水凝胶网络提供的空间限域进一步限制颗粒生长。TEM图像显示球形海藻酸钠纳米凝胶内部存在高电子密度的钯纳米结构，高倍图像揭示了特征片状形貌。EDS分析确认了钯和钙的特征信号，证实钯纳米结构的成功形成及离子交联海藻酸钠基质的存在。DLS和Cryo-SEM分析显示钯负载后仍存在约70 nm的初级纳米凝胶群体和较大尺寸的第二群体，较大尺寸最可能归因于弱聚集纳米凝胶。

四、讨论总结与研究结论

本研究表明，纳米凝胶的形成取决于混合条件、停留时间和离子交联之间的相互作用。提高流速并不一定改善颗粒均匀性，凸显了识别平衡混合与凝胶化操作条件的重要性。在选定条件下，Cryo-SEM显示纳米凝胶特征直径约60–80 nm。与传统批式方法相比，微流控制备样品表现出更少的可见聚集和更均匀的可识别纳米凝胶结构分布，证明了微流控方法在改善海藻酸钠纳米聚集和纳米凝胶形成控制方面的潜力，尽管DLS测量的流体力学尺寸（100 ± 43 nm）并非总与Cryo-SEM观察到的单个结构尺寸一致。

研究结论：研究人员成功开发了一种基于被动不锈钢微混合器的模块化微流控平台，用于在全水相条件下连续生产海藻酸钠纳米凝胶，避免了传统乳化方法通常需要的表面活性剂和有机溶剂。对总流速、流速比及海藻酸钠和CaCl?浓度的系统研究揭示了纳米凝胶形成取决于混合条件、停留时间和离子交联之间的相互作用。在选定条件下，Cryo-SEM显示纳米凝胶特征直径约60–80 nm，与传统批式方法相比聚集更少、分布更均匀。所得海藻酸钠纳米凝胶还被用作限域反应隔室，通过CO介导的温和还原在凝胶内部原位形成钯纳米片，水凝胶基质施加的空间限域在保持纳米凝胶结构的同时引导纳米颗粒生长，产生了在光热治疗、生物正交催化和多功能药物递送方面具有潜在应用的杂化纳米材料。该研究建立了无表面活性剂连续流制备海藻酸钠纳米凝胶的策略，并为操作条件如何影响其形成、形貌和聚集倾向提供了实验见解。