利用化工微反应器技术实现纳米包覆与控释

作者:快彩平台网站 | 2019-11-19 21:00

  “学通四海、术育英才。” 2018年5月4日,华东理工大学“通海讲堂”在奉贤校区图文信息中心通海厅正式启动。作为学校倾心打造的高端学术讲座平台,“通海讲堂”将邀请两院院士、长江学者、国家“杰青”获得者及知名教授等学术大咖,面向本科生讲述前沿性学术问题,进一步提升华理校园学术文化的“高度”和“宽度”,助力一流人才培养。为了让更多的读者感受大咖的魅力、汲取知识的力量,即日起,本网将推出“通海讲堂”系列文章,第一时间传递讲堂信息,分享讲座内容。

  11月8日下午,华东理工大学第四十七期“通海讲堂”高端学术讲座在奉贤校区通海厅举行,化工学院郭旭虹教授应邀带来了题为“利用化工微反应器技术实现纳米包覆与控释”的专题讲座。

  郭旭虹教授本科毕业于清华大学化工系,在德国卡尔斯鲁厄大学获博士学位,曾在普度大学和普林斯顿大学从事博士后研究及工作。2006年回国在华东理工大学化工学院任教,现任华东理工大学化工学院副院长。他长期从事材料化工领域的基础和应用研究,发表SCI收录论文370余篇,现任国际聚电解质协会理事,亚太化工联盟执委会成员,中国化工学会国际交流委员,《华东理工大学学报(自然科学版)》常务副主编,Chem Eng Res & Design编委,教育部评估中心认证专家。

  微化工技术可以强化传统化学工业生产过程中的传质、传热效率,提高能量利用率,能够进行更复杂的反应。强化传热,可以加快热量的传递,提高反应的安全性,使高放热反应可以相对温和地进行;强化传质,可以用于强化高分子的组装,制备高性能的纳米材料。

  近年来,纳米材料的研究与应用日益广泛,比如载药纳米材料、成像纳米材料等。通常制备这些功能性的纳米材料的方法是基于热力学平衡的自组装法,但是其传质效率很低导致周期长、每次制备产品的产量不易提升,不利于纳米材料的规模化连续生产;另外,热力学自组装导致纳米产品的结构与性能不易于通过简单的工程方法调控。因此,通过借助微反应器的高速剧烈的物质混合,可以有效提高传质效率,解决上述问题。

  微反应器技术利用泵对流体输入的大量动能,有效强化了微反应器中混合、反应时的传质,使纳米材料的制备时间急剧下降至数秒。其中,最关键的纳米材料的形成则是在毫秒级的时间尺度内完成的。这种控制混合与反应的动力学过程的方法称为瞬时纳米沉淀法,其通常使用两亲性嵌段共聚物形成壳层、包载功能性的非水溶性分子(药物、成像剂等)制备出功能性的纳米材料。过程与原理是,首先将非水溶性分子与嵌段共聚物溶解于与水互溶的有机溶剂(反溶剂)中,随后与多股水流(正溶剂)进行剧烈混合。在混合的瞬间,溶解于有机溶剂的疏水性功能物质遇到水后迅速形成疏水核心,溶解于有机溶剂的两亲性分子遇到水后迅速组装,将疏水核包裹起来,形成表面为两亲性分子的亲水段所构成的亲水层、内部为包裹疏水性物质核心的水分散性纳米粒子。纳米材料的成功制备与以下几个时间参数有关:τmix,混合时间;τflash,瞬时沉淀时间;τagg,两亲性分子自组装形成胶束的时间;τng,疏水功能性物质的聚集成核及生长时间;当τagg = τng,并且τmix小于τflash时,才能产生足够的传质、足够的混合度、达到均质混合,从而成功制备出纳米材料。

  相比于传统制备方法需要的数天甚至更久的制备时间,瞬时纳米沉淀法这种微反应器技术大大缩短了材料的制备时间,这使得材料的连续生产具有了可能性,同时通过高速流体混合制备材料也有利于生产的规模化与放大,有助于解决了纳米材料规模化与工业化连续生产的难题。

  瞬时纳米沉淀法通过调节制备过程中的工程因素,比如流体流速、流体混合时的雷诺数等,就可以调控纳米材料的尺寸、形貌以及内部构造等复杂结构。通过调控流体流动的流速,可以控制纳米材料的尺寸大小;通过调控流体进料时的浓度,可以控制纳米材料的微观形状;通过调控流体进料时的流速、混合剧烈程度,可以控制纳米材料的微观内部结构。

  优化后的特殊形貌可以提升载药纳米材料的靶向送药能力、优化后的内部结构可以提升载药纳米材料的药物释放性能。

  微化工技术还可以用于解决我国农业领域存在的农药用量大、污染重的难题。在瞬时纳米沉淀法过程中,农药在混合时快速形成大量的纳米级的疏水核心,随后疏水核心都快速被两亲性嵌段共聚物包裹、稳定,形成水分散性农药纳米粒子,农药的利用率(载药率)得到有效的提升。相比于传统的农药制法,农药的损失大大降低了,这有效减少了农药的用量;与此同时,结合特殊的纳米结构,农药纳米材料的靶向杀虫妨害能力得到了提升。这些都有利于为农药的安全、减量、增效应用。


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