您了解納米乳液嗎?
納米乳液常被用于藥物傳遞、食品、化妝品、制藥和材料合成。
您是否曾設(shè)想過,在浩瀚無垠的太空中,如何巧妙地實現(xiàn)納米乳液的無重力制造,比如一款太空自動化機(jī)器。作為未來“天體藥劑師",它可以為長期太空探索的宇航員提供新鮮的滿足營養(yǎng)、質(zhì)量和風(fēng)味需求的個性化飲料或者藥物配方,支持健康監(jiān)測數(shù)據(jù)和醫(yī)療專家決策(圖1)。
圖1. 本研究旨在證明微流體自發(fā)乳化的先例(“概念驗證"),以滿足強(qiáng)化設(shè)計飲料的產(chǎn)品需求。后者需要解決超越先例的科學(xué)挑戰(zhàn)。
讓我們一起跟隨流動化學(xué)領(lǐng)域國際專家,澳大利亞阿德萊德大學(xué)Volker Hessel教授團(tuán)隊, 共同探究未來“天體藥劑師"—如何在連續(xù)流設(shè)備中實現(xiàn)微流體自發(fā)納米乳化。
研 究 探 索
神奇的納米乳液
納米乳液是一種特定的納米結(jié)構(gòu),由液滴(即分散相)分 散在另一種液體(即連續(xù)相)中。典型的納米乳液是油包水(O/ W)納米乳液和水包油(W/O)納米乳液。
特征尺寸:與傳統(tǒng)乳液相比,納米乳液的平均液滴直徑要小得多,通常 定義為200納米以下。納米乳液具有光學(xué)透明或輕微渾濁的特性,不太容易受到由重力引起的不穩(wěn)定機(jī)制的影響。
應(yīng)用優(yōu)勢:O/W納米乳液在制藥和食品研究中備受關(guān) 注,可以分別包裹疏水活性藥物成分或疏水營養(yǎng)保健品和香精劑。這些化合物通常對環(huán)境條件很敏感,而納米結(jié)構(gòu)封裝可以保護(hù)生物活性分子免受過早降解,促進(jìn)生物利用度。
傳統(tǒng)制備S連續(xù)流自發(fā)乳化
傳統(tǒng)制備方案
高能量乳化技術(shù):納米乳液通過高能量乳化技術(shù)如高壓閥門均質(zhì)器及超聲波均質(zhì)器等制備。這些技術(shù)依賴強(qiáng)大的機(jī)械力以誘導(dǎo)液滴分散至油相中。這些方法不僅能耗高,還會在過程中釋放大量熱量,可能對溫度敏感的封裝分子造成損害。
圖2. 自發(fā)乳化的過程:一旦油相和水相接觸,表面活性劑會移動到界面,并通過快速擴(kuò)散形成液滴。
自發(fā)乳化(SE):是表面活性劑由油相因親水性特性自發(fā)遷移至油水界面處的現(xiàn)象。低能量乳化技術(shù)利用這一自然機(jī)制及乳液相轉(zhuǎn)變等分子間作用,實現(xiàn)乳液穩(wěn)定形成,避免了高溫?fù)p害,保護(hù)了活性成分(如圖2)。
連續(xù)流自發(fā)乳化
傳統(tǒng)方法需高濃度合成表面活性劑或依賴強(qiáng)大的機(jī)械力,限制了在食領(lǐng)域的應(yīng)用。作者聚焦無溶劑自發(fā)乳化,并建議與連續(xù)流微流體技術(shù)結(jié)合,以提升乳化效率。
連續(xù)自發(fā)乳化:
通過連續(xù)流探索微小尺度流體,其通道直徑介于幾十微米至幾毫米,此時毛細(xì)力和表面張力顯著,實現(xiàn)流體精確控制。該技術(shù)擴(kuò)大界面面積,促進(jìn)傳質(zhì),并增強(qiáng)相內(nèi)對流,加速界面更新。
連續(xù)流自發(fā)乳化,能生成尺寸均勻的液滴,增強(qiáng)了乳液的穩(wěn)定性。盡管微流體形成的液滴直徑下限通常在幾微米,但其自發(fā)乳化能力在理想條件下能顯著超越傳統(tǒng)方法,輕松制備出超細(xì)液滴。
實驗研究過程
實驗體系:
作者采用與以往文獻(xiàn)相同的油、乳化劑和水相建立作乳液模型系統(tǒng)。
油相組分:超濾制藥級中鏈甘油三酸酯(MCT)
乳化劑:非離子表面活性劑Tween 80(Polysorbate 80)
水相:高度稀釋的磷酸鹽緩沖液(5 mm;pH 7.4,25 °C)
實驗研究:
油相的制備:SOR(surfactant-to oil ratio)是指 Tween 80 和 MCT 質(zhì)量比
油相密度測量
油相粘度測量
大流體乳化研究(滴定管)
單接觸微流體乳化研究:通過使用內(nèi)徑為0.5毫米的T型混合器混合極性相和非極性相進(jìn)行
多接觸微流體乳化研究:使用康寧低流量反應(yīng)器混 粒度分析
圖3 頂部:假定的納米液滴形成流體在滴定管中,左側(cè),在T微流體混合器中;左下:康寧高通量微通道反應(yīng)器系統(tǒng)具有兩個泵;右下:康寧反應(yīng)器中多次重復(fù)的心形單元。
實驗完成后,作者立即使用靜態(tài)光散射儀進(jìn)行了平均粒徑(d32)和粒徑分布測定,以避免由于顆粒聚集引起的結(jié)果失真。
實驗結(jié)果與討論
案特征化模型系統(tǒng)
本研究旨在開發(fā)穩(wěn)定的納米乳液飲料模型系統(tǒng),通過三元相圖分析確定了油-水-表面活性劑的最佳組合(圖4)。
圖4. Tween 80,中鏈甘油三酸酯(MCT)和5 mmol磷酸鹽緩沖液(水相)組成的系統(tǒng)的三元相圖。1)“同時混合": 所有組分同時混合,2)“水表面活性劑預(yù)混合": 在添加MCT之前混合Tween 80和磷酸鹽緩沖液,3)“油表面活性劑預(yù)混合": 在添加水相之前混合Tween 80和MCT。
研究顯示:
在低表面活性劑濃度和大量水相濃度的組合范圍內(nèi),作者找到了一個穩(wěn)定的三組分組合(圖4c):即10 wt%的中鏈甘油三酯(MCT)、20 wt%的Tween 80(表面活性劑與油的比例為2.0)和70 wt%的磷酸鹽緩沖液。
這一組合不僅穩(wěn)定,而且不與凝膠形成區(qū)域接壤,為后續(xù)的深入研究提供了理想的起點。該組合將被視為進(jìn)一步研究的最高表面活性劑濃度基礎(chǔ),旨在通過優(yōu)化表面活性劑與油的比例,進(jìn)一步降低表面活性劑的用量,提高乳液的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。
油相的密度和粘度
作者詳細(xì)考察了油相(MCT)的密度和粘度,以設(shè)定工藝參數(shù),確保其在設(shè)備操作范圍內(nèi)。油相密度和粘度隨Tween 80濃度增加而增加,高粘度影響準(zhǔn)確進(jìn)料。實驗確定了在20-50°C下油-表面活性劑混合物的粘度變化,發(fā)現(xiàn)所有混合物在50°C時粘度低于設(shè)備限制,但考慮設(shè)備溫度限制,選定40°C為操作溫度。
通過粘度分析,確定了微流體實驗中可考慮的最高SOR為1.5,以避免設(shè)備損壞。此外,提出了微流體實驗建議,強(qiáng)調(diào)連續(xù)流動乳化過程的優(yōu)勢,可能通過分步添加油相降低表面活性劑濃度,促進(jìn)自發(fā)乳化,進(jìn)而為接下來的自發(fā)乳化和微流體混合評估實驗奠定基礎(chǔ)。
自發(fā)乳化和微流體混合評估
作者對比了自發(fā)乳化和傳統(tǒng)乳化在宏觀流體與微流體混合器中的表現(xiàn)(圖7)。
圖7 a)Sauter直徑與表面活性劑-油比例相關(guān)(CE:傳統(tǒng)乳化,SE:自發(fā)乳化)。b)使用傳統(tǒng)乳化制備的宏觀流體乳液的粒徑分布。c)使用自發(fā)乳化制備的宏觀流體乳液的粒徑分布。
宏觀流體實驗中,自發(fā)乳化在低表面活性劑濃度下即能形成納米級液滴,顯著優(yōu)于傳統(tǒng)乳化。
單接觸微流體混合器雖能縮短過程時間,但乳液粒徑較大。
多接觸微流體混合器在自發(fā)乳化條件下,顯著降低了液滴尺寸,達(dá)到納米級,且粒徑分布更窄,表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。特別是在SOR為0.5時,自發(fā)乳化結(jié)合多接觸微流體混合器制備的乳液粒徑最小,僅為94納米,相比宏觀流體和單接觸微流體分別減小了64%和42%。
多接觸微流體裝置大幅縮短了處理時間,對于實現(xiàn)宇航空間飲料分配器具有競爭潛力,為制備高效、穩(wěn)定的納米乳液提供了新思路。
未 來 展 望
高效混合與納米乳液應(yīng)用
鑒于顆粒大小方面的積極結(jié)果,但在應(yīng)用自發(fā)乳化時顆粒大小分布方面的意外觀察,作者計劃未來調(diào)查在不同表面活性劑-油比下自發(fā)乳化機(jī)制。
預(yù)計將使用類似混合性能更高的多接觸微流體混合器進(jìn)行實驗,例如康寧G1反應(yīng)器具有類似設(shè)計和最大體積流量為300ml/min,進(jìn)一步顯著縮短處理時間
自動化系統(tǒng)與“設(shè)計師飲料"
作者未來致力于驗證營養(yǎng)品和藥物在納米液滴中的穩(wěn)定添加,確保納米乳液的品質(zhì),并計劃調(diào)整微流體制造工藝以優(yōu)化飲料的整體質(zhì)量。此外,向納米乳液中添加風(fēng)味以提升飲料的感官質(zhì)量也是作者關(guān)注的重點。
展望未來,作者團(tuán)隊將實現(xiàn)微流體系統(tǒng)的全面自動化,這包括安裝過程監(jiān)測傳感器和分析設(shè)備(如溫度、壓力、粒徑控制等),以及配置閥門以從化學(xué)庫中精確選擇和投放各種營養(yǎng)品和藥物,實現(xiàn)定制“設(shè)計師飲料"的概念。通過計算機(jī)控制泵、閥門和監(jiān)測裝置,不僅能夠確保生產(chǎn)過程的精確控制,還將實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作微流體處理單元,為飲料制造業(yè)帶來靈活性和效率。
參考文獻(xiàn):DOI: 10.1002/adhm.202203363
電話
關(guān)注公眾號