一、水溶性納米粒子概述

水溶性納米粒子是一類表面經(jīng)過特殊修飾或具有天然親水性的納米尺度顆粒，粒徑1-100 nm，能夠在水溶液中穩(wěn)定分散，形成均勻的膠體體系。其核心特點是通過化學或物理手段賦予納米粒子表面親水性基團（如羧基、氨基、聚乙二醇PEG等），從而避免聚集并實現(xiàn)長期穩(wěn)定。

水溶性納米粒子可以應用于多個領域，目前主要應用

1、生物醫(yī)學領域：靶向藥物遞送如脂質(zhì)體包裹抗癌藥（如阿霉素），表面修飾葉酸靶向腫瘤細胞。  

  優(yōu)勢：減少全身毒性，提高病灶藥物濃度。  

分子成像與診斷： 熒光探針：量子點（如CdSe）用于細胞標記，比傳統(tǒng)染料更穩(wěn)定、亮度高。  

  磁共振成像（MRI）：氧化鐵納米粒子（如Fe?O?）作為造影劑，增強組織對比度。  

光熱/光動力治療、金納米棒：近紅外光激發(fā)產(chǎn)熱，消融腫瘤；或產(chǎn)生活性氧（ROS）殺傷細胞。  

基因治療：陽離子聚合物納米粒，通過靜電作用負載DNA/RNA，穿透細胞膜遞送基因。  

2、環(huán)境與能源領域

污染物吸附與降解領域： 磁性納米粒子（如Fe?O?@SiO?）：吸附重金屬離子（如Pb2?、Cd2?，通過磁分離快速回收。  光催化納米材料（如TiO?）：利用太陽能降解有機污染物（染料、農(nóng)藥）能源催化。 

  燃料電池催化劑：鉑（Pt）納米粒子負載于碳載體，加速氧還原反應，提升電池效率。  

 光解水制氫：二氧化鈦（TiO?）或金屬有機框架（MOF）納米粒子催化水分解產(chǎn)氫。  

3. 電子與光學器件

柔性電子：銀納米線（AgNW）：用于透明導電薄膜，替代傳統(tǒng)ITO，制造可折疊屏幕。  

 量子點顯示技術：CdSe/ZnS納米粒子增強液晶屏色彩純度和亮度。  

 金納米粒子比色傳感器：利用聚集/分散導致的顏色變化檢測重金屬（如Hg2?）或生物分子（如DNA）。  

4. 食品與農(nóng)業(yè)

營養(yǎng)強化：納米封裝維生素/抗氧化劑，提高水溶性，增強生物利用度（如納米姜黃素）。  

精準農(nóng)藥遞送：介孔二氧化硅納米粒**：負載農(nóng)藥，控制釋放以減少環(huán)境污染。  

水溶性納米的應用非常廣泛，但是保存不易。水溶性納米粒子在液態(tài)保存（4℃）下，容易聚集、水解，保存期短（數(shù)周）。而通過凍干法可以長期保存，長期穩(wěn)定，便于運輸。凍干法去除水分子可阻斷納米粒子表面化學反應如金屬氧化、聚合物水解，而且可以防止微生物污染。

二、常用凍干保護劑

水溶性納米凍干常用保護劑主要是糖類（蔗糖、海藻糖、麥芽糖）。糖類通過“水替代”理論維持納米粒子表面氫鍵，防止脫水過程中的結(jié)構塌陷。海藻糖因其高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg'）和低吸濕性，在脂質(zhì)納米顆粒（如SLNP）中表現(xiàn)最佳，可維持粒徑穩(wěn)定性和包封效率。

多元醇（甘露醇、山梨醇）：作為填充劑形成剛性骨架，但需避免結(jié)晶引發(fā)相分離（如甘露醇在高濃度下易結(jié)晶，導致納米顆粒聚集）。

表面活性劑（吐溫-80、聚乙二醇）：

抑制界面聚集，改善復溶分散性，濃度通常為0.01%~0.1%。

氨基酸（甘氨酸、組氨酸）：

緩沖pH值，減少脫酰胺等化學反應，適用于生物活性納米粒子（如mRNA-LNP）。

三、水溶性納米粒子凍干工藝開發(fā)

凍干分為3個階段，每個階段的工藝都要根據(jù)納米粒子的特點進行設計開發(fā)。

預凍階段：

溫度梯度：通常采用階梯降溫（如-45℃→-55℃），避免冰晶粗大化，保護納米結(jié)構完整性。

退火處理：在Tg'附近（如-25℃）保溫2小時，優(yōu)化冰晶分布，減少相分離風險。

升華干燥：

溫度控制：隔板溫度≤-40℃，真空度≤10 Pa，分階段升溫（如-45℃→-5℃）以平衡升華速率與熱應力。

終點判定：采用壓力升測試監(jiān)測水分遷移。

解析干燥：

終點水分：通過二次干燥（20~35℃）將殘余水分降至≤1%，確保長期穩(wěn)定性。

有了初步凍干工藝再進行快速凍干工藝開發(fā)和生產(chǎn)放大。通過優(yōu)化保護劑配方（如蔗糖-海藻糖組合）和升溫梯度，將總凍干時間從傳統(tǒng)50-80小時縮短至36小時，甚至更短。