纳米颗粒:制备概述

摘要

由于其独特的尺寸、组成和结构，金属、半导体和金属氧化物等10纳米以下的纳米颗粒在信息、能源、环境和医疗技术领域具有广泛的应用价值。本文简要介绍了纳米粒子的合成方法及其在当今世界的应用。纳米粒子的制备和合成方法有聚合、预成型聚合物或离子凝胶等。这些方法在某些方法中是有用的，例如药物可以被包裹在聚合物基质中，包裹在纳米颗粒核心中，被壳状聚合物膜包围，与聚合物化学共轭，或者通过吸附结合到颗粒表面。

简介

一种测量、操作或合并临界尺寸在1-100纳米之间的材料的技术[1，2]，其应用也被称为纳米技术，用于处理纳米大小的物体。纳米技术将在材料、设备和系统的几个层面上得到发展，其中纳米材料层面的发展是目前最先进的，无论是在科学知识方面还是通过纳米颗粒在商业应用方面。

纳米粒子是由生物相容性和可生物降解的聚合物制成的纳米级胶体结构，由合成或半合成聚合物组成，尺寸从10到1000纳米不等。[3.，4］．这种聚合物纳米颗粒可以修饰药物活性，延缓和控制药物释放，增加药物的粘附性。根据制备方法的不同，纳米结构可以从固体核心球形颗粒组成的纳米球中获得，纳米球大小为纳米级，药物嵌入在基质中或吸收在纳米材料膜表面，而在纳米胶囊中，药物嵌入在由独特的聚合物膜包围的空腔中。

值得注意的是，随着纳米颗粒结构和应用的发展，其化学成分的多样性正在不断扩大。在不同类型纳米粒子的合成领域，聚合物纳米粒子[5-10(PNP)在电子领域发挥着重要作用[11]、光子学、导电材料、传感器、医学、生物技术、治疗、污染控制和环境技术、药物输送[12-15因为纳米颗粒以将药物、蛋白质和DNA运送到目标细胞和器官而闻名，这些细胞和器官在各种疾病的药物治疗和治疗中起着至关重要的作用。纳米颗粒的性质、大小和光学特性使它们更容易进入、转运和破坏活微生物或靶细胞，因为纳米颗粒可以穿透生理屏障并在宿主的循环系统内旅行。

准备技巧

纳米颗粒制备的适当方法取决于聚合物的特性和纳米制剂中使用的药物，因此，为了实现感兴趣的性质，制备模式起着至关重要的作用。制备所用的不同技术[17-20.]和纳米颗粒的合成讨论如下:

溶剂蒸发

溶剂蒸发(图1)是第一个制备纳米粒子的方法，在这项技术中，聚合物溶液[21]是用挥发性溶剂和乳剂制备的[22]是由二氯甲烷和氯仿配制的，但现在它被乙酸乙酯所取代，乙酸乙酯显示出更好的毒理学特征，以获得尺寸小于500纳米的聚合物颗粒。在制备过程中，乳液在溶剂蒸发后转化为纳米颗粒悬浮液，然后让溶液在乳液的连续相中扩散，以进行常规模式的方法，即单乳液，例如水包油(o/w)和双乳液[22]例如，(油中水)-水中水，(w/o)/w。这类方法利用高速均质或超声波，然后蒸发溶剂[23，24]，通过室温或减压连续磁搅拌，形成凝固的纳米颗粒，超离心收集，清洗去除表面活性剂，最后冻干产品。

单乳液和双乳液已广泛应用于医药应用[25]以获得临床适用的给药系统、各种亲疏水抗肿瘤药物、抗炎药物、抗生素药物、蛋白质和氨基酸的包封及其在治疗学中的应用。溶剂蒸发技术[26]，诊所正在努力为各种疾病开发更具体、个性化的治疗方法，并将诊断和治疗能力结合到一种药物中。

Nanoprecipitation

Nanoprecipitation (图2)是一种简单、温和、低能量输入的聚合物纳米颗粒合成工艺[27]也称为溶剂驱替[28，29)方法。制备过程包括有机溶液(丙酮、乙醇或甲醇)的预成型聚合物，然后在有或没有表面活性剂的情况下[30.有机溶剂的扩散通常使用聚乳酸(PLA)聚合物。

将中极性聚合物PLA溶解在水可溶溶剂中，形成纳米球[1，2]，将所述溶液作为表面活性剂注入含有稳定剂的水溶液中，使所述水与所述有机溶剂相互作用形成纳米颗粒。通过该工艺合成的纳米颗粒为亚微米尺寸(<210 nm)，具有低多分散性。可生物降解纳米载体[31-35]，例如脂质或聚合物纳米颗粒，旨在增强纳米颗粒的功效，减少药物[36]的毒性作用，这是由治疗疾病的药物的治疗传递引起的。在非溶剂溶液中，不使用表面活性剂的疏水化合物的纳米沉淀导致纳米颗粒的散射，这种过程被称为“Ouzo”效应。

乳化扩散

乳化或溶剂扩散(ESD)技术(图3)是对采用水混溶溶剂的溶剂蒸发法的改进[37-40]和少量水不混溶有机溶剂因不混溶溶剂的自发扩散而产生湍流[41]在两相之间形成了纳米大小的颗粒。纳米粒子的形成只依赖于分散相溶剂的扩散[42，43]以及纳米球或纳米胶囊的形成[46]，根据含有稳定剂的水溶液中油与聚合物的比例[44]成功地将溶剂扩散到外部相[45]用于形成纳米颗粒的溶液。

ESD具有许多优点，例如高封装效率[47]，不需要均质，批次与批次的再现性高[48]，易于放大，简单，尺寸分布窄[49，50］．由于载药纳米粒可由静电放电技术制备[52]，因此疏水或亲水药物[51]可用于医疗和电子重要性。类似地，其他几种纳米颗粒，如介四卟啉负载的PLGA (p-THPP)纳米颗粒[52-57]、装载阿霉素的PLGA纳米颗粒、装载质粒dna的PLA纳米颗粒、装载香豆素的PLA纳米颗粒、吲哚菁[58-60]也可以用于许多应用。

盐析

腌出(图4)是乳化溶剂扩散技术的改进[61-65在这种方法中，水可溶溶剂通过盐析过程从水溶液中分离出来，最初聚合物和药物溶解在丙酮等溶剂中，然后乳化成含有盐析剂的水凝胶，其形式为电解质(如氯化镁、氯化钙和醋酸镁)或非电解质(如蔗糖)。技术的重要性取决于所使用的盐析剂的种类，因为盐析剂对封装效率起着重要的作用。66]因为溶剂和盐析剂[67，68]然后通过横流过滤去除。

透析

透析是一种简单有效的制备小而窄分布的纳米颗粒合成方法[69，70]该方法是将聚合物溶解在有机溶剂中，然后放置在切断适当分子量的透析管内，然后溶剂在膜内位移，聚合物逐渐聚集[71]由于溶解度的丧失和均匀悬浮液的形成[72]的纳米颗粒。透析机制[73] （图5)与纳米沉淀法类似[74]然而，它是基于使用物理屏障，特别是透析膜[75]或普通的半透膜，允许溶剂的被动传输，以减缓聚合物溶液与非溶剂的混合;透析膜[76，77]含有聚合物的溶液。

超临界流体技术(SCF)

超临界流体(图6)定义为溶剂温度高于其临界温度，在此温度下单相不受压力影响;该技术已被用作制备可生物降解[78]由于超临界流体[79对环境是安全的。超临界有限公司₂由于其条件温和，无毒，不可燃性而被广泛应用于超临界流体，其中该流体与致密气体技术[80]有望提供一种有趣而有效的粒子产生技术[81]，避免了传统方法的大部分缺点(图6)．这种技术对环境友好，适合大规模生产，但价格较贵。

为了获得特定应用所需的纳米颗粒性能，必须设计合适的聚合物纳米颗粒，这可以在单体聚合过程中完成[82]和通过单体聚合生产NPs的过程将在下面讨论。

乳液聚合

乳状液一词的定义是在存在或不存在表面活性剂的情况下获得的两种或两种以上完全或部分不混溶的液体的混合物[83基本上取决于分散相的类型和分散介质。乳化技术是制备纳米颗粒最快的方法之一[84这种主要的乳液聚合技术根据使用有机或水连续相分为两类。主要的乳液聚合方法包括常规乳液聚合、无表面活性剂乳液聚合以及微型(或纳米乳液)和微乳液[85]不同于动力学和热力学不同的乳液行为的聚合。

连续有机相[86，87]技术包括将单体分散到乳液或逆微乳液中，或分散到单体不溶于(非溶剂)的材料中，因此，聚丙烯酰胺纳米球[88]都是用这种方法生产的。在连续水相中，单体溶解在通常为水溶液的连续相中，因此不需要表面活性剂或乳化剂，因此聚合[89，90]过程可以通过不同的机制启动，从而合成亚微米大小的纳米颗粒。

微乳液聚合(图7)是纳米乳剂的一代[91，92]采用高能方法，采用低分子质量化合物作为共稳定剂，通过在水中、单体混合物、共稳定剂、表面活性剂和引发剂的配方合成，预先引发聚合。由于反应物的水溶性较低，聚合动力学较乳化反应慢，因此可以成功合成NP。微乳液(93]是一种由大量表面活性剂制备的热力学自发稳定体系，其特点是油水界面张力接近于零，这是微乳液聚合方法与微乳液聚合方法的主要区别。通过微乳液法制备的纳米颗粒比微乳液法制备的纳米颗粒更小(<80 nm)。

界面聚合

界面聚合(图8)以单体缩聚为特征[94]在液滴界面处，导致主要是纳米胶囊的生成[95]而不是纳米球，因为该方法涉及两种反应性单体或试剂的步进聚合，它们分别溶解在两相(即连续相和分散相)中，反应发生在两种液体的界面处。最后，采用聚加成、缩聚或自由基聚合等界面交联反应合成了纳米空心聚合物颗粒[96通过单体聚合有效地合成纳米胶囊。

含油纳米胶囊[97]是通过在非常细的油包水微乳液的油水界面聚合得到的，或者是通过油包水微乳液中单体的界面聚合得到的含水纳米胶囊。在该方法中，与水完全混溶的有机溶剂作为单体的载体，进行单体的界面聚合[98]被认为是发生在乳化过程中形成的油滴表面，形成含油的纳米胶囊，而聚合物则在水-油界面局部形成，沉淀形成纳米胶囊壳[99产生含水的纳米胶囊。

可控/活性自由基聚合(C/LRP)

可控/活性自由基聚合的主要方法[One hundred.，101]包括氮氧化物介导聚合(NMP)、原子转移自由基聚合(ATRP)和可逆加成和断裂转移链聚合(RAFT)，后者仅依赖纯反应，而忽略了杂质引起的末端反应。几种高分子纳米粒子[102]已经用这种技术合成了聚丙烯酸丁酯，聚苯乙烯，或聚甲基丙烯酸甲酯，甚至嵌段共聚物。

近年来，由于亲水聚合物纳米颗粒的工业化生产，可控/活性自由基聚合已成为一个新的领域[One hundred.它们是专门为生物医学应用和“绿色化学”发展的环境问题而设计的。由于纳米粒子制备过程中不可避免地会发生快速的自由基-自由基终止反应，该技术对摩尔质量、摩尔质量分布、端部功能和大分子结构缺乏控制，也存在一些缺点。

活性自由基聚合和可控自由基聚合的区别在于Ostu等人在1982年开发的活性自由基聚合，他们将具有链转移和终止作用的有机二硫引发剂称为引发剂-转移剂终止剂(iniferter)，而Michael Szwarc在1956年开发的可控自由基聚合则将苯乙烯与碱金属进行活性阴离子聚合，以进一步制备纳米颗粒。

亲水聚合物的离子凝胶或凝聚

在离子凝胶技术中，图9又称离子诱导凝胶化，是利用壳聚糖、明胶、海藻酸钠等可生物降解的亲水聚合物制备PNPs，其中离子凝胶化是指在室温下，由于离子相互作用条件，材料从液体转变为凝胶。壳聚糖是一种天然的线性生物聚氨基糖，用于合成纳米颗粒，其中包括两种水相的混合物，一种是聚合物壳聚糖，另一种是聚阴离子三聚磷酸钠。最后，利用乳液交联技术，壳聚糖的带正电荷的氨基与三聚磷酸盐的带负电荷的氨基相互作用形成聚羧酸盐，形成纳米级的颗粒。这些由两水相静电相互作用形成的微粒可以用傅立叶变换红外光谱进行表征。

结论

这篇综述文章的主要目标是反映有机和生物有机NP的制备和合成技术。纳米颗粒为各种生物应用提供了一个极具吸引力的平台，因为据观察，纳米颗粒的制备是近年来出现的最先进的技术。

NP的制备技术更具挑战性，因为一个重要的挑战是获得具有明确结构和形态的材料，包括广泛的物理、化学、生物、生理因素和条件，这些因素和条件必须考虑到成功制备和生物功能纳米颗粒用于特定的生物医学应用。由于纳米颗粒在研究和临床层面都具有治疗潜力，因此，在未来几十年里，对NP制备过程、机制和技术的更好的基本认识应该是密集研究的主题。

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