溶液结晶过程强化

冯瑶光，陈奎，赵佳伟，王娜，王霆，黄欣，周丽娜，郝红勋，2

（1 天津大学化工学院，国家工业结晶工程技术研究中心 天津 300072；2 天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

结晶是物质以晶体状态从蒸气、溶液或熔体中析出的过程。随着工业上对固体产品性能需求的提高，结晶技术受到了越来越多的重视，特别是在高纯化学品的制造，比如食品、农药、医药等功能晶体等领域[1-2]。结晶的目标包括物质的分离和提纯，以及调控具有特定结构和形态的晶体产品等[3-4]。溶液结晶是常用的结晶手段，主要通过改变结晶温度、结晶溶剂、过饱和度等诸多条件实现对结晶的过程控制，得到具有理想纯度、晶型、晶习和粒度的晶体产品。其中，晶体的成核和生长是溶液结晶的两个关键步骤，它们直接决定了晶体产品的结构、尺寸、形态等重要的质量指标[5]。晶体成核是结晶过程的第一步，是过饱和体系中的分子聚集体开始出现并形成新相的过程[6-7]。在成核初期，溶质分子有序堆积形成稳定晶核，随后溶质分子继续从过饱和溶液中扩散到稳定晶核表面，并整合到晶格中，晶核开始生长为宏观晶体[8]。然而，对于某些蛋白质[9-12]、部分抗生素药物[13-17]等物系，单纯通过溶液结晶来获得颗粒大、生长迅速、晶型理想的晶体产品往往较为困难。在这种情况下，可以通过使用新设备或新方法增强体系中质量和热量的传递速率，进而提高晶体产品的质量和生产效率[18]。近年来，已经在溶液结晶中陆续发展出受限空间和微尺度[19-20]、能量和物理场[21-22]、模板剂及添加剂[23-24]等溶液结晶过程强化策略。本文基于目前溶液结晶的国内外研究现状，分别从受限空间、物理场、添加剂等方面综述了不同过程强化策略的基本原理及其研究进展，并展望了溶液结晶过程强化的研究趋势和未来发展方向。

1 限域空间策略

限域结晶是将结晶的维度限制在一个很小的封闭空间（从纳米级到数百微米）的结晶过程[25]。小型化的结晶空间提供了较大的比表面积，提升了结晶过程中的传热和传质效率。同时，限域结晶还可以在很大程度上调控体系的过饱和度，并可以避免不均匀的混合和杂质存在对结晶过程的影响[20]。因此，通过限域结晶可以强化结晶过程，并且可以实现对晶体的尺寸、晶型、形态和生长取向的有效调控[25-26]。常见的受限空间包括微液滴、微流体和具有纳米或微米尺度的多孔材料等[25,27]。

1.1 微液滴策略

微乳液因具有溶解性能好、结构可控、能够保护被封装活性成分等优点，已在结晶领域受到广泛关注[28]。此外，通过控制微乳液的结晶过程，可以跳过奥斯特瓦尔德熟化过程，直接获得稳定的晶型，同时还可用于生产均匀和小尺寸的晶体[29-30]。Liu 等[31]研究了甘氨酸的微乳液结晶过程，并考察了微乳液条件对晶体结构的影响。结果表明，结合结晶动力学控制和表面活性剂的模板效应，可以直接得到α-甘氨酸晶体。Lee等[32]对液滴内磷酸二氢钾的结晶研究表明，在限域环境中，结晶发生在极高的过饱和度下，可以在1s 内实现非常快速的结晶，并且可以利用成核初期的高过饱和度调控多晶型的形成。Toldy 等[33]研究了基于微乳液的甘氨酸球形结晶。结果显示，相较于常规结晶过程中数小时的诱导期，微乳液体系的诱导期很短（10～40s），且形成晶核后的晶体生长非常迅速，以高达1mm/s的速度沿径向方向生长。Meng等[34]以颜料红146 为模型物质，研究了微乳液下的结晶。如图1所示，与本体溶液结晶相比，微乳液结晶得到的颜料红146 粒径小一个数量级，粒径分布也更加均匀，能够满足喷墨印刷机的尺寸要求。总之，微乳液中的结晶与本体溶液中的结晶有着根本的不同，通过微乳液强化将极大影响晶体形貌。然而，要维持微乳液系统的稳定需要添加较高浓度的乳化剂、助乳化剂等成分，因此使用微乳液强化结晶可能会影响晶体产品的纯度等属性。综上所述，虽然微乳液结晶为操纵晶体的形貌和多晶型提供了一种新的策略，然而目前针对某一晶体产品进行微乳液的特异性设计研究还较少。此外乳化剂种类繁多，选择合适的、可用于强化溶液结晶的乳化剂也并非易事，在今后的研究中也需要注意开发出更多的适用于微乳液结晶的无毒的、新型乳化剂。

图1 从本体溶液、大乳液和微乳液中获得的颜料红146的粒度分布[34]

1.2 微流体策略

微流体系统也可促进结晶过程，并用于生产活性药物成分、蛋白质、精细化学品和纳米晶体。与大规模的结晶实验相比，微流体平台中的结晶实验通常使用较少量的溶剂和原料。此外，微流体系统的高比表面积和小通道尺寸引起的短分子扩散距离，可增强体系中动量、质量和热量的传递速率（通常比常规间歇式反应器高两个或三个数量级[35]），进而实现对微流体系统中结晶过程的强化。同时，微流体系统还可以通过降低过饱和度梯度来促进均匀成核，进而在给定过饱和度水平下得到更小晶体尺寸和更均匀的尺寸分布[36]。Takano等[37]使用微流通道研究了对乙酰氨基酚的结晶过程，结果表明微流混合与间歇混合相比更能促进结晶，且不同的流动条件还可控制产生对乙酰氨基酚的不同晶型。除此之外，微流系统还可以与物理场耦合实现结晶强化[38]。Liu等[39]使用微流体连续结晶器研究了超声影响下度鲁特韦钠的连续反溶剂结晶，结果显示微流体耦合超声技术，显著减少了结晶过程中晶体的聚集，与市售产品相比，中值粒径和粒径分布分别减少了30%和60%。同样的，Ferreira等[40]在溶菌酶的微流体结晶中进行了超声处理，结果表明微流体技术结合超声强化，不仅促进了成核过程，晶体尺寸也更加均匀。此外，基于液滴的微流体平台还是一种灵活的结晶工具，用于结晶条件的高通量筛选和优化[41-43]。如Coliaie等[44]使用多孔微流体装置对L-组氨酸进行了结晶条件筛选，在30min 内通过改变摩尔浓度、过饱和度等8种不同条件，获得了L-组氨酸不同晶体形态、多晶型和生长速率的结晶条件。相比之下，采用常规的溶液结晶手段进行类似的研究至少需要240min。然而，虽然微流体强化结晶是一项有前途的技术，但需要解决其目前存在的易堵塞、高压降、成本较高等问题，以便更广泛地在工业上应用[36]。

1.3 多孔材料策略

目前，大量成核动力学实验证明了多孔材料可有效诱导晶体成核[45-47]。常用的纳米多孔材料有介孔氧化硅、活性炭纤维、多孔玻璃珠、共聚物基底和阳极氧化铝等[48]。近年来，众多研究者采用多孔材料策略来实现对晶体成核过程的调控。例如，Brady 等[49]研究了纳米孔玻璃中硫酸钡水溶液的结晶过程，在纳米孔中获得了比本体溶液高2～4 个数量级的异质成核速率。Khodaparast等[50]研究了十二烷基硫酸钠在受限空间中的冷却结晶，在具有10μm 的楔形孔基板上，成核诱导时间显著减少。Diao等[51]发现直径为15～120nm的球形纳米孔抑制了阿司匹林的溶液成核，而相同尺寸的六角孔和方形孔则显著减少了成核诱导期（图2），进一步提出孔隙形状通过改变孔角附近溶质分子的取向顺序来影响成核动力学。然而，目前对于多孔材料促进晶体成核的机制仍存在一定争议。其中，Page等[52]认为当晶体成核发生在纳米级孔隙内时，孔隙的大小与溶质的临界核相对应，通过“孔隙填充”机制提高成核率。Nanev 等[53]则认为由于孔的空间限制和与孔壁的相互作用，孔内的溶质浓度会增加到足以使晶体成核开始的水平，从而促进晶体成核。此外，使用多孔材料还可以选择性调控多晶型，并且可以实现亚稳晶型的长期稳定而不发生向稳定晶型的转变。因此，进一步可将多孔材料用于结晶路径和机理的研究[54-55]。Anduix-Canto 等[56]研究了亚铁氰化钾在孔径为8nm、48nm 和362nm 的玻璃孔中的结晶，结果表明在受限孔中首先形成无水亚铁氰化钾，而通过本体溶液结晶无法观察到无水物的形成。Dwyer 等[57]使用纳米多孔二氧化硅对非诺贝特进行了结晶研究，结果表明孔径在12.7nm以下时，形成无定形非诺贝特，而孔径在20.2nm 以上时，发生结晶并形成非诺贝特晶型Ⅰ。综上所述，不同孔径和形状的纳米多孔材料可改变溶液结晶的成核动力学，并可控制亚稳态多晶型。然而，目前对于多孔材料促进晶体成核的机制仍不清晰，同时多孔材料强化结晶研究主要基于小体积溶液，未来的工程放大仍需要进行广泛探索。

图2 纳米孔径和形状对阿司匹林平均成核诱导期（τ）的影响[51]

表1总结了部分溶液结晶的限域空间强化策略和强化效果。

表1 部分溶液结晶的限域空间强化策略及强化效果

2 物理场策略

物理场是研究最多的过程强化手段之一，其作为一种强大工具，具有不改变原有体系组成的优点，受到了越来越多的关注。本节旨在概述常用于溶液结晶强化的物理场手段，包括超声波、电场、磁场、微波和激光等。

2.1 超声波策略

近年来，众多研究和应用结果表明，超声波可以减小介稳区宽度、缩短诱导期、减小晶体平均尺寸和改善粒度分布，进而实现溶液结晶过程强化[58-59]。超声波在溶液中传播时，会在溶液中产生大量气泡，气泡不断增长并最终破裂，这一过程称为空化，空化的气泡提供了额外的界面以促进初级非均相成核[60]。此外，超声引起的空化导致溶液湍流，强化了溶液中的分子间碰撞，从而提高了成核速率[59,61]。

Hao 等[62-63]对超声作用下的蛋白质溶菌酶的间歇和连续结晶进行了研究，结果表明超声作用可以大大提高溶菌酶的成核速率，诱导期更短（图3），有效提高了溶菌酶的产量。此外，超声的引入可以有效防止晶体颗粒聚集。如图4所示，与无超声作用相比，超声作用下得到的溶菌酶晶体具有更加均匀的粒度分布和更大的晶体尺寸。然而，持续的超声作用也会使得晶体破碎，溶液体系温度的升高也会溶解部分晶体，最终导致更小的晶体。因此，间断超声模式是更快获得粒度均匀、尺寸更大的蛋白质晶体的更有效方法。

图3 有无超声波下盐质量分数4%和溶菌酶浓度25mg/mL、30mg/mL和35mg/mL的诱导期数据对比[62]

图4 不同溶菌酶浓度、不同超声条件下得到的溶菌酶晶体图像[63]

除了难结晶的、结构复杂的蛋白质等生物大分子，超声结晶还广泛用于各种小分子的结晶强化过程，尤其是有机药物分子的结晶过程，以获得粒度更小、生物利用度更高的晶体产品[64]。Gogate 等[65]研究了氨苄西林的超声辅助冷却结晶过程，与传统的冷却结晶相比，在超声存在下结晶产率提高了约4.75倍，诱导时间从4min减少至0.5min，在最佳超声功率下平均粒径减小了95.7%，这有助于提高药物的溶出度和生物利用度。Van Gerven 等[66]在管式结晶器中使用超声波进行乙酰水杨酸等药物的连续溶剂结晶过程，结果表明在溶析剂用量降低了48%时的低过饱和度水平下，也能有效实现连续结晶而不降低产率。

尽管在过去的几十年里，在超声结晶领域进行了深入研究，但还有诸多问题需要解决。例如，目前已有许多关于中试规模的超声研究，但绝大多数关于超声结晶的研究都是在实验室规模下进行的，缺乏工业化规模的实践[64]。过程放大可以说是超声强化手段方法在溶液结晶中应用的最大挑战之一。由于耗散作用，超声在溶液中的穿透被限制在几厘米内，当直接放大到更大规模时，超声的效果可能会完全减弱。总之在今后的研究中应侧重于放大策略和大型超声结晶器的设计。

2.2 电场策略

电场可以由直流电或者交流电产生，如果电极浸入溶液中，则为内部电场，此时电场强度仅限于小电压或电流，以避免法拉第反应。如果施加电场时电极与溶液不接触，则为外部电场[67]。电场可以通过改变液体和固体之间的化学势差来影响晶体的成核和生长过程，因此电场在强化晶体生长上也得到了广泛研究[68-69]。Pareja-Rivera 等[70]研究了外加交流电场对葡萄糖异构酶和溶菌酶结晶过程的影响，如图5所示，施加电场之后出现晶体的数量远大于对照组，并且施加的交流频率越大，产生的晶体数量就越多。Rubin 等[71]研究了外部直流电场对葡萄糖异构酶结晶的影响，与没有电场相比，在电场下的结晶表现出更大的晶体尺寸和更好的晶体质量。Li 等[72]研究了连续流动中的电场辅助蛋白质结晶，与无电场的对照组相比，施加电场允许在较低的过饱和度下获得更高的二次成核速率，从而形成更多的晶体总数，结晶产率从13.3%提高到34.4%。

图5 不同交流电场对葡萄糖异构酶和溶菌酶结晶的影响[70]

除了主要应用于蛋白质等大生物分子结晶外，电场还可以强化有机小分子的结晶。Ter Horst 等[73]通过电场强化结晶，在1,4-二氧六环的悬浮液中分别从不同的电极上结晶吩嗪和咖啡因。Azmi等[74]研究了电场强化的L-异亮氨酸冷却结晶过程，结果表明外加电场可以使成核速率提高近2倍。Radacsi等[67]研究了电场对异烟酰胺在1,4-二氧六环中冷却结晶的影响，在电场存在的情况下，在阳极上形成的异烟酰胺晶体的生长速率比没有电场时提高了至少15倍（从8.3μm/min提高到126μm/min）。

目前关于电场强化溶液结晶的主要难点是探明电场调控晶体成核和结晶动力学机制以及工业放大问题[67]。此外，由于结晶容器通常是金属的以及溶液结晶中常用到有机溶剂，电场的使用可能会带来安全问题，如何在工业上安全实现电场强化结晶过程仍是一项挑战。

2.3 磁场策略

磁场会对溶液产生洛伦兹力和磁化力的作用，从而影响溶液的物理和化学特性，包括磁场对自然对流、黏度、扩散速率以及溶液结构的影响等[75]。此外，磁场具有稳定、环保、易于控制、经久耐用等优点。因此，利用磁场强化结晶过程具有现实意义[76]。目前，磁场已用于辅助金属合金、无机盐和蛋白质的结晶过程[76]。Song 等[77]研究了磁场对鸡蛋清溶菌酶结晶过程的影响，结果表明暴露在磁场中的蛋白质溶液可以产生更多尺寸更大、形态更规则的晶体，如图6所示。张翔飞等[78]的研究表明静态磁场（MFS）对葡萄糖的冷却结晶过程有明显促进作用，晶体析出的数量和质量都明显好于对照组（图7），且不同的磁场参数对结晶过程的影响也有差异。与上述结果相反，Zhao等[79]报告了磁场对晶体成核和生长抑制的结果，表现为在磁场作用下聚酰胺56 盐冷却结晶诱导期和介稳区宽度的增加，以及晶体尺寸的明显减小。Tai 等[80]也报道了磁场对晶体生长的抑制，有磁场作用下方解石的生长速率低于无磁场，磁场强度越高，生长速率越低。上述结果表明，不同参数的磁场对不同物质的结晶过程影响不同，未来仍需要更深入地理解其影响机制。此外，磁场作用下的溶液结晶研究强烈依赖于硬件条件。永磁体可用于常规溶液结晶，但是对于更强磁场的研究，仍然需要超导磁体，这就面临着设备成本过高的问题。相信随着磁体技术的发展，磁场强化将为溶液结晶研究提供新的契机。

图6 有、无磁场下的鸡蛋清溶菌酶的晶体形状[77]

图7 静磁场作用于结晶过程的实验设置示意图和磁场对葡萄糖冷却结晶的影响[78]

2.4 其他物理场策略

近年来，微波作为一种调控结晶过程的新方法受到了关注。微波可以加速溶剂蒸发，从而加快结晶速度并减小晶体尺寸。除了温度效应，微波在溶液中传播时，还会加速分子的运动和碰撞速率，从而影响晶体的成核和生长[81-82]。Radacsi等[83]研究了微波和常规加热的尼氟酸的增发结晶过程，结果表明微波辐照有效减少了结晶时间，并且由于较高的蒸发速率和微波辐照引起的较高过饱和度，大大减少了晶体尺寸。Li 等[84]通过测量诱导时间研究了微波对硫酸钙反应结晶过程中初级成核的影响，诱导期随着所输入微波能量的增加而显著减小，并表明扩散系数的增加是诱导期缩短的主要原因。Constance 等[85]的研究结果表明，微波辅助既能快速结晶谷胱甘肽，又能获得良好的晶体质量，与室温实验相比，微波辅助的结晶时间缩短到原来的1/5.8。然而，目前关于微波辅助结晶的研究都是在实验室规模下进行的，仍然缺乏工业化规模的实践。过程放大的成本问题和大型微波结晶器的设计是微波强化手段方法在溶液结晶中应用面临的挑战。

此外，由于激光具有非接触、时间和空间可控等优势，在强化晶体成核方面也备受关注[86-87]。激光诱导成核通常使用连续激光器和纳秒激光器，成核影响机制包括电磁效应如激光捕获和克尔效应，以及纳米粒子的加热[88]。使用飞秒激光诱导产生空化气泡，从而在溶液内部形成新的成核表面。同时，气泡周围的局部浓度增加，会诱导分子缔合和重新定向，最终促进成核。Yuyama 等[86]研究了间歇激光照射的溶菌酶结晶过程，与对照组相比，结晶时间缩短到原来的1/20。Yu等[89]研究了飞秒激光诱导的过饱和溶液中磺胺噻唑的结晶，如图8 所示，与自发结晶相比，聚焦飞秒激光照射可以增强结晶概率，加速成核过程。尽管激光诱导结晶已经进行了大量研究，但仍然缺少工业规模的实践，缺少工业放大的指导原则。

图8 不同激光条件下磺胺噻唑结晶的显微图像[89]

表2总结了部分溶液结晶的物理场强化策略和强化效果。

表2 部分溶液结晶的物理场强化策略及强化效果

3 添加剂策略

可溶性添加剂广泛用于控制结晶过程，改变产品晶体的形态、尺寸、晶型和物理性质。添加剂的引入一方面改变了平衡溶解度，另一方面也影响了原溶液中的分子间相互作用，进而影响晶体的成核和生长[90]。目前常用的添加剂可以分为高分子聚合物类、离子液体、小分子化合物以及定制添加剂等[91]。高分子聚合物如环糊精、纤维素、聚乙烯醇和聚甲基吡咯烷酮等是常用的添加剂。离子液体（ionic liquid，IL）是一类由不同的阴离子和阳离子组成的盐类化合物，对无机物和有机物有较强的溶解能力[92]。氨基酸、无机盐、表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠等是常用的小分子添加剂。与结晶母体分子具有相似分子结构的添加剂称为定制添加剂[93]。

Wu 等[94]通过实验和分子模拟研究了4-溴乙酰苯胺和4-氯乙酰苯胺这两种定制添加剂对甲基乙酰苯胺结晶过程影响，结果表明两种添加剂均会降低体系界面能与成核吉布斯自由能，进而促进了甲基乙酰苯胺成核和晶体生长过程。冷却结晶的结果如图9所示，所选的两种添加剂均增大了对甲基乙酰苯胺的晶体尺寸，有效促进对甲基乙酰苯胺的晶体生长。此外，Bodnár等[95]使用多库酯钠添加剂对甲芬那酸的成核研究，结果表明多库酯钠的加入促进了甲芬那酸二聚体的形成从而强化了成核。同时，多库酯钠存在下也加快了晶体的生长速率。Link等[96]研究发现精氨酸和亮氨酸都能增强胰岛素的成核，而甘氨酸则不能促进。进一步分析表明，精氨酸的添加导致胰岛素溶解度的增加，而亮氨酸和甘氨酸没有改变溶解度。因此这种成核的增强不是由于过饱和度的增加引起的，而是由于氨基酸降低了本体溶液的表面张力，从而降低成核的高能势垒。

图9 冷却结晶对甲基乙酰苯胺的晶体图像[94]

此外，Yu 等[97]研究了三种不同的离子液体（1-乙基-3-甲基咪唑溴化物、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑溴化物）对溶菌酶结晶的作用，成核诱导期结果如图10 所示。结果表明溶菌酶在实验条件下均为均相成核，且三种离子液体都能显著加速溶菌酶的成核。Zhang 等[98]使用三种DNA 添加剂（小牛DNA、鲑鱼DNA 和鲱鱼DNA）来增强溶菌酶结晶。结果表明三种DNA的引入均能增强溶菌酶的结晶过程。如图11所示，分子量最高的小牛DNA 对溶菌酶结晶的强化作用最显著，形成的晶体数量最多，而鲑鱼DNA 和鲱鱼DNA则能产生更大的晶体。表3总结了部分溶液结晶的添加剂强化策略和强化效果。

表3 部分溶液结晶的添加剂强化策略及强化效果

图10 有、无离子液体添加下溶菌酶结晶的诱导期变化[97]

图11 有、无DNA添加下溶菌酶结晶的晶体图像[98]

然而，添加剂并不总是促进晶体的成核和生长，如Han等[99]以十二烷基苯磺酸钠为添加剂探究 了对硝酸硫胺素结晶过程的影响。结果表明，添加剂与溶质分子间存在的氢键和静电相互作用抑制了成核前团簇的形成，并且添加剂阻碍了溶质分子在晶体表面的吸附从而抑制了晶体生长。Su 等[100]研究了苯酚对硫酸钠结晶的影响，虽然苯酚降低了硫酸钠的溶解度，但介稳区和诱导期的实验结果均表明添加苯酚后抑制了晶体成核。此外，Tan等[101]报道了在聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）存在下，萘普生晶体的成核速率分别得到增强和抑制。Wu等[102]报道了PEG存在下略微促进唑沙胺晶体成核，而PVP 则抑制成核速率。Cheng等[103]的实验结果表明，在PVP存在下4-羟甲基苯甲酸的成核和生长均受到抑制，随着PVP 浓度的增加，抑制作用越明显。

总之，不同添加剂对特定的晶体生长和成核过程具有不同的影响，并且添加剂在结晶过程中的作用是复杂的，完全理解添加剂在结晶过程中的作用仍然具有挑战性。作为一种简单有效的手段，添加剂强化结晶已经得到了广泛研究，但是目前添加剂的使用仍然是经验性的。随着对添加剂影响溶液结晶过程机理的不断深入研究，结合多种分子模拟与量子化学计算，在未来必将取得更多的研究结果。

4 模板剂策略

模板诱导成核是指晶体在有机或无机材料模板表面上的非均相成核。模板表面存在的官能团与溶质分子之间的特定分子相互作用，可能降低与晶体成核相关的界面表面能[104-105]。同时，这些相互作用会影响溶质分子向模板表面的扩散[106]。因此，表面化学是影响模板诱导成核的关键因素。其中，氢键相互作用在溶质分子的自组装及晶体成核过程中往往起着重要作用。Caridi 等[107]使用合成沸石、铝硅酸盐等模板诱导了异烟酰胺在乙醇溶液中的成核，实验表明所用模板有效减少了成核诱导期（图12）。Chadwick 等[108]研究了乙醇溶液中对乙酰氨基酚在模板剂上的成核，如石墨、L-组氨酸、氯化钠、α-乳糖和D-甘露醇。通过诱导期的测量评估了这些基质在强化晶体成核上的有效性。此外，溶质和模板表面的分子间氢键还诱导了溶质分子在溶液中形成预成核团簇，从而实现了特定晶面在模板上的定向生长。Arribas Bueno等[109]研究了非诺贝特在甘露醇、二氧化硅、微晶纤维素、羧甲基纤维素、乳糖和聚己内酯等不同基质的模板诱导结晶。模板剂存在下的成核诱导期明显缩短，非诺贝特的诱导期从22h（无模板诱导）显著减小到最佳条件下的15min。Verma 等[110]也研究了非诺贝特的模板诱导结晶，微晶纤维素下的成核诱导期显著减少（从460min减少到38min）。进一步通过密度泛函理论和分子动力学模拟表明，微晶纤维素上的极性羟基与具有氢键受体的非诺贝特分子形成氢键（图13），氢键相互作用有助于微晶纤维素表面上非诺贝特分子的吸附和稳定。Ouyang 等[111]等使用功能化的二氧化硅（SiO2—NH2、SiO2—COOH）进行了诱导香兰素成核的研究。功能化二氧化硅能够显著提高香兰素冷却结晶的成核速率，诱导期从4h 缩短到20min，模板表面还提高了香兰素晶体的生长速率。表4总结了部分溶液结晶的模板剂强化策略和强化效果。

表4 部分溶液结晶的模板剂强化策略及强化效果

图12 异烟酰胺在乙醇中结晶的诱导期分布[107]

图13 非诺贝特分子通过氢键作用在微晶纤维素模板表面吸附和稳定的时间演变[110]

此外，在降低制造成本和提高配方药物产品功效的需求推动下，模板诱导结晶已成为药物制剂的一种工艺强化技术得到广泛研究[110-114]。在模板剂结晶的工业实践中，需要既能够调控结晶，同时又能封装不同化学性质的药物活性成分的生物相容性材料，这给模板剂的设计带来挑战。总之，尽管模板结晶已经得到了广泛研究，但是模板剂的选择并没有明确的原则。在今后的研究中，除了考虑模板表面的化学特性，也可结合模板的材料特性如纳米孔等进行研究。

5 结语

溶液结晶强化研究对于提高结晶过程效率和改善晶体产品性能等方面具有重要的理论意义和实用价值。本文系统综述了溶液结晶的过程强化方法，通过使用限域空间、物理场、添加剂和模板剂等改变溶液结晶的内部或外部环境，可有效增强晶体成核和生长过程，快速获得满足不同需求的晶体产品。然而，溶液结晶是一个复杂的过程，在外场作用和引入外来物质情况下的传递过程、成核和生长机理及结晶动力学将更加复杂，因此需要不断丰富和完善强化机理从而为工艺放大和设备设计提供依据。此外，虽然已经广泛研究了溶液结晶过程的强化方法，但目前仍存在一些挑战。例如，目前关于物理场强化结晶的研究大部分是在实验室规模下进行的，仍然缺乏工业化规模的实践。此外，目前添加剂和模板剂的使用和设计没有明确的原则，大部分都基于盲目的筛选。因此，在今后的研究中需侧重物理场作用下的放大策略和经济型物理场耦合结晶器的设计开发，以及添加剂和模板剂使用的普适规则的建立与产业化应用等。此外，对于目前难以工业放大的磁场、微波、电场、激光等强化结晶手段，可以尝试与连续微流体装置结合，满足强化设备的小型化和经济性等要求。相信随着科学技术的进步，未来将开发更多用于溶液结晶的强化方法，以获得满足不同需求的晶体产品。