一、水溶性納米粒子概述

水溶性納米粒子是一類表面經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長期穩定。

水溶性納米粒子可以應用于多個領域，目前主要應用

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

  優勢：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，比傳統染料更穩定、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：近紅外光激發產熱，消融腫瘤；或產生活性氧（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. 食品與農業

營養強化：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）。  

精準農藥遞送：介孔二氧化硅納米粒**：負載農藥，控制釋放以減少環境污染。  

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保存（4℃）下，容易聚集、水解，保存期短（數周）。而通過凍干法可以長期保存，長期穩定，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構塌陷。海藻糖因其高玻璃化轉變溫度（Tg'）和低吸濕性，在脂質納米顆粒（如SLNP）中表現最佳，可維持粒徑穩定性和包封效率。

多元醇（甘露醇、山梨醇）：作為填充劑形成剛性骨架，但需避免結晶引發相分離（如甘露醇在高濃度下易結晶，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

凍干分為3個階段，每個階段的工藝都要根據納米粒子的特點進行設計開發。

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，保護納米結構完整性。

退火處理：在Tg'附近（如-25℃）保溫2小時，優化冰晶分布，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%，確保長期穩定性。

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