凝膠對結晶過程影響的研究進展

張文鋮，龔俊波，董偉兵，吳送姑

（1 天津大學化學工程聯合國家重點實驗室，天津300072； 2 青海民族大學化學化工學院，青海西寧810007）

引 言

傳統溶液結晶在晶習的調控和多晶型的篩選等方面有時不能達到預期和行業的需求，因此，研究者開發了一種新的結晶方法——凝膠相結晶。凝膠劑通過非共價相互作用或者化學鍵自組裝為一維纖維狀長鏈，再由這些纖維狀長鏈糾纏在一起，最終形成凝膠的骨架。通過表面張力將溶劑分子吸附在凝膠骨架中，就形成了凝膠。

在凝膠中由于受到擴散限制，體系可以達到較高的過飽和度且不會爆發成核，這就是凝膠可以獲得亞穩相單晶的原因[1]，并且溶質分子被連續地傳遞到生長面使得晶體的生長更加規則；凝膠還起到“軟”基質的作用，它保持晶體形貌并減少晶體和結晶器壁之間或者晶體和其他晶體之間的相互作用。因此可以獲得具有特定晶面的三維單晶[2-3]；同時凝膠介質為結晶過程提供了一個特定的化學環境，從而可以實現普通溶液結晶難以得到甚至無法得到的結果。由于凝膠相結晶具有多種優勢，因此引發了研究人員的廣泛關注。

本文主要針對凝膠在結晶過程中的作用進行討論，可以實現晶型、晶習和粒度的調控。首先總結了高分子凝膠、超分子凝膠和無機凝膠對結晶過程的控制；其次簡單介紹了微凝膠對成核和生長過程的影響；最后對凝膠結晶未來發展的方向進行了展望。

1 高分子凝膠介質中的結晶

凝膠作為結晶介質已有一個多世紀的歷史，凝膠相結晶最初主要用于生物礦化機理的研究以及高質量的無機物和蛋白質的單晶的制備[4]。后來，有研究發現凝膠相結晶對小分子（氨基酸等）結晶過程中的晶習調控和多晶型篩選等方面取得了顯著成果，于是研究人員就將凝膠相結晶作為一種新的結晶技術，得到溶液中難以得到或者無法得到的產品。凝膠在溶質分子結晶過程中的作用主要如下：大部分情況下，凝膠在結晶過程中作為一種惰性介質；在部分情況下，凝膠介質可以影響晶體的晶型、手性和晶習；極個別情況下，凝膠可以結合到晶體結構中，從而產生復合材料[5-6]。到目前為止，研究人員已經對天然高分子凝膠、超分子水凝膠、超分子有機凝膠以及無機凝膠等介質中的結晶過程進行了研究。本章主要介紹了高分子凝膠介質中的結晶，不同高分子凝膠介質的分類，其對結晶過程的調控以及各自優缺點如表1所列。

1.1 天然高分子凝膠介質中的結晶

高分子凝膠主要是由大分子（瓊脂、明膠等）或者聚合物（聚酯、聚酰胺等）通過化學交聯（化學鍵）或者物理交聯（氫鍵等）產生的。當高分子凝膠是通過強化學交聯產生時，是不可逆的；當高分子凝膠是通過物理交聯產生時，是熱可逆的。下面主要介紹天然高分子凝膠（瓊脂糖凝膠、明膠凝膠）以及合成高分子凝膠在結晶介質中的作用。

1.1.1 瓊脂糖凝膠介質中的結晶 瓊脂是一種從紅藻中提取出來的天然高分子多糖。瓊脂去掉帶有硫酸酯(鹽)、葡萄糖醛酸和丙酮酸醛的瓊脂果膠部分即可得到瓊脂糖。雖然瓊脂和瓊脂糖都可形成凝膠，但是相比于瓊脂，瓊脂糖是不帶電荷的中性物質，不會對溶質分子產生影響，因此，研究人員主要使用瓊脂糖作為結晶的介質。瓊脂糖凝膠介質主要用于無機材料[7-11]、蛋白質[12-14]和氨基酸[4,11,15]的結晶。

2003 年，Yang 等[7]在瓊脂糖凝膠中首次得到了星形的方解石（CaCO3）晶體，如圖1所示。通過對反應時間、凝膠濃度和反應濃度等因素的研究，他們認為結晶過程中瓊脂糖凝膠主要控制反應物的離子擴散過程。2007 年，Li 等[10]利用TEM 觀察了在瓊脂糖水凝膠中生長的方解石晶體的內部結構，發現凝膠中形成的方解石晶體內部充滿了孔隙，這表明晶體被分成較小的微晶（數百納米），晶橋將這些微晶連接在一起。孔的大小范圍為60～364 nm，平均孔徑為（190±82）nm。同時他們通過水溶蝕的方法證明晶體中孔的形成和凝膠中的瓊脂糖分子有關，這項工作表明凝膠法是一種制備具有大的內表面積而不破壞晶體組分完整性的單晶的方法。

Duffus 等[8]在對瓊脂糖凝膠介質中KCl 結晶過程的研究中，發現瓊脂糖凝膠能夠降低氯化鉀水溶液的有效過飽和度。Li 等[9]通過碳酸銨方法在瓊脂糖水凝膠（1%）中生長方解石晶體。對方解石晶體的結構研究過程中發現，瓊脂糖納米纖維的三維網絡隨機結合到方解石的單晶中，并且證實了凝膠和晶體之間存在一定的相互作用。因此，這項工作對于理解生物礦物的結構和形成以及開發新的高表面積單晶復合材料具有重要意義。

表1 不同高分子凝膠介質的對比Table 1 Comparison of different polymer gel media

圖1 在瓊脂糖凝膠中30℃生長24 h獲得的CaCO3晶體的SEM圖[7]Fig.1 SEM images of CaCO3 crystals obtained in agarose after incubation at 30℃for 24 h [7]

此外，可以使用生物聚合物凝膠的手性來影響結晶產品如NaClO3的手性。NaClO3從純水溶液中晶體生長得到D-型和L-型晶體呈50∶50 的統計分布。Petrova等[11]在瓊脂糖凝膠中通過改變凝膠化條件可以使產品中D-型和L-型晶體的比例發生變化。

瓊脂糖凝膠介質可以通過減少對流并防止晶體沉淀產生一個類似微重力的環境，從而生成高質量的蛋白質晶體[14]。Sugiyama 等[12]在2.0%瓊脂糖凝膠中，使用多種結晶方法使奇異果甜蛋白和彈性蛋白酶結晶。通過和非凝膠介質中制備的晶體對比，他們發現晶體結構不受高濃度瓊脂糖凝膠的影響。因此，這項工作提供了一種半固體凝膠介質進行有效保護蛋白質晶體的技術，使它們可以被處理和運輸而不影響任何后來的晶體學分析。Matsumura等[13]也在2.0%瓊脂糖凝膠中得到了木聚糖酶、胰島素和葡萄糖異構酶的高質量的結晶，如圖2 所示。以上研究表明在凝膠介質中生長的蛋白質晶體更適合用于蛋白質晶體的晶體學表征和分析。

圖2 在半固體瓊脂糖凝膠中生長的蛋白質晶體的照片[13]Fig.2 Photographs of protein crystals grown in semi-solid agarose gel[13]

Petrova 等[4]通過比較在瓊脂糖、角叉菜膠和明膠凝膠中生長的晶體的形態與從純水溶液生長的晶體形態以及從含有各種濃度的相關單體、離子和共溶劑的溶液生長的晶體形態發現，天然多糖聚合物可能是比低分子量添加劑更有效的晶體生長改性劑。Tasnim 等[15]從瓊脂糖凝膠中得到了兩種不同形貌的甘氨酸晶體(圖3)：從溶液界面自發成核或通過非光化學激光誘導成核（NPLIN）在空氣-溶液界面得到樹枝狀晶體，而通過激光誘導成核得到恒星狀晶體。這表明瓊脂糖凝膠介質中進行小分子（如甘氨酸）的結晶時，會產生和溶液結晶產品不同的形貌，并且在瓊脂糖凝膠中結晶時，還可以通過激光誘導來改變晶體的形貌。

1.1.2 明膠介質中的結晶 明膠是由動物膠原水解得到的一類蛋白質，因此它具有很好的生物相容性，而且可以和水形成熱可逆的水凝膠，這使得明膠在生物礦化以及大分子的結晶等很多領域都有著廣泛的應用。Grassmann 等[16]通過離子擴散的方法得到了對稱的圓筒狀的碳酸鈣晶體，如圖4所示。雖然晶體在生長過程中摻入了很多有機物，但是這種形貌的形成是晶體周圍化學環境造成的，同時他們發現這種形貌和一些生物礦物相似，說明在這樣的化學環境中可能發生生物結晶。Huang 等[17]對該過程進行了進一步的研究確認，最終的晶體是方解石-明膠復合材料。

圖3 瓊脂糖水凝膠中觀察到的甘氨酸兩種晶習[15]Fig.3 Two morphologies of glycine crystals observed in aqueous agarose gels [15]

圖4 明膠介質中生長7 d得到的方解石晶體SEM圖[16]Fig.4 Morphology of a calcite particle isolated from middle section of gelation growth medium after 7 days as imaged by SEM[16]

Yucel等[18]在明膠介質中得到了乳糖的晶體，并且使用超聲衰減測量技術（2.25 MHz 中心頻率）研究25°C 下明膠（1.5%和3%）凝膠的乳糖（43%和46%）晶體，結合濁度（500 nm）和等溫量熱測量，結果表明明膠濃度對乳糖的結晶動力學沒有影響。

1.2 合成高分子凝膠介質中的結晶

天然高分子水凝膠制備的過程中需要升溫至凝膠劑熔化，溫度較高，如果用于蛋白質等物質的結晶，可能會使蛋白質變質失活；同時由于天然高分子種類比較少，不能根據需要定制特定的凝膠劑，所以到目前為止，研究人員對天然高分子凝膠中的結晶研究并不是很多。合成高分子凝膠可以避免這些問題，所以大部分研究都是針對合成高分子凝膠對結晶過程的影響。

Pauchet 等[1]在四甲氧基硅烷（TMOS）的水解和縮合獲得的凝膠介質中得到了（±）-莫達非尼的單晶。對于（±）- 莫達非尼，溶液中結晶通常會出現穩定的外消旋晶型Ⅰ和亞穩外消旋晶型Ⅲ的混晶。到目前為止，從來沒有獲得足夠大小的亞穩外消旋晶型Ⅲ的單晶，因為溶液中接近熱力學平衡的結晶總是產生晶型Ⅰ的單晶，即最穩定的晶型。純晶型Ⅲ只能通過遠離平衡的結晶方式（如沉淀）獲得。通過在凝膠中結晶（±）- 莫達非尼，他們除了得到以上兩種晶型外，還首次得到了晶型Ⅰ的孿晶。

纖維素是一種豐富的天然生物聚合物，植物纖維經過酸水解之后成為納米晶形式——纖維素納米晶體（CNCs），其高度有序并且具有低密度和高縱橫比。CNCs 上大量的羥基決定了其表面可以很容易地被修飾，例如通過羧化、硅烷化、乙酰化等[19]。納米纖維素已經顯示出通過使用非常簡單的方法形成三維網絡從而形成水凝膠的能力，例如增加懸浮液中納米纖維素的濃度、水熱處理和超聲處理[20-22]。這些水凝膠及其衍生物，包括膜、薄膜和氣凝膠，已經應用于生物醫學領域，例如細胞包封和藥物的控制釋放[23-25]。由于CNCs 的表面可調性，可以進行修飾得到具有疏水表面的凝膠骨架，通過結合有機溶劑可以作為藥物結晶的凝膠介質[26-27]。Ruiz-Palomero 等[26]使用羧基化納米纖維素在陽離子表面活性劑存在下形成0.3%的有機凝膠作為介質來控制藥物的固體形式。他們制備出了新的磺胺吡啶溶劑化物，改變了產品的形貌并得到了磺胺甲唑的十八烷基銨鹽。這項工作表明使用凝膠相結晶在藥物的固體形式篩選方面具有較好的應用前景，特別是在尋找難以成核或動力學不占優勢的固體形態方面。Banerjee 等[27]通過氧化纖維素納米晶體（CNCs）并將其與含胺表面活性劑——十八烷基胺（ODA）在二甲基亞砜（DMSO）中混合來制備凝膠，并且優化了這些凝膠的組成和制備條件。在凝膠化之前將API（磺胺甲唑、磺胺吡啶和磺胺甲嘧啶）加入混合物中，API 在物理凝膠的疏水區域中結晶。他們發現從凝膠中回收的磺胺甲唑是無定形；磺胺吡啶為晶型Ⅰ，Ⅲ和Ⅳ的混晶；磺胺甲嘧啶為晶型Ⅰ和Ⅱ的混晶。該研究表明，可以使用表面改性的納米纖維素凝膠調控藥物晶體的晶型。

由于瓊脂糖凝膠的制備需要升溫到80℃溶解，在使用這種凝膠進行蛋白質的結晶時，可能會導致蛋白質失活。因此，Sugiyama 等[28]使用由合成聚合物制成的熱可逆凝膠化聚合物（TGP）代替來自天然聚合物的瓊脂糖水凝膠進行蛋白質（彈性蛋白酶（ELS），葡萄糖異構酶（GI）和溶菌酶（LZM））的結晶。TGP 是一種水溶性聚合物，最初是作為組織工程的細胞培養基而開發的[29]。這種通過TGP進行蛋白質結晶的新方法加速了蛋白質晶體學結構的研究。

2 超分子凝膠介質中的結晶

除了有大量關于高分子聚合物凝膠的報道外[30]，基于超分子聚合物的凝膠，即小分子量凝膠（LMWGs）在近幾十年來也引起了人們的廣泛關注，它們已大量應用于技術研究領域[31-34]。超分子凝膠起源于小分子通過非共價鍵相互作用（氫鍵，π-π相互作用，配位相互作用等）自組裝成一維的各向異性結構，最常見的是纖維。在足夠高的濃度下，這些纖維纏結或以其他方式交聯成三維網絡，通過表面張力和毛細管作用固定溶劑。

超分子凝膠作為晶體生長介質有許多優點：具有合成和結構多樣性的特點，因此可以得到種類眾多的適用于藥物結晶的超分子凝膠，甚至能夠針對需要結晶的模型藥物設計特定凝膠劑，從而起到模板劑或提供成核活性位點的作用；超分子性質表明溶膠-凝膠轉變易于發生（例如通過改變溫度、pH，超聲處理，輻射或添加化學觸發劑，如金屬、陽離子、陰離子或分子添加劑），超分子凝膠的可逆性質可用于晶體和凝膠介質的分離[35]，而常規水凝膠僅限于水作為溶劑，凝膠和晶體的分離一般使用強酸或高溫，兩者都會使晶體溶解[36]。

主要超分子凝膠介質的分類，其對結晶過程的調控以及各自優缺點如表2所列。

2.1 常規的超分子凝膠介質中的結晶

常規的超分子凝膠介質中最常用的是基于尿素的凝膠劑，因為這一類凝膠劑相對容易設計和合成具有特定溶解度和化學功能的定制凝膠劑，同時還可以引入特定的官能團[37-38]。雙（尿素）膠凝劑一般由異氰酸酯與胺的反應制備，同時可以方便地引入特定官能團[39-41]。根據模型藥物結構定制的凝膠在藥物晶體和凝膠纖維表面之間有著明顯的相互作用，從而影響藥物晶體的結晶過程，甚至可以實現在凝膠上生長藥物晶體。

Estroff等[42]在凝膠劑1（圖5）的水凝膠介質中研究了方解石晶體的生長過程。他們發現在有機水凝膠中方解石晶體生長期間，凝膠劑聚集體在缺陷部位被封閉到晶格中，進而改變晶體的物理性質，特別是它們的溶解行為。有充分證據表明生物體利用大分子來控制礦物質的生長，這些大分子具有許多可能的作用，包括在生長晶面上的特定吸附（影響晶體形態）[43]，嵌入晶體基質（影響斷裂強度）和有序成核功能陣列的顯示（可控制多晶型選擇性）[44-45]。這項工作說明可以通過在凝膠介質中研究無機晶體的成核和生長來深入了解控制生物礦化的關鍵因素。Foster 等[36]在四種不同的雙（尿素）凝膠劑（包括金屬凝膠劑）中對卡馬西平晶體生長進行了詳細的研究。在沒有共晶形成的超分子凝膠介質中也實現了一系列其他藥物的結晶，即司帕沙星、吡羅昔康、茶堿、咖啡因、布洛芬、對乙酰氨基酚、舒林酸和吲哚美辛。他們發現與溶液相比，在凝膠相中晶習有明顯差異；在一些情況下，凝膠相結晶導致形成不同的多晶型物，甚至在一些情況下，發現結晶只能發生在凝膠中不發生在溶液中；此外，沒有觀察到凝膠-結晶底物共晶，表明快速形成的凝膠和生長較慢的底物晶體之間的有效相分離。以上實驗結果和目前已經存在的非常龐大的超分子庫說明超分子凝膠相結晶已經可以作為多晶型篩選方法的一個重要工具。

表2 不同超分子凝膠介質的對比Table 2 Comparison of different supramolecular gel media

圖5 雙尿素凝膠劑1[42]Fig.5 Chemical structure of bone mineral gel 1[42]

Daly 等[46]的研究結果表明，超分子凝膠可用于在凝膠介質中生成NaCl、KCl 和KI 的單晶納米線。他們使用的超分子凝膠劑為小分子L（圖6）。在Daly 等[47]之前的研究中已經發現，小分子L 通過氫鍵和中心核的π-π 相互作用形成二維超分子聚合物[圖7(a)]；使用Eu（Ⅲ）離子（EuCl3），通過高階自組裝形成了三維的凝膠結構（EuCl3-L）[圖7(b)]；單獨的超分子聚合物鏈通過配位連接到Eu（Ⅲ）上，Eu（Ⅲ）被稱為超分子膠[圖7(b)]，從這種材料中可以觀察到納米線的生長[圖7(c)]。這項研究有助于了解凝膠膜的功能，離子相應的特異性過濾器或鹽風化抑制劑，并且為納米材料的生長提供了新的途徑。

圖6 凝膠劑L的化學結構[46]Fig.6 Chemical structure of gel L[46]

Ghosh 等[48]報道了三種形式的銅（Ⅱ）異煙酸-N-氧化物絡合物的結晶和它們通過溶劑介導實現的晶體- 晶體的相互轉化。同時，他們將該絡合物在水凝膠、低分子量凝膠和定制凝膠劑的凝膠中進行了凝膠相結晶。發現從溶液和瓊脂糖凝膠獲得的晶體的形態相似，為塊狀晶體，而在小分子量凝膠和定制的超分子凝膠中產生板狀晶體；在乙醇水溶液中的結晶導致伴隨形成藍色（晶型Ⅰ）和綠色（晶型Ⅱ/Ⅳ）晶體，而使用低分子量凝膠中選擇性得到結晶為藍色晶型Ⅰ，表明低分子量凝膠介質對結晶過程有影響，可以調控產品的晶習和晶型。

Aparicio 等[49]利用線性凝膠劑的手性對藥物晶型進行了篩選，研究了常見API如ASP、CAF、IND 和CBZ 在凝膠介質中的晶體生長。結果表明，在純甲苯和非手性凝膠中，觀察到熱力學Ⅲ晶型卡馬西平，但使用手性凝膠劑得到了Ⅱ晶型和Ⅲ晶型的混晶，表明凝膠劑的手性結構會對模型藥物的晶型產生影響。

Foster 等[37]合成了用于研究藥物ROY 的雙（尿素）膠凝劑。從該凝膠劑的甲苯凝膠中結晶ROY，形成了亞穩態紅色R晶型而不是熱力學穩定的Y晶型。該研究證明了可以通過設計特定的超分子凝膠劑來控制藥物的多晶型。根據構象和晶體結構分析方法得到了凝膠劑的可能結構，通過將預測的凝膠結構和ROY 不同晶型結構進行對比分析發現：定制凝膠劑形成的凝膠對ROY 亞穩晶型Y 的空間和電荷匹配度比對ROY 的穩定Y 晶型匹配度更高，因此可以在定制凝膠劑的凝膠中得到ROY 的亞穩晶型R。

圖7 通過凝膠劑分子L之間的氫鍵形成的二維超分子聚合物（a）和EuCl3-L的三維超分子網絡（b）以及NaCl納米線的形成（c）的示意圖[46-47]Fig.7 Schematic representation of two-dimensional supramolecular polymers formed through hydrogen bonding between L molecules(a)and three-dimensional supramolecular network of EuCl3-L(b)along with formation of NaCl nanowires(c)[46-47]

Kennedy 等[50]根據功能性設計并定制了凝膠劑，并在該凝膠中進行了異煙肼結晶過程的研究，以試圖控制晶體形貌和多晶型行為。研究發現異煙肼在溶液相結晶和凝膠相結晶時，產品在晶習和晶體尺寸方面產生一些顯著的差異，但是并沒有得到新的晶型，暗示了異煙肼只有一種晶型。

Dawn等[38]根據抗癌藥物順鉑[51]的結構定制了一系列基于鉑的低分子量尿素凝膠劑C1，C2 和C3，在這些凝膠劑所形成的凝膠中結晶，最終得到了新的N,N-二甲基乙酰胺（DMA）溶劑化物，并且產品的晶習也發生了改變。

2.2 多組分超分子凝膠介質中的結晶

多組分凝膠是通過非共價力相互作用的兩種或更多種物質形成合適的結構單元，通過結構單元之間的相互作用以產生支撐凝膠的纖維網絡[52-53]。多組分凝膠的優勢在于：多組分凝膠中的正交性或選擇性組裝，可以有選擇地形成多種形式的聚集體[54-55]；以及可以在多組分凝膠中觀察到自分選效應，產生獨立纖維網絡[56-58]。

超分子凝膠內的活性藥物成分（API）的物理包封本身可以被認為是多組分凝膠的一個例子，其中API可以與凝膠劑建立非共價相互作用。多組分超分子凝膠作為結晶介質的應用以及API的存在對復合過程的形成或破壞的潛在影響，這種復合過程是這種多組分體系中凝膠化過程的基礎。Buendia等[59]將LG2-Lys 樹枝狀大分子和烷基胺形成的雙組分凝膠用作API（卡馬西平：CBZ，阿司匹林：ASP，吲哚美辛：IND）的晶體生長介質研究了多組分超分子凝膠對結晶過程的影響以及API對多組分超分子復合過程的影響，結果如圖8所示，表明其結構中不含羧酸基團的活性藥物成分（API）容易在基于賴氨酸的樹枝狀大分子（LG2-Lys）和脂肪胺形成的多組分有機凝膠介質中結晶。相反，結構中具有羧酸基團的阿司匹林（ASP）或吲哚美辛（IND）不會在G2-Lys樹枝狀大分子和脂肪胺形成的有機凝膠介質中結晶，實際上它們阻止凝膠的形成；此外，在G2-Lys和癸胺的混合物中存在卡馬西平（CBZ）時，可以在室溫下形成凝膠，單純的G2-Lys樹枝狀大分子和癸胺混合物只在-20°C 以下形成凝膠，這說明了API 具有增強凝膠化的協同效應。相反，阿司匹林（ASP）或吲哚美辛（IND）阻止Lys 樹枝狀結構和胺形成復合物，并且還阻止API 的有效結晶。這體現了API對凝膠化的拮抗作用。這項工作闡明了雙組分凝膠作為API 的晶體生長介質的適用性，報道并定義了凝膠組裝過程和API結晶過程的協同和拮抗多組分效應，并提出了關于哪些API 可以在這些雙組分凝膠內成功結晶的基本規則。

圖8 含LG2-Lys或者LG2-Lys 與原始單胺的雙組分凝膠劑和模型藥物的結構以及相應的實驗結果[59]Fig.8 Two-component gelation system comprising LG2-Lys or LG2-Lys and a primary monoamine(The chemical structure of the APIs used and the final results regarding gelation and crystallization are indicated in the right-part of the panel) [59]

2.3 天然超分子凝膠中的結晶

到目前為止，大部分關于藥物結晶的超分子凝膠體系使用的是合成凝膠劑[31,35-38]。但是，這種超分子凝膠體系完全依賴于加熱- 冷卻- 觸發的凝膠化過程，從而限制API結晶變量[60-62]。如果超分子凝膠使用天然存在的有機凝膠劑，而且其制備不依賴于熱-冷觸發的凝膠化過程（可以制備雙組分和多組分凝膠）[63-65]可能會為API的凝膠相結晶提供新的思路。

維生素B9（VB9，葉酸）通過H 鍵進行自組裝，形成超分子凝膠[66-68]。這種在凝膠上具有羧酸基的天然手性分子具有與API 或共聚物形成氫鍵的潛力，有效地將藥物物質局部固定在凝膠纖維的表面上并提供成核表面。通過添加三乙胺或乙酸，發現維生素B9凝膠可通過pH 轉換。這種可回收的凝膠用作共結晶介質[69]，通過控制進料組分的比例可選擇性地得到不同化學計量的共晶，并通過過濾簡單地回收生長的晶體。因此，Wang 等[64]使用這種可回收的凝膠作為新型共結晶介質，產生四種化學計量的維生素C 共晶。在高度過飽和的條件下，通過球形結晶過程獲得具有不同粒徑的均勻微球。在些工作中，凝膠方法顯示出在共晶篩選和共結晶過程中晶體的粒度調控方面的潛在應用。

單寧酸（TA，Mw=1701.2）是一種普遍存在的天然多酚，可以與Ⅳ族過渡金屬離子通過配位相互作用進行超分子組裝，在多種溶劑中形成凝膠[70]。與常規的熱-冷觸發凝膠化相反，TA-TiⅣ金屬凝膠可以在環境條件下在各種溶劑中與金屬配體化學計量下簡單混合而形成。這種凝膠體系具有比較大的凝膠強度，而且能夠原位凝膠化一系列添加劑并控制其組裝過程，例如金屬- 有機骨架的結晶[70]。基于這些特征，Rahim 等[65]將單寧酸的超分子金屬凝膠用于API（咖啡因（中樞神經系統興奮劑），卡馬西平（抗驚厥藥，CBZ）和吡羅昔康（抗炎藥，PX））的結晶。與溶液中形成的API 晶體相比，凝膠生長的API 晶體在尺寸、形態和多晶型方面表現出相當大的差異。

手性在蛋白質晶體中仍然是一個未解決的問題，因此可以使用立體化學結構明確的水凝膠作為理想的介質來研究手性在晶體生長過程中的作用。為了驗證這一假設，Conejero-Muriel 等[71]選擇了兩個基于半胱氨酸的短肽，化合物1（N,N'-二（苯甲酰基）-L-半胱氨酸二酰胺）及其相應的D 對映體2（N,N'-二（苯甲酰基）-D-半胱氨酸二酰胺），結果表明纖維凝膠在結晶過程中會影響手性。此外，這些基于超分子肽的水凝膠是蛋白質結晶的優異介質，得到的溶菌酶和葡萄糖異構酶及甲酰胺酶晶體，具有優異的質量指標，而且基于肽的水凝膠也起到冷凍保護劑的作用，避免使用添加劑。因此，這些新型手性凝膠可以應用于蛋白質結晶。

盡管超分子凝膠相結晶已經為藥物多晶型的篩選提供了新的策略，但是凝膠的作用以及凝膠和溶質之間的相互作用還沒有研究清楚。因此，Dawn等[72]對卡馬西平（CBZ）在雙尿素基凝膠劑中的結晶過程進行了深入的研究。他們發現凝膠劑的濃度以及凝膠劑與模型藥物（CBZ）的相對比例是決定凝膠化和結晶的成核過程的關鍵因素。在臨界凝膠劑/模型藥物（CBZ）下，CBZ 對凝膠結構的影響最大，同時凝膠中的纖維束的結構發生明顯的變化。他們認為，凝膠化和結晶過程的速率相差比較大時，凝膠纖維與可結晶物質之間的相互作用很小；凝膠化和結晶過程的速率相差比較小時，溶質可以引起凝膠強度和結構的顯著變化。這項研究對凝膠組成和凝膠- 溶質相互作用這兩種因素在超分子凝膠介質中的晶體成核過程起到的作用進行了解釋。

3 無機凝膠介質中的結晶

除了以上所討論的有機凝膠之外，無機凝膠（如無機硅膠）介質中的結晶也受到了研究人員的關注。無機硅膠又稱硅酸凝膠,主要成分是二氧化硅。目前,已經有大量的單晶復合材料在無機凝膠介質中結晶得到[3,10,12,73-78]。在這種單晶復合材料中,凝膠網絡結合到單晶內部，但是凝膠摻入的機理暫時還不清楚。因此，Chen 等[6]在無機硅膠介質和瓊脂糖凝膠介質中研究了4 種晶體（NaF、NaCl、KBr 和磷酸二氫鉀（KDP））的結晶過程，希望從凝膠-晶體相互作用和凝膠結構角度理解單晶復合材料的形成機制。結果表明：從瓊脂糖凝膠中生長的四種晶體在結晶過程中都摻入了凝膠網絡；然而，只有NaF和KDP 晶體摻入了硅膠網絡，NaCl 和KBr 在硅膠中生長時不會摻入硅膠網絡。他們認為強的晶體-凝膠相互作用（氫鍵）和具有大凝膠強度的纖維狀凝膠結構有利于凝膠摻入晶體中，形成復合材料。因此，對于凝膠介質中得到單晶復合材料，可以從凝膠結構和晶體- 凝膠相互作用角度去理解其形成機理。

4 微凝膠對結晶過程的影響

對于凝膠作結晶介質，尤其是超分子凝膠中的結晶過程已經受到了極大的關注，在該領域已經有了大量的工作成果，但是凝膠對結晶過程的影響并不只是體現在作為介質這一方面。聚合物微凝膠也可以用來研究界面對溶液中的晶體成核速率的影響以及溶液中的多晶型控制。

Diao 等[79]提出了一種通過使用具有可調微結構的聚合物微粒來控制溶液成核的新方法。他們使用不同分子量的PEG 合成了一系列聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGMDA）微凝膠。其中通過stop-flow lithography(SFL)方法[80]合成的立方體微凝膠被用于研究異質成核過程。為了研究具有不同網目尺寸的微凝膠顆粒對成核動力學的影響，他們選擇阿司匹林（ASA）和對乙酰氨基酚（ACM）作為模型化合物，兩者都帶有氫鍵供體，其可能與聚合物網絡中的氫鍵受體相互作用。最終結果表明阿司匹林和對乙酰氨基酚的成核動力學都受到聚合物網孔尺寸的影響。微凝膠存在最佳的網目尺寸，在該尺寸下阿司匹林和對乙酰氨基酚的成核動力學明顯增強，并且總體增強程度與聚合物-溶質相互作用的程度有關。由于PEG 基聚合物良好的生物相容性，可用于設計結晶小分子和大分子的成核劑到多功能藥物賦形劑和藥物遞送載體。

之后，Diao 等[81]在不同分子量的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGMDA）的聚合物凝膠和PEGDA 和4-丙烯酰基嗎啉（AM）的共聚物微凝膠中分別進行阿司匹林（ASA）和對乙酰氨基酚（ACM）的結晶。結果表明：在PEGDA 和AM 的共聚物微凝膠中，ASA 成核動力學提高了4 個數量級，而ACM 的成核動力學也提高了2個數量級。聚合物-溶質相互作用通過兩種方式促進成核，首先，它導致凝膠中具有較高的溶質濃度，這增強了有效的溶質- 溶質相互作用；其次，特定的聚合物-溶質相互作用可以促進溶質分子的定向排列。這項工作提供了對復雜界面處分子晶體成核的見解。

此外,聚合物微凝膠也被用來理解和控制分子化合物在受限環境中的多晶型結晶[82]。通過在不同分子量的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGMDA）的聚合物凝膠中進行卡馬西平（CBZ）和5 甲基-2-[（2-硝基苯基）氨基]-3-噻吩甲腈（ROY）的結晶過程研究,發現這兩種模型藥物的多晶型結果強烈依賴于聚合物網目的大小和聚合物的化學組成。此外，成核動力學與多晶型結果之間存在明顯的相關性。說明多晶型成核的選擇性源于由特定聚合物- 溶質相互作用驅動的模板效應，由限制效應提供的最佳空間構型進一步促進多晶型的選擇，最大程度地促進特定晶型的成核。

5 凝膠環境下結晶的機理分析

相比于傳統的溶液相結晶，凝膠環境提供的孔的尺寸和連通性可以顯著影響溶質的成核過程[1]。通過限制孔的大小可以顯著減少核的數量。此外，凝膠環境也可以防止如灰塵、雜質等不需要的顆粒引起的非均相成核，均相成核似乎在凝膠中占主導地位。這也是凝膠相結晶中可以得到藥物分子亞穩態單晶的原因。

溶液相結晶時，溶質的生長不會受到物理阻礙。然而，凝膠環境中，溶質分子的對流運動被抑制，其傳輸主要通過擴散實現。此外，凝膠介質也可以起到“軟基質”的作用，可以有效防止晶體和晶體之間、晶體和壁之間的直接相互作用[11]。因此，凝膠中可以得到和溶液介質中不同形貌的產品。

目前，由于超分子凝膠的諸多優良性能[35]，超分子凝膠作為藥物分子的結晶介質受到了大量的關注。超分子凝膠相結晶的機理目前主要是從分子構象的匹配、空間效應等方面來揭示。從分子構象的角度來說，藥物分子不同的晶型具有不同的分子構象。因此，藥物分子在定制超分子凝膠介質中結晶時，通過凝膠纖維表面上的定制官能團的構象匹配以及凝膠纖維的局部周期性的同時作用，可以得到藥物與定制凝膠劑結構匹配的特定晶型[37]。例如，Foster 等[37]根據模型藥物ROY 的結構定制了雙（尿素）膠凝劑。從該凝膠劑的甲苯凝膠中結晶ROY，從而得到了亞穩態紅色R 晶型而不是熱力學穩定的Y 晶型；Foster 等[36]根據模型藥物卡馬西平(CBZ)的結構定制了凝膠劑，從該凝膠劑中得到了卡馬西平在溶液中無法得到的亞穩晶型；Dawn 等[38]根據抗癌藥物順鉑[51]的結構定制了一系列基于鉑的低分子量尿素凝膠劑C1、C2 和C3，在這些凝膠劑所形成的凝膠中結晶，最終得到了新的N,N-二甲基乙酰胺（DMA）溶劑化物。對于超分子凝膠相結晶，目前還沒有一個普遍適用的機理解釋，仍需要研究人員去不斷探索。

此外，溶質在凝膠介質中結晶時，除了凝膠介質對結晶過程會產生影響之外，晶體也會對凝膠化過程產生影響。對于凝膠介質來說，晶體可以起到添加劑的作用，對所形成的凝膠的強度和形貌產生影響[72]。Dawn 等[72]利用小角度中子散射（SANS）檢測了在藥物分子存在下凝膠結構的變化，說明了凝膠-溶質相互作用除了會影響結晶過程之外，還會影響凝膠化過程。這也為揭示凝膠化過程的機理提供了一種方法。

6 結論和展望

傳統的水凝膠相結晶（如明膠、瓊脂糖凝膠和硅膠）由于其可以提供特定的黏性凝膠環境已經被廣泛用于無機物（生物礦化）、蛋白質以及小分子的結晶，從而得到高質量的晶體。隨著合成高分子以及超分子化學的飛速發展，合成高分子凝膠和超分子凝膠由于其結構的多樣性，提供了大量可用于結晶的凝膠介質，為多晶型的篩選和晶習的調控提供了一種新的方法。此外，在溶液相結晶中通過使用微凝膠也會導致最終產品的晶型發生轉變，通過這種方法來研究界面對成核過程的影響以及改變藥物結晶過程中的成核動力學。目前，凝膠相結晶的研究方向主要集中在凝膠劑的設計為結晶提供特定的結晶環境或者提供活性成核位點，以及對凝膠相結晶過程中凝膠對結晶過程影響的機理等方面。關于超分子凝膠方面的研究已經相當深入,不論是凝膠劑的選擇和設計，還是凝膠結構的預測方面的研究都為凝膠相結晶提供了極大的便利和許多新的思路。但是關于凝膠相結晶這個領域的研究還有很多盲區，隨著超分子凝膠的深入研究以及對晶習調控和多晶型篩選方面的強烈需求這兩方面的促進下，凝膠相結晶勢必會成為一個熱點研究方向。