本使用指南旨在作為一個簡短的教程或參考文件，以便用戶能更好地了解微射流金剛石交互容腔的作用原理以及根據特定物料選擇合適的腔體與處理條件。

1. 概述

1.1定義與作用原理

微射流金剛石交互容腔是用于微射流高壓均質機的均質腔體（IXC，Interaction Chamber），是微射流高壓均質機的核心反應部件。微射流金剛石交互容腔外部是316L不銹鋼材料，內部則由多晶金剛石制成（也有氧化鋁陶瓷材質的材質的腔體）。

物料通過金剛石交互容腔時，在超高壓（可達60000psi/4000bar/400MPa）的作用下通過一個非常小的孔道（不到百微米）形成高速微射流，速度可達500m/s（超過音速340m/s），經過劇烈剪切、震蕩、碰撞、空穴效應與對射等作用進行加工，物料發生物理、化學、結構性質等變化，最終達到粒徑減小且窄幅分布，伴隨穩定性、均一性和透明度增加等均質效果。

 

圖1 單通道夾套溫控型金剛石交互容腔內部結構示意圖

1.2 金剛石交互容腔與一代均質閥類核心處理效果差異與成因

金剛石交互容腔對應于第一代均質閥類均質核心，又被稱為第二代均質核心。金剛石交互容腔除了擁有更高的剪切與均質效率之外，其內部多晶金剛石通道具有固定的“Y”或“Z”型幾何形狀，不隨反應條件變化而改變，保證了每次脈沖經過腔體前后物料的處理效果一致且不同脈沖處理效果重復性高，處理后的物料粒徑也因此分布更窄；通過金剛石微通道的復制，增加了相同時間內的處理流量，以此確保放大生產的實現。

而一代均質閥類核心依靠閥體部件間的微小可調縫隙來控制均質效果，由于間隙結構隨壓力以及物料沖擊容易發生微小形變，單次脈沖時物料所受壓力呈正太分布式，無法保證單次脈沖經過閥體前后物料的處理效率的一致性，因此產生的粒徑分布寬，而且在放大生產時有很難達到小試時的同等效果。

1.3 類型

1.3.1 “Y”型與“Z”型

腔體基本分為兩種類型：“Y”型（圖2）和“Z”型（圖3）。這兩種類型還可以分為不同的尺寸型號，不同的通道數量：單通道實驗型到多通道生產型。

圖2 “Y”型腔體內部射流路徑

圖3 “Z”型腔體內部射流路徑

1.3.2 主腔與輔腔

腔體可以與輔腔(APM，Auxiliary Processing Module)一起使用。輔腔可以置于“Y”型主腔體下游，以增加背壓，從而增強主腔的效能，穩定流量以及延長主腔體的使用壽命。

圖4 “Y”型主腔與輔腔

此外，還可以將輔腔置于“Z”型主腔體上游，以便在主腔體發揮高性能步驟前幫助預分散物料。在這種結構中，輔腔很像是一個在線混合器或預處理器，為主腔體更小的通道和更劇烈的反應準備材料。一般情況下，輔腔是“Z”型而且流量比主腔體更大。

圖5 “Z”型主腔與輔腔

1.3.3 單通道與多通道

單通道腔體只有一個微通道，可用于小批量或實驗室規模的樣品處理。多通道腔體（圖6-7）由多個復制且平行的微通道組成，以增加腔體處理物料的體積流量。這些通道在微射流高壓均質的過程中都是等效的。微通道的平行復制保證了多通道腔體與單通道腔體相同的處理效果；通道數量的增加保證了在相同的時間內，更大的物料處理流量。

 

圖6 多通道“Y”型腔體內部射流路徑

 

圖7 多通道“Z”型腔體內部射流路徑

2. 金剛石交互容腔選型與使用建議

2.1 使用時需要考慮的5個方面

配備金剛石交互容腔的微射流高壓均質機可用于處理納米分散、乳劑、細胞破碎和脂質體等。因此在明確了產品特性之后，選擇合適的腔體可以讓處理效率更高。為了達到最佳效果，在交互容腔選用過程中，我們需要考慮下面五個方面：

a.需要哪種類型的腔體（“Y”型還是“Z”型）：下一節有詳細介紹；

b.所需腔體的尺寸規格：選用合適規格的腔體可以避免堵塞并使處理效率最大化；

c.物料處理壓力：不是所有物料都是壓力越高越好，過度處理也會讓物料粒徑增大，探索最佳處理壓力，也是工藝優化關鍵的一環；

d.物料處理次數：對于單次處理未完全達到要求的物料可以進行多次處理，經過金剛石交互容腔微射流高壓均質的次數，也是工藝優化中非常重要的一環；

e.物料的溫度敏感性：微射流高壓均質過程中伴隨劇烈的機械能轉換為熱能，物料經過金石交互容腔的瞬間，溫度可以有劇烈的上升；根據物料的溫度敏感屬性，適當使用物料換熱器進行物料及時降溫，對溫度敏感型物料的處理至關重要。

2.2 不同物料處理時金剛石交互容腔的使用建議

通常來說，“Y”型腔體更適用于乳化、藥物包封以及脂質體制備等液-液形態物料的處理；“Z”型更適用于細胞破碎或納米分散、解團聚、粒徑減小、機械剝離等固-液形態物料的處理。

下面將詳細介紹在處理脂質體、脂肪乳、微乳、細胞破碎、納米分散及粒徑減小時，金剛石交互容腔的選型及壓力建議。

2.2.1 脂質體

水包油型載藥脂質體： F12Y 或 F20Y（帶輔腔）               15,000-30,000psi

油包水型載藥脂質體： H30Z                                               3,000-8,000psi

壓力過高或者孔道過小容易引起破乳。

2.2.2 脂肪乳、微乳

水包油型乳化： F12Y 或 F20Y（帶輔腔）                         15,000-30,000psi

油包水型乳化： H30Z                                                          3,000-8,000psi

2.2.3 細胞破碎

動物細胞：H30Z                                                                  2,000-5,000psi

藻類細胞：H10Z                                                                  20,000-30,000psi

細菌細胞：H10Z                                                                 10,000-25,000psi

酵母細胞：H10Z                                                                  20,000-30,000psi

2.2.4 納米分散與粒徑減小

中藥等納米混懸液： H10Z或H30Z                                       10,000-30,000psi 

                                 F12Y                                                    15,000-30,000psi

二氧化硅等硬質物料納米分散： H10Z或H30Z                      10,000-30,000psi

石墨烯等機械剝離：H10Z或H30Z                                         10,000-30,000psi

 

微射流金剛石交互容腔使用指南.pdf