张文铖，龚俊波，董伟兵，吴送姑

（1 天津大学化学工程联合国家重点实验室，天津300072； 2 青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007）

引 言

传统溶液结晶在晶习的调控和多晶型的筛选等方面有时不能达到预期和行业的需求，因此，研究者开发了一种新的结晶方法——凝胶相结晶。凝胶剂通过非共价相互作用或者化学键自组装为一维纤维状长链，再由这些纤维状长链纠缠在一起，最终形成凝胶的骨架。通过表面张力将溶剂分子吸附在凝胶骨架中，就形成了凝胶。

在凝胶中由于受到扩散限制，体系可以达到较高的过饱和度且不会爆发成核，这就是凝胶可以获得亚稳相单晶的原因[1]，并且溶质分子被连续地传递到生长面使得晶体的生长更加规则；凝胶还起到“软”基质的作用，它保持晶体形貌并减少晶体和结晶器壁之间或者晶体和其他晶体之间的相互作用。因此可以获得具有特定晶面的三维单晶[2-3]；同时凝胶介质为结晶过程提供了一个特定的化学环境，从而可以实现普通溶液结晶难以得到甚至无法得到的结果。由于凝胶相结晶具有多种优势，因此引发了研究人员的广泛关注。

本文主要针对凝胶在结晶过程中的作用进行讨论，可以实现晶型、晶习和粒度的调控。首先总结了高分子凝胶、超分子凝胶和无机凝胶对结晶过程的控制；其次简单介绍了微凝胶对成核和生长过程的影响；最后对凝胶结晶未来发展的方向进行了展望。

1 高分子凝胶介质中的结晶

凝胶作为结晶介质已有一个多世纪的历史，凝胶相结晶最初主要用于生物矿化机理的研究以及高质量的无机物和蛋白质的单晶的制备[4]。后来，有研究发现凝胶相结晶对小分子（氨基酸等）结晶过程中的晶习调控和多晶型筛选等方面取得了显著成果，于是研究人员就将凝胶相结晶作为一种新的结晶技术，得到溶液中难以得到或者无法得到的产品。凝胶在溶质分子结晶过程中的作用主要如下：大部分情况下，凝胶在结晶过程中作为一种惰性介质；在部分情况下，凝胶介质可以影响晶体的晶型、手性和晶习；极个别情况下，凝胶可以结合到晶体结构中，从而产生复合材料[5-6]。到目前为止，研究人员已经对天然高分子凝胶、超分子水凝胶、超分子有机凝胶以及无机凝胶等介质中的结晶过程进行了研究。本章主要介绍了高分子凝胶介质中的结晶，不同高分子凝胶介质的分类，其对结晶过程的调控以及各自优缺点如表1所列。

1.1 天然高分子凝胶介质中的结晶

高分子凝胶主要是由大分子（琼脂、明胶等）或者聚合物（聚酯、聚酰胺等）通过化学交联（化学键）或者物理交联（氢键等）产生的。当高分子凝胶是通过强化学交联产生时，是不可逆的；当高分子凝胶是通过物理交联产生时，是热可逆的。下面主要介绍天然高分子凝胶（琼脂糖凝胶、明胶凝胶）以及合成高分子凝胶在结晶介质中的作用。

1.1.1 琼脂糖凝胶介质中的结晶 琼脂是一种从红藻中提取出来的天然高分子多糖。琼脂去掉带有硫酸酯(盐)、葡萄糖醛酸和丙酮酸醛的琼脂果胶部分即可得到琼脂糖。虽然琼脂和琼脂糖都可形成凝胶，但是相比于琼脂，琼脂糖是不带电荷的中性物质，不会对溶质分子产生影响，因此，研究人员主要使用琼脂糖作为结晶的介质。琼脂糖凝胶介质主要用于无机材料[7-11]、蛋白质[12-14]和氨基酸[4,11,15]的结晶。

2003 年，Yang 等[7]在琼脂糖凝胶中首次得到了星形的方解石（CaCO3）晶体，如图1所示。通过对反应时间、凝胶浓度和反应浓度等因素的研究，他们认为结晶过程中琼脂糖凝胶主要控制反应物的离子扩散过程。2007 年，Li 等[10]利用TEM 观察了在琼脂糖水凝胶中生长的方解石晶体的内部结构，发现凝胶中形成的方解石晶体内部充满了孔隙，这表明晶体被分成较小的微晶（数百纳米），晶桥将这些微晶连接在一起。孔的大小范围为60～364 nm，平均孔径为（190±82）nm。同时他们通过水溶蚀的方法证明晶体中孔的形成和凝胶中的琼脂糖分子有关，这项工作表明凝胶法是一种制备具有大的内表面积而不破坏晶体组分完整性的单晶的方法。

Duffus 等[8]在对琼脂糖凝胶介质中KCl 结晶过程的研究中，发现琼脂糖凝胶能够降低氯化钾水溶液的有效过饱和度。Li 等[9]通过碳酸铵方法在琼脂糖水凝胶（1%）中生长方解石晶体。对方解石晶体的结构研究过程中发现，琼脂糖纳米纤维的三维网络随机结合到方解石的单晶中，并且证实了凝胶和晶体之间存在一定的相互作用。因此，这项工作对于理解生物矿物的结构和形成以及开发新的高表面积单晶复合材料具有重要意义。

表1 不同高分子凝胶介质的对比Table 1 Comparison of different polymer gel media

图1 在琼脂糖凝胶中30℃生长24 h获得的CaCO3晶体的SEM图[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胶的手性来影响结晶产品如NaClO3的手性。NaClO3从纯水溶液中晶体生长得到D-型和L-型晶体呈50∶50 的统计分布。Petrova等[11]在琼脂糖凝胶中通过改变凝胶化条件可以使产品中D-型和L-型晶体的比例发生变化。

琼脂糖凝胶介质可以通过减少对流并防止晶体沉淀产生一个类似微重力的环境，从而生成高质量的蛋白质晶体[14]。Sugiyama 等[12]在2.0%琼脂糖凝胶中，使用多种结晶方法使奇异果甜蛋白和弹性蛋白酶结晶。通过和非凝胶介质中制备的晶体对比，他们发现晶体结构不受高浓度琼脂糖凝胶的影响。因此，这项工作提供了一种半固体凝胶介质进行有效保护蛋白质晶体的技术，使它们可以被处理和运输而不影响任何后来的晶体学分析。Matsumura等[13]也在2.0%琼脂糖凝胶中得到了木聚糖酶、胰岛素和葡萄糖异构酶的高质量的结晶，如图2 所示。以上研究表明在凝胶介质中生长的蛋白质晶体更适合用于蛋白质晶体的晶体学表征和分析。

图2 在半固体琼脂糖凝胶中生长的蛋白质晶体的照片[13]Fig.2 Photographs of protein crystals grown in semi-solid agarose gel[13]

Petrova 等[4]通过比较在琼脂糖、角叉菜胶和明胶凝胶中生长的晶体的形态与从纯水溶液生长的晶体形态以及从含有各种浓度的相关单体、离子和共溶剂的溶液生长的晶体形态发现，天然多糖聚合物可能是比低分子量添加剂更有效的晶体生长改性剂。Tasnim 等[15]从琼脂糖凝胶中得到了两种不同形貌的甘氨酸晶体(图3)：从溶液界面自发成核或通过非光化学激光诱导成核（NPLIN）在空气-溶液界面得到树枝状晶体，而通过激光诱导成核得到恒星状晶体。这表明琼脂糖凝胶介质中进行小分子（如甘氨酸）的结晶时，会产生和溶液结晶产品不同的形貌，并且在琼脂糖凝胶中结晶时，还可以通过激光诱导来改变晶体的形貌。

1.1.2 明胶介质中的结晶 明胶是由动物胶原水解得到的一类蛋白质，因此它具有很好的生物相容性，而且可以和水形成热可逆的水凝胶，这使得明胶在生物矿化以及大分子的结晶等很多领域都有着广泛的应用。Grassmann 等[16]通过离子扩散的方法得到了对称的圆筒状的碳酸钙晶体，如图4所示。虽然晶体在生长过程中掺入了很多有机物，但是这种形貌的形成是晶体周围化学环境造成的，同时他们发现这种形貌和一些生物矿物相似，说明在这样的化学环境中可能发生生物结晶。Huang 等[17]对该过程进行了进一步的研究确认，最终的晶体是方解石-明胶复合材料。

图3 琼脂糖水凝胶中观察到的甘氨酸两种晶习[15]Fig.3 Two morphologies of glycine crystals observed in aqueous agarose gels [15]

图4 明胶介质中生长7 d得到的方解石晶体SEM图[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]在明胶介质中得到了乳糖的晶体，并且使用超声衰减测量技术（2.25 MHz 中心频率）研究25°C 下明胶（1.5%和3%）凝胶的乳糖（43%和46%）晶体，结合浊度（500 nm）和等温量热测量，结果表明明胶浓度对乳糖的结晶动力学没有影响。

1.2 合成高分子凝胶介质中的结晶

天然高分子水凝胶制备的过程中需要升温至凝胶剂熔化，温度较高，如果用于蛋白质等物质的结晶，可能会使蛋白质变质失活；同时由于天然高分子种类比较少，不能根据需要定制特定的凝胶剂，所以到目前为止，研究人员对天然高分子凝胶中的结晶研究并不是很多。合成高分子凝胶可以避免这些问题，所以大部分研究都是针对合成高分子凝胶对结晶过程的影响。

Pauchet 等[1]在四甲氧基硅烷（TMOS）的水解和缩合获得的凝胶介质中得到了（±）-莫达非尼的单晶。对于（±）- 莫达非尼，溶液中结晶通常会出现稳定的外消旋晶型Ⅰ和亚稳外消旋晶型Ⅲ的混晶。到目前为止，从来没有获得足够大小的亚稳外消旋晶型Ⅲ的单晶，因为溶液中接近热力学平衡的结晶总是产生晶型Ⅰ的单晶，即最稳定的晶型。纯晶型Ⅲ只能通过远离平衡的结晶方式（如沉淀）获得。通过在凝胶中结晶（±）- 莫达非尼，他们除了得到以上两种晶型外，还首次得到了晶型Ⅰ的孪晶。

纤维素是一种丰富的天然生物聚合物，植物纤维经过酸水解之后成为纳米晶形式——纤维素纳米晶体（CNCs），其高度有序并且具有低密度和高纵横比。CNCs 上大量的羟基决定了其表面可以很容易地被修饰，例如通过羧化、硅烷化、乙酰化等[19]。纳米纤维素已经显示出通过使用非常简单的方法形成三维网络从而形成水凝胶的能力，例如增加悬浮液中纳米纤维素的浓度、水热处理和超声处理[20-22]。这些水凝胶及其衍生物，包括膜、薄膜和气凝胶，已经应用于生物医学领域，例如细胞包封和药物的控制释放[23-25]。由于CNCs 的表面可调性，可以进行修饰得到具有疏水表面的凝胶骨架，通过结合有机溶剂可以作为药物结晶的凝胶介质[26-27]。Ruiz-Palomero 等[26]使用羧基化纳米纤维素在阳离子表面活性剂存在下形成0.3%的有机凝胶作为介质来控制药物的固体形式。他们制备出了新的磺胺吡啶溶剂化物，改变了产品的形貌并得到了磺胺甲唑的十八烷基铵盐。这项工作表明使用凝胶相结晶在药物的固体形式筛选方面具有较好的应用前景，特别是在寻找难以成核或动力学不占优势的固体形态方面。Banerjee 等[27]通过氧化纤维素纳米晶体（CNCs）并将其与含胺表面活性剂——十八烷基胺（ODA）在二甲基亚砜（DMSO）中混合来制备凝胶，并且优化了这些凝胶的组成和制备条件。在凝胶化之前将API（磺胺甲唑、磺胺吡啶和磺胺甲嘧啶）加入混合物中，API 在物理凝胶的疏水区域中结晶。他们发现从凝胶中回收的磺胺甲唑是无定形；磺胺吡啶为晶型Ⅰ，Ⅲ和Ⅳ的混晶；磺胺甲嘧啶为晶型Ⅰ和Ⅱ的混晶。该研究表明，可以使用表面改性的纳米纤维素凝胶调控药物晶体的晶型。

由于琼脂糖凝胶的制备需要升温到80℃溶解，在使用这种凝胶进行蛋白质的结晶时，可能会导致蛋白质失活。因此，Sugiyama 等[28]使用由合成聚合物制成的热可逆凝胶化聚合物（TGP）代替来自天然聚合物的琼脂糖水凝胶进行蛋白质（弹性蛋白酶（ELS），葡萄糖异构酶（GI）和溶菌酶（LZM））的结晶。TGP 是一种水溶性聚合物，最初是作为组织工程的细胞培养基而开发的[29]。这种通过TGP进行蛋白质结晶的新方法加速了蛋白质晶体学结构的研究。

2 超分子凝胶介质中的结晶

除了有大量关于高分子聚合物凝胶的报道外[30]，基于超分子聚合物的凝胶，即小分子量凝胶（LMWGs）在近几十年来也引起了人们的广泛关注，它们已大量应用于技术研究领域[31-34]。超分子凝胶起源于小分子通过非共价键相互作用（氢键，π-π相互作用，配位相互作用等）自组装成一维的各向异性结构，最常见的是纤维。在足够高的浓度下，这些纤维缠结或以其他方式交联成三维网络，通过表面张力和毛细管作用固定溶剂。

超分子凝胶作为晶体生长介质有许多优点：具有合成和结构多样性的特点，因此可以得到种类众多的适用于药物结晶的超分子凝胶，甚至能够针对需要结晶的模型药物设计特定凝胶剂，从而起到模板剂或提供成核活性位点的作用；超分子性质表明溶胶-凝胶转变易于发生（例如通过改变温度、pH，超声处理，辐射或添加化学触发剂，如金属、阳离子、阴离子或分子添加剂），超分子凝胶的可逆性质可用于晶体和凝胶介质的分离[35]，而常规水凝胶仅限于水作为溶剂，凝胶和晶体的分离一般使用强酸或高温，两者都会使晶体溶解[36]。

主要超分子凝胶介质的分类，其对结晶过程的调控以及各自优缺点如表2所列。

2.1 常规的超分子凝胶介质中的结晶

常规的超分子凝胶介质中最常用的是基于尿素的凝胶剂，因为这一类凝胶剂相对容易设计和合成具有特定溶解度和化学功能的定制凝胶剂，同时还可以引入特定的官能团[37-38]。双（尿素）胶凝剂一般由异氰酸酯与胺的反应制备，同时可以方便地引入特定官能团[39-41]。根据模型药物结构定制的凝胶在药物晶体和凝胶纤维表面之间有着明显的相互作用，从而影响药物晶体的结晶过程，甚至可以实现在凝胶上生长药物晶体。

Estroff等[42]在凝胶剂1（图5）的水凝胶介质中研究了方解石晶体的生长过程。他们发现在有机水凝胶中方解石晶体生长期间，凝胶剂聚集体在缺陷部位被封闭到晶格中，进而改变晶体的物理性质，特别是它们的溶解行为。有充分证据表明生物体利用大分子来控制矿物质的生长，这些大分子具有许多可能的作用，包括在生长晶面上的特定吸附（影响晶体形态）[43]，嵌入晶体基质（影响断裂强度）和有序成核功能阵列的显示（可控制多晶型选择性）[44-45]。这项工作说明可以通过在凝胶介质中研究无机晶体的成核和生长来深入了解控制生物矿化的关键因素。Foster 等[36]在四种不同的双（尿素）凝胶剂（包括金属凝胶剂）中对卡马西平晶体生长进行了详细的研究。在没有共晶形成的超分子凝胶介质中也实现了一系列其他药物的结晶，即司帕沙星、吡罗昔康、茶碱、咖啡因、布洛芬、对乙酰氨基酚、舒林酸和吲哚美辛。他们发现与溶液相比，在凝胶相中晶习有明显差异；在一些情况下，凝胶相结晶导致形成不同的多晶型物，甚至在一些情况下，发现结晶只能发生在凝胶中不发生在溶液中；此外，没有观察到凝胶-结晶底物共晶，表明快速形成的凝胶和生长较慢的底物晶体之间的有效相分离。以上实验结果和目前已经存在的非常庞大的超分子库说明超分子凝胶相结晶已经可以作为多晶型筛选方法的一个重要工具。

表2 不同超分子凝胶介质的对比Table 2 Comparison of different supramolecular gel media

图5 双尿素凝胶剂1[42]Fig.5 Chemical structure of bone mineral gel 1[42]

Daly 等[46]的研究结果表明，超分子凝胶可用于在凝胶介质中生成NaCl、KCl 和KI 的单晶纳米线。他们使用的超分子凝胶剂为小分子L（图6）。在Daly 等[47]之前的研究中已经发现，小分子L 通过氢键和中心核的π-π 相互作用形成二维超分子聚合物[图7(a)]；使用Eu（Ⅲ）离子（EuCl3），通过高阶自组装形成了三维的凝胶结构（EuCl3-L）[图7(b)]；单独的超分子聚合物链通过配位连接到Eu（Ⅲ）上，Eu（Ⅲ）被称为超分子胶[图7(b)]，从这种材料中可以观察到纳米线的生长[图7(c)]。这项研究有助于了解凝胶膜的功能，离子相应的特异性过滤器或盐风化抑制剂，并且为纳米材料的生长提供了新的途径。

图6 凝胶剂L的化学结构[46]Fig.6 Chemical structure of gel L[46]

Ghosh 等[48]报道了三种形式的铜（Ⅱ）异烟酸-N-氧化物络合物的结晶和它们通过溶剂介导实现的晶体- 晶体的相互转化。同时，他们将该络合物在水凝胶、低分子量凝胶和定制凝胶剂的凝胶中进行了凝胶相结晶。发现从溶液和琼脂糖凝胶获得的晶体的形态相似，为块状晶体，而在小分子量凝胶和定制的超分子凝胶中产生板状晶体；在乙醇水溶液中的结晶导致伴随形成蓝色（晶型Ⅰ）和绿色（晶型Ⅱ/Ⅳ）晶体，而使用低分子量凝胶中选择性得到结晶为蓝色晶型Ⅰ，表明低分子量凝胶介质对结晶过程有影响，可以调控产品的晶习和晶型。

Aparicio 等[49]利用线性凝胶剂的手性对药物晶型进行了筛选，研究了常见API如ASP、CAF、IND 和CBZ 在凝胶介质中的晶体生长。结果表明，在纯甲苯和非手性凝胶中，观察到热力学Ⅲ晶型卡马西平，但使用手性凝胶剂得到了Ⅱ晶型和Ⅲ晶型的混晶，表明凝胶剂的手性结构会对模型药物的晶型产生影响。

Foster 等[37]合成了用于研究药物ROY 的双（尿素）胶凝剂。从该凝胶剂的甲苯凝胶中结晶ROY，形成了亚稳态红色R晶型而不是热力学稳定的Y晶型。该研究证明了可以通过设计特定的超分子凝胶剂来控制药物的多晶型。根据构象和晶体结构分析方法得到了凝胶剂的可能结构，通过将预测的凝胶结构和ROY 不同晶型结构进行对比分析发现：定制凝胶剂形成的凝胶对ROY 亚稳晶型Y 的空间和电荷匹配度比对ROY 的稳定Y 晶型匹配度更高，因此可以在定制凝胶剂的凝胶中得到ROY 的亚稳晶型R。

图7 通过凝胶剂分子L之间的氢键形成的二维超分子聚合物（a）和EuCl3-L的三维超分子网络（b）以及NaCl纳米线的形成（c）的示意图[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]根据功能性设计并定制了凝胶剂，并在该凝胶中进行了异烟肼结晶过程的研究，以试图控制晶体形貌和多晶型行为。研究发现异烟肼在溶液相结晶和凝胶相结晶时，产品在晶习和晶体尺寸方面产生一些显著的差异，但是并没有得到新的晶型，暗示了异烟肼只有一种晶型。

Dawn等[38]根据抗癌药物顺铂[51]的结构定制了一系列基于铂的低分子量尿素凝胶剂C1，C2 和C3，在这些凝胶剂所形成的凝胶中结晶，最终得到了新的N,N-二甲基乙酰胺（DMA）溶剂化物，并且产品的晶习也发生了改变。

2.2 多组分超分子凝胶介质中的结晶

多组分凝胶是通过非共价力相互作用的两种或更多种物质形成合适的结构单元，通过结构单元之间的相互作用以产生支撑凝胶的纤维网络[52-53]。多组分凝胶的优势在于：多组分凝胶中的正交性或选择性组装，可以有选择地形成多种形式的聚集体[54-55]；以及可以在多组分凝胶中观察到自分选效应，产生独立纤维网络[56-58]。

超分子凝胶内的活性药物成分（API）的物理包封本身可以被认为是多组分凝胶的一个例子，其中API可以与凝胶剂建立非共价相互作用。多组分超分子凝胶作为结晶介质的应用以及API的存在对复合过程的形成或破坏的潜在影响，这种复合过程是这种多组分体系中凝胶化过程的基础。Buendia等[59]将LG2-Lys 树枝状大分子和烷基胺形成的双组分凝胶用作API（卡马西平：CBZ，阿司匹林：ASP，吲哚美辛：IND）的晶体生长介质研究了多组分超分子凝胶对结晶过程的影响以及API对多组分超分子复合过程的影响，结果如图8所示，表明其结构中不含羧酸基团的活性药物成分（API）容易在基于赖氨酸的树枝状大分子（LG2-Lys）和脂肪胺形成的多组分有机凝胶介质中结晶。相反，结构中具有羧酸基团的阿司匹林（ASP）或吲哚美辛（IND）不会在G2-Lys树枝状大分子和脂肪胺形成的有机凝胶介质中结晶，实际上它们阻止凝胶的形成；此外，在G2-Lys和癸胺的混合物中存在卡马西平（CBZ）时，可以在室温下形成凝胶，单纯的G2-Lys树枝状大分子和癸胺混合物只在-20°C 以下形成凝胶，这说明了API 具有增强凝胶化的协同效应。相反，阿司匹林（ASP）或吲哚美辛（IND）阻止Lys 树枝状结构和胺形成复合物，并且还阻止API 的有效结晶。这体现了API对凝胶化的拮抗作用。这项工作阐明了双组分凝胶作为API 的晶体生长介质的适用性，报道并定义了凝胶组装过程和API结晶过程的协同和拮抗多组分效应，并提出了关于哪些API 可以在这些双组分凝胶内成功结晶的基本规则。

图8 含LG2-Lys或者LG2-Lys 与原始单胺的双组分凝胶剂和模型药物的结构以及相应的实验结果[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 天然超分子凝胶中的结晶

到目前为止，大部分关于药物结晶的超分子凝胶体系使用的是合成凝胶剂[31,35-38]。但是，这种超分子凝胶体系完全依赖于加热- 冷却- 触发的凝胶化过程，从而限制API结晶变量[60-62]。如果超分子凝胶使用天然存在的有机凝胶剂，而且其制备不依赖于热-冷触发的凝胶化过程（可以制备双组分和多组分凝胶）[63-65]可能会为API的凝胶相结晶提供新的思路。

维生素B9（VB9，叶酸）通过H 键进行自组装，形成超分子凝胶[66-68]。这种在凝胶上具有羧酸基的天然手性分子具有与API 或共聚物形成氢键的潜力，有效地将药物物质局部固定在凝胶纤维的表面上并提供成核表面。通过添加三乙胺或乙酸，发现维生素B9凝胶可通过pH 转换。这种可回收的凝胶用作共结晶介质[69]，通过控制进料组分的比例可选择性地得到不同化学计量的共晶，并通过过滤简单地回收生长的晶体。因此，Wang 等[64]使用这种可回收的凝胶作为新型共结晶介质，产生四种化学计量的维生素C 共晶。在高度过饱和的条件下，通过球形结晶过程获得具有不同粒径的均匀微球。在些工作中，凝胶方法显示出在共晶筛选和共结晶过程中晶体的粒度调控方面的潜在应用。

单宁酸（TA，Mw=1701.2）是一种普遍存在的天然多酚，可以与Ⅳ族过渡金属离子通过配位相互作用进行超分子组装，在多种溶剂中形成凝胶[70]。与常规的热-冷触发凝胶化相反，TA-TiⅣ金属凝胶可以在环境条件下在各种溶剂中与金属配体化学计量下简单混合而形成。这种凝胶体系具有比较大的凝胶强度，而且能够原位凝胶化一系列添加剂并控制其组装过程，例如金属- 有机骨架的结晶[70]。基于这些特征，Rahim 等[65]将单宁酸的超分子金属凝胶用于API（咖啡因（中枢神经系统兴奋剂），卡马西平（抗惊厥药，CBZ）和吡罗昔康（抗炎药，PX））的结晶。与溶液中形成的API 晶体相比，凝胶生长的API 晶体在尺寸、形态和多晶型方面表现出相当大的差异。

手性在蛋白质晶体中仍然是一个未解决的问题，因此可以使用立体化学结构明确的水凝胶作为理想的介质来研究手性在晶体生长过程中的作用。为了验证这一假设，Conejero-Muriel 等[71]选择了两个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）及其相应的D 对映体2（N,N'-二（苯甲酰基）-D-半胱氨酸二酰胺），结果表明纤维凝胶在结晶过程中会影响手性。此外，这些基于超分子肽的水凝胶是蛋白质结晶的优异介质，得到的溶菌酶和葡萄糖异构酶及甲酰胺酶晶体，具有优异的质量指标，而且基于肽的水凝胶也起到冷冻保护剂的作用，避免使用添加剂。因此，这些新型手性凝胶可以应用于蛋白质结晶。

尽管超分子凝胶相结晶已经为药物多晶型的筛选提供了新的策略，但是凝胶的作用以及凝胶和溶质之间的相互作用还没有研究清楚。因此，Dawn等[72]对卡马西平（CBZ）在双尿素基凝胶剂中的结晶过程进行了深入的研究。他们发现凝胶剂的浓度以及凝胶剂与模型药物（CBZ）的相对比例是决定凝胶化和结晶的成核过程的关键因素。在临界凝胶剂/模型药物（CBZ）下，CBZ 对凝胶结构的影响最大，同时凝胶中的纤维束的结构发生明显的变化。他们认为，凝胶化和结晶过程的速率相差比较大时，凝胶纤维与可结晶物质之间的相互作用很小；凝胶化和结晶过程的速率相差比较小时，溶质可以引起凝胶强度和结构的显著变化。这项研究对凝胶组成和凝胶- 溶质相互作用这两种因素在超分子凝胶介质中的晶体成核过程起到的作用进行了解释。

3 无机凝胶介质中的结晶

除了以上所讨论的有机凝胶之外，无机凝胶（如无机硅胶）介质中的结晶也受到了研究人员的关注。无机硅胶又称硅酸凝胶,主要成分是二氧化硅。目前,已经有大量的单晶复合材料在无机凝胶介质中结晶得到[3,10,12,73-78]。在这种单晶复合材料中,凝胶网络结合到单晶内部，但是凝胶掺入的机理暂时还不清楚。因此，Chen 等[6]在无机硅胶介质和琼脂糖凝胶介质中研究了4 种晶体（NaF、NaCl、KBr 和磷酸二氢钾（KDP））的结晶过程，希望从凝胶-晶体相互作用和凝胶结构角度理解单晶复合材料的形成机制。结果表明：从琼脂糖凝胶中生长的四种晶体在结晶过程中都掺入了凝胶网络；然而，只有NaF和KDP 晶体掺入了硅胶网络，NaCl 和KBr 在硅胶中生长时不会掺入硅胶网络。他们认为强的晶体-凝胶相互作用（氢键）和具有大凝胶强度的纤维状凝胶结构有利于凝胶掺入晶体中，形成复合材料。因此，对于凝胶介质中得到单晶复合材料，可以从凝胶结构和晶体- 凝胶相互作用角度去理解其形成机理。

4 微凝胶对结晶过程的影响

对于凝胶作结晶介质，尤其是超分子凝胶中的结晶过程已经受到了极大的关注，在该领域已经有了大量的工作成果，但是凝胶对结晶过程的影响并不只是体现在作为介质这一方面。聚合物微凝胶也可以用来研究界面对溶液中的晶体成核速率的影响以及溶液中的多晶型控制。

Diao 等[79]提出了一种通过使用具有可调微结构的聚合物微粒来控制溶液成核的新方法。他们使用不同分子量的PEG 合成了一系列聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGMDA）微凝胶。其中通过stop-flow lithography(SFL)方法[80]合成的立方体微凝胶被用于研究异质成核过程。为了研究具有不同网目尺寸的微凝胶颗粒对成核动力学的影响，他们选择阿司匹林（ASA）和对乙酰氨基酚（ACM）作为模型化合物，两者都带有氢键供体，其可能与聚合物网络中的氢键受体相互作用。最终结果表明阿司匹林和对乙酰氨基酚的成核动力学都受到聚合物网孔尺寸的影响。微凝胶存在最佳的网目尺寸，在该尺寸下阿司匹林和对乙酰氨基酚的成核动力学明显增强，并且总体增强程度与聚合物-溶质相互作用的程度有关。由于PEG 基聚合物良好的生物相容性，可用于设计结晶小分子和大分子的成核剂到多功能药物赋形剂和药物递送载体。

之后，Diao 等[81]在不同分子量的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGMDA）的聚合物凝胶和PEGDA 和4-丙烯酰基吗啉（AM）的共聚物微凝胶中分别进行阿司匹林（ASA）和对乙酰氨基酚（ACM）的结晶。结果表明：在PEGDA 和AM 的共聚物微凝胶中，ASA 成核动力学提高了4 个数量级，而ACM 的成核动力学也提高了2个数量级。聚合物-溶质相互作用通过两种方式促进成核，首先，它导致凝胶中具有较高的溶质浓度，这增强了有效的溶质- 溶质相互作用；其次，特定的聚合物-溶质相互作用可以促进溶质分子的定向排列。这项工作提供了对复杂界面处分子晶体成核的见解。

此外,聚合物微凝胶也被用来理解和控制分子化合物在受限环境中的多晶型结晶[82]。通过在不同分子量的聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGMDA）的聚合物凝胶中进行卡马西平（CBZ）和5 甲基-2-[（2-硝基苯基）氨基]-3-噻吩甲腈（ROY）的结晶过程研究,发现这两种模型药物的多晶型结果强烈依赖于聚合物网目的大小和聚合物的化学组成。此外，成核动力学与多晶型结果之间存在明显的相关性。说明多晶型成核的选择性源于由特定聚合物- 溶质相互作用驱动的模板效应，由限制效应提供的最佳空间构型进一步促进多晶型的选择，最大程度地促进特定晶型的成核。

5 凝胶环境下结晶的机理分析

相比于传统的溶液相结晶，凝胶环境提供的孔的尺寸和连通性可以显著影响溶质的成核过程[1]。通过限制孔的大小可以显着减少核的数量。此外，凝胶环境也可以防止如灰尘、杂质等不需要的颗粒引起的非均相成核，均相成核似乎在凝胶中占主导地位。这也是凝胶相结晶中可以得到药物分子亚稳态单晶的原因。

溶液相结晶时，溶质的生长不会受到物理阻碍。然而，凝胶环境中，溶质分子的对流运动被抑制，其传输主要通过扩散实现。此外，凝胶介质也可以起到“软基质”的作用，可以有效防止晶体和晶体之间、晶体和壁之间的直接相互作用[11]。因此，凝胶中可以得到和溶液介质中不同形貌的产品。

目前，由于超分子凝胶的诸多优良性能[35]，超分子凝胶作为药物分子的结晶介质受到了大量的关注。超分子凝胶相结晶的机理目前主要是从分子构象的匹配、空间效应等方面来揭示。从分子构象的角度来说，药物分子不同的晶型具有不同的分子构象。因此，药物分子在定制超分子凝胶介质中结晶时，通过凝胶纤维表面上的定制官能团的构象匹配以及凝胶纤维的局部周期性的同时作用，可以得到药物与定制凝胶剂结构匹配的特定晶型[37]。例如，Foster 等[37]根据模型药物ROY 的结构定制了双（尿素）胶凝剂。从该凝胶剂的甲苯凝胶中结晶ROY，从而得到了亚稳态红色R 晶型而不是热力学稳定的Y 晶型；Foster 等[36]根据模型药物卡马西平(CBZ)的结构定制了凝胶剂，从该凝胶剂中得到了卡马西平在溶液中无法得到的亚稳晶型；Dawn 等[38]根据抗癌药物顺铂[51]的结构定制了一系列基于铂的低分子量尿素凝胶剂C1、C2 和C3，在这些凝胶剂所形成的凝胶中结晶，最终得到了新的N,N-二甲基乙酰胺（DMA）溶剂化物。对于超分子凝胶相结晶，目前还没有一个普遍适用的机理解释，仍需要研究人员去不断探索。

此外，溶质在凝胶介质中结晶时，除了凝胶介质对结晶过程会产生影响之外，晶体也会对凝胶化过程产生影响。对于凝胶介质来说，晶体可以起到添加剂的作用，对所形成的凝胶的强度和形貌产生影响[72]。Dawn 等[72]利用小角度中子散射（SANS）检测了在药物分子存在下凝胶结构的变化，说明了凝胶-溶质相互作用除了会影响结晶过程之外，还会影响凝胶化过程。这也为揭示凝胶化过程的机理提供了一种方法。

6 结论和展望

传统的水凝胶相结晶（如明胶、琼脂糖凝胶和硅胶）由于其可以提供特定的黏性凝胶环境已经被广泛用于无机物（生物矿化）、蛋白质以及小分子的结晶，从而得到高质量的晶体。随着合成高分子以及超分子化学的飞速发展，合成高分子凝胶和超分子凝胶由于其结构的多样性，提供了大量可用于结晶的凝胶介质，为多晶型的筛选和晶习的调控提供了一种新的方法。此外，在溶液相结晶中通过使用微凝胶也会导致最终产品的晶型发生转变，通过这种方法来研究界面对成核过程的影响以及改变药物结晶过程中的成核动力学。目前，凝胶相结晶的研究方向主要集中在凝胶剂的设计为结晶提供特定的结晶环境或者提供活性成核位点，以及对凝胶相结晶过程中凝胶对结晶过程影响的机理等方面。关于超分子凝胶方面的研究已经相当深入,不论是凝胶剂的选择和设计，还是凝胶结构的预测方面的研究都为凝胶相结晶提供了极大的便利和许多新的思路。但是关于凝胶相结晶这个领域的研究还有很多盲区，随着超分子凝胶的深入研究以及对晶习调控和多晶型筛选方面的强烈需求这两方面的促进下，凝胶相结晶势必会成为一个热点研究方向。