H.E.L 结晶研究在疾病机理上的应用 —CrystalEYES
结晶研究在生物医药领域具有广泛的应用，尤其是在药物开发、疾病机理研究和生物材料设计等方面。以下是一些具体的应用状态：
药物开发：结晶技术用于药物的纯化和稳定化，提高药物的溶解度和生物利用度。例如，通过控制药物的结晶形态，可以优化其在体内的释放速率和疗效。
疾病机理研究：结晶过程与多种疾病的发生和发展密切相关。例如，肾结石的形成就是由于尿液中草酸钙等矿物质的过饱和和结晶。此外，关节炎中的尿酸结晶、阿尔茨海默病中的淀粉样蛋白纤维化等也与结晶过程有关。
生物材料设计：结晶技术用于开发新型生物材料，如生物陶瓷、组织工程支架和药物缓释系统。通过控制材料的结晶形态和结构，可以调节其力学性能、生物相容性和降解速率。
正因为结晶研究这方面的应用价值，吸引了众多的研究者在这方面进行研究。相信在后续的研究中会得到更多的对人类有益的研究成果。
案例：各种抑制剂对合成尿中草酸钙成核的影响研究
Hsu, Y.-C., Lin, Y.-H., & Shiau, L.-D. (2020). Effects of various inhibitors on the nucleation of calcium oxalate in synthetic urine. Crystals, 10(4), 333.
https://doi.org/10.3390/cryst10040333
背景: 肾结石是一种常见的健康问题，影响全球约10%的人口。草酸钙（CaOx）是肾结石中最常见的结晶成分，它可以形成三种水合物：单斜晶系的一水合物（COM）、四方晶系的二水合物（COD）和三斜晶系的三水合物（COT）。其中，COM因对肾小管细胞膜的亲和力最强，更容易形成尿路结石。许多无机和有机物质，如镁、柠檬酸等，已知可以抑制结石形成，而尿液量少、钙、草酸和尿酸则可能促进结石形成。
研究方法：实验采用了一种新的合成尿液配方，加入了尿素、尿酸和肌酐等成分，以更接近真实的人体尿液。实验装置包括一个250毫升的结晶器，置于可编程恒温水浴中，配备有磁力搅拌器，搅拌速率为350转/分钟。实验中使用了三种溶液（Solution 1、Solution 2和Solution 3），分别含有不同的化学成分，通过混合这些溶液来制备合成尿液，并通过添加不同浓度的草酸钠（Na2C2O4）来实现所需的过饱和度。
实验中使用了浊度探针（Crystal Eyes）来测量不同条件下的诱导时间，实验温度保持在37°C，pH值保持在6.5。实验结束后，使用扫描电子显微镜（SEM）检查最终干燥的晶体，以确定草酸钙晶体的多晶型形式。
实验结果：实验结果表明，在没有抑制剂的情况下，草酸钙的成核速率随着过饱和度的增加而增加。通过经典成核理论（CNT）分析，计算得到草酸钙单水合物的界面能（γ）为22.7 mJ/m²，与文献报道的值一致。实验还发现，不同抑制剂对草酸钙成核速率的抑制效果不同，顺序为：镁 < 柠檬酸 < 羟基柠檬酸 < 软骨素硫酸 < 植酸。
结论：
草酸钙结晶形态：在没有抑制剂的情况下，草酸钙主要形成单斜晶系的一水合物（COM）。而在加入不同抑制剂后，草酸钙的结晶形态发生了变化：
1000 ppm镁或800 ppm柠檬酸存在时，仍主要形成COM。
500 ppm羟基柠檬酸存在时，诱导形成三斜晶系的三水合物（COT）。
1.5 ppm植酸或20 ppm软骨素硫酸存在时，诱导形成四方晶系的二水合物（COD）。
抑制剂效果：植酸在极低浓度下（1 ppm）就能显著降低草酸钙的成核速率，但其摄入可能影响人体中铁、锌和钙的生物利用度。软骨素硫酸和羟基柠檬酸也能有效抑制COM的形成，且对草酸钙结晶形态有显著影响。
界面能和成核动力学：通过实验数据拟合，得到草酸钙单水合物的界面能为22.7 mJ/m²，成核前指数因子（AJ）为2.57×10¹¹ m⁻³s⁻¹。这些参数对于理解草酸钙在尿液中的结晶过程具有重要意义。
这项研究通过模拟人体尿液环境，深入探讨了不同抑制剂对草酸钙结晶成核的影响，为开发预防肾结石形成的治疗策略提供了科学依据。研究结果表明，某些抑制剂可以通过改变草酸钙的结晶形态或降低其成核速率来减少肾结石的形成风险。
结晶研究实验：实验装置
结晶器：250 mL的结晶器，置于可编程恒温水浴中。
搅拌装置：配备磁力搅拌器，搅拌速率为350 rpm，确保溶液充分混合。
浊度探针：使用 Crystal Eyes 浊度探针（HEL, UK）来实时监测溶液的浊度变化，以此确定结晶成核的诱导时间。
温度探针：用于监测溶液的温度，确保实验在37°C的恒温条件下进行。
pH控制：通过酸碱调节剂将溶液的pH值维持在6.5，以模拟人体尿液的生理条件。
诱导时间测量：
将混合后的合成尿液置于37°C的恒温水浴中，保持pH值为6.5。
使用 Crystal Eyes 浊度探针实时监测溶液的浊度变化。当浊度开始显著增加时，记录诱导时间（即从溶液达到过饱和状态到出现可检测的结晶核之间的时间）。
每种条件重复三次，以获得平均诱导时间。
结晶形态分析：
实验结束后，收集最终干燥的晶体。
使用扫描电子显微镜（SEM）观察晶体的形态，以确定草酸钙的不同水合物形式（如COM、COD和COT）。
数据处理与分析：
成核速率计算：根据经典成核理论（CNT），通过诱导时间数据计算成核速率。成核速率与诱导时间成反比关系，具体公式如文献中公式(2)和(3)所示。
界面能计算：通过绘制ln(1/ti)与1/ln²S的关系图，根据斜率和截距计算界面能（γ）和成核前指数因子（AJ）。
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新能源车企：比亚迪、小鹏汽车、蔚来汽车、一汽大众、北汽福田、等；
科研单位：中科院青岛能源所（5台）、厦门大学（5台）、中国工程物理研究所（3台）、北京工业大学（3台）、青岛大学（3台）、国联汽车动力电池研究院有限责任公司（2台）、清华大学（2台）、天津大学（2台）、同济大学（2台）、华南理工大学、安徽理工大学、中国地质大学、大连理工大学、昆明理工大学、桂林电子科技大学、中国北方车辆研究所、北京电力科学研究院、沈阳化工研究院、山东省科学院能源研究所、陕西煤化工技术研究院有限责任公司等；
第三方检测中心：上海蓄熙（4台）、上海知锂检测技术研究有限公司、天目湖储能研究院、上海微谱、国家储能及动力电池质量监督检验中心、北方汽车质量监督检验鉴定试验所、安徽省恒德检测技术服务有限公司、中山天溯检测技术有限公司、厦门市产品质量监督检验院、深圳出入境检验检疫局工业品检测技术中心、招商局检测车辆技术研究院有限公司、无锡市检验检测认证研究院等。
化学工艺安全评估领域：
国际化工巨头：阿斯利康（50台）、BP（10台）、帝斯曼（11台）、壳牌（6台）、阿克苏诺贝尔（4台）、陶氏化学（3台）、拜尔（3台）等；
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