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纳米材料在缓/控释农药中的研究进展 qrcode

2019-06-19

作者:周闯,李普旺,冯岗,等 
 
纳米科技是21世纪主导科学中前沿的主题科学,纳米材料因其具有小尺寸效应、大比表面积、高反应活性、量子效应等,而得到了广泛的应用,如医药、材料、信息与通讯技术以及环保与能源开发等。近几年纳米材料与技术在农业领域的应用取得了一定进展,利用纳米科学与技术开发高效、安全的农药新剂型,实现化学农药的提质增效、节量减排和降低残留污染,已经成为当前的研究热点。
 
利用纳米材料的靶向传输与控释功能,改善化肥、农药、兽药以及饲料等农业投入品的有效利用率,降低残留与污染。将纳米技术与农药的研制相结合,已形成一个新兴的纳米农药研究领域。纳米农药的出现,不仅大大降低了用药量,提高了药效,在使用经济性上也得到突破,真正体现了使用浓度低、杀虫防病谱广、病虫害不易产生抗性、对人畜低毒、农药残留少、对环境污染小等诸多优点。
 
1 纳米载体材料在农药中的应用
 
目前,作为药物载体的纳米材料有金属纳米颗粒(如超顺磁性氧化铁、无机纳米材料、纳米金、生物降解性高分子纳米颗粒(如壳聚糖、聚酰胺树状体)及生物活性纳米颗粒(如纳米羟基磷灰石、碳纳米管)等。下面简单介绍几种纳米载体材料在农药中的应用。
 
1.1 无机纳米多孔材料
 
无机纳米多孔材料由于具有物理学稳定性和良好的生物稳定性,比表面积和表面能大,吸附力强,稳定性高,表面有大量可控反应的化学官能团,广泛用于药物担载和释放领域中,如碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛等,其中纳米二氧化硅常被用作植物中的农药载体,已被认为是减少滥用常规农药的新方法。
 
Xiang等采用共沉淀法,利用可溶性淀粉(SS)调控制备多孔碳酸钙微球(PCMs),作为扑草净(PMT)的纳米载体,用以制备缓释除草剂。在热处理的条件下,可溶性淀粉(SS)分子自组织成纳米聚集体,通过螯合和静电相互作用结合Ca2+,然后,通过可溶性淀粉(SS)聚集体调节异相成核将CO32-引入到产生CaCO3纳米颗粒(CNP)中,最后形成淀粉基多孔碳酸钙微球(PCMs-SS)。与传统除草剂相比,PCMs-SS除草剂具有更高的利用效率和杂草控制率,是未来绿色农药的应用前景。Zhao等合成了负载嘧霉胺的介孔二氧化硅纳米粒子(Py-MSNs),其粒径分布为200~300 nm。将载药纳米颗粒应用于黄瓜叶上,结果表明:Py-MSNs更有利于黄瓜植株的吸收,而不是基底吸收,并且剂量对黄瓜植物中Py-MSNs的分布和消散速率几乎没有影响,Py-MSNs在叶子中具有较低的积累的风险。
 
纳米二氧化硅外观为无定形白色粉末,粒子尺寸范围为1~100 nm,微结构为球形,呈絮状和网状的准颗粒结构。由于其结构的特殊性,作为载体材料,其改性方法有多种,常见的有液晶模板法、溶胶-凝胶法、耦合交联法等。
 
Cao等采用液晶模板法制备粒径为110 nm左右、孔径为3.7 nm左右的介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)。利用分子间的静电相互作用和氢键,将水溶性壳聚糖(CS)衍生物N-(2-羟基)丙基-3-三甲基氯化铵(HTCC)包覆于负载吡咯菌素介孔二氧化硅纳米粒子(MSN)的表面。研究结果表明,HTCC涂层大大提高了吡咯菌素的负载效率(LC)(40.3%)。载药纳米颗粒初始具有较快的释放速率,随后缓慢释放,可以显著的降低施药量,提高利用率。Wang等通过超声波法,将阿维菌素与多孔二氧化硅纳米粒子混合,制备了阿维菌素多孔二氧化硅纳米粒子(Abam-PSNs)。研究结果表明:Abam-PSNs可以通过改变二氧化硅纳米颗粒的多孔结构,改善阿维菌素的可控释放、光稳定性和水溶性,有利于提高生物利用度,减少农药残留。
 
Li等采用溶胶-凝胶法制备了壳层厚度为5~45 nm、孔径为4 ~5 nm左右的多孔中空二氧化硅纳米粒子(PHSNs)。PHSNs的壳层厚度是由Na2SiO3·9H2O/CaCO3的反应物配比决定的。研究结果表明:随着壳层厚度的增加,阿维菌素的负载量逐渐减小,而负载阿维菌素PHSNs的抗紫外性能随着壳层的增加而提高,PHSNs壳层的厚度对阿维菌素释放有显著的影响。
 
Yang等采用2步法制备了装载Ag+纳米粒子的介孔二氧化硅微胶囊负载型。首先,通过静电作用将Ag+离子吸附在单分散磺化聚苯乙烯(PS)微球表面,然后用聚乙烯吡咯烷酮进行还原和保护,得到PS-Ag复合微球。然后,通过正硅酸乙酯(TEOS)的水解和聚合产生的二氧化硅胶体,利用氢键自组装在PS-Ag复合球上,形成二氧化硅壳,最后通过煅烧去除PS芯和PVP。结果表明:银纳米粒子以基本物质的形式分散地负载在二氧化硅壳的内壁上,壳由单层相互连接的二氧化硅颗粒和中孔组成。这种独特的结构可以有效地避免传统Ag胶体体系中存在的团聚问题,缓释Ag+离子,使其通过壳层中的中孔通道向外部介质扩散,从而诱导抗菌活性。
 
林春梅等以纳米SiO2为原材料,采用硅烷偶联剂KH-570对其进行表面改性,制备了具有疏水性的改性纳米SiO2。结果表明:经过硅烷偶联剂改性后的纳米SiO2分散性和亲油性都有较好的改善,在乙醇中对阿维菌素的吸附率从13.98%提高到31.36%,并对阿维菌素具有较好的缓释效果,在溶出介质中对阿维菌素的控制释放时间可以持续80 h,所以,经硅烷偶联剂改性后的纳米SiO2可以作为疏水性药物的控释载体。Dharanivasan等在研究了使用金属氧化物纳米颗粒(SiO2、TiO2和ZnO NPs)来调节诱饵分配器中甲基丁香酚排出的范围,发现含有TiO2NPs(稀释度:10-5)的甲基丁香酚在长达12周的时间内表现出更多的果蝇捕获量,主要是由于金属氧化物纳米颗粒负载甲基丁香酚具有缓释的功能。
 
1.2 环境相应型纳米载体材料
 
环境响应性载体材料是一种新兴的智能复合材料,能够响应酶、氧化还原、pH值、光、温度、电场、磁场和离子强度等环境刺激的变化,实现有效成分的靶向控制释放,在药物控释方面表现出突出的优越性,具有广阔的应用前景,已成为目前医药、食品和环境工程等领域的研究热点。
 
1.2.1 pH值调控型
 
Xiang等采用毒死蜱(CPF)、聚多巴胺(PDA)、绿坡缕石(ATP)和海藻酸钙(CA)组成的纳米系统开发了pH值响应控释毒死蜱(PRCRC)。其中,CPF被吸附在纳米网络结构的PDA修饰的ATP(PA)中,通过氢键和静电吸引获得CPF-PA。随后,CPF-PA与CA结合,通过交联反应形成多孔CPF-PACA水凝胶球,其中PA充当骨架。PRCRC球体在碱性溶液中溶液中容易破裂,进而释放毒死蜱(CPF),因此可以通过调控pH来实现纳米农药的智能控释。另外,该多孔水凝胶球可以有效地保护CPF分子免受紫外线下的降解,同时PACA水凝胶具有良好的生物相容性以及生物安全性。
 
王冕等以改性纳米二氧化硅为稳定剂,通过反相Pick-ering乳液聚合法制得了聚α-甲基丙烯酸/二氧化硅复合微胶囊。微胶囊平均粒径约为10 μm。合成的微胶囊壁由颗粒层和聚合物层2层组成,壁厚约为1 μm。所制备的微胶囊具有良好的pH值敏感性,在碱性体系中释放量为15.0%,在酸性体系中的释放量提高至98.4%,可以通过改变缓释介质的pH值来控制释放速度。
 
1.2.2 温敏热敏型
 
Chi等采用凹凸棒石(ATP)、NH4HCO3、氨基硅油(ASO)、聚乙烯醇(PVA)和草甘膦(Gly)组成的纳米复合材料,制备了具有核壳结构的温度响应型控释除草剂颗粒(TCHP)。其中,ATP-NH4HCO3-GLY混合物作为核心,ASO-PVA充当外壳。凹凸棒石(ATP)具有多孔的微/纳米网络结构,能够结合大量的草甘膦(Gly)分子。NH4HCO3作为发泡剂,可以产生CO2和NH3气泡,在ASO-PVA壳层中形成大量的微孔/纳米孔,有利于Gly的释放。通过温度可以有效地调节孔隙量,同时PVA壳在高温下易溶解在水溶液中,因此可以有效地控制Gly的释放。另外,疏水性氨基硅油(ASO)可以使TCHP在水溶液中稳定性存在至少3个月。
 
Lu等通过细乳液聚合,将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体引入到涂覆在辛烷液和甲基丙烯酸3-三甲氧基硅氧烷丙酯周围的苯乙烯共聚物中,合成了一种热敏有机-无机杂化纳米微胶囊。研究结果表明:NIPAM单体的引入和温度均影响纳米微胶囊中甲酚红的加载和释放,微胶囊在临界温度以上具有一定的渗透率,但渗透率在临界温度以下不明显,这表明该纳米微胶囊可实现“开-关”型环境热敏控制吸收和释放。Ichikawa等通过空气悬浮涂布技术(Wurster方法)进行制备了直径约100 μm的热敏药物微胶囊,该微胶囊具有用卡巴色素磺酸钠(CCSS,水溶性模型药物)颗粒和由含有纳米尺寸热敏水凝胶的乙基纤维素基质组成的热敏涂层的核心层。水凝胶颗粒由复合胶乳和聚[N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)]壳组成,其可以响应环境温度变化可逆地改变壳层厚度。
 
1.2.3 磁性调控型
 
Xiang等通过原位沉积法制备微纳米多孔磁性载体材料(硅藻土/Fe3O4),然后将除草剂(草甘膦)和杀虫剂(氯氰菊酯)分别负载于其上,最后由壳聚糖包覆,构建具有磁性回收pH值响应控释农药(PRCRP)。由于壳聚糖可以在酸性条件下溶解,进而实现农药的控制释放。由于Fe3O4的磁性赋予PRCRP的磁性收集性能,在农药释放后,PRCRP可以方便地与水和土壤分离,具有较高的回收率。PRCRP在杂草表面和害虫表皮上具有高粘附能力以及显著的控释性能,对杂草和害虫具有出色的控制效果,并且在实践中具有潜在的回收性。该技术在减少农药残留和环境风险方面具有巨大的应用前景。
 
1.2.4 光敏调控型
 
Liang等通过乳液-溶剂蒸发法和化学改性,制备了生物刺激贻贝阿维菌素纳米粒[P(St-MAA)-Av-Cat],其对作物叶片具有很强的附着力。该纳米粒为直径约120 nm的球体,负载阿维菌素量高达50%(w/w),具有优异的储存稳定性以及持续的释放性。负载的光敏阿维菌素对紫外线有很大的改善。
 
1.3 可生物降解高分子材料
 
可生物降解的高分子材料由于其生物相容性和生物降解性使其可作为药物控制释放载体,如聚乙交酯(PGA)、聚丙交酯(PLA,又称聚乳酸)、聚己内酯(PCL)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、壳聚糖、聚乙二醇、植物油等,被经常用于纳米农药的载体材料。
 
Zhang等用两亲共聚物甲氧基聚(乙二醇)-聚(丙交酯-共-乙交酯)(mPEG-PLGA),采用双乳液法,制备了有效霉素和己唑醇的共传递纳米颗粒(NPs)。共传递纳米颗粒(NPs)具有良好的粒度分布以及缓慢释放性能,其对水稻纹枯病菌的杀菌效果优于传统农药制剂。
 
Xu等通过化学交联制备了可生物降解的壳聚糖-丙交酯共聚物(CPLA),将其作为疏水性农药-唑菌胺酯载体,采用纳米沉淀法制备了负载唑菌胺酯的纳米颗粒。通过改变共聚物与唑菌胺酯的进料质量比50∶1~5∶1,可以将负载农药的纳米颗粒的尺寸调节在77~128 nm之间。Zhang等利用壳聚糖与聚丙交酯(PLA)和1,2-二棕榈酰基-sn-甘油基-3-磷酸乙醇胺(DPPE)反应,制备新型两亲共聚物纳米颗粒。采用纳米沉淀或乳液/溶剂蒸发法制备负载亲脂性有机磷农药毒死蜱共聚物的纳米颗粒。所得纳米颗粒具有高载药性和缓释性。该纳米颗粒的粒径、负载量(LC)和包封效率(EE)随着共聚物与毒死蜱的质量比的增加而降低,可以通过调节共聚物与毒死蜱的比例来控制毒死蜱的释放速率。
 
Yearla等采用通过纳米沉淀法构建了一个稳定的除草剂———优化的敌草隆纳米制剂(ODNF),其具有5.17%±0.49%敌草隆负载效率(DLE)和74.3%±4%包封效率(EE)。通过FESEM/TEM发现ODNF中纳米颗粒的尺寸为(166±68) nm。所采用的茎杆木质素纳米载体材料控释纳米制剂中作为重要的开发价值。Chen等采用可生物降解的聚合物聚(L-组氨酸)(PLHis)、壳聚糖,在pH值为4.6的乙酸盐缓冲溶液中,制备得到新型聚(L-组氨酸)-壳聚糖/藻酸盐复合物微胶囊。获得的微胶囊呈球形,分散均匀,具有光滑的表面和较窄的尺寸分布范围,其可作为一种药物载体材料。
 
Zhao等利用聚阳离子和聚阴离子之间的静电相互作用形成多层微胶囊壳。在硫酸软骨素(CS)的悬浮液中,通过碳酸钠与四水硝酸钙溶液反应,合成掺杂硫酸软骨素(CS)微米级碳酸钙(CaCO3)颗粒,然后利用静电层层自组装交替地将带有相反电荷的生物聚合物沉积到合成的颗粒上,然后进一步利用戊二醛交联固化微胶囊壳层结构。通过调节pH值,控制CaCO3模板的分解,进而获得多层壳内CS整合的微胶囊,其可以作为一种生物载药微胶囊装置,用以控制药物分子的加载与释放。冯博华等通过全天然产物蓖麻油酸酐(RAN)与羧甲基壳聚糖(CMC)的酰化反应,合成了羧甲基壳聚糖接技蓖麻油酸(CMC-g-RA)共聚物。以CMC-g-RA为载体,通过在中性水中自组装大分子胶束的增溶作用,与植物源农药鱼藤酮(Rot)一起制备了一种新型的农药纳米粒子水分散剂。结果表明:所形成的纳米粒子干燥后外观形态呈密实光滑的球状,粒径在200~500 nm之间,具有较窄的粒径分布,表面带负电荷;Rot的负载率在20%~68%范围内。改变Rot和CMC-g-RA溶液的质量浓度配比,可调节纳米粒子的物理性能;控制农药的负载率,有助于调控该新型制剂速效与缓释之间的关系。
 
1.4 纳米固体分散体
 
农药固体纳米分散体是将纳米技术与农药固体分散体制备技术相结合的一种农药新剂型,是药物以纳米尺度的微粒、微晶形态均匀分散在固态水溶性载体中形成的固体纳米剂型。该剂型在杜绝有机溶剂和大幅度减少表面活性剂用量的同时,克服了水基化纳米剂型稳定性差的瓶颈问题,提高了难溶性农药在水中的分散性,有利于增加农药在叶面的粘附性和渗透性,进而提高其生物利用度,节约农药使用量,降低残留污染。
 
Cui等采用高压均质法与冷冻干燥法相结制备了氯虫苯甲酰胺固体纳米分散体,已解决其溶解性差的问题。研究发现不同农药含量的固体纳米分散体的平均粒径均小于75 nm。对小菜蛾的生物测定结果表明固体纳米分散体的毒性分别是原药制剂和水悬浮剂浓度的3.3倍和2.8倍。此外,固体纳米分散体可以完全避免有机溶剂的使用,显着减少表面活性剂和具有高浓度纳米制剂的优点。
 
Cui等采用熔融乳化和高速剪切方法,研制出一种新型、高效、环保的固体纳米高效氯氟氰菊酯分散体配方。该固体纳米分散体在分散性、稳定性以及生物利用度等方面均优于常规农药制剂。同时该配方不含有机溶剂,不仅减少了表面活性剂的使用,提高了作物的应用效率,减少了食品中农药残留和农药对环境的污染。
 
Zn3P2是一种急性和有效的杀鼠剂,广泛用于啮齿类动物。Jiang等采用反相微乳液法,通过海藻酸钠与氯化钙反应合成了Zn3P2 /海藻酸钙(Zn3P2/CA),进而负载了Zn3P2。结果表明:Zn3P2 /CA为纳米微球,平均粒径为353.9 nm,粒子分散指数(PDI)为0.195,并且具有较好的缓释性能和良好的环境相容性。与Zn3P2原药相比,Zn3P2/CA的适口性和功效得到显着改善和提高,可有效掩蔽Zn3P2原药的气味,提高毒杀能力。
 
1.5 水基型纳米农药
 
20世纪80年代以来,由于环境安全、食品安全的推动,水基化农药剂型的研究发展迅速。因此,以水为基质的农药剂型如微乳剂(ME)、水乳剂(EW)、悬浮剂(SC)、悬乳剂(SE)等逐步取代以有机溶剂为基质的乳油,既可节约大量的能源又可减轻对环境的污染,还可减少对生产者、操作者的危害。
 
氯虫苯甲酰胺(CAP)作为一种传统的农药,由于在有机溶剂中的溶解性差,大大限制了其应用范围。Liu等采用水包油固体(S/O/W)双乳液法结合预混膜乳液,构建了高负载量的氯虫苯甲酰胺(CAP)微胶囊配方。这种微胶囊制剂不仅具有良好光和热稳定性,这可以通过调节多孔微胶囊的表面孔隙率和尺寸调节农药原药的释放速率。Chaw等开发一种环保型水包油(O/W)纳米乳液体系,该纳米乳液体系可以增加除草剂草甘膦的渗透和吸收性。
 
张龙等研究表面活性剂复配制备水基型氯氰菊酯微乳剂的稳定性及润湿展布性。采用紫外-可见分光光度法和气相色谱法测定水基型氯氰菊酯微乳剂的稳定性,用视频光学接触角测量仪测定其表面张力和在‘杨福麦-7116’叶面上的接触角。结果表明:该农药微乳剂具有较好的化学稳定性和经时稳定性;表面张力较低,且与‘杨福麦-7116’叶面接触角小,铺展速度快,在植物叶面易附着、易润湿、易铺展,宜用于农用喷洒。Papanikolaou等采用柠檬油萜烯作为分散剂,聚山梨醇酯作为稳定剂,以及水与甘油的混合物作为分散的水相,将除虫菊酯制备成纳米油包水微乳液制剂。与商业除虫菊酯悬浮制剂相比,纳米除虫菊素微乳液对棉蚜具有优异的杀虫效果。
 
2 未来与展望
 
当前利用纳米材料与技术发展纳米农药新剂型,已经成为国际纳米农业领域的研究热点之一,也已在缓解农药滥用所造成的食品残留与环境污染等方面显示了良好的应用前景。纳米技术在农药研究领域有着广阔的应用前景,不仅为农药新剂型研究提供了先进的手段,还可以用于改造传统剂型,有望克服传统农药工艺无法解决的难题,从而使农药剂型越来越接近农业生产的需要。

 

 

来源: 《农药》
世界农化网

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