特定场景纳米载药系统构建，助力纳米农药剂型创制逐步走向产业化

引自：《农药学学报》

原题目： 功能化纳米农药载药系统的研究进展 

作者： 刘慧慧，申越，李兴业，李柠君，王心悦，安长成，吴青君，王琰

纳米材料因其粒径小、尺寸易调节、种类丰富以及良好的移动性等优势，作为有效载体， 在农药载药系统及农业病虫害防治方面受到了广泛关注。纳米材料与技术在提升农药生物利用度、 溶解性和缓控释特性等方面展现出巨大的潜力。

纳米材料是指至少一维在纳米尺度（1~100nm）范围内或由此为基本单元构成的材料。纳米材料因其粒径小、尺寸易调控、比表面积大以及独特的物化性质，在改良农药制剂、创制纳米农药新制剂 方面展现出巨大的发展潜力，给农业病虫害绿色防控带来了新策略。近年来，已有大量研究表明，利 用纳米材料与技术构建纳米农药载药系统能有效解决传统农药利用率低、生物利用度差、不稳定等问题。纳米农药有诸多优点(图 1)：能够有效增加药液在作物叶面的覆盖率及与害虫的接触面积，增强 药液的靶向沉积效率；利用亲水或亲油性纳米载体还可以对药液表面进行叶面亲和性修饰，促进载体 材料与作物叶面微纳结构相互作用，使药液更大程度地沉积黏附在叶面上，减少施药时药液的飞溅，流失，具有抗雨水冲刷的能力；结合农药应用场景，纳米材料与技术还能对农药进行功能化调控，实现农药活性成分的长效释放，构建具有不同响应机制的智能控释系统，能使农药活性成分在特定响应场景以一定速度精准释放，极大的提高了农药利用率、减少农药施用量。

目前，纳米农药的合成途径有两种：一是农药纳米化，即利用机械破碎等纳米加工技术对农药原药进行加工，通过表面活性剂等助剂的调配，形成稳定的纳米乳、纳米悬浮剂、纳米固体分散剂等剂型；二是农药载体纳米化，即利用纳米材料负载农药，通过封装、吸附、包埋等方式与农药活性成分有 效结合构建的纳米农药载药系统，如纳米微胶囊、纳米微球等。纳米材料自身结构、尺寸、表面电荷 和官能团性质对纳米农药载药系统的构建至关重要。常用的纳米材料包括天然高分子材料、无机硅材 料、碳基材料等生物相容性材料，如明胶、海藻酸钠、纤维素、聚乳酸、β-环糊精、壳聚糖、层状 双氢氧化物、介孔二氧化硅、量子点、单壁碳纳米管等。根据不同纳米材料结构特性，多种纳米载 药系统制备工艺得到了完善，包括喷雾干燥法、溶剂蒸发法、界面聚合法、原位聚合法及膜乳化法等。 随着纳米技术的迅速发展，越来越多学者关注纳米载药系统的研究。 

1、纳米农药智能响应控释系统 

缓释技术在20世纪70年代被研究人员发现并应用于农药领域，能有效改善农药持效期短、稳定性 差的问题[29-30]，通过基质对农药活性成分的包埋、吸附，实现农药活性成分缓慢释放，如微胶囊悬浮剂 等。然而传统农药缓释剂在释放农药活性成分时主要通过被动扩散、解析、胶囊破裂等方式，造成农药 释放不均、易受外部环境影响、释放速度难控制、释放效果不好等问题。如果能实现农药活性成分控制释放，构建以适应环境变化的控释制剂，其控释机制结合作物生长特性、病虫害发生规律进行精准持续释放，并保证释放量高于病虫害田间防治有效剂量，则能够充分发挥农药作用效果，有效控制农业病虫害，保障作物健康。因此开发环境响应型纳米控释系统是改善传统缓释剂，促进农药活性成分智能控制释放的新策略。

近年来，农药控释技术不断的朝着精准化、智能化和可调控的方向发展，利用温敏、湿敏等响应材料负载农药活性成分构建具有智能控释和响应功能的环境响应型纳米农药载药系统， 能够有效实现农药精准靶向释放，使农药释放机制与病虫害发生规律相吻合，充分发挥药物的防治效果， 极大的提高农药利用率。纳米农药智能响应控释系统根据响应机制不同，可以分为pH响应、光响应、 温度响应、酶响应和氧化还原响应等。其中pH响应研究占37%、其次是光响应占27%、温度响应17%、 酶及氧化还原等其他响应刺激占19%。纳米农药智能响应控释系统主要是通过载体材料的官能团修饰、 特异性结构变化等，针对不同触发因子，实现农药活性成分的释放。因此，不同载体材料及触发器可以 产生多种响应机制，响应不同的环境条件，如表1所示。 

表 1 不同纳米农药智能响应控释系统的构成及响应条件

1.1 pH 响应型纳米控释系统pH响应型

纳米控释系统是基于载体材料中具有或被修饰酸性或碱性官能团，如酸性官能团有羧基、 磺基等，碱性官能团有嘧啶、氨基等，分别在碱性或酸性条件下会发生溶胀、破裂等结构变化，缓慢释放农药活性成分，从而达到控释效果的纳米载药系统。结合病原菌或害虫发生时的环境 pH变化选择不同的官能团，构建随病虫害发生而释放的响应系统。

1.2 光响应型纳米控释系统 

光响应纳米控释系统是利用光敏材料或在载体材料上修饰光刺激性结构，在经过紫外光、可见光 等不同波长的光刺激时，其光敏结构会发生裂解、异构、极性等变化，从而释放被包裹的农药活性成分的纳米载药系统。 

1.3 温度响应型纳米控释系统 

 温度响应型纳米控释系统是利用温敏材料在特定温度下会刺激产生可逆响应，导致载体材料结构和性质的变化，最终释放农药活性成分的纳米载药系统。对温敏性材料而言，当环境温度超过相变温度时，材料会从水溶液中分离、出现沉淀现象，进而实现农药活性成分的释放。通常用于构建温度响应型纳米控释系统的温敏性聚合物材料有丙烯酰胺聚合物、羟丙基甲基纤维素、聚乙烯醇等，将温敏材料的释放特性与田间病虫害发生规律相结合，能够实现农药的精准释放与智能防控。

1.4 酶响应型纳米控释系统 

 酶在生物体生理生化反应和代谢过程中起着重要作用，具有高度特异性和选择性，利用酶作为农 药活性成分刺激释放的位点，能够实现更加精准、对靶的控释效果。将酶响应控释技术应用于农业病 虫害防治时，多种酶都能作为刺激因子，如病虫害侵染作物时作物释放的防御酶、植物病原菌产生的特 异性酶、昆虫唾液及中肠的特异性酶等。酶响应型纳米控释系统是利用载体材料负载农药并结合酶 刺激因子构建的载药体系，在环境中响应特异性酶的变化，而迅速裂解、水解，释放农药活性成分，精准防治农业病虫害。

2、叶面亲和性纳米农药载药系统

在利用植保器械进行叶面施药时，受作物叶面蜡质层、表面微纳结构、喷施速度、环境温湿度及风 速等多种因素的影响，仅有极少部分药液能够沉积在作物叶片上并发挥控制病虫害的效果。与此同时，药液的飞溅、漂移和流失会导致农药利用率极低，农药活性成分流经土壤、河流，作用于非靶标生物，也会引发严重的环境污染及作物药害等问题。因此，为了有效提高农药利用率，增强叶面施用药剂在作物表面的沉积和黏附显得尤为关键，这也是实现农业可持续发展和绿色发展的重要策略。 

近年来，研究人员广泛关注农药在作物叶面的润湿及沉积行为。通过在药液中添加各种表面活性剂、 蛋白聚集体、纳米低聚物颗粒、水凝胶等物质来提高药液在叶面上的滞留量，其中纳米低聚物颗粒 能够迅速在空气和液滴界面聚集，形成一层聚集体，从而有效降低药液的界面自由能和表面张力，有助于药液在叶面沉积、减少弹跳。同时，当药液沉积在叶面时，形成的聚集体能与叶面微纳结构相互 作用，使药液黏附于叶面上，避免雨水冲刷而导致的药液损失，提高农药在叶面上的持留量。

针对作物叶面病虫害的威胁，过去的研究主要集中在叶片正面的喷施与防治。然而，作物叶片背面 往往存在更难处理的问题，例如红蜘蛛、白粉虱的取食部位以及白锈病、霜霉病病原菌的侵染部位均为 叶片的背面。在叶片背面喷施药物非常困难，不仅药液容易弹跳，而且由于重力作用会导致大量药液流 失，造成农药浪费和环境污染。为解决这一难题，现有研究人员发现，利用自下而上的喷雾方式结合纳米材料的黏附功能，能够有效实现对叶片背面病虫害的控制。

3、土壤用药纳米载药系统 

土壤中的真菌、细菌、病毒及线虫会引起作物幼苗根部和茎部的腐烂，对农作物造成了严重威胁。 目前，最常见的防治方式是土壤施药，然而农药在土壤中的分布受诸多因素限制，部分农药会被土壤表 层的有机质吸附，部分农药受土壤理化性质及作物根系结构差异影响，造成农药在土壤中的迁移性差、分布有限、难以渗透至更深的土壤层，从而导致土壤制剂的防治效果不佳、利用率低等问题。因此改良土壤施药技术、提高药物在土壤中的流动性成为防治土传病虫害的关键。 

近年来，利用纳米技术改良土壤制剂在防治土传病虫害方面取得显著成效。纳米材料具有小尺寸、 易迁移等特性，能够携带农药活性成分渗透至更深的土层，增加药物在土壤中的分布，从而提高防治效果。 

土壤用药制剂的改良不仅可以利用纳米材料提高农药活性成分的移动性，还可以结合耕作方式，将 农药添加至覆盖作物的薄膜中以控制病虫害的发生，虽然这种方式对于土传病害的控制取得了一 定的效果，但仍无法控制药物的作用时间且会受到环境因素的影响，导致其无法达到理想的作用效果。 目前，缓释制剂与地膜结合的方法能有效解决这一局限，通过控制农药活性成分的释放，提高防治效果。

功能化纳米农药载药系统能够帮助农药在叶面、土壤等施药场景中充分发挥药效（表 2）。适用于叶面喷施的农药载药系统，其功能化材料往往具有水溶性好、流动性好、易于喷雾且对疏水/超疏水表面有强黏附性等优势，从而在喷施时能使药液有效沉积于作物叶面；土壤用药型纳米载药系统功能化材料 的选择大多以分散性能为主，部分材料能够构建出负电性载药系统，从而增强其对土壤胶体的排斥力， 更好的帮助农药活性成分在土壤中移动。因此，根据作物环境的实际施药需求出发，构建功能化纳米载 药系统可以进一步提升农药在作用过程中的性能，减少损失，在农业病虫害化学防治中有巨大的应用潜 力。 

表 2 不同施药方式的功能化纳米农药载药系统  

4、纳米农药双载体系 

过度使用农药会导致有害生物产生抗药性，增加防治难度，影响农产品质量安全。当推荐剂量无法 控制害虫时，增加施药量可能导致农药残留超标，危及人类健康。因此，为缓解抗药性发展，需采用多 种防治技术，提高农药利用率，实现农药减量增效。农药联合施用是一种有效的解决方法，其是将两种 或两种以上的农药在田间混配在一起施用，它不仅能够避免单一药物的过度使用，还能有效提高农药利 用率并扩大防治谱，而且两种或多种作用机理不同的药物联合施用还能减轻选择压力，缓解有害生物 产生抗药性。 目前，一些学者将纳米材料的缓释作用与农药联合施用策略相结合，构建纳米农药双载体系，如纳 米囊农药双载体系（图 2），即在单个纳米载体中负载两种农药活性成分，一次施药后能同时发挥两种 药物的药效从而减少农药用量和环境污染。

5、总结与展望 

 功能化纳米农药载药系统有着诸多优势，可以通过智能响应控释、叶面亲和修饰、组分协同增效 等不同方式实现农药的减量增效与功能提升。纳米农药智能响应控释系统能够特异性响应病虫害发生的 环境因子，针对病虫害发生的趋势与变化调控药物的释放特性，提高药物对病虫害靶向递送的效率，增 强化学防治的智能性和精准性，减少农药用量。叶面亲和型纳米载药系统可针对疏水性的作物叶面的结 构特征，利用载药系统的特性增加药液在叶面的黏附，促进药液的沉积，有效改善叶面喷施制剂药液飞 溅和流失等问题。同时，由于纳米载药系统的精细粒径与良好的分散性，可以在土壤用药的施药环境下 有效改善农药在土壤中的流动性，使农药活性成分深入土层，增加与根系的接触面积，更好的控制根系 病虫害的发生。利用纳米材料与技术负载两种不同的农药有效成分，构建纳米农药双载体系在延长农药 的持效期、实现农药的协同增效和减少喷药次数与剂量方面也显示了良好的效果，在缓解有害生物抗药 性方面也具有潜在的应用前景。因此，功能化纳米农药载药系统的发展为实现农药精准高效施药，推动 农药释放模式不断向智能化、可调控与协同化的方向发展。 

功能化纳米农药载药系统给农业病虫害防治带来了新机遇，有望成为可持续农业发展的有效工具。 目前纳米农药载药系统的构建与表征等研究不断丰富，纳米农药剂型创制逐步走向产业化，针对众多不同载体材料与载药结构的纳米农药载药系统，建立可量产化的制备工艺与经济便捷的载药体系仍需进一 步进行研究，开发低成本与安全环保的载体材料是实现功能化纳米农药载药系统量产化的重要基础。其次，功能化纳米农药载药系统的评价方法与使用标准需要进一步完善，以便为纳米农药新制剂的大面积 推广奠定基础。功能化纳米农药载药系统已经成为农药制剂领域的研究热点，在众多科研工作者的不断创新下，功能化纳米农药载药系统的构建与评价方法将会进一步完善，纳米农药新制剂的产业化有望为推进农业绿色与可持续发展做出重要贡献。