纳米农药种类及制备技术研究进展

日期:05-11-2024

摘自:《世界农药》2024年第3期_″纳米农药研究进展″

作者：唐跃明; 田大军; 章超; 李俊

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纳米农药作为一种新型农药制剂，在农业中的应用越来越受到广泛关注，其具有提高药物的生物利用度、雾滴覆盖效率、药物沉积量及药物传递效率等优点。2023 年中央一号文件明确将加快农业投入品减量增效技术推广应用写入规划要求。从目前农药剂型技术和应用实践来看，提高有效成分的利用率是减少农药用量有效的手段之一。

纳米农药主要类型有微乳剂、纳米乳、纳米分散体、纳米囊、纳米球、纳米胶束、纳米凝胶、静电纺丝纳米纤维、金属及氧化物纳米粒子等。其加工工艺总体上分为2类：（1）将农药活性物质直接加工成纳米尺度的粒子，如微乳剂、纳米乳液、纳米悬浮剂等；（2）以纳米材料为载体，通过吸附、偶联、包裹等方式负载农药，构建尺度为100～1,000 nm的纳米载药体系，如纳米球、纳米笼、纳米孔等。

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将有效成分直接加工成纳米农药

将有效成分直接加工成的纳米农药，其典型代表有纳米悬浮剂，也称为纳米分散体，是将晶体或无定型的农药有效成分经过湿磨制备成纳米晶粒或无定型颗粒并将其分散在水中，粒子尺寸目前国际上仍没有统一的标准，中国农业科学院植物保护研究所牵头制定的《农药纳米制剂产品质量标准制订规范》中对纳米悬浮剂的尺寸规定为Z-均粒径＜300 nm，D50＜300 nm，D90＜600 nm。张小兵等采用两级湿法研磨技术，使用MiniZeat 03E型实验室砂磨机与Mini Cer型实验室砂磨机分级研磨，筛选助剂配方得到粒径D90＜200 nm的螺虫乙酯纳米悬浮剂，和常规尺寸螺虫乙酯悬浮剂相比，对烟粉虱若虫的防效显著提升，纳米颗粒有助于减少农药用量。谭葵等研究发明了一种含有吡唑醚菌酯和代森联的纳米干悬浮剂及其制备方法，制备的纳米干悬浮剂粒径小、粒径稳定性好、悬浮率高。目前对纳米悬浮剂的报导更多仍集中于传统助剂和棒销式纳米砂磨机，D90＜1 µm，粒径易长大、磨效低（8～10遍）。因此，新型纳米分散剂的开发调控纳米悬浮剂的粒径、生产纳米砂磨机等设备的优化对推动其产业化非常重要。

纳米乳剂也可直接通过乳化剂、增溶助剂的增溶作用来实现。增溶共聚物表现出更高的装载效率和装载能力，能有效防止纳米颗粒聚集，稳定存在溶液中。关文勋等利用阿维菌素具有的2个活性羟基，连续与丙烯酰氯、四乙烯五胺和琥珀酸酐反应，制备了带有酯键并对药物亲和的乳化剂前体，该乳化剂前体经中和后，可以与阿维菌素在水中自发形成稳定的纳米农药乳液，其粒径可以通过改变乳液载药量或乳化剂中和程度来调节。该纳米乳液显示出一系列优良性能，包括高载药量、高稳定性、耐光解、低表面张力和高的叶面亲和性。在酯酶存在或强碱性条件下，乳化剂的酯键发生水解，致使乳化剂亲水部分与亲油部分分离，从而促进阿维菌素从颗粒中的释放，故该纳米农药具有比市售阿维菌素乳油更好的杀虫效果。有研究以两亲性嵌段共聚物聚环氧乙烷-b-聚己内酯（PEO-PCL）为胶束载体，制备了水不溶性植物源农药蓖麻碱的制剂。与由小分子表面活性剂制成的制剂（例如吐温-80）相比，聚合物制剂对朱砂叶螨螨体被膜和豇豆叶面具有更低的接触角。

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通过纳米载药体系构建纳米农药

2.1  纳米缓释载药体系

纳米农药体系中，纳米载体的装载方式有很多：将活性物质封装在纳米颗粒聚合物壳内；活性物质吸附于纳米颗粒表面；药物通过偶联的方式，通过配体附着在纳米颗粒核心上；药物通过镶嵌的方式，截留（包埋）在聚合物基质中。纳米载体材料也是多种多样的，无机纳米载体材料有氧化石墨烯、多孔碳酸钙、磁性硅藻土、凹凸棒土、介孔二氧化硅等；天然纳米载体材料有乳糖、木质素、羧甲基纤维素、壳聚糖、聚乳酸等；有机合成的纳米载体材料有脂质体、树脂、超分子聚合物、高分子聚合物、纳米胶束/凝胶等。上述纳米载体材料可有效防止所载农药发生降解（光解、水解、氧化、挥发、酸碱、温度等），提高溶解度、生物活性、靶向性，控制释放（高毒性、长期持效性），安全环保等。

2.2  智能响应纳米载药体系

响应性能够减少农药在环境中的扩散、消解和流失，是一种环境友好型的农药制剂。崔海信等利用N-异丙基丙烯酰胺NIPAM，N,N-亚甲基双丙烯酰胺BIS，十二烷基硫酸钠SDS和甲基丙烯酸丁酯BMA制备出温度响应型的纳米凝胶载体（NIPAM-co-BMA），该纳米载体载药量高、释控性能好。何涛等将疏水性农药载入具有微酸响应的两亲性聚合物胶束中，其粒径为10～500 nm，该微酸响应负载农药的聚合物胶束缓释制剂具有良好的水溶性和在酸性环境中的缓释效果，实现在微酸环境下缓慢释放，并在中性或碱性环境中保持良好的稳定性。该农药缓释制剂能够提高农药的稳定性，减少农药的用量，且表现出的微酸目前文献所报道的高分子载体，大多是对光、热、pH、电、压力响应的纳米载体。

控制释放型纳米载体农药系统也是研究的热点。有研究通过多巴胺化学作用螯合铜离子（Cu2+）的介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）（AZOX@MSNs-PDA-Cu），用于控制嘧菌酯（AZOX）的释放。铜离子与AZOX之间的配位键相互作用减缓了AZOX向周围环境的释放。此外，由于质子与多巴胺（PDA）层或氢氧根离子与Cu2+之间的竞争性配位会破坏″PDA-Cu2+-AZOX″的配位键结构，铜螯合作用可使递送分子具有pH响应的释放特性。在活性成分剂量相同的情况下，AZOX@MSNs-PDA-Cu对稻瘟病的杀菌活性优于单独的AZOX。动态接触角测量表明，PDA涂层可提高对作物叶片的附着能力和沉积效率。有研究采用原子转移自由基聚合（ATRP）和后聚合法合成了一种荧光氨基聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGOHMA），得到的纳米载体的内部空腔结构和高密度官能团结构有利于农药分子的装载，形成稳定复合体，氨基功能化提高所载物质与昆虫表皮和细胞膜的亲和力，促进植物源农药分子穿透昆虫表皮屏障，进入体腔和各个器官组织的细胞内，实现高效杀虫。与广泛使用的商业和先前报道的基因载体相比，PGOHMA表现出更低的细胞毒性和更高的递送效率。目前对控制释放型纳米载药体系的研究多集中于介孔材料、树枝状聚合物或大分子，吸附或封装农药形成控制释放型纳米农药。

2.3  对靶沉积型纳米载体农药系统

根据靶标特性设计不同的载体结构实现纳米农药有效成分在靶标上的沉积。有研究开发出具有pH响应性控制释放特性的高叶面黏附性阿维菌素纳米囊（Av-pH-cat@CS）。活性成分颗粒表面邻苯二酚基团或单宁酸的存在有效的改善了叶面的润湿性，2种黏附型纳米囊因具有表面邻苯二酚基团，易与植物叶面极性基团产生氢键作用，展示出了较好的黏附性能，有效提高药物在靶标叶面的滞留量。由于强氢键作用，Av-pH-cat@CS纳米囊对作物叶片具有较高的黏附性，延长了持留时间，提高了防治效果和利用效率。有研究通过一步酯化反应将含邻苯二酚的黏合剂聚合物接枝到帽形载体（HSCs）表面，成功制备了一系列具有高负载能力的农药负载邻苯二酚功能化帽形载体（农药负载Cat-HSCs）。在喷洒到水稻和小麦叶片上时，这些功能化载体在″衣帽″拓扑效应和非共价相互作用的驱动下，能同时靶向叶片上的微小植体和纳米植体，从而大大提高了叶片亲和性、农药持留率和抗冲击性。此外，农药负载Cat-HSCs具有15 d的持续释放特性，对小麦白粉病具有令人满意的防治效果。对于沉积型纳米载体农药系统的研究多集中于含酚羟基、阳离子等，与叶面形成氢键、静电等作用，提升纳米药物在靶标表面的沉积量。