王美怡，婁佳玉，王三艷

(天津科技大學化工與材料學院，天津 300457)

人口的迅速增長，導致人類對糧食作物的需求越來越大，面對人口持續(xù)增長所帶來的糧食短缺問題，只有通過增加糧食作物的產(chǎn)量來解決[1]．農(nóng)藥作為保障全球糧食產(chǎn)量和糧食安全的重要產(chǎn)品，具有有益和有害的雙重特性．雖然農(nóng)藥可以保護作物免受病蟲害和雜草的損害，但傳統(tǒng)農(nóng)藥大多使用有害溶劑，具有分散性差、易飄移等缺點，且在施用途中易在靶體或靶標附近被光解、水解以及微生物代謝，導致有效利用率低、流失率高[2–5]．以被保護農(nóng)作物作為實際標靶，農(nóng)藥有效利用率僅為10%～30%，若以有害生物的實際受藥量測算，有效利用率實則不足0.1%[6]，因此在實際使用中需要反復噴施農(nóng)藥，這會導致有近50%的農(nóng)藥殘存在環(huán)境中[7–9]．農(nóng)藥的不當使用還會導致一系列生態(tài)環(huán)境問題，包括次要害蟲變成主要害蟲、面源污染、水體富營養(yǎng)化、土壤板結(jié)、破壞生態(tài)平衡以及生物多樣性喪失等[10–11]．因此，開發(fā)能夠防止農(nóng)藥脫靶流失且具有緩/控釋功能的新型制劑品種成為農(nóng)藥合理利用、科學防控、減施增效的必然途徑．

近年來，以高分子聚合物為載體的控制釋放技術(shù) 成為全球商業(yè)和科研領域追求的高新技術(shù)[12]．智能材料能響應環(huán)境(如：光、溫度、pH、氧化還原、酶、磁場、濕度等)的改變，從而引起材料自身理化性質(zhì)改變，最終發(fā)生結(jié)構(gòu)變化．借助智能材料的上述過程變化已經(jīng)開發(fā)了多種刺激響應性聚合物，并且此類聚合物可以應用于農(nóng)藥制劑合成中．經(jīng)過吸附、包埋、交聯(lián)等物理或化學手段，可以將農(nóng)藥裝載至刺激響應性聚合物載體上，制成農(nóng)藥制劑，這些刺激響應性農(nóng)藥制劑通過靶向釋放或環(huán)境控制釋放，不僅提高了環(huán)境敏感農(nóng)藥有效成分的化學穩(wěn)定性和生物活性，還可以更精確地作用于靶標，增加一次噴灑的有效性，從而成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新動力[13–14]．

本文就刺激響應性材料對不同環(huán)境的響應機理進行分類，對近十年來以高分子聚合物為載體的緩/控釋農(nóng)藥的開發(fā)和應用情況進行總結(jié)和評述，并對該領域未來的發(fā)展方向進行展望，為今后的相關(guān)研究提供參考．

1 pH響應性聚合物在農(nóng)藥緩/控釋劑領域的開發(fā)與應用

pH響應性材料在當今的農(nóng)藥制劑中研究的最為廣泛．環(huán)境pH的改變可以使pH響應聚合物中的pH響應基團接受或者釋放質(zhì)子，導致化學反應平衡的變化和聚合物鏈電離度的變化，從而引起絮凝、鏈段的塌陷和聚合物的沉淀，或者自組裝形成膠束發(fā)生溶脹或收縮[15–16]．

pH響應性農(nóng)藥緩/控釋劑一般分為陰離子型和陽離子型．陰離子型pH響應聚合物能夠在pH 4～8之間發(fā)生離子/去離子作用，調(diào)整它們在水溶液中的親水性，導致聚合物分子鏈的溶解/沉淀、凝膠的膨脹/ 脫落、聚合物表面及其顆粒親水/疏水的變化[17–18]. 最具代表性的陰離子型pH響應聚合物通常都帶有羧基(—COOH)、磺酸基(—SO3H)，如聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚苯乙烯磺酸(PSSA)、聚丙烯酰胺–甲基丙磺酸(PAMPS)．帶磺酸基的陰離子型pH響應聚合物的優(yōu)點是響應pH范圍窄、可控性強、靈敏度更高．陽離子型pH響應聚合物在低pH環(huán)境下接受質(zhì)子形成聚電解質(zhì)，在中性或者堿性環(huán)境釋放質(zhì)子[19]．最受關(guān)注的此類物質(zhì)是帶有叔氨基的丙烯酸甲酯類聚合物，包括聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)和聚甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(PDEAEMA)，它們常作為pH響應單體制備pH響應微膠囊、pH響應水凝膠、pH響應膜包覆藥物[20–22].

Hao等[23]將玉米醇溶蛋白(Zein)通過N—磷酸鍵和O—磷酸鍵與無毒的三聚磷酸鈉接枝改性，制備了作為納米農(nóng)藥載體的磷酸化改性玉米醇溶蛋白(PZein)，改善了玉米醇溶蛋白作為納米載體的水溶性、葉片濕潤能力和黏附能力．使用P-Zein封裝阿維菌素(AVM)(圖1[23])，測定了該體系的緩釋能力和刺激響應能力．在葉片附著力測試中，經(jīng)流水沖刷后，AVM@P-Zein在黃瓜葉片的AVM殘留量可達39.10%±1.12%，明顯高于AVM(33.49%±0.55%)，表明在雨水沖刷等自然環(huán)境下，該聚合物載體緩釋農(nóng)藥能夠增強農(nóng)藥的持效時間及利用率，即可以通過減少施藥次數(shù)達到農(nóng)藥減施增效的目的．在紫外光照射下，商品化AVM乳油制劑降解較快，半衰期僅為11h，而AVM@P-Zein在紫外光照射43h后，AVM殘留量仍達65.13%±2.11%，表現(xiàn)出了良好的抗紫外光性能．除此之外，在不同pH下AVM@P-Zein的等電點能夠通過磷酸鹽質(zhì)子化和去質(zhì)子化的行為發(fā)生改變，使該緩釋農(nóng)藥具有pH敏感性，在酸性條件下可實現(xiàn)阿維菌素較快地釋放，常溫及中性條件下具有出色的穩(wěn)定性．

圖1 P-Zein包裹AVM示意圖 Fig. 1 Illustration of AVM encapsulated in phosphorylated Zein

Chen等[24]使用大豆分離蛋白(ISP)和羧甲基殼聚糖(CMCS)作為載體，采用靜電自組裝法制備了ISP/CMCS@AVM微球．ISP/CMCS@AVM微球的平均粒徑較小，可以達到283.95nm，封裝效率為88.42%. ISP/CMCS@AVM微球具有pH響應性，在較高pH下AVM的釋放速率增加．在紫外光照射70h后，AVM的殘留率為78.12%，明顯高于殘留率為35.18%的AVM乳劑．ISP/CMCS@AVM與AVM的半數(shù)致死濃度相似，表明微球的殺蟲活性與AVM沒有顯著差異．

Xiang等[25]利用交聯(lián)反應將龍膽紫(GV)引入由海藻酸鈣包裹的pH和離子強度雙重敏感的親水生物炭基水凝膠微球．微球封裝量和封裝效率分別為13.03%和52.12%．在不同pH下微球結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，在堿性溶液中游離的海藻酸根和GV之間具有靜電相互作用，使得GV在堿性溶液中的釋放量高于較低pH下GV的釋放量，從而使該微球具有良好的pH響應．在模擬土壤柱實驗中證明，該微球延緩了農(nóng)藥在模擬土壤柱表面的淋溶．農(nóng)藥載體安全性的測試中顯示，微球?qū)毎鲋澈桶唏R魚胚胎毒副作用小，具有良好的生物安全性．

2 溫度響應性聚合物在農(nóng)藥緩/控釋劑領域的開發(fā)與應用

溫度響應性聚合物的特性是隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生可逆的相變或體積的轉(zhuǎn)變．當聚合物溶液在特定溫度之上或之下進行親水–疏水轉(zhuǎn)變時，使溫度響應性聚合物發(fā)生相分離的溫度就是最高臨界溶液溫度(UCST)或最低臨界溶液溫度(LCST)[26]．最常見的溫度響應性聚合物是低臨界轉(zhuǎn)變溫度型聚合物，通過改變溫度可以導致聚合物分子鏈在高于LCST溫度時沉淀，并在低于LCST的溫度時完全水合 化[27–28]．目前研究最廣泛的溫度響應性聚合物有N取代的聚酰胺類、聚醚類和寡聚乙二醇類[29]．在N取代的聚酰胺類聚合物中，聚N–異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)及其衍生物備受關(guān)注[30]．PNIPAM具有兩親性以及優(yōu)異的溫度響應能力，對其進行進一步的功能化改進，還可使產(chǎn)物具有多重刺激響應性，如pH、離子濃度[31]．此外，聚 N–正丙基丙烯酰胺(PNNPAM)、聚N–環(huán)丙基丙烯酰胺(PNCPAM)、聚N–異丙基甲基丙烯酰胺(PNIPMAM)和聚醚類聚合物中聚氧乙烯醚(PEO)、聚氧丙烯醚(PPO)等的研究也較多．寡聚乙二醇類聚合物由于具有可以設計的鏈段長度而有著廣泛的應用前景[32–33]．

Gao等[34]以中空介孔二氧化硅(HMS)為核心，以常用的溫度響應共聚物聚(N–異丙基丙烯酰胺–co–甲基丙烯酸)(P(NIPAM-MAA))為外殼，選擇噻蟲嗪(THI)作為模型農(nóng)藥，采用種子沉淀聚合法制備THI@HMS@P(NIPAM-MAA)(圖2[34])．生物性測定結(jié)果顯示，施用THI@HMS@P(NIPAM-MAA)后，褐飛虱的死亡率與溫度呈正相關(guān)．此外，THI@HMS@ P(NIPAM-MAA)可以有效防止噻蟲嗪在紫外線照射下的降解，并在水稻葉片上有較強黏附力，有長期的生物活性，對水稻生長幾乎沒有影響．

圖2 HMS@P(NIPAM-MAA)示意圖 Fig. 2 Illustration of HMS@P(NIPAM-MAA)

Sheng等[35]以SiO2微粒為模板，制備了聚多巴胺(PDA)包裹的SiO2微粒．在紫外光照射下采用光聚合法將聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)薄膜接枝到PDA表面，隨后酸蝕得到PDMAEMA-g-PDA中空微膠囊，將AVM作為模型農(nóng)藥，裝載進PDMAEMA-g-PDA中．對其進行測試，結(jié)果顯示PDMAEMA-g-PDA微膠囊載藥質(zhì)量可達到所用載體質(zhì)量的52.7%，AVM的釋放動力學表明AVM@ PDMAEMA-g-PDA微膠囊具有溫控釋藥性能．

Cao等[36]通過將三甲基胺(TA)基團結(jié)合到二氧化硅納米粒子(MSNs)上，合成正電荷功能化的MSNs，再把2，4–二氯苯氧乙酸的陰離子形式(2，4-D鈉鹽)有效地載入這些帶正電的MSNs-TA的納米粒子上制成2，4-D鈉鹽@MSN-TA．MSN-TA不僅比MSNs作為密封劑的裝載量大幅提高，且農(nóng)藥的載入和釋放都有對溫度、離子強度響應的特點．MSN-TA減少了2，4-D鈉鹽的土壤淋溶作用，也對目標植物表現(xiàn)出了良好的生物活性，對非目標植物的生長也沒有不利影響．

3 光響應性聚合物在農(nóng)藥緩/控釋劑領域的開發(fā)與應用

光能清潔環(huán)保有很多優(yōu)異的特性，所以光響應聚合物也廣受研究[37–38]．通過在高分子主鏈或側(cè)鏈引入某種感光基團設計合成光響應性聚合物是常用的方法．合成成功后，制備的光響應聚合物可在特定的波長照射下吸收能量，發(fā)生可逆或不可逆的分子水平上的變化，如極性、電荷、共軛、構(gòu)象、兩親性和光學手性等改變，從而引起材料的形狀、濕潤度、附著力、光學性質(zhì)、導電性、溶解度等性能發(fā)生變化[39–41]．光通過非接觸式的遠程控制使藥物釋放，在生物監(jiān)測領域具有巨大的應用價值．研究最多的光響應基團有重氮或疊氮感光基團(如鄰偶氮磺?；?、光二聚性感光基團(如香豆素、肉桂酸酯基)、丙烯酸酯基團以及特種功能(如具有光催化性、光致變色性、光導電性和光熱性)的感光基團等．

Tong等[42]使用氧化石墨烯(GO)和PDA制備納米復合材料，通過吸附法將惡霉靈(hymexazol，Hy)負載到GO上，再使PDA在GO表面聚合，最后合成了有黏附性的Hy-GO@PDA．研究結(jié)果表明，具有PDA層的氧化石墨烯對惡霉靈具有高負載能力．Hy-GO@PDA釋放惡霉靈通過此系統(tǒng)的光熱效應和PDA與惡霉靈之間的靜電相互作用而具有紅外光依賴性和pH依賴性．生物活性結(jié)果表明，該復合農(nóng)藥的抑菌活性與惡霉靈溶液相當．

Gao等[43]將葫蘆脲(CB)、百草枯(PQ)和偶氮苯衍生物(trans-G)等比例加入乙醇中，用一鍋法制備出一種兩性超分子配合物．用相同方法，加入過剩PQ，則獲得負載PQ的自組裝成兩親性的三元主客體絡合物囊泡，(圖3[43])．在這種囊泡結(jié)構(gòu)中，百草枯僅在紫外線或陽光照射下釋放．釋放的機理為囊泡中的偶氮苯衍生物在紫外光連續(xù)照射下發(fā)生構(gòu)型翻轉(zhuǎn)導致囊泡破裂，進而分離三元主客體絡合物，釋放出包合物農(nóng)藥——百草枯．分別在體外細胞模型、體內(nèi)斑馬魚模型和小鼠模型上對百草枯囊泡制劑的細胞毒性進行評估，與百草枯原藥相比，其安全性顯著增強．此外，負載百草枯的囊泡對雜草的除草活性與在自然光照下的游離百草枯幾乎相同，可以推斷此光響應性聚合物囊泡未造成農(nóng)藥流失．

圖3 CB[8]介導與PQ和trans-G之間的絡合作用，以及trans-G異構(gòu)體和cis-G異構(gòu)體之間可逆轉(zhuǎn)換示意圖 Fig. 3 Schematic illustration of CB[8]-mediated complexation with PQ and trans-G，as well as reversible transition between trans-G isomer and cis-G isomer

4 酶響應性聚合物在農(nóng)藥緩/控釋劑領域的開發(fā)與應用

現(xiàn)今利用酶響應材料負載農(nóng)藥依然處于研究的初期階段，但關(guān)于這種聚合物的開發(fā)已經(jīng)引起廣泛的關(guān)注．因為酶在所有生物和代謝過程中都起著關(guān)鍵作用，所以酶響應性聚合物有很多優(yōu)點，包括對生物內(nèi)部的刺激有高特異性、高選擇性、高效的藥物靶向控釋、可在溫和條件下發(fā)生精確的化學反應等[44–45]．當酶作為釋放活性成分的觸發(fā)器時，控釋原理主要有兩種，一是通過對藥物進行轉(zhuǎn)化降解成有活性的原藥分子，二是通過對包裹在原藥分子外部的壁材進行降解，以達到靶向釋放的目的[46–47]．植物生長系統(tǒng)中有很多酶，包括纖維素酶、半纖維素酶、果膠酶、蛋白酶、木質(zhì)素降解酶和脲酶，在土壤動態(tài)系統(tǒng)中的酶包括脲酶、堿性磷酸酶、脫氫酶、過氧化氫酶等，值得特別關(guān)注的酶有在昆蟲唾液腺和中腸內(nèi)的糖酶和蛋白酶，土壤中的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶以及植物病原真菌釋放的果膠酶和纖維素酶等．

Wen等[48]制備包裹AVM的PDA微膠囊，并用3–異氰酸酯丙基三乙氧基硅烷(IPTS)對其進行改性，再將聚乙烯亞胺(PEI)與異氰酸酯功能化的聚多巴胺微膠囊進行鍵合形成尿素鍵，得到AVM@PDAIPTS-PEI微膠囊．研究顯示該微膠囊能有效地保護AVM免受紫外線輻射，減緩其降解速度，AVM釋放量與pH和脲酶活性呈正相關(guān)，添加了脲酶后，脲酶通過分解尿素鍵增加釋放速率．與AVM相比，AVM@PDA-IPTS-PEI具有更高的黏附性能及更高的葉片潤濕性，且AVM@PDA-IPTS-PEI與AVM相比殺蟲性能幾乎無異．

Guo等[49]以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，用二氧化硅與羧甲基纖維素交聯(lián)制備了一種包裹阿維菌素苯甲酸酯的新型酶響應性微膠囊．所制備的二氧化硅-環(huán)氧氯丙烷-羧甲基纖維素微膠囊對阿維菌素苯甲酸酯具有顯著的負載能力(載藥質(zhì)量約為載體質(zhì)量的35%)，能有效地防止阿維菌素苯甲酸酯的光降解和熱降解．經(jīng)過纖維素酶處理后，外壁被纖維素酶隨機降解成更小的碎片，從而具有良好的纖維素酶響應特性. 微膠囊也對桃蚜有持續(xù)的除蟲效果，且該微膠囊遺傳毒性相對較小，可有效地減少對人類和環(huán)境的危害.

5 氧化還原響應性聚合物在農(nóng)藥緩/控釋劑領域的開發(fā)與應用

氧化還原性聚合物在電化學作用下，其基團會發(fā)生氧化態(tài)到還原態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，如二芳基乙烯、二硫化物、二茂鐵或其他具有多個氧化態(tài)的物質(zhì)[50–51]．其中大多都是含有二硫鍵的，利用二硫鍵在谷胱甘肽作用下斷裂而具有還原響應性．現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了很多種氧化還原反應系統(tǒng)．此類系統(tǒng)采用了一些有機成分、無機晶體、聚合物、生物分子作為響應外部刺激的媒介進行信息交換．這些信息交換物質(zhì)包括環(huán)糊精、姜黃素、氧化鋅量子點、聚乙二醇、透明質(zhì)酸等[52–53]．

Liang等[54]將AVM裝載進以MSN-ss-OH納米顆粒為載體構(gòu)建的新型氧化還原和α-淀粉酶雙刺激響應的農(nóng)藥釋放系統(tǒng)．系統(tǒng)中加入谷胱甘肽和α-淀粉酶后，包覆在納米顆粒上的淀粉和二硫鍵橋聯(lián)結(jié)構(gòu)被分解，從而緩慢釋放阿維菌素．合成的AVM@MSNs-ss-starch納米顆?？捎行У乇ＷoAVM不受光降解，并防止AVM過早泄漏．該農(nóng)藥制劑具有更長的殺蟲時間，對小菜蛾幼蟲也有很好的毒性，提高了農(nóng)藥的利用率，實現(xiàn)了對特定目標的農(nóng)藥釋放.

Yin等[55]通過酯酶/谷胱甘肽(GSH)敏感酚酯鍵將光活化農(nóng)藥熒光桃紅B(PB)與海藻酸鈉偶聯(lián)，然后進行超聲分散，得到了一種新型酯酶/GSH響應光活性納米農(nóng)藥緩釋體系．該體系在pH 7.4中穩(wěn)定，可有效阻止結(jié)合態(tài)PB被光解，當體系暴露于酯酶－6或GSH環(huán)境中時釋放PB，聯(lián)合刺激比單一的刺激釋放PB更快，且與游離PB相比，該體系顯示出對Sf9昆蟲細胞更高的光毒性．

6 結(jié)語

本文總結(jié)了近十年來刺激響應性聚合物載體在農(nóng)藥控/緩釋劑領域的研究情況，就目前研究較多的pH、溫度、光、酶、氧化還原響應性聚合物農(nóng)藥制劑進行總結(jié)．刺激響應性聚合物載體有顯著的負載能力，有良好的單刺激響應或多重刺激響應性能，降低了被裝載藥物的降解速率，延長給藥時間，對作物生長沒有明顯副作用．將農(nóng)藥制成刺激響應性農(nóng)藥制劑后，有效減少了農(nóng)藥的光降解、水解和熱降解，對病蟲害的活性與未經(jīng)處理的農(nóng)藥基本相當，且聚合物負載的農(nóng)藥能夠更精確地作用于靶標，增加了一次噴灑的有效性．

然而，刺激響應性聚合物載體在農(nóng)業(yè)應用中依然存在以下幾方面的問題：(1)生物安全，要實現(xiàn)刺激響應性聚合物載體在農(nóng)業(yè)領域科學化、合理化發(fā)展，首先應對刺激響應性聚合物載體潛在的風險(對生態(tài)環(huán)境和人體健康的危害)進行評估．(2)環(huán)保要求，刺激響應性聚合物載體大多難降解或降解產(chǎn)物對作物和環(huán)境的危害尚不明確，今后應開發(fā)利用可降解材料制成刺激響應性農(nóng)藥制劑載體，減少聚合物載體及其降解產(chǎn)物在環(huán)境中的殘留．結(jié)合考慮農(nóng)藥以及標靶對象等因素的特性，在作物上進行精準投放，延長一次投放藥物的有效性，減少施藥次數(shù)，實現(xiàn)農(nóng)藥的綠色發(fā)展．(3)成本方面，由于合成大多數(shù)刺激響應性聚合物載體所需的成本較高，導致農(nóng)民的可接受度低．因此，如何在原料制造和制劑合成過程中降低成本也是刺激響應性聚合物載體在農(nóng)業(yè)領域發(fā)展需要關(guān)注的問題．(4)控/緩釋性能，其中包括載體的載藥量、包封率、穩(wěn)定性、釋藥速度、載體對外部刺激的響應速率等因素．增加載體載藥量、封裝效率和穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)適宜的釋藥速率和對響應刺激的敏感度等是今后主要的研究方向．

綜上所述，目前刺激響應性聚合物載體在農(nóng)藥 緩/控釋劑領域中的應用還任重道遠，需要我們多方面考量其安全性、實用性，將農(nóng)藥和載體對環(huán)境的危害降到最低．只有克服上述困難，才能將刺激響應性農(nóng)藥制劑進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，實現(xiàn)商業(yè)化應用．