刺激响应性聚合物载体在农药减施增效中的 应用研究进展

王美怡，娄佳玉，王三艳

(天津科技大学化工与材料学院，天津 300457)

人口的迅速增长，导致人类对粮食作物的需求越来越大，面对人口持续增长所带来的粮食短缺问题，只有通过增加粮食作物的产量来解决[1]．农药作为保障全球粮食产量和粮食安全的重要产品，具有有益和有害的双重特性．虽然农药可以保护作物免受病虫害和杂草的损害，但传统农药大多使用有害溶剂，具有分散性差、易飘移等缺点，且在施用途中易在靶体或靶标附近被光解、水解以及微生物代谢，导致有效利用率低、流失率高[2–5]．以被保护农作物作为实际标靶，农药有效利用率仅为10%～30%，若以有害生物的实际受药量测算，有效利用率实则不足0.1%[6]，因此在实际使用中需要反复喷施农药，这会导致有近50%的农药残存在环境中[7–9]．农药的不当使用还会导致一系列生态环境问题，包括次要害虫变成主要害虫、面源污染、水体富营养化、土壤板结、破坏生态平衡以及生物多样性丧失等[10–11]．因此，开发能够防止农药脱靶流失且具有缓/控释功能的新型制剂品种成为农药合理利用、科学防控、减施增效的必然途径．

近年来，以高分子聚合物为载体的控制释放技术 成为全球商业和科研领域追求的高新技术[12]．智能材料能响应环境(如：光、温度、pH、氧化还原、酶、磁场、湿度等)的改变，从而引起材料自身理化性质改变，最终发生结构变化．借助智能材料的上述过程变化已经开发了多种刺激响应性聚合物，并且此类聚合物可以应用于农药制剂合成中．经过吸附、包埋、交联等物理或化学手段，可以将农药装载至刺激响应性聚合物载体上，制成农药制剂，这些刺激响应性农药制剂通过靶向释放或环境控制释放，不仅提高了环境敏感农药有效成分的化学稳定性和生物活性，还可以更精确地作用于靶标，增加一次喷洒的有效性，从而成为农业可持续发展的新动力[13–14]．

本文就刺激响应性材料对不同环境的响应机理进行分类，对近十年来以高分子聚合物为载体的缓/控释农药的开发和应用情况进行总结和评述，并对该领域未来的发展方向进行展望，为今后的相关研究提供参考．

1 pH响应性聚合物在农药缓/控释剂领域的开发与应用

pH响应性材料在当今的农药制剂中研究的最为广泛．环境pH的改变可以使pH响应聚合物中的pH响应基团接受或者释放质子，导致化学反应平衡的变化和聚合物链电离度的变化，从而引起絮凝、链段的塌陷和聚合物的沉淀，或者自组装形成胶束发生溶胀或收缩[15–16]．

pH响应性农药缓/控释剂一般分为阴离子型和阳离子型．阴离子型pH响应聚合物能够在pH 4～8之间发生离子/去离子作用，调整它们在水溶液中的亲水性，导致聚合物分子链的溶解/沉淀、凝胶的膨胀/ 脱落、聚合物表面及其颗粒亲水/疏水的变化[17–18]. 最具代表性的阴离子型pH响应聚合物通常都带有羧基(—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)．带磺酸基的阴离子型pH响应聚合物的优点是响应pH范围窄、可控性强、灵敏度更高．阳离子型pH响应聚合物在低pH环境下接受质子形成聚电解质，在中性或者碱性环境释放质子[19]．最受关注的此类物质是带有叔氨基的丙烯酸甲酯类聚合物，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)，它们常作为pH响应单体制备pH响应微胶囊、pH响应水凝胶、pH响应膜包覆药物[20–22].

Hao等[23]将玉米醇溶蛋白(Zein)通过N—磷酸键和O—磷酸键与无毒的三聚磷酸钠接枝改性，制备了作为纳米农药载体的磷酸化改性玉米醇溶蛋白(PZein)，改善了玉米醇溶蛋白作为纳米载体的水溶性、叶片湿润能力和黏附能力．使用P-Zein封装阿维菌素(AVM)(图1[23])，测定了该体系的缓释能力和刺激响应能力．在叶片附着力测试中，经流水冲刷后，AVM@P-Zein在黄瓜叶片的AVM残留量可达39.10%±1.12%，明显高于AVM(33.49%±0.55%)，表明在雨水冲刷等自然环境下，该聚合物载体缓释农药能够增强农药的持效时间及利用率，即可以通过减少施药次数达到农药减施增效的目的．在紫外光照射下，商品化AVM乳油制剂降解较快，半衰期仅为11h，而AVM@P-Zein在紫外光照射43h后，AVM残留量仍达65.13%±2.11%，表现出了良好的抗紫外光性能．除此之外，在不同pH下AVM@P-Zein的等电点能够通过磷酸盐质子化和去质子化的行为发生改变，使该缓释农药具有pH敏感性，在酸性条件下可实现阿维菌素较快地释放，常温及中性条件下具有出色的稳定性．

图1 P-Zein包裹AVM示意图 Fig. 1 Illustration of AVM encapsulated in phosphorylated Zein

Chen等[24]使用大豆分离蛋白(ISP)和羧甲基壳聚糖(CMCS)作为载体，采用静电自组装法制备了ISP/CMCS@AVM微球．ISP/CMCS@AVM微球的平均粒径较小，可以达到283.95nm，封装效率为88.42%. ISP/CMCS@AVM微球具有pH响应性，在较高pH下AVM的释放速率增加．在紫外光照射70h后，AVM的残留率为78.12%，明显高于残留率为35.18%的AVM乳剂．ISP/CMCS@AVM与AVM的半数致死浓度相似，表明微球的杀虫活性与AVM没有显著差异．

Xiang等[25]利用交联反应将龙胆紫(GV)引入由海藻酸钙包裹的pH和离子强度双重敏感的亲水生物炭基水凝胶微球．微球封装量和封装效率分别为13.03%和52.12%．在不同pH下微球结构发生了变化，在碱性溶液中游离的海藻酸根和GV之间具有静电相互作用，使得GV在碱性溶液中的释放量高于较低pH下GV的释放量，从而使该微球具有良好的pH响应．在模拟土壤柱实验中证明，该微球延缓了农药在模拟土壤柱表面的淋溶．农药载体安全性的测试中显示，微球对细胞增殖和斑马鱼胚胎毒副作用小，具有良好的生物安全性．

2 温度响应性聚合物在农药缓/控释剂领域的开发与应用

温度响应性聚合物的特性是随着环境温度的变化而发生可逆的相变或体积的转变．当聚合物溶液在特定温度之上或之下进行亲水–疏水转变时，使温度响应性聚合物发生相分离的温度就是最高临界溶液温度(UCST)或最低临界溶液温度(LCST)[26]．最常见的温度响应性聚合物是低临界转变温度型聚合物，通过改变温度可以导致聚合物分子链在高于LCST温度时沉淀，并在低于LCST的温度时完全水合 化[27–28]．目前研究最广泛的温度响应性聚合物有N取代的聚酰胺类、聚醚类和寡聚乙二醇类[29]．在N取代的聚酰胺类聚合物中，聚N–异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)及其衍生物备受关注[30]．PNIPAM具有两亲性以及优异的温度响应能力，对其进行进一步的功能化改进，还可使产物具有多重刺激响应性，如pH、离子浓度[31]．此外，聚 N–正丙基丙烯酰胺(PNNPAM)、聚N–环丙基丙烯酰胺(PNCPAM)、聚N–异丙基甲基丙烯酰胺(PNIPMAM)和聚醚类聚合物中聚氧乙烯醚(PEO)、聚氧丙烯醚(PPO)等的研究也较多．寡聚乙二醇类聚合物由于具有可以设计的链段长度而有着广泛的应用前景[32–33]．

Gao等[34]以中空介孔二氧化硅(HMS)为核心，以常用的温度响应共聚物聚(N–异丙基丙烯酰胺–co–甲基丙烯酸)(P(NIPAM-MAA))为外壳，选择噻虫嗪(THI)作为模型农药，采用种子沉淀聚合法制备THI@HMS@P(NIPAM-MAA)(图2[34])．生物性测定结果显示，施用THI@HMS@P(NIPAM-MAA)后，褐飞虱的死亡率与温度呈正相关．此外，THI@HMS@ P(NIPAM-MAA)可以有效防止噻虫嗪在紫外线照射下的降解，并在水稻叶片上有较强黏附力，有长期的生物活性，对水稻生长几乎没有影响．

图2 HMS@P(NIPAM-MAA)示意图 Fig. 2 Illustration of HMS@P(NIPAM-MAA)

Sheng等[35]以SiO2微粒为模板，制备了聚多巴胺(PDA)包裹的SiO2微粒．在紫外光照射下采用光聚合法将聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)薄膜接枝到PDA表面，随后酸蚀得到PDMAEMA-g-PDA中空微胶囊，将AVM作为模型农药，装载进PDMAEMA-g-PDA中．对其进行测试，结果显示PDMAEMA-g-PDA微胶囊载药质量可达到所用载体质量的52.7%，AVM的释放动力学表明AVM@ PDMAEMA-g-PDA微胶囊具有温控释药性能．

Cao等[36]通过将三甲基胺(TA)基团结合到二氧化硅纳米粒子(MSNs)上，合成正电荷功能化的MSNs，再把2，4–二氯苯氧乙酸的阴离子形式(2，4-D钠盐)有效地载入这些带正电的MSNs-TA的纳米粒子上制成2，4-D钠盐@MSN-TA．MSN-TA不仅比MSNs作为密封剂的装载量大幅提高，且农药的载入和释放都有对温度、离子强度响应的特点．MSN-TA减少了2，4-D钠盐的土壤淋溶作用，也对目标植物表现出了良好的生物活性，对非目标植物的生长也没有不利影响．

3 光响应性聚合物在农药缓/控释剂领域的开发与应用

光能清洁环保有很多优异的特性，所以光响应聚合物也广受研究[37–38]．通过在高分子主链或侧链引入某种感光基团设计合成光响应性聚合物是常用的方法．合成成功后，制备的光响应聚合物可在特定的波长照射下吸收能量，发生可逆或不可逆的分子水平上的变化，如极性、电荷、共轭、构象、两亲性和光学手性等改变，从而引起材料的形状、湿润度、附着力、光学性质、导电性、溶解度等性能发生变化[39–41]．光通过非接触式的远程控制使药物释放，在生物监测领域具有巨大的应用价值．研究最多的光响应基团有重氮或叠氮感光基团(如邻偶氮磺酰基)、光二聚性感光基团(如香豆素、肉桂酸酯基)、丙烯酸酯基团以及特种功能(如具有光催化性、光致变色性、光导电性和光热性)的感光基团等．

Tong等[42]使用氧化石墨烯(GO)和PDA制备纳米复合材料，通过吸附法将恶霉灵(hymexazol，Hy)负载到GO上，再使PDA在GO表面聚合，最后合成了有黏附性的Hy-GO@PDA．研究结果表明，具有PDA层的氧化石墨烯对恶霉灵具有高负载能力．Hy-GO@PDA释放恶霉灵通过此系统的光热效应和PDA与恶霉灵之间的静电相互作用而具有红外光依赖性和pH依赖性．生物活性结果表明，该复合农药的抑菌活性与恶霉灵溶液相当．

Gao等[43]将葫芦脲(CB)、百草枯(PQ)和偶氮苯衍生物(trans-G)等比例加入乙醇中，用一锅法制备出一种两性超分子配合物．用相同方法，加入过剩PQ，则获得负载PQ的自组装成两亲性的三元主客体络合物囊泡，(图3[43])．在这种囊泡结构中，百草枯仅在紫外线或阳光照射下释放．释放的机理为囊泡中的偶氮苯衍生物在紫外光连续照射下发生构型翻转导致囊泡破裂，进而分离三元主客体络合物，释放出包合物农药——百草枯．分别在体外细胞模型、体内斑马鱼模型和小鼠模型上对百草枯囊泡制剂的细胞毒性进行评估，与百草枯原药相比，其安全性显著增强．此外，负载百草枯的囊泡对杂草的除草活性与在自然光照下的游离百草枯几乎相同，可以推断此光响应性聚合物囊泡未造成农药流失．

图3 CB[8]介导与PQ和trans-G之间的络合作用，以及trans-G异构体和cis-G异构体之间可逆转换示意图 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 酶响应性聚合物在农药缓/控释剂领域的开发与应用

现今利用酶响应材料负载农药依然处于研究的初期阶段，但关于这种聚合物的开发已经引起广泛的关注．因为酶在所有生物和代谢过程中都起着关键作用，所以酶响应性聚合物有很多优点，包括对生物内部的刺激有高特异性、高选择性、高效的药物靶向控释、可在温和条件下发生精确的化学反应等[44–45]．当酶作为释放活性成分的触发器时，控释原理主要有两种，一是通过对药物进行转化降解成有活性的原药分子，二是通过对包裹在原药分子外部的壁材进行降解，以达到靶向释放的目的[46–47]．植物生长系统中有很多酶，包括纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、蛋白酶、木质素降解酶和脲酶，在土壤动态系统中的酶包括脲酶、碱性磷酸酶、脱氢酶、过氧化氢酶等，值得特别关注的酶有在昆虫唾液腺和中肠内的糖酶和蛋白酶，土壤中的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶以及植物病原真菌释放的果胶酶和纤维素酶等．

Wen等[48]制备包裹AVM的PDA微胶囊，并用3–异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷(IPTS)对其进行改性，再将聚乙烯亚胺(PEI)与异氰酸酯功能化的聚多巴胺微胶囊进行键合形成尿素键，得到AVM@PDAIPTS-PEI微胶囊．研究显示该微胶囊能有效地保护AVM免受紫外线辐射，减缓其降解速度，AVM释放量与pH和脲酶活性呈正相关，添加了脲酶后，脲酶通过分解尿素键增加释放速率．与AVM相比，AVM@PDA-IPTS-PEI具有更高的黏附性能及更高的叶片润湿性，且AVM@PDA-IPTS-PEI与AVM相比杀虫性能几乎无异．

Guo等[49]以环氧氯丙烷为交联剂，用二氧化硅与羧甲基纤维素交联制备了一种包裹阿维菌素苯甲酸酯的新型酶响应性微胶囊．所制备的二氧化硅-环氧氯丙烷-羧甲基纤维素微胶囊对阿维菌素苯甲酸酯具有显著的负载能力(载药质量约为载体质量的35%)，能有效地防止阿维菌素苯甲酸酯的光降解和热降解．经过纤维素酶处理后，外壁被纤维素酶随机降解成更小的碎片，从而具有良好的纤维素酶响应特性. 微胶囊也对桃蚜有持续的除虫效果，且该微胶囊遗传毒性相对较小，可有效地减少对人类和环境的危害.

5 氧化还原响应性聚合物在农药缓/控释剂领域的开发与应用

氧化还原性聚合物在电化学作用下，其基团会发生氧化态到还原态的可逆转变，如二芳基乙烯、二硫化物、二茂铁或其他具有多个氧化态的物质[50–51]．其中大多都是含有二硫键的，利用二硫键在谷胱甘肽作用下断裂而具有还原响应性．现在已经开发了很多种氧化还原反应系统．此类系统采用了一些有机成分、无机晶体、聚合物、生物分子作为响应外部刺激的媒介进行信息交换．这些信息交换物质包括环糊精、姜黄素、氧化锌量子点、聚乙二醇、透明质酸等[52–53]．

Liang等[54]将AVM装载进以MSN-ss-OH纳米颗粒为载体构建的新型氧化还原和α-淀粉酶双刺激响应的农药释放系统．系统中加入谷胱甘肽和α-淀粉酶后，包覆在纳米颗粒上的淀粉和二硫键桥联结构被分解，从而缓慢释放阿维菌素．合成的AVM@MSNs-ss-starch纳米颗粒可有效地保护AVM不受光降解，并防止AVM过早泄漏．该农药制剂具有更长的杀虫时间，对小菜蛾幼虫也有很好的毒性，提高了农药的利用率，实现了对特定目标的农药释放.

Yin等[55]通过酯酶/谷胱甘肽(GSH)敏感酚酯键将光活化农药荧光桃红B(PB)与海藻酸钠偶联，然后进行超声分散，得到了一种新型酯酶/GSH响应光活性纳米农药缓释体系．该体系在pH 7.4中稳定，可有效阻止结合态PB被光解，当体系暴露于酯酶－6或GSH环境中时释放PB，联合刺激比单一的刺激释放PB更快，且与游离PB相比，该体系显示出对Sf9昆虫细胞更高的光毒性．

6 结语

本文总结了近十年来刺激响应性聚合物载体在农药控/缓释剂领域的研究情况，就目前研究较多的pH、温度、光、酶、氧化还原响应性聚合物农药制剂进行总结．刺激响应性聚合物载体有显著的负载能力，有良好的单刺激响应或多重刺激响应性能，降低了被装载药物的降解速率，延长给药时间，对作物生长没有明显副作用．将农药制成刺激响应性农药制剂后，有效减少了农药的光降解、水解和热降解，对病虫害的活性与未经处理的农药基本相当，且聚合物负载的农药能够更精确地作用于靶标，增加了一次喷洒的有效性．

然而，刺激响应性聚合物载体在农业应用中依然存在以下几方面的问题：(1)生物安全，要实现刺激响应性聚合物载体在农业领域科学化、合理化发展，首先应对刺激响应性聚合物载体潜在的风险(对生态环境和人体健康的危害)进行评估．(2)环保要求，刺激响应性聚合物载体大多难降解或降解产物对作物和环境的危害尚不明确，今后应开发利用可降解材料制成刺激响应性农药制剂载体，减少聚合物载体及其降解产物在环境中的残留．结合考虑农药以及标靶对象等因素的特性，在作物上进行精准投放，延长一次投放药物的有效性，减少施药次数，实现农药的绿色发展．(3)成本方面，由于合成大多数刺激响应性聚合物载体所需的成本较高，导致农民的可接受度低．因此，如何在原料制造和制剂合成过程中降低成本也是刺激响应性聚合物载体在农业领域发展需要关注的问题．(4)控/缓释性能，其中包括载体的载药量、包封率、稳定性、释药速度、载体对外部刺激的响应速率等因素．增加载体载药量、封装效率和稳定性，调节适宜的释药速率和对响应刺激的敏感度等是今后主要的研究方向．

综上所述，目前刺激响应性聚合物载体在农药 缓/控释剂领域中的应用还任重道远，需要我们多方面考量其安全性、实用性，将农药和载体对环境的危害降到最低．只有克服上述困难，才能将刺激响应性农药制剂进行产业化生产，实现商业化应用．