天然高分子基水凝膠在農藥緩釋領域的研究進展

許春麗，曹立冬*，徐 博，冉剛超，黃啟良*

（1.中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193；2.河南省藥肥緩控釋工程技術中心，河南好年景生物發展有限公司，鄭州 450000）

隨著環境保護及農藥減施增效戰略的提出，緩釋制劑成為當前科研工作者研究和關注的熱點[1]。緩釋制劑不僅可緩慢釋放出有效成分，釋放行為還受環境因素（光、熱、酸堿等）以及化學條件（氧化還原、酶促等）因素的調控，具有減少農藥的施用次數，降低對非靶標生物的風險以及提高農藥持效期等優點[2]。目前市場上已經有農藥微囊懸浮劑、緩釋顆粒劑等不同緩釋劑型登記和應用。

區別于微囊及緩釋顆粒劑，水凝膠是一類含有親水基團的大分子通過共價鍵、氫鍵、范德華力等作用形成的聚合物結構體系。其具有三維網絡結構，能夠吸收大量的水分，在水中可以溶脹但不溶解，內部是多孔結構，可以承載高負荷的化合物[3]。水凝膠具有保水性、敏感釋放、合成工藝簡單等優點，作為可控釋放載體在植物保護、醫藥、化工等領域引起了大量的關注[4]。在過去的幾十年里，水凝膠被廣泛用于農業領域，不僅通過增加生長介質（土壤或無土基質）的保水性能來改善植物的水分可用性[5]，還可通過負載農藥活性成分以達到緩釋的效果及降低農藥的殘留[6]。

隨著材料科學的快速發展，具有生物相容性、生物可降解性以及可協同促進作物生長等特點的載體材料成為制備水凝膠的理想材料。大部分人工合成的具有優異性能的高分子聚合物，如聚乙二醇，聚乙烯類等，被廣泛應用于凝膠體系的合成和藥物的負載[7]。然而人工合成的材料不僅耗費經濟成本，還可能存在環境壓力等問題。不同于人工合成的高分子材料，天然高分子材料如淀粉、殼聚糖、海藻酸鈉、瓜爾膠等化合物具有生物可降解性、可再生性及生物相容性，故被廣泛應用于水凝膠載藥體系[8]。目前，Rudzinski等[9]對農業中應用的水凝膠的合成方法、性質、類型進行了綜述。王赫等[10]對水凝膠在緩/控釋肥料中應用研究進展進行了綜述，但關于天然高分子基水凝膠調控農藥釋放的研究鮮有綜述報道。筆者就近年來天然高分子材料在農藥水凝膠載藥體系中的研究及其應用進行綜述，并對該領域研究前景進行展望，以期為農藥水凝膠體系在農業中的應用提供參考。

1 天然高分子水凝膠

1.1 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素（Carboxymethyl cellulose）是一種纖維素衍生物，由纖維素羧甲基化后得到，其水溶液具有增稠、保水等作用。羧甲基纖維素中所含的羧基側鏈在不同的pH溶液中表現出質子化或者去質子化，可以賦予羧甲基纖維素基水凝膠pH敏感性。Nangia等[11]采用硼酸（BA）交聯羧甲基纖維素制備了噻蟲嗪水凝膠，該凝膠具有pH敏感的吸水能力。有效成分的釋放受到pH的影響，藥物的釋放速度隨著pH的增加而增加。這種pH響應型水凝膠緩釋制劑可在酸性和堿性土壤中為植物選擇性地釋放養分和農藥。

1.2 殼聚糖

殼聚糖（Chitosan）是一種具有良好生物相容性和生物可降解性能的天然高分子聚合物，其化學結構中含有大量的-NH2和-OH官能團，非常適合水凝膠體系的制備。殼聚糖基水凝膠廣泛應用于農業、生物技術和環境等領域。Vincekovic等[12]以殼聚糖為材料制備了同時負載金屬銅離子和綠色木霉的殼聚糖/海藻酸鹽水凝膠（圖1）。通過研究發現水凝膠的負載能力、溶脹行為和釋放取決于包覆劑的種類和水凝膠的尺寸。殼聚糖層的厚度限制水凝膠的溶脹，裝載綠色木霉后水凝膠的釋放表現出減慢的趨勢。水凝膠中銅離子的釋放符合Peppas方程，小粒徑凝膠的釋放符合菲克擴散。

圖1 用0.45 mm 的注射針頭（a）和漏斗（2 mm）制備的水凝膠（b）；漏斗制備的凝膠放大圖片（背景黑條=0.5 mm）（c）[12]

1.3 羧甲基殼聚糖

羧甲基殼聚糖（Carboxymethyl chitosan）是一種殼聚糖衍生物，具有良好的生物相容性、水溶性、抑菌性能和保濕性能，易與金屬陽離子螯合[13]。其分子鏈上既具有陽離子-NH3+，又含有陰離子-COO-，屬于兩性聚電解質，是制備環境敏感水凝膠的理想材料。程麗鴻等[14]以戊二醛和氯化鈣為交聯劑，采用懸浮交聯法制備了吡蟲啉/羧甲基殼聚糖凝膠微球。凝膠微球的載藥量和包封率隨交聯時間和氯化鈣濃度的增加表現出先升后降趨勢，隨著戊二醛體積分數的增加呈顯著下降趨勢，最佳載藥量為25.71%。凝膠微球中吡蟲啉的釋放速度隨交聯劑劑量的增加呈先降后增趨勢。不添加交聯劑，對羧甲基殼聚糖水溶液進行γ-射線照射也可得到羧甲基殼聚糖水凝膠[15]。

1.4 淀粉

淀粉（Starch）是一種重要的天然高分子聚合物，儲量豐富、價格低廉，而且很容易通過化學、物理和生物改性形成不同分子量的化合物，用于特定的用途[16]。淀粉葡萄糖酐單元上的羥基具有形成復雜共聚物網絡的潛力，可以吸收大量的水分。張素芬[17]以淀粉為基底材料，通過自由基共聚合方法制備了丙酯草醚親水凝膠。載藥凝膠中丙酯草醚的釋放動力學符合Peppas方程，在緩沖溶液、去離子水和土壤浸提液中的釋放逐漸增加，且釋放速率和釋放總量與表面活性劑用量成正比。凝膠在較低的施藥濃度下對敏感植物高粱幼苗具有除草活性，在土壤中消減速率明顯高于丙酯草醚原藥在相應土壤中的消減速率，且降解速率和殘留形態受土壤類型的影響。

1.5 海藻酸鈉

海藻酸鈉（Sodium alginate）是一種陰離子天然高分子多糖，可與多價金屬陽離子形成水凝膠。海藻酸鈉表面含有的大量氨基和羧基也可以進行修飾改性，制備不同理化性能的藥物載體。Xiang等[18]以海藻酸鈉為原料，制備了負載香菇多糖的海藻酸鈣水凝膠，并通過靜電作用與氨基多糖作用包裹香菇多糖水凝膠。水凝膠的釋放表現出良好的環境敏感性，增加pH值，提高溫度和Na＋濃度，香菇多糖的釋放速率也隨之增加。該水凝膠不僅可以連續誘導煙草提高抗煙草花葉病毒的能力，促進植物的生長，而且對水生生物斑馬魚無毒副作用。

為克服對疏水性農藥的負載問題，Wang等[19]將海藻酸鈉進行疏水改性，以疏水改性海藻酸鈉和聚丙烯酰胺（PAM）為基底材料，制備了可伸展的高效氯氟氰菊酯水凝膠。未改性海藻酸鈉水凝膠的載藥量為69.48%，而疏水改性后的載藥量為75.55%。在凝膠中加入蒙脫石后，低含量的蒙脫石可以提高凝膠載藥量，最高達81.30%。

許同桃等[20]以海藻酸鈉為原料，采用高壓靜電技術制備了直徑為0.5～1.0 mm的海藻酸鈉-苯磺隆緩釋凝膠微球，并研究了海藻酸鈉與苯磺隆的質量比對凝膠包封率和緩釋性能的影響。研究發現，海藻酸鈉的含量越高，對苯磺隆的包封率也越高，最高可達到92%。原料配比不同的凝膠微球均表現出優良的緩釋性能，可在72 h完全釋放。

2 天然高分子復合水凝膠2

.1 殼聚糖/海藻酸鈉/明膠

辛露露等[21]采用復凝聚法制備了負載大蒜素的殼聚糖/海藻酸鈉/明膠復合微球，考察了不同條件對微球溶脹性、載藥性能和緩釋性能等指標的影響。結果表明，明膠和海藻酸鈉（質量比為1∶3）質量分數為2%，大蒜素與混合載體材料質量比為1∶2時，制備的載藥微球（圖2）外形規則，粒徑分布在0.8～0.9 mm之間，載藥量為24.3%，包封率為69.4%。復合微球的藥物釋放具有pH敏感性，在pH=7.4介質中微球溶脹率達到450%，藥物釋放動力學符合Higuchi方程。明膠的加入可以延緩復合微球的藥物釋放。

2.2 明膠/海藻酸鈉

明膠（Gelatin）是一種天然可再生的高分子材料，是膠原部分水解后的產物，具有優良的物理性質，如分散穩定性、親和性、韌性及可逆性等，在食品工業和醫藥等領域中有著廣泛的應用。宋雙居等[22]以明膠和海藻酸鈉為基底材料，采用復凝聚法制備了啶蟲脒緩釋微球，以包封率和微球的外觀作為優化制備工藝的參考指標，通過L16（45）正交實驗得出微球的最佳制備工藝，在其最佳制備工藝條件下藥物包封率可達61.21%。緩釋實驗證明凝膠微球具有良好的緩釋作用，緩釋時間能夠達到70 h以上。

圖2 復合凝膠微球外觀形貌（a 和b）和載藥凝膠在pH=7.4 時累積釋放率（c）[21]

2.3 羽毛角蛋白/羧甲基纖維素

羽毛角蛋白（Feather keratin）是由多種氨基酸以肽鍵相連接的天然高分子蛋白質，具有良好的生物相容性和生物可降解性，廣泛應用于農業和醫藥領域。Lin等[23]以羽毛角蛋白（FK）和羧甲基纖維素（CMC）為原料，通過靜電作用制備了FK/CMC納米復合物（圖3）。以阿維菌素（AVM）為模型藥物，在高溫條件下獲得FK/CMC@AVM載藥復合物，平均粒徑為387 nm，包封率為67.06%。在紫外光照射下，包載在納米顆粒中的阿維菌素的光穩定性顯著提高，半衰期從354 min延遲至1 800 min。納米顆粒中阿維菌素的釋放表現出pH敏感性，釋放隨著pH的增加而加快，釋放動力學符合Peppas方程。

2.4 瓊脂/淀粉

瓊脂（Agar）是從紅藻的細胞壁中提取的一種親水性膠體，是一種良好的土壤改良劑，具有提高作物產量等性能。Singh等[24]以瓊脂和淀粉為基底材料制備了莠去津水凝膠。在最佳條件下（1%瓊脂，5%淀粉，0.98 mol/L丙烯酰胺，12.97 mmol/L N,N-亞甲基雙丙烯酰胺）制備的水凝膠具有最大溶脹率為551.5%。莠去津在凝膠中緩慢釋放，釋放持續時間為144 h。

圖3 FK/CMC@AVM 的合成示意圖[23]

2.5 β-環糊精/O-羧甲基殼聚糖

β-環糊精（β-cyclodextrin）是由α-1,4-糖苷鍵連接7個葡萄糖組成的環狀寡糖，具有親水性外部結構和疏水性內部空腔，可以將疏水藥物包合進內部結構空腔而形成水溶性包合物，進而起到增溶和緩釋作用。劉月華等[25]采用飽和溶液法制備了避蚊胺/β-環糊精包合物，并進一步采用離子交聯法制備了避蚊胺/β-環糊精/O-羧甲基殼聚糖親水性納米水凝膠。β-環糊精使避蚊胺在水中的溶解度增加了約27倍，其包封率為79.93%，載藥量為12.11%。有效成分在親水性納米水凝膠中的釋放比包合物更好，24 h累積釋放率分別為27.04%和38.10%。

3 天然高分子/合成高分子復合水凝膠

3.1 甲基纖維素/聚丙烯酰胺

Aouada等[26]以甲基纖維素與聚丙烯酰胺結合制備了負載百草枯的聚丙烯酰胺-甲基纖維素水凝膠緩釋體系。百草枯的釋放能力取決于基質的膨脹和網絡鏈的密度。水凝膠的制備參數影響百草枯的釋放機制，隨著甲基纖維素和丙烯酰胺濃度的增加，百草枯的釋放變慢。百草枯的初始釋放速率較快，幾天后開始下降，凝膠化能夠將百草枯的緩釋時間延長至45 d。

3.2 瓜爾膠/聚合物類

瓜爾膠（Guar gum）是一種水溶性陽離子高分子聚合物，屬于天然半乳甘露聚糖，可以作為開發緩釋型農藥制劑的理想載體。Kumar等[27]采用瓜爾膠為載體，制備了咪草煙瓜爾膠/聚丙烯酸酯/膨潤土復合水凝膠和咪草煙瓜爾膠/聚N-異丙基丙烯酰胺納米水凝膠。以商品化的咪草煙制劑作為對照，發現水凝膠體系中有效成分可以緩慢釋放出來，符合菲克擴散機理。經凝膠處理后的雜草種群數量和干重顯著下降；在播種后90 d后，凝膠的除草效果與商品化制劑的除草效果持平。

3.3 淀粉/聚合物類

Bai等[28]將淀粉與甲基丙烯酸甲酯及丙烯酸交聯得到負載多菌靈凝膠。通過改變氫氧化鈉/丙烯酸的摩爾比得到不同的載藥體系。該凝膠具有超強的吸水能力，且吸水能力隨著氫氧化鈉/丙烯酸摩爾比的降低而降低，在超純水中的吸水能力分別為800、500和250 g/g。3種凝膠在水溶液中均表現出良好的緩釋性能，釋放符合Peppas方程；在不同pH的緩沖鹽溶液中表現出pH敏感性，在酸性溶液中更容易釋放。

Singh等[29]以淀粉為原料，以N,N-亞甲基雙丙烯酰胺和硫酸銨為交聯劑和引發劑，合成了負載福美雙的淀粉聚（丙烯酰胺）和淀粉聚（丙烯酸）水凝膠。該水凝膠具有很好的緩釋效果，釋放機制為非菲克擴散機制。改變凝膠體系中交聯劑的用量，有效成分表現出不同的釋放趨勢。在交聯劑濃度分別為6.49×103、12.97×103、19.40×103、25.95×103和32.43×103mol/L時，福美雙在淀粉聚（丙烯酰胺）凝膠中的釋放量達到總釋放量的50%的時間分別為15.84、14.98、13.91、14.82和17.89 h，而在淀粉聚（丙烯酸）水凝膠中的時間分別在25.20、29.38、20.16、19.01和21.07 h。

Xie等[30]采用擠壓外源凝膠法制備了螺蟲乙酯水凝膠體系：淀粉殼聚糖海藻酸鈣、淀粉海藻酸鈣、殼聚糖海藻酸鈣和海藻酸鈣復合凝膠小球。淀粉殼聚糖海藻酸鈣凝膠具有最大的載藥量和包封率，分別為0.28%和68.1%。螺蟲乙酯在不同凝膠顆粒中的釋放均符合Logistic方程，釋放機制為菲克擴散，淀粉殼聚糖海藻酸鈣凝膠中有效成分的釋放速度最慢。以商品化的制劑作為對照，研究了螺蟲乙酯在土壤中的降解行為，淀粉殼聚糖海藻酸鈣凝膠中的螺蟲乙酯降解速度最慢，在水稻土、紫土和蒙脫土中的半衰期分別為2.31、3.25和4.51 d，商品化制劑的半衰期分別為2.22、2.68和3.59 d。

Yang等[31]以淀粉為原料接枝丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯和丙烯酰胺形成水凝膠，同時負載多菌靈制備多菌靈水凝膠載藥體系。將多菌靈與多菌靈凝膠放置于不同的土壤中進行降解觀察，發現在紅紗黏土中，多菌靈的半衰期為154 d，而水凝膠化的多菌靈的半衰期降至70.7 d；在河海黃壤土和海岸鹽漬化土壤中，多菌靈的半衰期分別從22.5 d和21.9 d降至14.8 d和13.5 d。研究證明，凝膠化可有效解決多菌靈在土壤中的殘留，為加速農藥在環境中的降解提供有效的解決思路和方法。

3.4 海藻酸鈉/聚合物類

Ma等[32]以氧化海藻酸鈉為載體與己二酰二肼和鈣離子交聯，并將殺菌劑四霉素負載到雙交聯凝膠中。氧化海藻酸鈉和己二酰二肼生成的席夫堿對pH具有很強的敏感性，在堿性或中性條件下能夠穩定存在，而在酸性條件下發生水解斷鍵行為。載藥凝膠表現出pH敏感釋放的性能：當pH＞6時可以實現中等的農藥釋放速率，而在pH＜6時釋放速率較快，且釋放速率隨著pH的減小而增加。

4 天然高分子/無機化合物復合水凝膠

向高分子網絡中引入具有特殊性能的無機材料可以克服傳統水凝膠的局限性，其越來越受到人們的關注。有機/無機復合水凝膠不僅可以同時賦予凝膠多種性能，還可以降低成本，擴大其應用前景。

4.1 天然高分子/黏土水凝膠體系

黏土（Clay）具有較高的比表面積，可以通過無機或有機陽離子進行表面改性，改性衍生物是許多有機化合物的優良吸附劑。Li等[33]以羧甲基纖維素凝膠和不同類型的黏土為原料制備了負載除草劑乙草胺的控釋凝膠。水凝膠中乙草胺的釋放以擴散為主，且釋放速度受制備條件的影響。增加凝膠的交聯時間可以減緩有效成分的釋放，在凝膠中加入黏土后也可以增加乙草胺的釋放時間。

凹凸棒土（Attapulgite）是一種具有獨特纖維形態的水化鎂鋁硅酸鹽，具有成本低、存儲量大、環境友好等優點。Xiang等[34]利用多巴胺對凹凸棒土進行修飾并對殺蟲劑毒死蜱進行負載得到載藥體系CPF-PA，通過加入海藻酸鈉和氯化鈣進一步對載藥體系進行包裹，得到多重修飾的凹凸棒土基凝膠體系PRCRC（圖4）。凹凸棒土對毒死蜱的包封率為37.2%，多巴胺包覆后其包封率可提高11.6%，海藻酸鈣進一步修飾后的PRCRC表現出優異的pH敏感性和優異的殺蟲性能。在紫外光照射下，PRCRC比CPF-PA更能提高有效成分的穩定性。凹凸棒土與凝膠體系的結合，為提高農藥的利用效率提供了一種成本低、工藝簡單的方法，具有實際應用前景。

蒙脫土（Montmorillonite）為一種水滑石，屬于親水性礦物土，具有膨脹性、陽離子可交換性、分散性、比表面積大等優異性能，非常有利于有機化合物的吸附。將蒙脫石引入水凝膠中，可以調節凝膠的性能，適用于吸附、緩釋等不同領域。He等[35]利用海藻酸鈉、聚丙烯酰胺和蒙脫土制備了可拉伸的啶蟲脒雙網絡納米復合水凝膠緩釋體系。凝膠的緩釋符合菲克擴散模型，且蒙脫石的加入能顯著提高凝膠的緩釋性能。此類納米復合水凝膠集海藻酸鹽的凝膠特性和礦物土的吸附能力于一體，在農藥載體的應用方面具有很大潛力，可提高水溶性農藥的利用率。

圖4 PRCRC 制備示意圖[34]

膨潤土（Bentonite）的主要礦物成分是蒙脫石，含量在85%～90%。膨潤土具有優良的陽離子交換性能和膨脹性，是共混改性的常用多孔性材料。Sarkar等[36]以羧甲基纖維素為原料，檸檬酸為交聯劑，在膨潤土作用下制備了噻蟲嗪黏土水凝膠復合載藥體系，載藥量為1.61%～2.16%，包封率為82.72%～98.55%。凝膠在不同pH值水溶液中具有pH觸發釋放的能力，其在堿性條件下的釋放速度快于在中性條件下的釋放，釋放遵循Gallagher Corrigan方程，可對腸道呈堿性的昆蟲進行有效控制。

4.2 天然高分子/硅藻土水凝膠體系

硅藻土（Diatomite）主要由無定形的SiO2組成，并含有少量有機雜質及其他物質，具有多孔結構。Lv等[37]以過硫酸鉀為引發劑、四甲基乙二胺為交聯劑，利用自由基聚合反應合成聚丙烯酰胺水凝膠，將硅藻土填充到聚丙烯酰胺中合成聚丙烯酰胺/硅藻土復合水凝膠。硅藻土復合水凝膠的抗拉強度和抗壓強度分別提高了2倍和13倍。聚丙烯酰胺水凝膠可以降低多菌靈的釋放速率，多菌靈原藥在水中2 d內的累積釋放量為61.6%，12 d后達到97.8%。凝膠化后，多菌靈水的釋放速率明顯較慢，聚丙烯酰胺/多菌靈凝膠在前兩天的累積釋放量為38.9%，12 d后的累積釋放量為91.6%。當在凝膠體系中添加硅藻土后，多菌靈的釋放顯著降低，在第12 d的累積釋放量僅為52.7%。

4.3 天然高分子/生物炭水凝膠體系

生物炭（Biochar）是由生物質熱解轉化而成的富碳物質，具有生物相容性好、成本低、比表面積大等優點，被認為是最有前途的可再生資源之一。生物炭的表面特性和孔隙結構使其具有良好的負載能力。Xiang等[38]制備了具有pH和離子強度雙敏感的生物炭基海藻酸鈉水凝膠，以龍膽紫為親水性模型農藥，研究了凝膠顆粒在不同pH和離子強度下的釋放以及在模擬土壤柱中的淋溶行為，發現凝膠的淋溶行為與釋放性能一致，對于降低農藥在土壤中的流失有重要意義。

5 總結與展望

農藥水凝膠緩釋體系可以控制有效成分釋放，并且水凝膠還具有土壤保水效果，可提高農藥和水資源的利用率，這已成為當前農藥緩釋制劑研究的熱點。目前，農藥水凝膠緩釋體系的研究已經取得了很大的進展，然而從研發到產業化仍然有很長的路要走。大部分水凝膠需經過脫水干燥后應用，額外的能耗過程會造成成本增加。因此，如何采用簡單、經濟、有效的方法制備和應用農藥水凝膠是一個亟需解決的問題。目前，水凝膠的應用仍局限于土壤施用或作物根部撒施，因此拓展農藥水凝膠的使用場景將豐富水凝膠在農藥領域中的應用。水凝膠的多樣化（如可修復和黏附性水凝膠）為制備適用于不同場景的水凝膠提供了可能。直接噴施具有高黏附性水凝膠，提高農藥在作物葉面的沉積效率是未來研究的重點和趨勢。另外，以具有殺菌或植物誘抗活性的天然高分子材料制備具有協同增效的農藥水凝膠，也是目前需要深入研究和關注的前沿方向。此外，農藥水凝膠的使用風險也需要科研工作者廣泛開展環境安全、食品安全等相關應用評價。綜合之，農藥水凝膠將在未來具有廣闊的發展前景。