甲氧基丙烯酸酯類農(nóng)藥緩控釋制劑的研究進展

陳 歌，曹立冬，趙鵬躍，曹 沖，李鳳敏，黃啟良

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護研究所，北京100193）

甲氧基丙烯酸酯類（strobilurins）物質(zhì)最早是在1977年由德國科學(xué)家從嗜球果傘（Strobilurus tenacellus）培養(yǎng)的菌絲體中發(fā)現(xiàn)的[1]。研究人員在此天然化合物的基礎(chǔ)上開發(fā)了甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑，其對大多數(shù)真菌如卵菌綱、子囊菌綱、半知君綱、擔(dān)子菌綱引起的霜霉病、白粉病、稻瘟病、銹病等具有良好的殺菌活性[2]。其作用機理主要是通過阻止電子從細胞色素b到細胞色素c1之間的傳遞，阻礙三磷酸腺苷（ATP）的產(chǎn)生，從而抑制其線粒體呼吸而發(fā)揮抑菌作用[1]。該類殺菌劑具有獨特的殺菌機制并且高效、廣譜、安全，并于2009年之后成為全球銷售量最大的一類殺菌劑[3]。其對蚯蚓、蜜蜂、鳥類和哺乳動物等環(huán)境生物相對安全[4]，但對非靶標水生生物及水生態(tài)系統(tǒng)存在一定風(fēng)險，在水環(huán)境中的殘留量較高。

近年來，由于農(nóng)藥緩控釋制劑的可控釋放、靶標釋放等優(yōu)良特性，科研工作者針對甲氧基丙烯酸酯類農(nóng)藥對水生生物的安全性問題及環(huán)境不穩(wěn)定特性，對該類殺菌劑進行了緩控釋制劑的大量研究。新型農(nóng)藥緩控釋放技術(shù)主要是利用對載體材料的化學(xué)修飾及合成實現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)與功能的調(diào)控，從而達到緩控釋放，環(huán)境安全的特點；延長持效期從而降低了農(nóng)藥施用劑量與施用頻率，提高了農(nóng)藥利用率，減少了農(nóng)藥施用總量。

1 甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑的開發(fā)及登記情況

自1996年德國巴斯夫公司開發(fā)了第1個甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑醚菌酯（kresoxim-methyl）以來，1997年捷利康公司又開發(fā)嘧菌酯（azoxystrobin），隨后各大公司不斷推出新型化合物如肟菌酯、啶氧菌酯、吡唑醚菌酯、醚菌胺、氟醚菌酯、肟醚菌胺等。2006—2010年，我國（沈陽化工院研究）自主研發(fā)了丁香菌酯、唑菌酯、氯啶菌酯、烯肟菌胺和烯肟菌酯等化合物；浙江和田公司和華中師范大學(xué)分別推出了苯醚菌酯、苯噻菌酯2種甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑。筆者在中國農(nóng)藥信息網(wǎng)（http：//www.icama.org.cn/）上查詢，截至2020年10月底，我國批準登記使用的甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑主要有12種，其中醚菌胺和苯氧菌胺、肟醚菌胺、mandestrobin、氟菌螨酯、苯噻菌酯6種殺菌劑尚未在我國登記。針對已研發(fā)的甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑，尤其是我國自主研發(fā)的農(nóng)藥，企業(yè)與科研單位在劑型的開發(fā)與登記上應(yīng)更為主動。

2 緩控釋制劑的制備方法及釋放機理的研究

2.1 制備方法

近10年來，利用微膠囊技術(shù)、納米顆粒技術(shù)及多孔材料載藥技術(shù)制備微囊、微球、緩釋顆粒等緩釋制劑，已經(jīng)成為農(nóng)藥劑型的研究熱點。微膠囊技術(shù)從20世紀50年代開始發(fā)展目前已有數(shù)百種制備方法，隨著科學(xué)技術(shù)、新材料及科研設(shè)備的不斷發(fā)展，新的微膠囊制備技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)，但是沒有一種標準的方法適合所有原材料的微囊化生產(chǎn)[5]。在制備一種新型的農(nóng)藥微囊時，需根據(jù)芯材與壁材的理化性質(zhì)、釋放性能要求、應(yīng)用環(huán)境及生產(chǎn)成本等因素來選擇適宜的微囊生產(chǎn)方法。納米控釋系統(tǒng)主要包括納米粒子和納米膠囊，活性成分通過溶解、包裹作用位于粒子內(nèi)部，或者通過吸附、附著作用位于粒子表面及多孔材料內(nèi)部，從而達到預(yù)期的緩控釋效果。多孔材料載藥技術(shù)是利用無機結(jié)構(gòu)的介孔二氧化硅、活性炭，有機結(jié)構(gòu)的有機物和金屬配位的有機金屬骨架（MOFs）等負載農(nóng)藥。

2.2 釋放機制

為了揭示藥物從緩控釋體系釋放的機理或釋放動力學(xué)，一般將釋放數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)模型的擬合。常用于研究藥物釋放動力學(xué)的模型方程有5種：零級釋放動力學(xué)方程、一級釋放動力學(xué)方程、Higuchi方程、Korsmeyer-Peppas方程和Weibull方程。不同的模型對應(yīng)不同的釋放機理，通過擬合決定系數(shù)判斷最佳的擬合模型。陳歌等[6]在文獻中闡述了前4種模型的方程和釋放機理，現(xiàn)筆者補充第5種Weibull模型方程和釋放機理[7]：

Weibull模型：ln ln（1/（1-F））=b lnt＋ln a，F(xiàn)為累積釋放率，t為時間，a、b都是常數(shù)。釋放機理的類型：當(dāng)b值小于0.75時，藥物釋放以菲克擴散為主；當(dāng)b值在0.75～1內(nèi)，表明農(nóng)藥的釋放行為適合于菲克擴散和Case II運輸?shù)穆?lián)合機制；當(dāng)b值等于1時，農(nóng)藥的釋放過程屬于一級釋放模型，其中溶解介質(zhì)中的濃度梯度驅(qū)動釋放；當(dāng)b值大于1時，一個更復(fù)雜的機制控制著釋放的過程。

3 甲氧基丙烯酸酯類農(nóng)藥緩控釋制劑的應(yīng)用研究

近年來，越來越多的天然或合成高分子聚合物被用作農(nóng)藥載體。這些高分子聚合物通常是生物相容性好、環(huán)境可降解的材料，其表面功能基團種類繁多，可對其進行修飾改性，從而載體性能得到提升。目前常用的農(nóng)藥載體大概分為3類：天然高分子材料、合成高分子材料、無機或有機多孔材料等。

3.1 天然高分子材料為載體制備甲氧基丙烯酸酯類農(nóng)藥緩控釋制劑

天然高分子材料，如殼聚糖、纖維素、木質(zhì)素、海藻酸鹽等，這類載體材料具有來源豐富，生物可降解等優(yōu)點，其長鏈結(jié)構(gòu)和多種官能團可以與農(nóng)藥活性成分產(chǎn)生較強的結(jié)合作用，有助于延長活性成分的釋放。

Xu等[8]通過化學(xué)交聯(lián)法制備了生物可降解的殼聚糖-聚乳酸共聚物（CPLA），并采用納米沉淀法以CPLA為載體制備了吡唑醚菌酯納米顆粒。通過改變共聚物CPLA與吡唑醚菌酯的投料質(zhì)量比（5∶1～50∶1），載藥納米顆粒的粒徑從77 nm增大到128 nm。此納米顆粒降低了吡唑醚菌酯在紫外光下的降解，并且表現(xiàn)出突釋、緩釋和pH控制釋放的特征。與25%吡唑醚菌酯乳油（EC）相比，該納米顆粒在長時間下對炭疽菌（Colletotrichum gossypii）有較好的持續(xù)殺菌活性。

Xu等[9]以2-(二甲基氨基)乙基-2-甲基丙烯酸酯（DMAEMA）為單體，通過自由基接枝共聚方法制備了具有pH和溫度雙重響應(yīng)的殼聚糖共聚物（CS-g-PDMAEMA），并采用乳液化學(xué)交聯(lián)法制備了載藥量為18.79%，包封率為64.51%的CS-g-PDMAEMA-吡唑醚菌酯微囊。該微囊在酸性條件下釋放速率較快，釋放速率隨著溫度的升高而逐漸升高，并且可顯著提高吡唑醚菌酯在紫外光照射下的光穩(wěn)定性，降低對斑馬魚的急性毒性。

Luo等[10]通過木質(zhì)素磺酸鹽與異氰酸酯的界面聚合反應(yīng)制備了木質(zhì)素磺酸鹽改性的吡唑醚菌酯納米膠囊（NCS），NCS在水中表現(xiàn)出一定的持續(xù)釋放性能，對番茄土傳病害冠腐病、根腐病的防治效果約為未改性微囊的4倍，并且其在土壤中殘留風(fēng)險比傳統(tǒng)的聚合物微囊低。

Cao等[11]制備了一種水溶性N-2-羥丙基-3-三甲基氯化銨殼聚糖（HTCC）包覆的介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs），并成功實現(xiàn)吡唑醚菌酯的負載。使用HTCC包覆的MSNs大大提高了MSNs的載藥效率，可以達到40.3%，而單獨的MSNs載藥率僅為26.7%。負載吡唑醚菌酯的HTCC-MSNs納米顆粒表現(xiàn)出最初的突釋和隨后的持續(xù)釋放行為，對蘆筍莖枯病原菌（Phomopsis asparagi）的殺菌活性與吡唑醚菌酯原藥幾乎相同。

周訓(xùn)卿等[12]以嘧菌酯為芯材，以生物可降解的殼聚糖（CS）和DL-丙交酯為原料，利用開環(huán)聚合法合成了殼聚糖-聚乳酸接枝共聚物（CS-co-PLA）載體材料，運用乳化溶劑揮發(fā)法制備了不同粒徑并具有良好緩釋性能的嘧菌酯微囊。

3.2 合成高分子材料為載體制備甲氧基丙烯酸酯類農(nóng)藥緩控釋制劑

目前農(nóng)業(yè)中用于藥物載體的合成高分子主要有聚羥基丁酸酯（PHB）、聚羥基戊酸酯（PHBV）、聚乳酸（PLA）、聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、聚己內(nèi)酯（PCL）等。此類高分子聚合物生產(chǎn)過程無污染，生物降解，且具有結(jié)構(gòu)多樣的優(yōu)勢，可以滿足不同農(nóng)藥活性成分的負載和緩釋的應(yīng)用要求。

Yao等[13]以PLA為載體材料通過溶劑蒸發(fā)法，制備了尺寸可控的嘧菌酯-PLA納米微球。其微球粒徑越小，釋放速率越快，累積釋放量越高，活性氧誘導(dǎo)氧化損傷程度越大，葉片黏附能力越強，抗菌活性越強。Yu等[14]運用溶劑蒸發(fā)法以PLA為載體材料制備了249.3 nm的嘧菌酯納米微球，并利用生物黏附性天然分子單寧酸進行化學(xué)修飾改性。改性后納米微球在黃瓜葉片上的滯留率與傳統(tǒng)農(nóng)藥相比可提高50%以上，具有良好的緩釋性能。Wang等[15]以PLA作為農(nóng)藥載體，使用高壓均質(zhì)乳化法和乳化溶劑蒸發(fā)法制備了吡唑醚菌酯納米微球（圖1），粒徑為450 nm，多分散性指數(shù)小于0.3，載藥量達到53.6%，具有良好的儲存穩(wěn)定性。和商品化制劑相比，納米微球中吡唑醚菌酯的釋放時間明顯延長，最長可達250 h。其在黃瓜葉片表面的接觸角表明具有良好的潤濕性，對青霉菌的生物活性和持效期均優(yōu)于商品化制劑。

圖1 高壓均質(zhì)乳化技術(shù)和乳化溶劑蒸發(fā)法制備吡唑醚菌酯納米微球示意圖

Yin等[16]以PLGA為載體利用超聲乳化-溶劑蒸發(fā)法制備了粒徑為0.6μm，載藥量為17.2%，包封率為89.7%的吡唑醚菌酯納米微球。其耐紫外光性能增強，具有良好的釋放特性，200 h后活性成分的累積釋放率為89.7%。

王寧等[17]以N-異丙基丙烯酰胺和丙烯酸丁酯的共聚物為壁材，采用乳液聚合法制備了平均粒徑為1.04μm，載藥量為15.66%，包封率為78.30%的溫度響應(yīng)型吡唑醚菌酯微囊。其臨界溶解溫度（LCST）為28.2℃，當(dāng)環(huán)境溫度高于LCST時能夠快速釋放活性成分，而低于該溫度時其釋放行為受到抑制。噴施在水稻葉面的微囊由于溫度相對較高而快速釋放活性成分，墜落田間的則因溫度較低而受到抑制。其對斑馬魚急性毒性的LC50值為4.48 mg/L，較吡唑醚菌酯原藥顯著提高了吡唑醚菌酯對水生生物的安全性。

Li等[18]通過異氰酸酯與胺的界面聚合反應(yīng)，制備了形狀為近球形，粒徑在0.815～8.674μm，包封率大于90%吡唑醚菌酯聚脲微囊。微囊中吡唑醚菌酯的釋放受擴散和侵蝕2種機制的控制，并且提高了在水稻葉片的鋪展性能，在水稻穗部的累積釋放達到85.03%，顯著降低其對斑馬魚的毒性。

Zhang等[19]采用同軸靜電噴霧法（CES），通過對制備工藝參數(shù)的的調(diào)節(jié)，制備了PLGA-嘧菌酯微囊（圖2），最大包封率為99.14%。與商品化嘧菌酯懸浮劑相比，CES法制備的微囊具有更好的緩釋性能，顯著提高了嘧菌酯在靶標作物葉面的黏附和滲透性能，并可以通過調(diào)節(jié)殼層厚度來控制釋放速率。

圖2 同軸靜電噴霧制備PLGA負載嘧菌酯微囊的實驗裝置系統(tǒng)

Yan等[20]以吡唑醚菌酯為芯材，三聚氰胺和甲醛為壁材，采用原位聚合法制備了三聚氰胺甲醛樹脂微囊。該微囊粒徑分布均勻，其載藥量約為30%。通過助劑的篩選，制備了一種環(huán)保型吡唑醚菌酯微囊懸浮劑。

Volova等[21]以PHB和天然填料（粘土、木粉和泥炭）為基質(zhì)，通過擠壓造粒的方法制備了微丸和顆粒狀的嘧菌酯緩釋制劑（圖3）。該緩釋制劑對黃萎病菌（F.verticillioides）具有優(yōu)異的抗真菌活性，不同填料配方的殺菌效果無顯著差異。在土壤中緩釋制劑的生物降解受形狀如微丸、顆粒的程影響較大。填充物類型對降解過程影響不大，并且所有配方的殺菌劑都能在土壤中長期發(fā)揮作用。

圖3 PHB分別與粘土、木粉、泥炭混合擠壓制備的嘧菌酯微丸和顆粒

3.3 多孔材料為載體制備甲氧基丙烯酸酯類農(nóng)藥緩控釋制劑

多孔載體主要包括硅質(zhì)材料、黏土、海泡石、MOFs、介孔二氧化硅（MSNs）等。緩控釋放主要是利用這些材料較大的比表面積和良好的吸附性能，將藥物分子負載到其孔道內(nèi)，達到控制藥物釋放速率的目的。

王婭等[22]以十六烷基三甲基溴化銨為模板，正硅酸乙酯為硅源，在堿性條件下通過水解縮合反應(yīng)制備了吡唑醚菌酯/二氧化硅微球。其形狀較為規(guī)整，粒徑在0.998～1.428μm，最大載藥量可達50.73%，在堿性條件下藥物釋放速率快于酸性條件下，毒力在給藥后第5 d與原藥相近。給藥后第9 d，其毒力是原藥的11.7倍，緩釋效果顯著，并且在紫外燈照射下光解率明顯低于吡唑醚菌酯原藥的光解率。

Cao等[23]制備了碳量子點修飾的中空雙殼層介孔二氧化硅，可實現(xiàn)吡唑醚菌酯的有效負載，載藥量為28.5%。中空雙殼層的結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)有效成分初期快速釋放，后期緩慢持續(xù)釋放，滿足病害防控速效性和持效性的要求。針對MSNs直接修飾后載藥量偏低（3.6%）的局限性，Xu等[24]發(fā)展了基于乳液體系的同步羧甲基殼聚糖修飾介孔二氧化硅和負載嘧菌酯（圖4），可提高嘧菌酯載藥量至21%。制備的載藥體系具有pH敏感的釋放特征和良好的生物活性，并且該團隊研究了載藥顆粒在菌絲體和黃瓜植株體內(nèi)的吸收和傳輸情況。

圖4 基于羧甲基殼聚糖及氨基修飾的介孔二氧化硅同步乳化包封嘧菌酯的合成示意圖

Li等[25]通過Fe3+與單寧酸的配位自組裝制，制備了吡唑醚菌酯微囊，其可提高吡唑醚菌酯的活性和環(huán)境安全性。該微囊在水中懸浮時保持球形，但在沉積水稻葉片一個周期后，由于水分蒸發(fā)迅速變形或破裂，其對水稻稻瘟病表現(xiàn)出優(yōu)異的防治效果，在120和180 g/hm2有效劑量下顯著提高了產(chǎn)量，明顯降低了對短翅蟲、大蚤、非洲爪蟾和黑斑蛙的毒性。

Shan等[26]以Fe3+為節(jié)點，1,3,5-均苯三甲酸為有機配體，通過水熱反應(yīng)合成了多孔的鐵基金屬有機骨架材料（Fe-MIL-100），并通過物理吸附法進行嘧菌酯的負載，其載藥量為16.24%。載藥顆粒在酸性介質(zhì)中的釋放速率比在中性和堿性介質(zhì)中慢，對小麥赤霉病和番茄晚疫病2種病原真菌的殺菌活性與嘧菌酯原藥和懸浮劑相當(dāng)，而鐵元素作為一種微量營養(yǎng)素對促進小麥生長具有一定的作用，因此小麥生長高度比對照提高了16.4%。

4 展 望

農(nóng)藥緩控釋制劑在一定程度上可以彌補傳統(tǒng)農(nóng)藥劑型的不足，保護有效成分免受不良環(huán)境影響，減少施藥次數(shù)和用藥量，因此是高效、安全、經(jīng)濟的農(nóng)藥新劑型。雖然農(nóng)藥緩控釋制劑在研究與應(yīng)用方面已經(jīng)均取得了一定的成果，但是在實際應(yīng)用過程中仍然有很多需要改進和創(chuàng)新的地方。第一，現(xiàn)階段，天然及合成高分子材料雖然易生物降解、對環(huán)境友好、毒性較低，但是其成本相對較高，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用過程中存在一定的局限性；第二，目前農(nóng)藥緩控釋制劑的緩釋性能主要針對以水為介質(zhì)的釋放環(huán)境，這與實際應(yīng)用中以土壤、植物葉面和汁液、蟲體等為釋放介質(zhì)存在一定偏差；第三，緩控釋制劑在實際應(yīng)用過程中，有前期存在突釋現(xiàn)象導(dǎo)致持效期縮短，也有前期釋放量不足，不能獲得良好的釋放效果，有時又會在環(huán)境中存在時間過長，帶來農(nóng)藥殘留問題；第四，對于科研單位來講，大多數(shù)環(huán)保型、性能優(yōu)異的緩控釋制劑產(chǎn)品仍停留在實驗室配方研制階段，在產(chǎn)業(yè)化放大生產(chǎn)的過程中存在一定的問題。

農(nóng)藥緩控釋制劑的加工工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，篩選及制備性能優(yōu)異、價格低廉的環(huán)保型載體材料對緩控釋制劑的發(fā)展具有一定的推動作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進步、生產(chǎn)設(shè)備的改進、學(xué)科間的交叉滲透，結(jié)合農(nóng)藥及載體材料的理化特性、防治對象、用藥環(huán)境、施藥方式和有害生物防控劑量需求等綜合因素，開發(fā)在時間和空間上可控釋放、性能優(yōu)良的緩控釋制劑在不久的未來定會成為現(xiàn)實。