南京林业大学徐鹏团队:新型纳米智能农药载药系统如何实现双重响应释放?

随着现代农业对高效、低毒、环境友好型农药需求的日益增长，智能响应型纳米农药载药系统成为研究热点。这类系统能够根据环境或靶标生物的特定刺激实现农药的精准释放，从而提高农药利用率，减少对非靶标生物和环境的危害。因此，研发新型智能纳米农药载药系统，对推动农业绿色转型与可持续发展具有重要意义。

基于上述背景，南京林业大学化学工程学院徐鹏副教授课题组通过联合Stöber法与蒸馏沉淀聚合法，设计并制备了一种具有pH和谷胱甘肽双重响应释放功能的纳米农药载药系统（Abamectin-HMONs@PAA）。该系统以中空介孔有机硅纳米球（HMONs）为载体，表面包覆聚丙烯酸（PAA）壳层，并负载杀虫剂阿维菌素（Abamectin）。其双重响应机制在于：酸性环境促使PAA质子化，加速药物释放；而谷胱甘肽可断裂HMONs中的二硫键，进一步触发药物靶向释放（图1）。

图1智能响应型纳米农药载药系统的设计和制备.

文章首先对Abamectin-HMONs@PAA的理化性能进行了系统研究。透射电子显微镜（TEM）测试发现，制备的HMONs外部呈现规则纳米球形且内部具有明显中空结构，可为农药负载提供了充足空间。经PAA包覆后，HMONs外部可见均匀的聚合物包覆层，形成明显的核壳结构（图2a-2c）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在1721 cm⁻¹处检测到PAA中的C=O特征峰，进一步验证了包覆层的结构与组成（图2d）。通过热重分析（TG）曲线和氮气吸附-脱附等温线验证了载体对Abamectin的成功负载，而且根据Abamectin-HMONs@PAA的热失重曲线计算出其载药量为12.73%。

图2智能响应型纳米农药载药系统的物理表征. (a) SiO2、(b) HMONs、(c) HMONs@PAA的TEM图像, (d) Abamectin、HMONs、HMONs@PAA和Abamectin-HMONs@PAA的FTIR光谱, (e) HMONs，HMONs@PAA和Abamectin-HMONs@PAA的TG图, (f) HMONs、HMONs@PAA和Abamectin-HMONs@PAA的N2吸附等温线.

文章还展示了构建纳米农药载药系统的生物性能和应用性能(图3)。首先，载药系统展现出优异的双重刺激响应释放特性。在酸性溶液中（pH=5）中，Abamectin-HMONs@PAA 96 h内阿维菌素累积释放率达88.70%，显著高于中性及碱性条件，这源于PAA链的质子化加速了药物解离。同时，该系统对谷胱甘肽（GSH）具有灵敏响应：添加0.2 mmol/L GSH后，97 h累积释放量提升至88.79%，较无GSH组提高了14.2%，其机制为GSH断裂了HMONs中的二硫键，促使载体解体并释放药物。释放动力学分析进一步证实，该系统在GSH存在时释放机制从Fick扩散转变为扩散与骨架溶蚀协同作用，实现了按需精准释放。其次，通过荧光探针法研究Abamectin-HMONs@PAA在番茄叶面的黏附性能，经模拟雨水冲刷10次后，其在番茄叶片上的荧光覆盖面积保留率高达35.9%，远超Abamectin-HMONs的6.5%，主要归因于包覆层PAA中的羧基等极性基团与叶面结构中的羟基、氨基等基团形成强烈的氢键，提高了载药系统在叶面的附着强度和稳定性，从而大幅减少了因雨水冲刷造成的农药流失。

通过模拟日光照射实验研究了Abamectin-HMONs@PAA的抗光解性能，紫外光照250h后，Abamectin-HMONs@PAA中阿维菌素的保留率（42.67%）达到传统悬浮剂的2.7倍，有效提高了Abamectin的光稳定性。Abamectin-HMONs@PAA的生物防治实验显示，在叶面喷洒10天后，尽管经历多次模拟降雨，Abamectin-HMONs@PAA处理组对小菜蛾的致死率仍显著高于传统药剂，叶片受害面积也明显减少，证明了其在真实环境下的长效防护能力。这些性能的有机结合，标志着该纳米载药系统在实现农药减量增效、延长持效期方面迈出了关键一步。

图3智能响应型纳米农药载药系统的生物性能测试结果. （a）不同pH条件下，Abamectin-HMONs@PAA中abamectin的释放曲线, (b) 不同浓度谷胱甘肽下，Abamectin-HMONs@PAA中abamectin的释放曲线, 按顺序冲刷后拍摄的 (c) Abamectin-HMONs-FITC和 (d) Abamectin-HMONs@PAA-FITC的荧光显微镜图像(图像中的数字代表冲刷次数), (e) 冲刷后Abamectin-HMONs和Abamectin-HMONs@PAA的保留率, (f) Abamectin与Abamectin-HMONs@PAA的抗光解性能测定结果, (g) 在不同浓度下，Abamectin和Abamectin-HMONs@PAA于喷施第1和10天对小菜蛾的存活率的影响, (h) 在Abamectin和Abamectin-HMONs@PAA喷洒1和10天后叶片的损伤情况。

徐鹏副教授是该论文的第一作者和通讯作者。该项工作得到江苏省林业科技创新与推广项目（LYKJ-Nanjing [2022]02）和江苏省农业科技创新基金（CX(23)3090）的资助。