《CEJ》安徽农业大学--张丽红老师/中科院合肥研究院王君君老师团队:用于精准农药递送的多功能表面自组装生物相容性核 - 壳纳米胶囊
安徽农业大学张丽红老师与中国科学院合肥物质科学研究院王君君老师团队合作在《Chemical Engineering Journal 》发表名为"Self-assembling biocompatible core-shell nanocapsules with versatile surface functionalities for precise pesticide delivery " 的期刊论文。该团队用天然多糖 + 铜离子矿化，做了一种绿色、智能、安全的高效农药纳米递送胶囊，专门解决传统氯氟氰菊酯（LCT）易降解、残留高、毒性大、利用率低的问题。
发表日期：2025年03月18日
关键词：多糖；自组装；核壳纳米胶囊；叶面亲和性；环境友好性
高效氯氟氰菊酯（LCT）是一种亲脂性拟除虫菊酯类杀虫剂，因其可穿透昆虫体壁、干扰取食行为并最终致死害虫，在农业害虫防控中得到广泛应用。CMC 是常见的纤维素衍生物，在食品工业中广泛用作增稠剂与稳定剂；更重要的是，CMC 具备优异的黏附性、pH 响应性与无毒性，是开发环境友好型可持续农药递送系统的理想材料。植食性鳞翅目害虫中肠通常呈碱性且富含纤维素酶，可据此设计双重响应型农药制剂，实现按需释放。该释放机制依赖 CMC 在碱性条件下的电离以及纤维素酶触发的水解作用。但 CMC 中带负电的羧基和亲水性较强，会降低其在油 / 水界面的表面活性，单独使用时易引发絮凝，进一步降低乳液稳定性。为改善 CMC 乳液的物理稳定性与自支撑性能，本研究将带正电的天然多糖 —— 壳寡糖（COS）与 CMC 复配，通过静电自组装与氢键作用成功构建纳米胶囊平台。该研究开发了一种简便策略，通过金属辅助多糖自组装制备具有多功能表面特性的生物相容性核壳纳米胶囊（LCT@CMC@COS‑Cu）。所制纳米胶囊以 CMC 与 COS 为壳材、包载油核，并通过铜离子原位矿化进一步强化结构。LCT@CMC@COS‑Cu 纳米胶囊在水中分散性优异，包封率与载药量高。研究系统探究了 LCT@CMC@COS‑Cu 的形成机制，以及 pH 与纤维素酶刺激对其释放行为的影响；同时系统评价了其杀虫活性、抗紫外性能、叶面黏附性能与对非靶标生物的安全性。结果表明，该纳米胶囊制剂不仅提升了 LCT 的生物利用度，还摒弃了传统表面活性剂在乳液制备中的使用，在提升利用率的同时改善了环境安全性。图1主要阐明了LCT@CMC@COS‑Cu 核壳纳米胶囊通过界面自组装与原位金属矿化的构建机理：首先，羧甲基纤维素（CMC）与壳寡糖（COS）分子间存在丰富的羟基、氨基与羧基，可形成氢键与静电吸引作用；密度泛函理论（DFT）计算显示二者氢键作用显著，CMC 羰基区域呈负电势、COS 氨基区域呈正电势，进一步驱动静电组装；随后引入 Cu²⁺作为配位桥联单元，与 CMC 的羧基、COS 的氨基形成稳定螯合结构，使 CMC 与 COS 的结合能从−0.405 eV 大幅提升至−2.619 eV（增强约 6.5 倍），显著强化胶囊壳层机械强度与稳定性，最终形成稳固的核壳纳米载体。图2通过光学形貌与粒径分布，系统优化了壳寡糖（COS）与铜离子（Cu²⁺）的浓度：COS 浓度为 8 g/L 时纳米胶囊粒径适中、稳定性最佳；Cu²⁺浓度为 3 mmol/L 时，颗粒分散均匀、包封率最高（98.35%），浓度过高则出现团聚，确定了最佳制备条件。图3系统表征了 LCT@CMC@COS‑Cu 的结构与组成：SEM 与 TEM 显示其为规则球形核壳结构，粒径约 200 nm；元素 mapping 与 EDS 证实 Cu、N、F、Cl 均匀分布，表明农药成功包载；FTIR 与 Zeta 电位证明 CMC、COS 通过静电与配位作用结合；丁达尔效应与荧光共聚焦成像确认其在水中稳定分散且具有清晰核壳结构。图4揭示纳米胶囊的双重刺激响应释放行为：碱性（pH=9）环境下，CMC 羧基去质子化破坏壳层结构，12 h 累积释放达 88.27%；纤维素酶可降解多糖骨架，酶浓度越高释放越快，12 h 达 78.15%；SEM 直观显示响应后壳层破裂解体，证明其可在鳞翅目害虫中肠实现精准触发释放。图5证实纳米胶囊优异的叶面亲和与抗逆性能：在大豆叶片上接触角更小、表面张力更低，润湿与附着能力显著优于 LCT 悬浮剂；耐雨水冲刷，5 次冲洗后农药残留率仍达 48.67%，叶片保护与杀虫效果稳定；同时具备强抗紫外能力，LCT 半衰期延长 9.9 倍，大幅提升田间持效性。图6通过荧光示踪证明纳米胶囊可在大豆植株内双向输导：叶面喷施后可从叶片经维管组织向茎、根运输；根系浸泡后可从根经维管束向茎、叶运输，实现全株高效递送，显著提升农药利用率与防控范围。图7系统评价杀虫生物活性：纳米胶囊对斜纹夜蛾、甜菜夜蛾的 LC₅₀显著低于原药与悬浮剂，杀虫效果更强；荧光成像显示其主要富集于害虫中肠，与响应释放机制一致；盆栽试验 12 天后防效达 56.67%，远高于传统制剂，持效期大幅延长。图8从作物层面验证安全性：纳米胶囊对大豆种子萌发、株高、根长、鲜重均无抑制作用；丙二醛（MDA）含量与抗氧化酶（CAT、SOD）活性无显著异常，相比传统 LCT 悬浮剂，对作物更安全、不造成氧化胁迫。图9评价对非靶标生物的安全性：纳米胶囊对斑马鱼与异色瓢虫的 LC₅₀、LC₉₀均显著高于传统悬浮剂，对天敌昆虫与水生生物毒性更低，证明其在生态环境中更友好、更安全。图10通过小鼠 30 天体内试验证实纳米胶囊的哺乳动物安全性：相比 LCT 悬浮剂造成 33.33% 死亡、肝肾损伤、行为异常与病理病变，纳米胶囊组无死亡、无肝肾毒性、无组织病变，血液生化与脏器指数均正常，生物相容性优异该研究通过金属辅助多糖界面自组装与原位铜矿化策略，成功构建了LCT@CMC@COS‑Cu 生物相容性核壳纳米胶囊，实现高效氯氟氰菊酯的绿色、智能与精准递送；该载体以羧甲基纤维素和壳寡糖为壳层材料，在 Cu²⁺配位作用下形成稳定结构，具备pH / 纤维素酶双重响应释放、强叶面亲和性、优异抗紫外与耐雨水冲刷能力，可在大豆植株内双向输导并显著延长农药持效期；室内与盆栽试验表明，其对鳞翅目害虫杀虫活性更高、防效更持久，同时对大豆作物、斑马鱼、异色瓢虫及小鼠均表现出良好安全性，大幅降低传统制剂对非靶标生物的毒性与环境风险；该体系无需有毒表面活性剂，制备简便、绿色可降解，为开发环境友好、高效安全的智能纳米农药提供了可行路径，在可持续农业防控中具有重要应用价值。文章题目：Self-assembling biocompatible core-shell nanocapsules with versatile surface functionalities for precise pesticide delivery.
本公众号对相关研究成果的解读，仅供科研探讨与学术学习；如涉及侵权问题，烦请通过后台联系我方作删除处理。
公众号主页汇集多篇优质文章，欢迎各课题组前来投稿交流！
点击关注我们，为您带来更多纳米农药领域知识！
10个月宝宝每天需要喝多少奶粉？
