Изготовление, характеристика и биологическая активность систем нано-доставки авермектина с различными размерами частиц

Фон

Пестициды важны для борьбы с болезнями растений и насекомыми-вредителями, а также для обеспечения национальной продовольственной безопасности. Большинство традиционных пестицидных составов представляют собой открытые системы, которые имеют такие проблемы, как плохое диспергирование, разложение активных ингредиентов и снос капель. Активные ингредиенты пестицидов теряют до 70–90%. Это происходит в результате полевого опрыскивания из-за биоразложения, химического разложения, фотолиза, испарения, поверхностного стока и просачивания грунтовых вод, что вызывает озабоченность с точки зрения безопасности пищевых продуктов и окружающей среды [1, 2]. Поэтому улучшение внесения и доставки пестицидов стало важной темой исследования [3,4,5].

В последние годы развитие нанотехнологий и наноматериалов предоставило новый подход к повышению эффективности применения пестицидов [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]. Составы пестицидов с наночастицами были предложены для лучшего пространственного распределения пестицидов на поверхности листьев благодаря малому размеру наночастиц и большой площади поверхности, что обеспечивает лучшую эффективность [16,17,18,19]. Системы нанодоставки пестицидов включают улавливание активных ингредиентов пестицидов внутри полимерных наноматериалов, чтобы обеспечить медленное и контролируемое высвобождение активных ингредиентов на целевых культурах [20,21,22]. Среди различных полимеров полимолочная кислота (PLA) широко используется в качестве носителей наночастиц в системах нано-доставки с контролируемым высвобождением для многих биоактивных молекул из-за ее нетоксичности, хорошей биодоступности и биосовместимости, а также одобрения Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов для использования человеком. [23, 24]. В области пестицидов количество исследований PLA как материалов-носителей ограничено. PLA - очень многообещающий материал для покрытий для инкапсуляции пестицидов благодаря его экологической чистоте, низкой стоимости и простоте масштабирования.

Системы нанодоставки пестицидов также обеспечивают увеличенные площади контакта между целевыми вредителями и частицами пестицидов [25, 26].

Авермектин (Av) - это высокоэффективный, безопасный биопестицид широкого спектра действия, который может контролировать множество сельскохозяйственных вредителей. Av легко разлагается из-за фотоокисления. Av также имеет короткий период полураспада в воде, что влияет на борьбу с вредителями в полевых условиях. Коэффициент адсорбции органического углерода для Av высокий. Это означает, что Av не легко мигрирует в почве, потому что он плотно связывается с органическими веществами, что влияет на его борьбу с вредителями в почве. Много усилий было направлено на защиту биологической активности Av с помощью технологий микрокапсулирования [27, 28]. Однако размер микрокапсул, содержащих Av, трудно контролировать. Они, как правило, большие, примерно 1–5 мкм, и имеют широкое распределение по размерам [29, 30]. Плохая дисперсность и однородность, а также большие размеры не способствуют улучшению адгезии пестицидов на поверхности листьев или увеличению проницаемости для вредных насекомых. Ограниченные исследования были проведены по синтезу и биологической активности систем нанодоставки пестицидов для Av с различными размерами [31,32,33,34]. Создание систем нанопоставки для Av путем инкапсуляции наноматериала может значительно улучшить его фотостабильность, снизить его адсорбцию почвой или другие неблагоприятные факторы и улучшить контролирующий эффект пестицида. Кроме того, системы нано-доставки Av также лучше проникают и позволяют более медленное и более контролируемое высвобождение активных ингредиентов на целевых культурах по сравнению с обычными микрокапсулами.

Настоящее исследование направлено на получение различных размеров частиц систем нанодоставки Av путем эмульсионной полимеризации с использованием PLA и характеризует их эффективность как безопасного и биоразлагаемого носителя. Мы исследовали влияние размера частиц на свойства высвобождения и биологическую активность системы нанодоставки Av [35,36,37,38,39]. Концентрации активного вещества и его предшественников, а также характеристики эмульсионной системы являются основными факторами для установления распределения по размерам конечной системы нанодоставки Av. Система нанодоставки Av показала хорошую дисперсию частиц с контролируемым размером частиц, высокую загрузку Av, эффективный контроль размера и свойства замедленного высвобождения, а также хорошую защиту от ультрафиолета (УФ) и стабильность.

Экспериментальный

Материалы

PLA и Av были предоставлены компаниями Nature Works и Qilu Pharmaceutical Co., Ltd. (Внутренняя Монголия, Китай), соответственно. Поливиниловый спирт (ПВС), гидролизованный на 87–90% со средним значением M _w 30 000–70 000 штук была приобретена у Sigma-Aldrich Shanghai Trading Co., Ltd. (Шанхай, Китайская Народная Республика). Желатин был приобретен у Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Пекин, Китайская Народная Республика). Диализные мембраны были приобретены у Beijing Tianan Technology Co., Ltd. (Китайская Народная Республика). Остальные химические реактивы были аналитической чистоты и были закуплены у Beijing Chemical Works (Пекин, Китайская Народная Республика). Вода, использованная во всех экспериментах, была марки Milli-Q (18,2 МОм · см, TOC ≤ 4 частей на миллиард) и была получена из системы Milli-Q Advantage A10 (Millipore, Милфорд, Массачусетс, США).

Подготовка системы нано-доставки авермектина

Система нанодоставки Av была приготовлена ​​методом эмульсии масло-в-воде (М / В) в сочетании с ультразвуковым и физическим процессом эмульгирования со сдвигом. Вкратце, PLA и Av растворяли в метиленхлориде в качестве масляной фазы. Для водной фазы желатин растворяли в воде при 40 ° C, а затем смешивали с водным раствором ПВС. Затем масляную фазу медленно добавляли по каплям в большой объем водной фазы при эмульгировании с высоким усилием сдвига (FA25, FLUKO, Ruhr-gebiet, Германия), чтобы приготовить грубую эмульсию. Затем грубая эмульсия была равномерно диспергирована с помощью ультразвукового эмульгирования (JY 92-IIN, SCIENTZ, Нинбо, Китайская Народная Республика). Затем однородная эмульсия затвердевала при перемешивании на магнитной мешалке в течение ночи (RW20, IKA, Staufen, Германия). Затвердевшую систему нанодоставки Av собирали центрифугированием и трижды промывали деионизированной водой. Продукты собирали центрифугированием, а затем лиофилизировали (FD-81, EYELA, Tokyo, Japan) с получением легкосыпучего порошка. Высушенный порошок хранили при 4 ° C до использования.

Характеристика систем нанодоставки

Морфологию каждой системы нанодоставки Av исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, JSM-6700 F, JEOL Ltd., Akishima-shi, Япония) с ускоряющим напряжением 5 кВ. Образцы СЭМ наносили по каплям на поверхность кремниевого среза. Капле давали высохнуть при комнатной температуре, а затем покрывали тонким слоем платины с использованием устройства для нанесения покрытия распылением (EM ACE600, Leica, Вена, Австрия), чтобы предотвратить заряд во время наблюдения с помощью SEM. Размеры частиц в системах нанопоставки Av измеряли при 25 ° C с помощью лазерного рассеяния с помощью зетасизатора (Zetasizer NanoZS90; Malvern, Worcestershire, UK).

Определение нагрузки авермектина в системах нано-доставки

Количество Av в системе нано-доставки измеряли при длине волны 245 нм, используя спектрофотометр в ультрафиолетовой и видимой (УФ-видимой) области (TU901, Shimadzu Corporation, Киото, Япония). Более подробно, образцы, содержащие Av, взвешивали и растворяли в хлороформе в течение ночи, после чего раствор сушили перегонкой при пониженном давлении. Затем добавляли метанол для растворения Av из высушенного осадка. Наконец, смесь фильтровали, чтобы получить прозрачный раствор, который анализировали с помощью УФ-видимой спектрофотометрии.

Контролируемое высвобождение авермектина из систем нано-доставки

Профили высвобождения Av из наноразмерных систем доставки исследовали следующим образом. Образцы наночастиц Av каждого размера суспендировали в 10 мл смеси этанол / вода (1:1, v / v ). Затем суспензию переносили в диализный мешок, который герметично закрывали в коричневой колбе с 90 мл смеси этанол / вода (1:1, v / v ) в качестве среды выпуска. Колбу инкубировали в шейкере инкубатора при 300 об / мин при комнатной температуре. Через определенные промежутки времени 5,0 мл раствора удаляли и заменяли 5,0 мл свежего растворителя. Скорость высвобождения Av из образца нанодоставки рассчитывалась путем измерения концентраций Av, растворенного в среде для высвобождения с различными интервалами, и использовалась для оценки свойства замедленного высвобождения. Концентрацию Av измеряли с помощью спектрофотометра УФ-видимой области при длине волны 245 нм. Технический абамектин (ТС, активный ингредиент технической чистоты) использовали в качестве контроля.

Поведение авермектина при фотолизе в системе нано-доставки

Фотолитическое поведение Av в системе нано-доставки оценивали с использованием коммерческого Av WDG в качестве контроля. Образцы растворяли в смеси метанол / вода (1:1, v / v ) и поровну делили на чашки для культивирования, и полученные образцы облучали в течение желаемой продолжительности при 25 ° C под УФ-лампой (500 Вт), которая имела максимальную интенсивность на длине волны 365 нм. Через определенные интервалы времени (12, 24, 36, 48, 60 и 72 ч) чашку для культивирования вынимали из реактора и анализировали концентрацию Av в образцах.

Тесты стабильности

Стабильность системы нанодоставки Av была протестирована в соответствии с CIPAC MT 46 и GB / T 19136–2003. Образцы упаковывали в стеклянные пробирки и хранили при 0 ± 2 ° C в течение 7 дней и 54 ± 2 ° C в течение 14 дней. Затем были изучены изменения количества Av в системе нано-доставки.

Биологические анализы

Биоанализы системы нано-доставки Av различных размеров проводили методом окунания в листья. Образцы разбавляли водным раствором Triton X-100 при различных концентрациях Av. Капуста ( Brassica oleracea L.) погружали в разбавленную суспензию Av, затем сушили при комнатной температуре и помещали в чашку Петри. Личинки тли вводили в каждую чашку, и обработанные тли культивировали в инкубаторе при 25 ° C и относительной влажности 75%. Было проведено четыре повтора для сравнения с контрольным тестом. Смертность оценивалась через 48 ч после лечения. Данные о концентрации и смертности анализировали с использованием статистического программного обеспечения DPS v12.01. Средние летальные концентрации (LC ₅₀ ) и их доверительный интервал 95%. Коммерческий WDG использовался в качестве контроля.

Результаты и обсуждение

Создание и характеристика системы нано-доставки авермектина

Системы нанопоставки Av были сконструированы в соответствии с процедурой, показанной на рис. 1. В ходе процесса водная и масляная фазы были приготовлены в соответствии с методом, указанным выше. Масляную фазу эмульгировали в водной фазе (эмульсия масло-в-воде) путем эмульгирования с высоким усилием сдвига для получения грубой эмульсии. Курсовая эмульсия затем была равномерно диспергирована с помощью ультразвукового эмульгирования. После этого следовали перемешивание, выпаривание и центрифугирование полученных наночастиц. Размер частиц системы доставки является одним из наиболее важных факторов, влияющих на свойства высвобождения и биологическую активность пестицида. Как показано на рис. 2, системы нанодоставки Av с размером частиц от 344 до 827 нм были сконструированы путем управления параметрами синтеза. Размер частиц является важным параметром для свойств контролируемого высвобождения пестицидов. Размер частиц систем нанодоставки Av можно контролировать, изменяя соотношение концентраций ПВС / желатина. Были приготовлены различные системы нанодоставки Av с размерами от 344 до 827 нм и содержанием Av от 33,4 до 57,5% (33,4, 44,9, 45,2 и 57,5%), как показано на рис. 3. Все продукты Av имели гладкую поверхность. поверхности и морфология сферических частиц.

Схема, показывающая приготовление системы нано-доставки Av

Изображения SEM ( a - г ) и распределения по размерам ( e ) систем нанодоставки Av с разным размером частиц

Количество Av в системах нано-доставки Av с разным размером частиц

Высвобождение авермектина из системы нано-доставки in vitro

В последние годы разработка систем высвобождения пестицидов перешла в сторону точного и количественного высвобождения, в отличие от более ранних систем медленного и качественного высвобождения. Для достижения контролируемого высвобождения были систематически исследованы профили высвобождения систем нанодоставки Av с различными размерами частиц. На рисунке 4 показано процентное высвобождение Av из систем нанодоставки с различными размерами частиц через тот же интервал времени. Технический Av имел высокую скорость высвобождения и почти полностью высвобождался через 25 часов. Длительный срок действия пестицидов требует постоянного высвобождения пестицидов для поддержания эффективности в течение длительного времени. По сравнению со скачкообразным высвобождением технического абамектина все подготовленные системы нанодоставки высвобождали Av с относительно медленными скоростями и поддерживали устойчивое высвобождение в течение более длительных периодов. Профили высвобождения Av из систем нано-доставки состояли из импульсного высвобождения с последующим постепенным высвобождением в течение 240-часового периода эксперимента. Поскольку размер системы доставки уменьшился с 827 до 344 нм, совокупное высвобождение увеличилось с 53,2 до 79,4% через 240 часов. Результаты показали, что скорость высвобождения Av из системы нано-доставки постепенно увеличивается с уменьшением размера частиц. Это происходило из-за того, что большая площадь поверхности подвергалась воздействию окружающей среды, способствуя проникновению и излиянию пестицида, находящегося в оболочках системы нанодоставки. Результаты показали, что скорость высвобождения Av из системы нано-доставки можно эффективно контролировать, изменяя размер частиц.

Характеристики высвобождения AV систем нанодоставки с различными размерами частиц в этаноле / воде (50:50, v / v ) более 200 ч

Биологическая активность

Биологическая активность Av, высвобождаемого из систем нанодоставки с различными размерами частиц, против тлей показана на рис. 5. LC ₅₀ системы нанодоставки Av постепенно уменьшалось с уменьшением размера частиц. Сообщается, что биодоступность наноэмульсий выше, чем у обычных эмульсий, из-за их меньшего размера частиц и более высокого отношения поверхности к объему. Следовательно, более высокая биологическая активность систем нанодоставки Av с меньшими размерами частиц объяснялась повышенной диспергируемостью, смачиваемостью и удерживанием, вызванными мелкомасштабными эффектами. Все системы нанодоставки Av имели более низкую LC ₅₀ . ценностей и более высокой активности, чем коммерческая Av WDG. Высокая эффективность была обусловлена ​​наноразмерными частицами, улучшающими адгезию и проникновение пестицида Av на поверхность сельскохозяйственных культур, что снижает потери пестицида из-за утечки во время опрыскивания.

Результаты биоанализа систем доставки Av с разным размером частиц

УФ-экранирующие свойства авермектина в системе нано-доставки

Чтобы проверить свойства Av по защите от ультрафиолета в системе нанодоставки, скорость фотолиза Av была оценена с помощью искусственного облучения. Анализ скорости фотолиза Av в зависимости от времени облучения показан на фиг. 6. Фотолитический процент абамектина составлял 18,7% для системы нанодоставки и 46,7% для коммерческого Av WDG через 48 часов. Через 72 часа фотолитический процент абамектина составлял 25,6% для системы нано-доставки и 51,5% для коммерческого Av WDG. Эти результаты показали, что система нано-доставки ингибировала фотолиз Av из-за защитного эффекта стеночного носителя.

Сравнение процента фотолиза Av с коммерческим WDG и системой нанодоставки при УФ-облучении

Стабильность хранилища

Стабильность систем нанодоставки Av с различными размерами частиц оценивалась путем измерения их загрузочного содержания при температурах 0, 25 и 54 ° C. На рисунке 7 показано, что система нанодоставки оставалась стабильной без значительных изменений в загрузке Av во время хранения при комнатной температуре и низкой температуре. Небольшая потеря Av наблюдалась через 14 дней при 54 ° C из-за разложения Av при высокой температуре. Эти результаты показали, что система нано-доставки Av имеет хорошую стабильность при хранении.

Стабильность системы нанодоставки Av при различных температурах хранения

Выводы

Чтобы улучшить контролируемое высвобождение, химическую стабильность и биоактивность Av, с использованием метода эмульсионной полимеризации была синтезирована система нанодоставки Av с различными средними размерами частиц. Система нано-доставки Av показала стабильное высвобождение. Скорость высвобождения Av из системы нанодоставки постепенно увеличивалась с уменьшением размера частиц из-за большей площади поверхности. Биологическая активность системы нанодоставки Av постепенно возрастает с уменьшением размера частиц благодаря усилению адгезии и проникновения. Система нанодоставки Av показала хорошие антифотолизные свойства и стабильность. Система доставки преодолевает недостатки существующих биопестицидов, такие как их чувствительность к окружающей среде, нежелательная адсорбция почвой и короткая продолжительность действия. Это повысит эффективность пестицидов и снизит частоту опрыскивания.