Оптимизация нано-доставки avermectin: влияние размера частиц на высвобождение, стабильность и борьбу с вредителями

Аннотация

Использование нано-доставочных носителей для активных ингредиентов пестицидов повышает коэффициент использования и продлевает эффективность за счет контролируемого высвобождения и улучшенной защиты. Однако большинство контролируемых высвобождения формуляций имеют крупные, полидисперсные частицы, ограничивающие понимание производительности. В этом исследовании нано-доставочные системы avermectin (Av) были спроектированы с точно контролируемыми размерами частиц, и их кинетика высвобождения, фотостабильность и биоактивность оценивались. Путем настройки размера частиц профиль высвобождения Av можно тонко регулировать, а биологическая активность увеличивается с уменьшением размера. Эти выводы демонстрируют, что нано-доставочные системы Av значительно улучшают контролируемое высвобождение, УФ-защиту и эффективность, тем самым снижая остаточные количества пестицидов и частоту применений.

Введение

Пестициды играют ключевую роль в управлении болезнями растений и вредителями, однако конвенциальные формуляции страдают от плохой дисперсии, быстрой деградации и высоких потерь (до 70–90%) из-за биодеградации, фоtolиза, испарения, стока и выщелачивания в грунтовые воды. Эти проблемы угрожают безопасности пищевых продуктов и качеству окружающей среды, подчеркивая необходимость передовых стратегий доставки.

Нанотехнологии предлагают перспективный путь к улучшению производительности пестицидов. Наночастицы увеличивают площадь поверхности и улучшают пространственное распределение на поверхности листьев, в то время как полимерные нано-носители обеспечивают медленное, контролируемое высвобождение активных ингредиентов. Полилактиновая кислота (ПЛК), биоразлагаемый полимер, одобренный FDA, доказал свою эффективность как носитель для биоактивных молекул и все чаще исследуется для инкапсуляции пестицидов благодаря экологической безопасности, низкой стоимости и масштабируемости.

Нано-доставка расширяет площадь контакта между вредителем и пестицидом, улучшая адгезию и проникновение. Avermectin (Av) — широкоспектральный биопестицид с низкой токсичностью, однако он быстро деградирует под УФ и имеет короткий полупериод в воде. Микroинкапсуляция пробовалась, но полученные капсулы (1–5 мкм) велики и неравномерны, ограничивая дисперсию и эффективность. Ограниченные работы существуют на нано-доставочные системы Av с контролируемым распределением размера.

Это исследование направлено на синтез нано-доставочных систем Av с варирующими размерами частиц через эмульсионную полимеризацию с использованием ПЛК, и оценку влияния размера на поведение высвобождения, фотостабильность и биологическую активность.

Эксперимент

Материалы

ПЛК и Av поставляли Nature Works и Qilu Pharmaceutical Co., Ltd. (Внутренняя Монголия, Китай). Поливиниловый спирт (PVA, 87–90% гидролизован, M_w 30 000–70 000) приобрели у Sigma-Aldrich Shanghai. Желатин получили от Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Диализационные мембраны от Beijing Tianan Technology Co., Ltd. Все остальные реактивы аналитического чистоты, вода Milli-Q (18,2 МОм см) использовалась везде.

Приготовление нано-доставочной системы Avermectin

Масло-в-воду (М/В) эмульсию формировали комбинированием ПЛК и Av, растворенных в хлороформном метаноле (масляная фаза) с водной фазой, содержащей желатин и PVA. Масляная фаза капали в водную фазу под высокой сдвиговой эмульгацией (FA25, FLUKO) для производства грубой эмульсии, затем гомогенизировали ультразвуком (JY 92-IIN). Полученную эмульсию мешали ночью для испарения растворителя, собирали центрифугированием, вымывали трижды деионизированной водой и сушли сублимацией в сыпучий порошок, хранили при 4 °C.

Характеризация нано-доставочных систем

Морфологию частиц изучали сканирующей электронной микроскопией (SEM, JSM-6700 F) после платинового распыления. Распределение размеров измеряли динамическим рассеянием света (Zetasizer NanoZS90) при 25 °C.

Определение загрузки Avermectin

Содержание Av kvantифицировали УФ-ВИС спектроскопией (245 нм). Образцы взвешивали, растворяли в хлороформе, испаряли, повторно растворяли в метаноле, фильтровали и анализировали.

Исследования контролируемого высвобождения

Образцы суспендировали в 10 мл 1:1 этанол/вода, помещали в диализационный мешок и погружали в 90 мл той же среды. через заданные интервалы 5 мл аликвоты заменяли свежим растворителем, а концентрацию Av измеряли УФ-ВИС. Технический абамектин (TC) служил контролем.

Фотолиз поведения

Фотолиз Av оценивали облучением метанол/водных растворов под 500 Вт УФ лампой (λ = 365 нм) до 72 ч, пробоотбор каждые 12 ч.

Тесты стабильности

Образцы хранили при 0 ± 2 °C 7 дней и 54 ± 2 °C 14 дней, затем содержание Av переизмеряли.

Биоанализы

Листовые бионализы против личинок капустной тли проводили. Листья погружали в Av суспензии с Triton X-100, сушили и экспонировали 48 ч инкубации (25 °C, 75% ВЛ). Смертность фиксировали, LC₅₀ рассчитывали с DPS v12.01. Коммерческий WDG использовали как контроль.

Результаты и обсуждение

Конструкция и характеристика нано-доставочной системы Avermectin

Рисунок 1 описывает рабочий процесс синтеза. Варьируя соотношение PVA/желатин, достигали размеры частиц от 344 до 827 нм (Рисунок 2). Загрузка Av варьировала от 33,4% до 57,5% (Рисунок 3). Все частицы были гладкими, сферическими и равномерно диспергированными.

Схема приготовления нано-доставочной системы Av.

SEM изображения (а–д) и распределения размеров (е) нано-доставочных систем Av.

Загрузка Av при разных размерах частиц.

Высвобождение Avermectin из нано-доставочной системы In Vitro

Профили высвобождения (Рисунок 4) раскрывают, что технический Av высвобождается почти полностью за 25 ч, в то время как нано-системы демонстрируют бифазное высвобождение: начальный всплеск с последующим устойчивым высвобождением за 240 ч. Меньшие частицы (344 нм) высвободили 79,4% Av по сравнению с 53,2% для 827 нм частиц, указывая, что более высокая площадь поверхности ускоряет диффузию. Таким образом, размер частиц — ключевой рычаг для настройки кинетики высвобождения.

Поведение высвобождения нано-доставочных систем Av в этанол/вода (1:1, v/v) за 200 ч.

Биологическая активность

Бионализы против тли (Рисунок 5) показывают четкий тренд: значения LC₅₀ уменьшаются с уменьшением размера частиц. Меньшие частицы улучшают дисперсию, смачиваемость и удержание, тем самым увеличивая биодоступность. Все нано-системы превосходят коммерческий Av WDG, подтверждая, что нано-инкапсуляция повышает эффективность.

Результаты бионализов нано-доставочных систем Av с варирующими размерами частиц.

УФ-щитовые свойства Avermectin в нано-доставочной системе

Эксперименты фоtolиза (Рисунок 6) демонстрируют, что нано-доставочная система защищает Av от УФ-деградации: через 48 ч происходит только 18,7% фоtolиза против 46,7% для коммерческого WDG; при 72 ч — 25,6% против 51,5%. Полимерная стенка эффективно экранирует активный ингредиент.

Сравнение процента фоtolиза Av с коммерческим WDG и нано-доставочной системой под УФ облучением.

Хранилищная стабильность

Тесты стабильности (Рисунок 7) указывают, что загрузка Av остается стабильной при 0 °C и 25 °C. Небольшая потеря (<5%) возникает после 14 дней при 54 °C, атрибутируемая термической деградации. В целом, нано-доставочная система демонстрирует отличную хранилищную стабильность.

Стабильность нано-доставочной системы Av при разных температурах хранения.

Заключение

Мы успешно изготовили нано-доставочные системы avermectin с контролируемыми размерами частиц, используя эмульсионную полимеризацию и ПЛК как биоразлагаемый носитель. Размер частиц диктует скорость высвобождения, УФ-защиту и биологическую активность: меньшие частицы высвобождают Av быстрее, усиливают борьбу с вредителями и предлагают превосходную фотостабильность. Эти нано-системы преодолевают ограничения конвенциальных биопестицидов — такие как быстрая деградация, почвенная адсорбция и короткое действие — тем самым улучшая эффективность, снижая частоту применений и минимизируя воздействие на окружающую среду.