查顯艷, 侯雪娟, 南 慧, 田 江

(湘潭大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，湖南 湘潭 411105)

提高傳統(tǒng)農(nóng)藥在環(huán)境中的穩(wěn)定性是提高農(nóng)藥利用率的有效措施。近年來，快速發(fā)展的農(nóng)藥緩控釋系統(tǒng) (controlled release systems，CRS)是通過感知外部環(huán)境，如pH 值、光照、溫度等的變化，在特定環(huán)境下作出刺激響應(yīng)，從而引起其物理化學(xué)特性和功能狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，以此獲得農(nóng)藥的控制釋放特性的響應(yīng)性聚合物[1]。該體系能夠有效降低光、水、熱、pH 值及酶等環(huán)境因素對農(nóng)藥分子的分解，提高農(nóng)藥有效成分的穩(wěn)定性和持效期，減少農(nóng)藥流失，從而提高農(nóng)藥利用率[2]。根據(jù)外界刺激響應(yīng)方式的不同，可將刺激響應(yīng)性聚合物分為溫度響應(yīng)型聚合物[3]、pH 值響應(yīng)型聚合物[4]及酶響應(yīng)型聚合物[5]等。

pH 值響應(yīng)型聚合物，如聚丙烯酸、聚乙烯吡啶和海藻酸鈣 (CA) 等，存在一些可離子化的酸性或堿性基團(tuán) (如 ?COOH、?NH2、?NHR、?NR2)，當(dāng)環(huán)境介質(zhì)中的pH 值發(fā)生變化時能夠接受或者給出質(zhì)子[6]。海藻酸鈉 (SA) 中含有大量的 ?COO?，在水溶液中可表現(xiàn)出聚陰離子行為。當(dāng)有Ca2+存在時，其G 單元上的Na+與Ca2+即可發(fā)生離子交換反應(yīng)，形成“蛋殼式”的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即聚陰離子型pH 敏感水凝膠海藻酸鈣 (CA)。當(dāng)pH 值較低時，水凝膠中羧基以 ?COOH形式存在，離解度低，凝膠溶脹率低，體積收縮；但隨著pH 值升高，?COOH 離解度增大，大部分羧基轉(zhuǎn)變成 ?COO?，靜電斥力增加，溶脹率急劇增大，釋放出原藥分子[7](如圖1 所示)。利用海藻酸鈣水凝膠的pH 響應(yīng)特性來作為載體運(yùn)輸藥物，可使其在人體微環(huán)境中不同的pH 值下達(dá)到靶向釋藥的目的[8]。近來已有相關(guān)研究將該載體用于農(nóng)藥的控制釋放[9]，且因其具有價格低廉、生物降解性好的特點(diǎn)，作為pH 控釋農(nóng)藥的包覆材料擁有廣闊的應(yīng)用前景[10]。

圖1 海藻酸鈣水凝膠在不同pH 值的緩沖溶液中分子鏈變化示意圖Fig. 1 Schematic diagram of molecular chain changes of calcium alginate hydrogels in buffer solutions with different pH values

但海藻酸鈣水凝膠存在表面孔洞較大、機(jī)械強(qiáng)度不高以及藥物容易“突釋”的局限性[11]，可以通過在凝膠體系中加入黏土，如高嶺土[12]、膨潤土[13]、凹凸棒[14]等無機(jī)物，通過與其進(jìn)行共混改性形成聚合物/黏土復(fù)合材料，并使用多巴胺 (dopamine)修飾凹凸棒，以提供酚羥基和氨基。凹凸棒、海泡石、伊利石和蒙脫石是4 種常見層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽黏土礦物[12]，均具有比表面積大、離子交換性強(qiáng)、對有機(jī)物的吸附性大以及對環(huán)境無毒、無危害的特點(diǎn)[15]。毒死蜱屬于有機(jī)磷農(nóng)藥，具有廣譜殺蟲性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛[16]，但毒死蜱在外界環(huán)境中不穩(wěn)定，易受到光、熱等的影響導(dǎo)致過早降解[17]，故本研究選擇其為模型藥物。先對4 種黏土礦物 (凹凸棒、蒙脫石、伊利石、海泡石) 進(jìn)行酸化處理，然后使用多巴胺進(jìn)行修飾。由于前期研究表明，4 種礦物負(fù)載毒死蜱后，負(fù)載率最高的是凹凸棒，故用它作為載體，制備了多巴胺改性凹凸棒/毒死蜱/海藻酸鈣復(fù)合水凝膠 (PRCH)，繼而探索PRCH 在不同pH 環(huán)境下的特定響應(yīng)以及對毒死蜱的控制釋放性能和緩釋機(jī)制，并在紫外光和不同溫度條件下測試水凝膠的穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 供試材料、藥劑、試劑及設(shè)備

海泡石 (sepiolite，200 目，篩孔徑75 μm) (上海麥克林生化有限公司)；伊利石 (illite, 800 目，篩孔徑18 μm) 、蒙脫石 (montmorillonite，800目，篩孔徑18 μm) 、凹凸棒 (attapulgite, 400 目，篩孔徑38 μm) (鼎邦礦產(chǎn)品科技公司)；

97%毒死蜱 (chlorpyrifos, 以下簡稱CPF) 標(biāo)準(zhǔn)品 (成都麥卡希化學(xué)有限公司)。鹽酸多巴胺(dopamine) 和海藻酸鈉 (SA) (上海麥克林生化有限公司)；無水氯化鈣 (天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)；三羥基氨基甲烷鹽酸鹽(Tris-HCl) (酷爾化學(xué)科學(xué)技術(shù) (北京) 有限公司)；吐溫-20 (國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；磷酸鹽緩沖溶液(PBS)：磷酸氫二鈉、磷酸二氫鉀、氯化鈉和氯化鉀 (天津科密歐化學(xué)試劑有限公司)。

DF-101S 磁力攪拌器(金壇區(qū)華城興萬儀器經(jīng)營部)；蔡司Sigma 300 掃描電子顯微鏡(上海百賀儀器科技有限公司)；Zetasizer Nano series 納米粒度ζ電位分析儀(馬爾文儀器公司 (中國))；Quantachrome Novawin BET 比表面積測試儀(康塔克默儀器貿(mào)易 (上海) 有限公司)；UV2300 紫外可見光分光光度計(jì)(安捷倫科技 (中國) 有限公司)；ALPHA 傅里葉變換紅外光譜儀(布魯克科技有限公司)。

1.2 多巴胺改性凹凸棒/毒死蜱/海藻酸鈣復(fù)合水凝膠的制備

1.2.1 酸化處理 分別稱取海泡石、伊利石、蒙脫石和凹凸棒4 種黏土礦物10 g，分散于150 mL 2 mol/L 的鹽酸溶液中，室溫下磁力攪拌4 h 后水洗至無氯離子。過濾，將所得樣品冷凍干燥12 h，得到每種材料約9.5 g 淡黃色粉末，裝袋備用。

1.2.2 多巴胺修飾礦物 將酸化后的礦物3 g 置于150 mL Tris-HCl (10 mmol/L) 緩沖溶液中，磁力攪拌 (500 r/min) 30 min，加入0.3 g 多巴胺，黑暗條件下攪拌12 h，離心 (4000 r/min, 10 min) 并用去離子水洗滌3 次。收集黑色沉淀，冷凍干燥12 h，得到多巴胺修飾的凹凸棒、伊利石、蒙脫石和海泡石各約2.7 g，分別標(biāo)記為PA、PI、PM 和PS。

1.2.3 裝載毒死蜱 分別稱取PA、PI、PM 和PS 1.5 g，分散在毒死蜱乙醇溶液 (15 mL，20 mg/mL)中，于室溫下振蕩12 h，過濾，用少量乙醇洗滌2 次，真空冷凍干燥，分別得到PA-CPF、PICPF、PM-CPF 和PS-CPF。準(zhǔn)確測量濾液體積，用紫外分光光度計(jì)測量濾液中毒死蜱的余量 (每個樣品設(shè)置3 個平行)，對比4 種黏土礦物的負(fù)載效果，挑選負(fù)載效果最好的黏土礦物。

1.2.4 pH 響應(yīng)型水凝膠的制備 取PA-CPF 樣品1 g 分散于30 mL 去離子水中，加入0.25 g 海藻酸鈉，置于旋渦振蕩器中均勻分散，用吸入注射器(體積 = 5 mL，針頭直徑 = 0.7 mm) 滴加至氯化鈣溶液中 (100 mL，0.1 moL/L)，滴畢，靜置30 min。棄去氯化鈣水溶液，用去離子水清洗3 次，經(jīng) ?45 ℃冷凍干燥24 h 得到多巴胺改性凹凸棒/毒死蜱/海藻酸鈣復(fù)合水凝膠 (PRCH)。圖2 為PRCH 的制備流程圖。

圖2 海藻酸鈣復(fù)合水凝膠制備流程圖Fig. 2 Schematic diagram of the preparation process of calcium alginate composite hydrogels

1.3 材料表征

利用掃描電子顯微鏡觀察材料表面的微觀形貌特征，采用ζ-電位、BET 比表面積測試和傅里葉紅外光譜儀分析材料的結(jié)構(gòu)變化。

1.4 溶脹率的測定

針對農(nóng)藥在噴施環(huán)境中可能遇到的pH 值范圍，選擇在pH = 5.5、7.0 和8.5 的3 種磷酸鹽緩沖溶液中測定水凝膠的溶脹規(guī)律。預(yù)先稱取0.1 g PRCH，浸泡在20 mL 緩沖液中，在適當(dāng)?shù)臅r間間隔將水凝膠取出，用濾紙吸掉多余的水后稱量質(zhì)量。所有樣品設(shè)置3 個平行，用 (1) 式計(jì)算水凝膠的動態(tài)質(zhì)量變化[18]。

式中，SR為溶脹率 (swelling rate)，m1、m2分別為吸水溶脹前后水凝膠的質(zhì)量，g。

1.5 水凝膠的控釋性能測定

分別稱取0.2 g PRCH 于20 mL 磷酸鹽緩沖溶液中 (pH = 5.5、7.0 和8.5)，添加1.0 g/L 的吐溫-20 。室溫條件下靜置，每隔一段時間取出2 mL上清液，用紫外分光光度計(jì)在最大吸收波長292 nm處測定溶液的吸光度，計(jì)算毒死蜱濃度。取出上清液的同時加入2 mL 對應(yīng)pH的緩沖溶液，以確保釋放環(huán)境總體積保持不變 (所有樣品設(shè)置3 個平行)。用累積釋放率 (controlled release rate,CR) 表征控釋效果，按 (2) 式計(jì)算[19]。

式中：CR為累積釋放率；Vtotal表示PBST 的體積 (20 mL)；Ct表示t時刻的樣品濃度；Vt表示取樣體積，mL；m0表示負(fù)載質(zhì)量，mg。

1.6 釋放動力學(xué)模型

根據(jù)不同pH 條件下農(nóng)藥釋放相關(guān)數(shù)據(jù)，采用Korsmeyer-Peppas 方程進(jìn)行擬合，研究不同條件下毒死蜱的釋放機(jī)理。其模型表達(dá)式如(3)式[20]：

其中Mt/M∞表示t時刻毒死蜱的釋放率，K為釋藥模型特征常數(shù)，n為釋放機(jī)理的特性指數(shù)，其值決定著擴(kuò)散類型。當(dāng)n< 0.43 時，屬于Case-I類Fickian 傳輸機(jī)制；當(dāng)0.43 0.85 時，為超Case-II 類Fickian傳輸機(jī)制。該模型適用于累積釋藥率低于60%的數(shù)據(jù)分析[20]。

1.7 紫外穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性測試

取0.1 g 毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品和PRCH 于20 mL 乙醇溶液中，使樣品質(zhì)量濃度為5 mg/mL，置于暗室，其上方20 cm 處懸掛紫外燈 (16 W)，進(jìn)行抗紫外性能試驗(yàn)。同時，在20 mL 乙醇溶液中分別加入0.1 g CPF 和PRCH，置于5、25、45 ℃的培養(yǎng)箱中進(jìn)行溫度穩(wěn)定性試驗(yàn)，每個樣品設(shè)置3 個平行。在適當(dāng)時間間隔點(diǎn)取出2 mL 上清液，用紫外分光光度計(jì)測定溶液的吸光度，并且向所取樣品中加入等體積乙醇，保持總體積不變。毒死蜱殘留率 (remaining rate,RR)[21]由式(4) 確定，PRCH 中農(nóng)藥的殘留率用總量減去累積釋放率，見式(5)。

式中：A0為毒死蜱溶液中的原始質(zhì)量濃度，mg/L；Ai為i時刻時溶液中剩余毒死蜱的質(zhì)量濃度，mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合水凝膠的制備

分別采用凹凸棒、海泡石、伊利石和蒙脫石負(fù)載毒死蜱，對比其負(fù)載效率。結(jié)果 (表1) 表明，凹凸棒對毒死蜱的負(fù)載率 (67.6%) 遠(yuǎn)大于其他3 種黏土，同時鑒于已有研究表明，酸化處理能去除凹凸棒孔道中的雜質(zhì)，使孔道疏通，增加比表面積[22]，因此本研究選擇酸化處理后的凹凸棒作為后續(xù)研究的載體。

表1 不同黏土礦物裝載毒死蜱的能力Table 1 Chlorpyrifos loading capacity of different clay minerals

本研究結(jié)果 (圖3) 表明，酸化后的凹凸棒對農(nóng)藥的負(fù)載率有了明顯提升。鑒于已有研究表明，多巴胺在堿性環(huán)境下能自發(fā)形成黏附聚多巴胺 (polydopamine, PDA) 涂層，可以沉積在黏土礦物表面，自組裝成單體層，聚多巴胺結(jié)構(gòu)中的酚羥基和氨基可以通過配位、氫鍵、π-π 堆積等多種作用與其他物質(zhì)結(jié)合[23]，因此本研究選擇酸化后的凹凸棒采用多巴胺修飾，再負(fù)載上毒死蜱。

圖3 經(jīng)酸化 (HCl-ATP) 和未經(jīng)酸化的凹凸棒 (ATP) 對20 g/L 毒死蜱的負(fù)載能力Fig. 3 Load capacity of acidified (HCl-ATP) and unacidified attapulgite (ATP) with 20 g/L chlorpyrifos

多巴胺修飾后的酸化凹凸棒對20、5、1 g/L的毒死蜱的負(fù)載率，如圖4 所示。其中，其對5 g/L的毒死蜱負(fù)載率最高，為85%。

圖4 經(jīng)多巴胺修飾后的酸化凹凸棒對20、5 和1 g/L毒死蜱的負(fù)載率Fig. 4 Load capacity of acidified attapulgite loaded with 20, 5 and 1 g/L CPF

2.2 PRCH 的形貌和結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 SEM 形貌表征 掃描電鏡結(jié)果 (圖5) 顯示：凹凸棒 (圖5a) 為納米級的棒狀結(jié)構(gòu)，大小較為均一，長度為500～1000 nm，粒徑約為幾十納米。具有微納尺寸的凹凸棒能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于將農(nóng)藥分子鎖在其中。經(jīng)過酸化處理后 (圖5b)，由于鹽酸溶解了部分有機(jī)物或碳酸鹽雜質(zhì)，使凹凸棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松多孔，棒狀結(jié)構(gòu)也變得更加清晰和分散，形成較多的架空孔洞，增加了比表面積。由多巴胺修飾之后的凹凸棒更加疏松，表面更加粗糙(圖5c)。負(fù)載毒死蜱后，凹凸棒結(jié)構(gòu)并無明顯變化 (圖5d)。海藻酸鈣水凝膠是以海藻酸鈉和氯化鈣為交聯(lián)體系的，其粒徑取決于液滴的大小，圖 (5e，5f) 為干燥后的水凝膠實(shí)物及表面圖，其形狀規(guī)整，大小均一，直徑在2.5 mm左右。在經(jīng)過冷凍干燥后球體表面大量失水，呈現(xiàn)出不同程度的塌陷和褶皺。將球剖開觀察其橫截面，發(fā)現(xiàn)球內(nèi)部為多孔疏松的層狀結(jié)構(gòu) (圖5g，5h 和5i)，且出現(xiàn)很多微小的孔，這可能是因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)中包裹在水凝膠中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致[14]。

圖5 (a) 凹凸棒 (ATP) 、 (b) 酸化凹凸棒 (HCl-ATP) 、 (c) 多巴胺修飾的凹凸棒 (PA) 、 (d) 負(fù)載毒死蜱的多巴胺修飾凹凸棒 (PA-CPF)、(e-f) PRCH 和(g-i) PRCH 截面的掃描電鏡圖Fig. 5 SEM of (a) attapulgite (ATP), (b) acidified attapulgite (HCl-ATP), (c) dopamine-modified attapulgite (PA),(d) dopamine-modified attapulgite located on chlorpyrifos (PA-CPF), (e-f) PRCH, (g-i) PRCH cross sections

2.2.2 BET 比表面積測試 通過BET 比表面積測試儀測定樣品的比表面積和孔徑分布情況，如圖6a 所示：凹凸棒的吸附-脫附曲線表現(xiàn)出一個明顯的遲滯環(huán)。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)報(bào)告分類可知[24]，該曲線屬于Ⅳ型吸附類型，回滯環(huán)屬于H3 型，表明凹凸棒具有明顯的介孔結(jié)構(gòu)。類似地，酸化凹凸棒 (HCl-ATP)、多巴胺修飾的凹凸棒 (PA)、負(fù)載上毒死蜱的PA (PACPF) 和PRCH 也具有介孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。如圖6b、6c 所示，凹凸棒經(jīng)酸化后比表面積增加了23.5%，孔容積增加了41.3%，這是因?yàn)榘纪拱艚?jīng)酸化處理后纖維束解離，部分陽離子溶解從而使得凹凸棒孔道對外開放，導(dǎo)致比表面積顯著增加，孔容增大[25]。多巴胺在堿性條件下發(fā)生氧化聚合交聯(lián)反應(yīng)，生成的聚多巴胺能夠包裹在凹凸棒表面形成均勻的膜層，從而使其粒徑變大，比表面積和孔容積減小，但是平均孔半徑反而有所增大。在負(fù)載上CPF 后，PA 的比表面積從130.386 m2/g 減少到130.028 m2/g，有輕微下降，孔容積以及孔半徑也有下降，說明CPF 成功負(fù)載在PA 上。當(dāng)PA-CPF 制備成水凝膠后，三者均有不同程度的下降。

圖6 ATP、HCl-ATP、PA、PA-CPF、CPF、PRCH的氮吸附-脫附曲線 (a) 及比表面積 (b) 和總孔容積和平均孔徑 (c)Fig. 6 Nitrogen adsorption and desorption curves(a),specific surface area (b), total pore volume and average pore radius (c) of ATP, HCl-ATP, PA, PA-CPF,CPF and PRCH

2.2.3ζ-電位表征 Zeta 電位能反應(yīng)凹凸棒修飾前后，載藥及功能化后表面的電性特征。如圖7 所示：凹凸棒本身帶正電，酸活化使凹凸棒內(nèi)部及表面產(chǎn)生更多帶負(fù)電的基團(tuán)，由于凹凸棒表面雜質(zhì)經(jīng)酸化去除后暴露了更多的?OH 等負(fù)電基團(tuán)，從而顯示出負(fù)電性。多巴胺在堿性條件下形成的聚多巴胺黏附在凹凸棒表面，提供了許多氨基，氨基經(jīng)質(zhì)子化作用改變了電性，從而展現(xiàn)出正電性[26]。毒死蜱呈負(fù)電性，多巴胺修飾的凹凸棒在負(fù)載上毒死蜱后由正電轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電，說明毒死蜱成功負(fù)載在材料上。而PRCH 由于凝膠化處理形成的海藻酸鈣上含有大量的羧基等負(fù)電基團(tuán)，從而展現(xiàn)出負(fù)電性。

圖7 ATP、HCl-ATP、PA、PA-CPF、PRCH 和CPF 的ζ 電位Fig. 7 Zeta potentials of ATP, ATP-HCl, PA,PA-CPF, PRCH and CPF

2.2.4 傅里葉紅外光譜分析 圖8 為ATP、PA、PA-CPF 和PRCH 的紅外光譜圖。在凹凸棒中波數(shù)為1033 cm?1和984 cm?1處為Si?O 鍵的伸縮振動峰，476 cm?1為Si?O?Si 鍵的彎曲振動峰，它們均為凹凸棒的特征吸收峰[18]。在PA 中，1637 cm?1處歸屬于酰胺中的羰基 (C=O)[19]和3450 cm?1處歸屬于 ?OH 的伸縮振動峰都變得更強(qiáng)，并且在1383 cm?1處出現(xiàn)了酰胺的N?H 伸縮振動峰，說明多巴胺成功包裹在了凹凸棒上。而在負(fù)載上毒死蜱后，PA 的N?H 吸收峰卻消失了，這可能是由于毒死蜱與PA 的 ?NH2發(fā)生靜電相互作用引起的，表明毒死蜱吸附在了PA 的表面[20]。當(dāng)水凝膠形成時，3450 cm?1和1636 cm?1處的 ?OH 和C=O 鍵吸收峰大大增強(qiáng)，并且在1405 cm?1處出現(xiàn)了海藻酸鈉的特征基團(tuán) ?COO?的對稱拉伸[8]，而在2928 cm?1處新出現(xiàn)的峰與聚合物鏈中亞甲基的C?H 伸縮振動有關(guān)[21]。

圖8 ATP、PA、PA-CPF、CPF 和PRCH 的紅外光譜圖Fig. 8 IR spectra of ATP, PA, PA-CPF, CPF and PRCH

2.3 PRCH 的釋藥性與溶脹率

2.3.1 釋放動力學(xué) 本研究采用Korsmeyer-Peppas 模型來對累積釋放曲線進(jìn)行擬合，表2 為擬合的相關(guān)參數(shù)。在pH 值為5.5 的介質(zhì)中，釋藥特性指數(shù)n在0.43～0.85 之間，為Non-Fickian 擴(kuò)散機(jī)制，說明藥物的自身擴(kuò)散和水凝膠的溶脹降解是同步進(jìn)行的[27]。在pH 值為7 的介質(zhì)中，n值為1.168，屬于Case-II 類Fickian 傳輸機(jī)制，說明水凝膠裂解的速率在藥物傳輸過程中占主導(dǎo)作用；而在pH 值為8.5 的磷酸鹽緩沖液中n值為0.3386，屬于Case-I 類Fickian 傳輸機(jī)制，說明毒死蜱的擴(kuò)散速率大于水凝膠的裂解速率，藥物自身的擴(kuò)散在毒死蜱的釋放過程中起主導(dǎo)作用[28]。

表2 PRCH 在pH 值為5.5、7.0 和8.5 的3 種介質(zhì)中毒死蜱的累積釋放曲線擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of cumulative release curves of chlorpyrifos by PRCH at pH 5.5, 7.0 and 8.5

2.3.2 控釋性能與溶脹率 溶脹行為是藥物傳遞系統(tǒng)的重要特性，它對藥物的釋放有著很大的影響。在一定體積的磷酸鹽緩沖溶液模擬釋藥介質(zhì)中，毒死蜱的釋放是從溶脹的水凝膠中擴(kuò)散出來的。制約毒死蜱從海藻酸鈣水凝膠中釋放的兩個重要因素是藥物自身的擴(kuò)散和水凝膠的溶脹裂解[27]。

圖9a 和9b 為PRCH 在3 種磷酸鹽緩沖液中的溶脹率和累積釋放率曲線圖，圖9c 為24 h 內(nèi)不同pH 值下PRCH 的動態(tài)變化。當(dāng)pH = 5.5 時，凝膠微球的溶脹率相對較小，PRCH 這時處于緊縮狀態(tài)，毒死蜱釋放也較少。這是因?yàn)楹Ｔ逅徕}的 ?COO?基團(tuán)轉(zhuǎn)化為 ?COOH 基團(tuán)，羧基之間存在的氫鍵導(dǎo)致聚合物-聚合物之間的作用力強(qiáng)于聚合物-緩沖液之間的作用力占主導(dǎo)地位[8]，因此這些基團(tuán)之間的靜電斥力減小，分子鏈?zhǔn)湛s，導(dǎo)致水凝膠的溶脹率低 (圖9b 和9c)，從而鎖住PA-CPF導(dǎo)致毒死蜱的釋放率較小 (圖9a)。pH 值增加到7.0 時，溶脹率開始增大，PRCH 已經(jīng)有部分結(jié)構(gòu)坍塌，釋放出少量毒死蜱。因?yàn)檫@時 ?COOH 基團(tuán)開始解離，由于緩沖液中游離的H+濃度較高，滲透壓增加，促進(jìn)水分吸收，導(dǎo)致 ?COO?之間的靜電斥力增加[7]，此時水凝膠溶脹率能達(dá)到原水凝膠的15%左右。圖9c 可以看出，pH=7.0 時溶液在8 h 開始變得渾濁，同時水凝膠部分坍塌釋放出包裹在其中的部分凹凸棒和毒死蜱，最后能達(dá)到60% 左右的釋藥率。當(dāng)pH 值升高到8.5 時，由圖9b 可以看出，水凝膠在8 h 迅速溶脹，并在12 h 時已經(jīng)完全破裂，大大加速藥物的擴(kuò)散。同時圖9a 發(fā)現(xiàn)，在5～20 h 內(nèi)，毒死蜱的累積釋放率迅速增加，并在24 h 后穩(wěn)定達(dá)到80%以上，最大能達(dá)到89%的釋放率。因?yàn)樵趬A性溶液中羧酸鹽離子之間的靜電斥力取代羧基基團(tuán)間的氫鍵作用，引起分子鏈的松弛，海藻酸鈣的親水性增加，分子鏈伸展，水凝膠迅速溶脹到原來的23%，微球表面的結(jié)構(gòu)迅速坍塌，吸附在水凝膠內(nèi)部的農(nóng)藥在濃度差的驅(qū)動下迅速擴(kuò)散到外部介質(zhì)中[9]。隨著時間的推移，毒死蜱從凝膠網(wǎng)絡(luò)空隙向緩沖溶液擴(kuò)散的難度越來越大，導(dǎo)致毒死蜱釋放速度減慢，直至慢慢平衡。

圖9 PRCH 在pH = 5.5、7.0、8.5 條件下CPF 累積釋放率(a)以及溶脹率(b)，PRCH 在3 種pH 緩沖溶液中的狀態(tài)圖(c)Fig. 9 CPF cumulative release rates (a) and swelling rates (b) of PRCH in buffer solutions with pH = 5.5, 7.0, and 8.5,and digital photos of PRCH in buffer solutions with different pH values (c)

2.4 穩(wěn)定性

考慮到大多數(shù)農(nóng)藥在施用于農(nóng)作物和雜草時都會經(jīng)歷變溫場景和強(qiáng)烈的太陽輻射，因此研發(fā)的制劑在紫外線和不同溫度條件下的穩(wěn)定性能尤為重要。本研究將PRCH 和毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品放置在紫外燈下照射223 h，由圖10a 發(fā)現(xiàn)，PRCH 中的毒死蜱降解率不到5%，在紫外照射下基本不發(fā)生降解，而沒有水凝膠包裹，直接暴露在紫外線下的毒死蜱降解率超過了50%。由此表明，海藻酸鈣凝膠可以顯著提高毒死蜱的光穩(wěn)定性，有效地防止了毒死蜱的光解，而PRCH 水凝膠中毒死蜱對紫外線的屏蔽作用，可能是由于海藻酸鈣水凝膠能夠吸收或反射紫外線，能將其保護(hù)起來免受紫外光的分解[5]。而將兩者放置在45、25 和5 ℃3 個不同溫度的環(huán)境中 (圖10b、圖10c、圖10d)，發(fā)現(xiàn)毒死蜱在45 ℃降解了40%左右，在25 ℃、5 ℃時降解率都超過了50%，而PRCH 則基本不發(fā)生降解，保持了很好的穩(wěn)定性。綜上所述，水凝膠PRCH 相比于毒死蜱標(biāo)準(zhǔn)品表現(xiàn)出更好的紫外穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性。這將延長毒死蜱的持效期，讓其能穩(wěn)定的達(dá)到藥效。

3 結(jié)論

1) 本研究使用多巴胺修飾的凹凸棒負(fù)載毒死蜱，采用外源擠出法制備了多巴胺改性凹凸棒/毒死蜱/海藻酸鈣復(fù)合水凝膠 (PRCH)。其對毒死蜱的負(fù)載率高達(dá)85%，在緩沖溶液中隨著堿性增強(qiáng)，PRCH 釋放毒死蜱的速率增高，成功地實(shí)現(xiàn)了水凝膠體系的pH 響應(yīng)性。

2) 在pH = 5.5 的介質(zhì)中，毒死蜱從水凝膠PRCH中釋放出來的行為遵循Non-Fickian 擴(kuò)散機(jī)制，說明藥物的自身擴(kuò)散和水凝膠的溶脹降解是同步進(jìn)行的；在pH = 7.0 時，屬于Case-II 類Fickian 傳輸機(jī)制，說明藥物傳輸過程中占主導(dǎo)作用的是水凝膠裂解的速率；而在pH = 8.5 時，毒死蜱釋放行為屬于Case-I 類Fickian 傳輸機(jī)制，藥物自身的擴(kuò)散起著主導(dǎo)作用，但水凝膠的快速裂解加速了毒死蜱的擴(kuò)散。

3) 由多巴胺、凹凸棒和海藻酸鈣構(gòu)建的水凝膠PRCH 可實(shí)現(xiàn)對毒死蜱很好的包埋，提高其在紫外光和不同溫度下的穩(wěn)定性，其只在堿性條件下對環(huán)境作出特定的響應(yīng)，從而釋放出毒死蜱。因此，PRCH 有效地提高了毒死蜱的持效期。這種綠色環(huán)保，高效負(fù)載、特定響應(yīng)的緩釋體系在提高傳統(tǒng)農(nóng)藥穩(wěn)定性和防治效果等方面具有良好的應(yīng)用前景。