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农药快讯：2014年第14期
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引入一种新的方法制备农药微胶囊

作者：山东农大农化研究所廖科超路福绥更新时间：2014-07-17 点击量：1951

    20世纪50年代B. K. Green在研究第一代无碳复写纸时使用凝聚法制备了包含染料的微胶囊，这标志着微胶囊技术的开始。进入21世纪，微胶囊技术的研究进展加快，已被广泛地用于医药、食品、化妆品、建材等很多领域，微胶囊是以高分子材料作为囊壁或囊膜，通过物理或物理化学方法将作为囊芯的活性物质（固体、液体或气体）包裹起来，形成一种具有半渗透性囊膜的微型胶囊。其具有保护囊芯材料免受环境影响、屏蔽气味、降低毒性等作用。上世纪60年代大量化学农药开始使用，特别是有机氯和有机磷农药。进入70年代后化学农药的污染问题越来越被重视，降低毒性、减少污染、保护环境的理念被提出来。同时减少有机溶剂的用量、减少喷药次数、提高农药的利用率成为化学农药研究的重要课题，农药微胶囊制剂就是在这种趋势下出现的。最早的农药微胶囊产品是1974年Pennwalt公司开发的甲基对硫磷微胶囊，投入市场后非常畅销。从那时起微胶囊悬浮剂作为农药的缓释剂型被广泛认可，我国与上世纪70年代后期开始引入农药微胶囊制剂，先后有对硫磷、倍硫磷等商品化。近年来随着我国农药政策的调整，微胶囊悬浮剂进入了一个快速发展的时期。
1 常用微胶囊制备技术的特点
    目前，有关农药微胶囊的制备仍以界面聚合法、原位聚合法、凝聚法为主。界面聚合法是囊壁成膜反应发生在互不相溶的油水两相界面上，该方法的基本过程是将成膜反应所需要的油溶性高分子单体和原药一起溶解在有机溶剂中，再向此有机相中加入乳化剂和水，剪切乳化形成水包油乳状液。再添加水溶性的高分子单体。两个单体在药物颗粒的两相界面发生缩聚反应，形成包覆活性成分的聚合物薄膜。该方法的优点是：加工工艺简单，条件温和，易于实现工业化生产；但是不足之处是：该方法使用的囊壁材料主要是聚脲聚酰胺聚胺酯等。这些单体的毒性比较大，形成的囊壁很难在液体农药中溶解，某些副反应还会使得囊芯性能被破坏或失去生物活性，制备过程中有些农药需要使用大量有机溶剂，生产成本较高。
    原位聚合法的原理是将囊材溶解在连续相中，通过改变条件使成囊材料沉淀在两相的界面上。为了简化制备工艺和节约成本，一般采用成本较低的尿素—甲醛预聚体（脲醛树脂）或者三聚氰胺—甲醛预聚体（密胺树脂）作为囊壁材料。该方法制备的微胶囊其刚性及韧性均较好，所得微胶囊不易被压破，且具有良好的密封性和防透水性。此方法的缺陷是容易产生絮凝问题，难以控制农药的释放速率，而且单体中的甲醛容易残留，对周围环境和人体健康易产生危害。
    凝聚法是由两种或者多种带有相反电荷的线性无规则聚合物作囊壁材料，首先将囊芯物分散在囊壁材料的的水溶液中，在适当的条件下使得相反电荷的高分子材料静电吸附。这就导致了溶解度的降低并产生了相分离，形成了凝聚胶体相和稀释胶体相。这种凝聚现象称为复凝聚。此法是经典的微胶囊化方法，操作简单，适用于难溶性药物的微胶囊化，但是其相分离的条件不易控制，试验重复性差，且制备中一般会使用明胶，当干燥时囊壁紧缩，会使微胶囊中的部分芯材释放到囊外，而在潮湿时囊壁材料被润胀，又会使得芯材在短期内释放，因此难以保证农药活性的持久性。虽然这些方法推动了农药微胶囊技术的发展，但是由于他们潜在的缺点也制约了进一步创新，使得农药微胶囊的发展遇到了瓶颈。这也就急待要求我们寻找一些新的思路去研究。
2 层层自组装技术
2.1 层层自组装技术简介
    上个世纪90年代后期，一种新的微胶囊制备技术引起了人们的广泛注意，现今已成为微胶囊制备的一个重要方法。利用静电引力自组装技术，在合适的模板上，层层沉积电荷相反的聚电解质，然后得到纳米或微纳米的微胶囊。由于这种微胶囊技术可以对胶囊的囊壁进行符合要求的改变，这也使得越来越多的研究人员进入这一领域。但到目前为止，层层自组装技术广泛地应用于医药领域微胶囊的制备，它是先将模板颗粒带上电荷，然后加入含带不同电荷的聚电解质，这样就会在模板颗粒表面过饱和吸附。再加入含另一电荷的聚电解质，又会过饱和吸附。这样吸附几次之后就会在模板表面形成符合要求的聚电解质囊膜。层层自组装技术具有一下优点：① 制备方法简单。只需将离子化的基底交替侵入带相反电荷的聚电解质溶液中，静置一段时间即可，整个过程不需要复杂的仪器设备。② 吸附层的厚度在纳米尺寸范围内可以精确地调控。可以通过改变沉积的聚电解质的层数来改变膜的厚度。③ 豆膜的选择不受基底的影响。也就是说不同的农药可以有通用的囊壁材料。
2.2 层层自组装技术研究进展
    层层自组装法是利用超分子静电自组装原理，通过静电引力的作用依次吸附带相反电荷的聚电解质，从而形成具有多种功能的超薄膜。该法制备工艺简单，通过简单的交替浸涂技术就可实现在材料表面的分子组装；同时，制备条件温和，在常温水溶液中就可以进行，从而有利于保持生物分子具有维持生物活性功能的天然构象。国内外对其用在医药微胶囊的研究比较多，意大利的S. Manju. K.通过使用聚四苯乙烯磺酸钠和聚乙烯亚胺制备空心微胶囊来组装天然抗癌药物姜黄素。通过测定其Zeta电势，电镜下的观察和细胞毒性实验得出，由该法制备的医药微胶囊的控释效果非常好。南开大学的Zhao Zixiao和日本Tohoku大学的Junichi Anzai科研小组致力于研究将将一些具有活性的的酶吸附在碳酸钙粒子上，然后分别通过聚烯丙胺和聚苯乙烯磺酸钠层层吸附，这样就形成了包裹碳酸钙和活性酶复合体的微胶囊。可以再通过乙二胺四乙酸将碳酸钙溶解掉就形成了只包含活性酶的微胶囊。法国的Univ Lille通过使用Zeta电势变化作为检测成膜过程的手段，研究了油在水中乳化过程中通过静电引力将聚阳离子壳聚糖和聚阴离子SDS层层沉降在油微粒的表面形成微胶囊。
    关于层层组装技术，目前主要用在医药微胶囊和高分子材料方面，而用于农药微胶囊只有北京化工大学的赵静老师研究过使用壳聚糖和木质素磺酸钠制备阿维菌素微胶囊的制备方法。
2.3 层层自组装的工艺研究
    根据文献报道，以胶体粒子为模板的层层自组装技术的方法主要有3种：
    （1）离心分离法，先向农药悬浮液中加入过量的、与其表面电荷极性相反的聚电解质，利用静电引力作用在农药微粒的表面吸附一层聚电解质层。离心除去多余的聚电解质，并用去离子水洗涤干净；然后加入带有相反电荷的聚电解质，利用静电引力作用再吸附上一层聚电解质层，再离心并洗涤干净。重复上面的操作，使带相反电荷的聚电解质在胶体粒子表面交替吸附，形成多层膜，从而制备出以胶体粒子为囊芯，聚电解质多层膜为囊材的微胶囊。
    （2）连续吸附法。该方法和上一方法的原理相同，只是优化了实验过程，使其用作农药微胶囊的制备更加可行。先向农药悬浮液中加入适量的、与其表面电荷极性相反的聚电解质，利用静电吸引作用在胶体粒子的表面吸附一层聚电解质层。要求加入的聚电解质的量比其在胶体表面吸附的饱和量略大或相当（该过程可以通过Zeta电势控制）。然后再向悬浮液中加入适量的、与初始胶体粒子表面电荷极性相同的聚电解质，利用静电引力作用在胶体粒子的表面再吸附一层聚电解质层。重复上面的操作，使带不同电荷的聚电解质在胶体粒子表面吸附，形成多层膜。
    （3）膜过滤法。该方法就是以膜过滤代替离心分离胶体粒子与聚电解质溶液。需要一个底部含有滤膜的反应室和抽真空装置。具体方法如下：首先将农药悬浮液和与其电荷相反的聚电解质加入到反应室中，利用静电引力作用在胶体粒子表面吸附一层聚电解质层。在聚电解质吸附完成以后，在反应室抽真空而使聚电解质溶液滤出反应室，随即洗涤粒子。然后再加入与胶体粒子电性相反的聚电解质溶液，重复上面的操作。
3 展望
    进入21世纪，随着人们安全知识和环保意识的不断增强，研究和开发水性粒状缓释多功能、省力化和精细化的农药新剂型已成为国内外的热点，微胶囊农药技术含量高，具有持效期长、缓释、毒性低、安全、方便等特点，正逐步成为农药新剂型的一个重要发展趋势。
    层层自组装技术已广泛地应用于医药微胶囊的制备中，由于其技术含量相对来说比较高，在农药微胶囊的制备方面还没有普及。但是由于对现有的农药微胶囊的制备方法的研究已到了瓶颈时期，这就急需要引入新的方法来制备农药微胶囊。随着研究人员对层层自组装技术研究的不断深入，不断优化技术路线，我们相信以该技术所具有的无法比拟的优点，在不久的将来必将成为一种新的农药微胶囊制备方法。

农药快讯, 2014 (14): 53-54.

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