豚草提取物脲醛樹脂微膠囊制備與表征

包 穎，趙 楊，張欣倩

(1.吉林省林業(yè)技術(shù)推廣站，吉林 長春 130022;2.淄博市野生動植物保護(hù)站，山東 淄博 255095;3.淄博市林業(yè)科學(xué)研究所，山東 淄博 255000)

豚草(Ambrosia artemisiifolia L)屬菊科(Asteraceae)豚草屬(Ambrosia)有花植物，有長豚草和短豚草之分，是全球性公害植物。能夠使人引起過敏反應(yīng)的主要為短豚草花粉。短豚草屬1a 生草本植物，因其高傳播率而遍布北美、加拿大及歐洲大部分地區(qū)，在北美地區(qū)發(fā)現(xiàn)了廣泛分布的17 個種［1］。豚草已廣泛分布于我國東北、華北、華中和華東等地近20 個省(市)［2］，是我國重點防治的外來有害生物之一。許多研究者對豚草的綜合防治進(jìn)行研究，但近些年研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)豚草提取物具有一定的殺蟲效果。N.A.El－Ela 等人的研究發(fā)現(xiàn)，沿海豚草粗提取物中含有具殺蟲作用效果的物質(zhì)，并檢測到其對1 ～3 齡尖音庫蚊有一定殺蟲效力［3］。L.M.Abou Basha 等人的研究結(jié)果表明，使用一定質(zhì)量濃度的沿海豚草提取物會對椎實螺蝸牛產(chǎn)生致死作用［4］。P. H. Wang 等人從豚草地上部分分離出三種倍半萜烯內(nèi)酯，試驗表明均具有能夠殺死軟體動物的活性［5，6］。目前為止已有的研究結(jié)果證實，豚草可以作為低毒植物源殺蟲劑使用，且安全性要高于化學(xué)農(nóng)藥［7］。然而植物源殺蟲劑在使用過程中極易受溫度、光照等外界條件影響失去生物活性，從而降低藥效。微膠囊劑是新型的環(huán)境友好型劑型，能夠緩慢釋放、延長藥效。以水取代二甲苯作為助劑，使毒副作用降低［8］。作者以豚草提取物為囊芯物質(zhì)，以脲醛樹脂為囊壁材料，采用原位聚合法制備豚草提取物脲醛樹脂微膠囊，并對制得的微膠囊劑進(jìn)行性能表征，旨在為其推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為進(jìn)一步研制高效、低毒、安全的植物源微膠囊劑提供參考。

1 試驗材料、試劑和儀器

材料:豚草提取物(自制)［6～9］，尿素(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。

試劑:甲醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.03%，分析純)、丙酮(質(zhì)量分?jǐn)?shù)58.08%，分析純)、Tween－80(質(zhì)量分?jǐn)?shù)74.92%，分析純，AMRESCO)、戊二醛(質(zhì)量分?jǐn)?shù)100.12%，分析純)、冰乙酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)60.05%，分析純)、氫氧化鈉(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，分析純)、乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%，分析純)、去離子水。以上試劑除Tween－80 外均為國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品。

儀器:高速粉碎機(jī)(RT－12)，超聲波清洗機(jī)(FRQ－1004HT)，平行蒸發(fā)儀(V－700)，磁力攪拌器(SZCL－A)，高速離心機(jī)(D－37520)，冷凍干燥機(jī)(LL3000)，電子顯微鏡(OLYMPUS BX51TF)，電子掃描顯微鏡(QUANTA200)，紫外分光光度計(CARY 100)，激光粒度分析儀(BT－9300H)［6～9］。

2 試驗方法

2.1 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊懸浮液的制備

稱取一定質(zhì)量尿素和甲醛溶液于燒杯中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 至8 ～9，在攪拌速度200 r·min－1、70℃條件下反應(yīng)1h，制得脲醛樹脂預(yù)聚體。

稱取一定質(zhì)量豚草提取物活性物質(zhì)，與乙醇溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%)1∶10 體積比混合;加入一定質(zhì)量Tween－80(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%)，置于磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，攪拌速度控制在低速400 ～600 r·min－1之間，制成豚草提取物懸浮液。將已制好的脲醛樹脂預(yù)聚體緩慢倒入豚草提取物懸浮液中，邊倒邊攪拌，同時將溫度緩慢升至45℃恒溫;使用冰乙酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)調(diào)節(jié)體系pH 至2 以下，繼續(xù)攪拌進(jìn)行一段時間乳化反應(yīng);加入一定質(zhì)量去離子水，再繼續(xù)反應(yīng)一段時間后，加入固化劑戊二醛溶液1 mL 并調(diào)節(jié)體系pH 值至8 ～9;同時對溶液進(jìn)行緩慢降溫處理，固化1 h 后，取出微膠囊溶液進(jìn)行離心，設(shè)置轉(zhuǎn)速3 000 r·min－1，離心10 min;離心結(jié)束后取出上清液，用去離子水將離心管下方沉淀洗滌并抽濾;將最后得到的微膠囊置于冷凍干燥機(jī)內(nèi)干燥，干燥完成后的物質(zhì)為豚草提取物微膠囊粉末，置于室溫下保存即可［10，11］。

2.2 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊的包封率

取一定質(zhì)量的豚草提取物質(zhì)分別配制成5個質(zhì)量濃度的溶液，使用乙醇溶液作為空白對照，利用紫外分光光度計在660 nm 波長條件下測其吸光度A，以A 對質(zhì)量濃度C 進(jìn)行線性回歸處理，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。將制備完成的微膠囊懸浮液離心后，取其上清液1 mL 稀釋(上清液里含有游離的未被包覆的豚草提取物);取適量稀釋液于比色皿中，置于紫外分光光度計進(jìn)行測定，重復(fù)3 次;使用紫外分光光度計測定其在660 nm 處的吸光度A，根據(jù)得出的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算出未被包覆的豚草提取物的含量，然合計算出包封率。

微膠囊的包封率(A.E.)計算公式如下:

式中:W1—芯材總量;

W2—微膠囊表面未被包覆的芯材總量［6 ～9］。

2.3 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊正交試驗

豚草提取物脲醛樹脂微膠囊制備過程中，首先采用原位聚合法制得脲醛樹脂預(yù)聚體，其次制成豚草提取物脲醛樹脂微膠囊懸浮液，此制備工藝中，尿素與甲醛質(zhì)量比、芯壁比、酸化時間和乳化時間等條件都會對微膠囊的形態(tài)及性能產(chǎn)生影響。因此，本試驗利用軟件設(shè)計L9(34)正交試驗(見表1)，篩選出最優(yōu)化的配 比方案，并檢驗每個因素對于成囊的影響大小。

表1 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊正交試驗設(shè)計Tab.1 The orthogonal experimental design of Ambrosia artemisiifolia extractive urea resin microcapsule

表2 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊正交試驗結(jié)果Tab.2 The orthogonal experimental result of Ambrosia artemisiifolia extractive urea resin microcapsule

2.4 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊形態(tài)特征

取制備好的豚草提取物脲醛樹脂微膠囊懸浮液少許，置于載玻片上，在電子顯微鏡下觀察，并用電腦拍下照片。將制備完成的微膠囊劑經(jīng)干燥處理成為粉末狀后，首先取少量粉末，均勻地平鋪于直徑為1 cm 觀察臺上，樣品薄薄一層即可，切不可過多過厚，否則影響觀察效果;再次進(jìn)行噴金處理，掌握好處理時間;最后將處理后的樣品緩慢置于掃描電子顯微鏡里，通過電腦觀察豚草提取物微膠囊外部形態(tài)特征并拍下照片。

2.5 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊粒徑分布

利用激光粒度分布儀測定粒徑分布，將制好的微膠囊懸浮液攪拌均勻后，加水稀釋，取適量倒入充滿水的反應(yīng)器里，先進(jìn)行超聲處理，同時觀察濃度變化，待體系穩(wěn)定后繼續(xù)加樣品，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時開始測定數(shù)據(jù)。得到粒徑分布曲線、中位徑及粒徑分布區(qū)間。

2.6 豚草提取物微膠囊的緩釋試驗

分別取一定質(zhì)量豚草提取物和制備好的豚草提取物微膠囊劑，將兩種樣品分別放入透析袋里，將兩個裝有樣品透析袋分別置于盛有有機(jī)溶劑乙醇的燒杯里，封口。每天從兩個裝有樣品透析袋的燒杯里取適量溶液，并同時注入等量乙醇有機(jī)溶劑，來維持整個體系體積。將每天取出的溶液置于紫外分光光度儀，在660 nm波長條件下測其吸光度A，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線方程計算出樣品每天的釋放量，連續(xù)測定21 d，最后繪制釋放曲線，將二者試驗結(jié)果做比較分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊正交試驗

豚草提取物脲醛樹脂微膠囊正交試驗結(jié)果見表2。

從表2 中可以看出，制備豚草提取物脲醛樹脂微膠囊最優(yōu)配比方案為A3B3C1D2，即尿素與甲醛質(zhì)量比1∶2.5，芯壁比1∶2，酸化時間1 h，乳化時間80 min。四因素中對成囊影響由大到小排列順序為尿素與甲醛質(zhì)量比＞酸化時間＞芯壁比＞乳化時間。

3.2 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊形態(tài)特征

豚草提取物脲醛樹脂微膠囊外部形態(tài)特征如圖1、圖2 所示。

圖1 光學(xué)顯微鏡成像Fig.1 Optical microscope imagery

圖2 掃描電子顯微鏡成像Fig.2 Scanning electron microscope imagery

從圖1、圖2 中可以看出，微膠囊大小基本一致、形狀規(guī)則、排列整齊、表面光滑、無多余雜質(zhì)、包覆完全。微膠囊外部形態(tài)不規(guī)則、不飽滿，壁材所占比例會變大，既造成壁材和芯材的浪費，也會影響成囊大小和包封率，微膠囊成囊的形狀是否規(guī)則直接影響微膠囊的性能和效果，進(jìn)而影響藥效。過多雜質(zhì)出現(xiàn)說明微膠囊制備過程中體系不穩(wěn)定，原位聚合試驗中沒有更好地完成聚合反應(yīng)，或是離心過程中沒有將雜質(zhì)完全去除。雜質(zhì)出現(xiàn)時應(yīng)考慮改變反應(yīng)條件，使聚合反應(yīng)充分，盡量減少雜質(zhì)形成。

3.3 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊粒徑分布

豚草提取物脲醛樹脂微膠囊粒徑分布如圖3 所示。

圖3 豚草提取物脲醛樹脂微膠囊粒徑分布Fig.3 The particle size distribution of Ambrosia artemisiifolia extractive urea resin microcapsule

從圖3 中可以看出，粒徑分布集中，有極少的大粒徑微膠囊出現(xiàn)。中位徑為18.56 μm，大部分粒徑分布在19.34 ～32.09 μm 之間。粒徑分布檢測是評價微膠囊制備是否成功的一個重要指標(biāo)，粒徑不宜過大也不宜過小，過大不利于微膠囊藥物的緩釋作用，也會造成試驗材料的浪費;過小會影響微膠囊的包封率，也會形成雜質(zhì)，同時也會使體系不穩(wěn)定，十到幾十微米的粒徑大小均符合微膠囊成囊最佳粒度，本試驗制備的豚草提取物脲醛樹脂微膠囊絕大部分均符合要求［12］，另外，極小與極大顆粒均占很少部分，說明本試驗制備過程中原位聚合反應(yīng)完全，壁材和芯材充分利用，雜質(zhì)極少出現(xiàn)。

圖4 豚草提取物與豚草提取物脲醛樹脂微膠囊緩釋試驗結(jié)果Fig.4 The controlled－release experiment result of Ambrosia artemisiifolia extractive and Ambrosia artemisiifolia extractive urea resin microcapsule

3.4 豚草提取物微膠囊的緩釋試驗

從圖4 中可以看出，豚草提取物的釋放速度較快，試驗期間樣品的質(zhì)量不斷下降，而豚草提取物脲醛樹脂微膠囊釋放速度緩慢，試驗結(jié)束后失重約28%，而豚草提取物失重高達(dá)89%。由此可以看出，豚草提取物與豚草提取物脲醛樹脂微膠囊開始時緩放速率均較快，但隨時間延長，豚草提取物釋放速率變快，極易降解、流失，而豚草提取物脲醛樹脂微膠囊由于有囊皮材料的保護(hù)起到緩慢釋放作用，這樣能夠使藥效更持久，可以免受外界環(huán)境的影響而失活。

一般來說，藥劑從微膠囊中釋放出來都符合封閉—滲透釋放機(jī)理，即農(nóng)藥通過滲透或擴(kuò)散作用穿過聚合物膜，然后從表面解吸進(jìn)入外部環(huán)境，釋放速度受擴(kuò)散控制，如果膠囊內(nèi)藥劑的熱力學(xué)性質(zhì)保持穩(wěn)定，則農(nóng)藥的釋放速度由Fick，s 的第一定律得出［13］。

式中:Jt—釋放速度;

A—微膠囊的外表面積;

h—膠囊壁厚;

D—藥在聚合物中的擴(kuò)散系數(shù);

△C—膠囊壁內(nèi)外表面上農(nóng)藥的濃

度差。

對某一特定的微膠囊，A，h，D 均一定，當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時，△C 為定值，所以Jt也一定，即釋放速度為常數(shù)［12］，即圖4 中豚草提取物脲醛樹脂微膠囊應(yīng)形成直線，本試驗中豚草提取物脲醛樹脂微膠囊緩釋曲線雖然很平緩，但未達(dá)到直線水平，沒有完全符合微膠囊農(nóng)藥釋放機(jī)理，今后研究中應(yīng)致力于如何改變成囊條件來完善微膠囊劑的緩釋性能及探求影響微膠囊劑緩釋性的因素，

4 結(jié)論與討論

試驗以豚草提取物為囊芯物質(zhì)，脲醛樹脂為囊壁材料，采用原位聚合法制備豚草提取物脲醛樹脂微膠囊，通過正交試驗得到豚草提取物脲醛樹脂微膠囊最優(yōu)配比方案為尿素與甲醛質(zhì)量比1∶2.5，芯壁比1∶2，酸化時間1 h，乳化時間80 min。其中，四因素對成囊影響由大到小排列順序為尿素與甲醛質(zhì)量比＞酸化時間＞芯壁比＞乳化時間。從光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡成像顯示微膠囊形狀規(guī)則、表面光滑、無雜質(zhì)、包覆完全。微膠囊中位徑為18.56 μm，大 部 分 粒 徑 分 布 在 19. 34 ～32.09 μm之間。從豚草提取物與豚草提取物脲醛樹脂微膠囊緩釋試驗結(jié)果可以看出，制得的微膠囊劑緩釋效果優(yōu)于豚草提取物。

目前，國內(nèi)外對于脲醛樹脂微膠囊制備涉及化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、生物、農(nóng)藥等方面，如Y.T.Wang 和H. L.Guo 等人利用脲醛樹脂將一種電子墨水制備成微膠囊劑應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域［14，15］，H. Guo 等人利于原位聚合法，以脲醛樹脂為材料制備對電場有懸浮體反應(yīng)的功能性微膠囊綜合體［16］，R. Gong 等人利用脲醛樹脂磁性微球和二氧化硅微球，用于提取人類DNA基因組［17］，張大俠制備脲醛樹脂微膠囊應(yīng)用于農(nóng)藥研制［18］，韓志任等人制備阿維菌素脲醛樹脂微膠囊并討論其緩釋性［19］等。目前利用脲醛樹脂微膠囊制備植物源農(nóng)藥方面的研究還鮮少。與其他方法相比較，使用脲醛樹脂作為囊壁材料，利用原位聚合法制備農(nóng)藥微膠囊劑方法簡便、易制取、易儲藏，應(yīng)大力推廣并使之用于新型農(nóng)藥制備。其中，植物源農(nóng)藥制備工藝還有待于改善，緩釋性能的穩(wěn)定性還有待加強(qiáng)，其性能表征需更加細(xì)化?？傊槍Υ祟I(lǐng)域的研究還有很廣闊的空間，進(jìn)一步拓展植物源農(nóng)藥微膠囊劑的研制仍是未來研究方向。

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