農(nóng)藥微膠囊性能表征方法研究現(xiàn)狀

廖科超，路福綏

（1.山東農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，山東泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學化學與材料科學學院，山東泰安 271018）

◆專論與綜述◆

農(nóng)藥微膠囊性能表征方法研究現(xiàn)狀

廖科超1，路福綏2

（1.山東農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，山東泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學化學與材料科學學院，山東泰安 271018）

介紹了制備農(nóng)藥微膠囊需要表征的主要性能指標，以及影響這些指標的因素。系統(tǒng)總結(jié)了微膠囊載藥量、包封率和緩釋性能方面表征方法的研究現(xiàn)狀，對農(nóng)藥微膠囊表征指標的制定有一定的意義。

微膠囊；包封率；載藥量；緩釋性能；研究現(xiàn)狀

微膠囊技術(shù)是指利用天然或者人工合成的高分子材料形成核—殼結(jié)構(gòu)將農(nóng)藥活性成分包裹在其中，使其與外界環(huán)境隔離的技術(shù)?；钚猿煞挚梢允枪腆w原藥顆粒、液體原藥液滴，或固體原藥溶解在溶劑中形成的溶液，以及分散在油相中形成的油懸浮體系。從使用角度來說，將農(nóng)藥制備成微膠囊具有3個方面的作用:1）緩釋、控釋作用。緩釋能夠延長農(nóng)藥的持效期，減少農(nóng)藥的施用頻率和劑量，從而提高農(nóng)藥的利用率，降低對環(huán)境的壓力；控釋是根據(jù)病蟲草害的發(fā)病周期調(diào)節(jié)囊壁的厚度或者破囊方式，使其在發(fā)病初期就能達到最大釋放量，從而實現(xiàn)最優(yōu)的防治效果。2）提高了農(nóng)藥的穩(wěn)定性。有些農(nóng)藥原藥容易受到外界環(huán)境的影響而失去生物活性，將其微膠囊化之后，可以抑制外界環(huán)境如光、水、空氣、土壤微生物等對其的不利影響，還可以降低農(nóng)藥的揮發(fā)、流失速率，從而提高農(nóng)藥的穩(wěn)定性。3）可以降低農(nóng)藥的毒性，提高使用安全性。將農(nóng)藥加工成微膠囊制劑之后，能夠降低其急性毒性，從而減少對人畜的刺激、對有益生物的毒性和對環(huán)境的污染。

1 主要的微膠囊制備方法

目前工業(yè)上一般使用原位聚合法、界面聚合法和復(fù)凝法制備農(nóng)藥微膠囊。原位聚合法的原理是將囊材溶解在連續(xù)相中，通過改變條件使成囊材料沉積在兩相界面上。原位聚合法常用的壁材有脲醛樹脂和密胺樹脂，制備的微膠囊具有較好的剛性和韌性，能夠很好地將原藥包裹在微膠囊內(nèi)。該方法除了能夠包覆液體原藥，溶解在溶劑中的固體原藥之外，還可包覆固體顆粒。界面聚合法的成膜反應(yīng)發(fā)生在互不相溶的油水兩相界面上，將成膜反應(yīng)所需要的油溶性高分子單體和原藥一起溶解在有機溶劑中，向此有機相中加入乳化劑和水，剪切乳化形成水包油乳狀液，再加入水溶性的高分子單體。兩單體在藥物顆粒的兩相界面發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成包覆活性成分的聚合物薄膜。該方法可以制備液體原藥和溶解在溶劑中的固體原藥微膠囊。復(fù)凝法就是將囊芯物分散在囊壁材料水溶液中，在適當?shù)臈l件下使帶相反電荷的高分子材料在原藥顆粒表面形成靜電吸附。此法操作簡單，適用于難溶藥物的微膠囊化。

除了上述3種常用的微膠囊制備技術(shù)外，近年來一些新的微膠囊制備技術(shù)也逐步引入農(nóng)藥微膠囊的制備中。宋思思等[1]選用溶液共混法制備可降解的壁材（聚碳酸亞丙酯-聚乙二醇共混物），以噻蟲嗪和高效氯氰菊酯為芯材，采用溶劑揮發(fā)法制備了雙組分農(nóng)藥微膠囊。周斌等[2]根據(jù)靜電吸附原理，使用層層自組裝技術(shù)將帶有相反電荷的殼聚糖和木質(zhì)素磺酸鈉逐層吸附在阿維菌素原藥顆粒表面，制備了不同包覆層數(shù)的阿維菌素微膠囊。

2 微膠囊表征性能和研究現(xiàn)狀

2.1 外觀和囊壁厚度

微膠囊外觀是最基本、最直接的微膠囊性能表征。其外觀主要包括微膠囊的外觀形態(tài)和粒徑大小，其中外觀形態(tài)可以通過生物顯微鏡或者掃描電鏡直接觀察。囊芯物狀態(tài)不同，制備的微膠囊外形也會有差別。包裹的是固體顆粒，制備出來的微膠囊是原藥顆粒原有的外觀；包裹的是溶液或者油懸浮劑，制備的微膠囊是球形固體顆粒。合格的微膠囊應(yīng)該能夠均勻分散，不會出現(xiàn)粘連或者破囊現(xiàn)象。微膠囊的粒徑對微膠囊性能的影響也比較大，粒徑越大，載藥量就會越大，相應(yīng)的比表面積越小，釋放速率也會明顯減小。使用激光粒度分析儀可以測定微膠囊的粒徑分布和平均粒徑，一般來說，微膠囊的粒徑分布屬于正態(tài)分布，平均粒徑在2～5 μm。

微膠囊的囊壁厚度對緩釋性能起決定性的作用，微膠囊的囊壁非常薄，一般要小于0.1 μm。測量微膠囊囊壁厚度的方法比較多。馬濤等[3]采用徒手切片法，用掃描電鏡拍攝照片并計算其囊壁厚度。經(jīng)測定，所制微膠囊囊壁厚度為7～9 nm。廖科超等[4]使用層層自組裝技術(shù)制備了丁蟲腈微膠囊，制備過程中測定了不同組裝層數(shù)微膠囊的平均粒徑。丁蟲腈原藥顆粒的平均粒徑為11.02 μm，隨著組裝層數(shù)的增加，平均粒徑逐漸增大，包覆12層膜后的微膠囊平均粒徑達到14.56 μm，每層膜的厚度大約為0.3 μm。

2.2 載藥量、包封率研究現(xiàn)狀

載藥量是微膠囊中被包覆原藥的質(zhì)量占整個微膠囊的百分率。理論上來說，微膠囊的載藥量計算公式如式（1）。

但是在實際檢測中，為了簡化計算過程，通常根據(jù)微膠囊的定義使用公式（2）計算。

操作過程中測定方法不同，得到的結(jié)果也會有很大差異。肖俊俊等[5-7]在檢測各自制備的微膠囊載藥量過程中，直接將微膠囊干樣分散在溶劑中超聲破囊，通過液相或者紫外色譜測算出微膠囊干樣中原藥的質(zhì)量。使用該方法計算忽略了沒有被壁材包裹在囊芯內(nèi)，而是游離在微膠囊外的原藥，該方法測得的數(shù)值更確切的應(yīng)該叫做微膠囊中原藥有效成分含量。馬濤等[3，8-9]測定微膠囊載藥量過程中，在破囊之前先用溶劑淋洗微膠囊，直到將微膠囊外沒被包覆的原藥沖洗干凈之后再干燥作為微膠囊干樣，之后再破囊檢測微膠囊中原藥的含量，使用這種方法測算微膠囊載藥量更加準確。

包封率（包覆率）是微膠囊性能的另一個重要指標，指被包覆的有效成分質(zhì)量占原始有效成分質(zhì)量的百分率。包封率有多種不同的測定方法，方法不同，計算結(jié)果也有顯著差異。肖俊俊等[5]直接根據(jù)微膠囊的載藥量計算出包封率，公式如式（3）。

該方法不需要復(fù)雜的測量，通過載藥量就可以計算出相應(yīng)的包封率。但是該方法有一定的缺陷: 1）使用載藥量直接計算包封率得到的誤差可能會被放大；2）在微膠囊制劑中會有部分原藥沒有被包覆，本方法未考察以游離態(tài)存在于微膠囊外部的原藥。

董瑜等[7]在測定其制備的微膠囊包封率時，使用公式（4）。

使用該公式計算的前提條件是在微膠囊制備 過程中不會出現(xiàn)原藥的損耗，也就是說有效成分總投入量=囊外有效成分質(zhì)量＋囊內(nèi)有效成分質(zhì)量。如果制備過程中出現(xiàn)原藥損耗，該公式計算的結(jié)果就會不準確。

李北興、袁青梅等[8-9]充分考慮到制備的微膠囊中可能會存在未被包覆的原藥，故先將微膠囊用溶劑洗滌，之后再破囊測定微膠囊中有效成分的含量。該測定方法完全遵循了包封率的定義，具體的計算公式如式（5）。

馬濤等[3]使用如下公式（6）計算所制備微膠囊的包封率，該方法和董瑜等[5]使用的方法相似，但前提條件是微膠囊制備過程中不會出現(xiàn)原藥的損耗。如果制備過程中有損耗，那么計算出來的將不是包封率，而是微膠囊制劑中被包裹的原藥占所含原藥的百分率。

2.3 緩釋性能研究現(xiàn)狀

2.3.1 影響微膠囊緩釋性能的因素

微膠囊中活性成分的釋放通過2種機制實現(xiàn): 1）通過囊壁上的微孔擴散滲透，它依賴的是微膠囊內(nèi)外的濃度梯度，內(nèi)部蒸氣壓、滲透壓等，這對于微膠囊來說是最本質(zhì)的釋放；2）微膠囊破裂導致活性成分瞬間釋放，這種現(xiàn)象可能是由囊壁材料的生物降解或者光解造成，也可能受害蟲或者鼠類的咀嚼和踐踏而造成瞬間釋放。

微膠囊囊芯物的釋放速率受到多種因素的影響，可以分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素包括: 1）微膠囊粒徑。當壁材和囊壁厚度相同的條件下，微膠囊的粒徑越小，比表面積越大，囊芯物的釋放速率越大。2）囊壁厚度。當使用的壁材相同時，微膠囊的囊壁越厚，囊芯物向外擴散的路徑越長，釋放速率越小。3）囊芯物的特性。囊芯物的相對分子質(zhì)量和極性的不同會影響其在囊壁中的擴散系數(shù)，進而影響釋放速率。4）囊壁的理化性質(zhì)。不同材料制備的囊壁具有不同的理化性質(zhì)。例如，脲醛樹脂制備的微膠囊囊壁有許多孔洞，藥物的釋放速率較快。采用界面聚合法制備的囊壁是一層均勻致密的薄膜，空隙較小，釋放速率較脲醛樹脂微膠囊小。

除了微膠囊自身的因素外，微膠囊所在的緩釋條件對釋放速率也有一定的影響。

緩釋介質(zhì)中溶劑的比例。通常使用溶劑和水混合作為緩釋介質(zhì)，緩釋介質(zhì)中溶劑的比例越大，原藥的溶解度越大，釋放過程中微膠囊內(nèi)外的濃度梯度差就會越大，這樣就會導致微膠囊的釋放速率明顯提高。

釋放環(huán)境的溫度。微膠囊制劑會在不同的溫度條件下使用，溫度的不同對微膠囊的釋放速率也有一定的影響。升高溫度能顯著提高原藥穿透囊壁的速率，主要原因是隨著溫度的升高，囊壁材料以及原藥活性成分的分子運動都會加劇，且囊壁孔隙變大，同時溫度的升高也會增加緩釋介質(zhì)對原藥的溶解度。

釋放條件中鹽離子濃度。施藥過程中土壤的鹽離子濃度不可忽視，鹽離子能夠阻礙微膠囊的釋放。從2個方面解釋:1）當緩釋介質(zhì)中鹽離子濃度過高時，囊壁會收縮變得更加牢固，囊壁上孔隙變小，而且能夠降低比表面積，導致原藥滲透速率減緩，不利于藥物的釋放。2）隨著鹽離子濃度的增加，緩釋介質(zhì)的滲透壓也會相應(yīng)增加，也有可能導致原藥的釋放速率降低。

釋放條件的pH值。如果將微膠囊制劑作為土壤處理劑使用，土壤的酸堿性對微膠囊緩釋性能可能會有一定的影響，強酸性土壤的pH值在5左右，強堿性土壤的pH值在9左右。在不同pH值下微膠囊緩釋性能發(fā)生變化的原因有:1）當緩釋介質(zhì)的pH值發(fā)生改變后，微膠囊的囊壁受到了破壞；2）不同pH值的緩釋介質(zhì)對原藥溶解性有明顯差異。

2.3.2 微膠囊緩釋性能測定方法的研究現(xiàn)狀

關(guān)于農(nóng)藥微膠囊釋放速率的測定沒有嚴格、統(tǒng)一的標準，現(xiàn)階段一般是借鑒醫(yī)藥微膠囊或者其他方面的資料，根據(jù)實際情況選擇合適的測定方法。目前使用較為普遍的測定方法有靜態(tài)釋放法和動態(tài)釋放法。

靜態(tài)釋放法是將微膠囊置于緩釋介質(zhì)中，每隔一段時間取樣分析緩釋介質(zhì)中原藥含量的變化情況。根據(jù)測定過程中處理方法不同又分為培養(yǎng)法、透析袋法和土壤包埋法等。

培養(yǎng)法就是將微膠囊直接置于緩釋介質(zhì)中，每隔一段時間取上層清液進行測定，同時補足緩釋溶液。李佳等[10]采用該方法測定了制備的吡蟲啉微膠囊的緩釋性能。而章彬等[11]在每次取樣之前都將緩釋體系離心處理，雖然這種方法能夠避免取出的待測液中含有微膠囊，但是反復(fù)離心可能對緩釋體系具有一定的破壞，影響測定結(jié)果。為了解決這個問題，常選擇使用透析袋法來測定緩釋速率。袁青梅等[9]取一定量微膠囊制劑放置于自制的濾布小袋中，扎口，密閉，將小袋懸掛浸沒在盛有釋放介質(zhì)的錐形瓶中，間隔一定的時間吸取溶出液5 mL，并補充同溫等體積的釋放介質(zhì)，用紫外分光光度法測定溶出液中原藥的濃度，以此來確定微膠囊原藥的釋放量。但是透析袋可能會阻止有效成分擴散，為了避免破壞緩釋體系，田可[12]提出了使用熒光分光光度計作為檢測手段，通過測定熒光強度隨著時間的變化來研究微膠囊的緩釋性能。傅桂華等[13]提出了一種反向思維方法，稱取多份微膠囊樣品于緩釋介質(zhì)中，分別放置不同時間后，取出樣品，抽濾，將固體物用丙酮浸泡后測定有效成分的含量，根據(jù)其含量變化可得釋放速度曲線。由于多數(shù)緩釋劑施用于土壤，在介質(zhì)中的模擬釋放與實際應(yīng)用環(huán)境差異太大，不能完全反映緩釋劑的實際釋放情況。劉彥良[14]采用土壤包埋法來測定緩釋劑的釋放，把緩釋劑裝入網(wǎng)袋中，然后包埋于適宜的土壤下，定時取出網(wǎng)袋，測定緩釋劑的載藥量，根據(jù)載藥量的降低計算不同時間釋放出的藥量和釋放速度。

動態(tài)釋放主要包括淋溶法，將微膠囊裝載到柱子中，用洗脫液以一定流速進行洗脫，定時取樣分析有效成分的釋放量。趙德等[15]測定所制備毒死蜱微膠囊的緩釋性能時，在層析柱自下而上依次加入少量脫脂棉、2 g無水硫酸鈉和晾干的微膠囊粉末，在保持外界環(huán)境條件不變的情況下，每隔1 d用定量苯淋洗，氣相色譜法測定淋洗液中毒死蜱含量，繪制出微膠囊的緩釋曲線。

2.3.3 緩釋介質(zhì)選取的研究現(xiàn)狀

董瑜等[7]在測定甲霜靈微膠囊緩釋性能時使用的緩釋介質(zhì)是純水，這是因為甲霜靈在水中的溶解度為8.4 g/L，微膠囊釋放出來的有效成分能夠完全溶解在水中。而對于噻唑磷等難溶于水的有效成分，通常使用乙醇＋水溶液作為緩釋介質(zhì)，這樣做的目的是為了提高原藥在緩釋介質(zhì)中的溶解性。Partridge等[16]認為微膠囊中有效成分的含量需低于該有效成分在相應(yīng)溶劑中最大溶解量的1/3，當緩釋介質(zhì)中有機溶劑占比增加，緩釋速率也會相應(yīng)加快。也就是說，相同的微膠囊制劑使用不同的緩釋介質(zhì)，或者不同的微膠囊制劑產(chǎn)品使用相同的緩釋介質(zhì)測定的緩釋速率基本無可比性。為了更好地模擬微膠囊在蟲體內(nèi)的釋放，廖科超等[4]使用pH值為7.4，體積比為1∶1的乙醇＋磷酸緩沖液作為緩釋介質(zhì)。

2.3.4 緩釋速率方程的研究現(xiàn)狀

釋藥動力學借助數(shù)學模型分析方法來研究藥物的釋放過程，已作為重要的研究工具應(yīng)用在醫(yī)藥學科領(lǐng)域及其他相關(guān)學科。近年來，不少學者借助這一手段來研究農(nóng)藥微膠囊的釋放過程，通過該方法對藥物的釋放特點進行研究，從而改變微膠囊制備條件，實現(xiàn)定時、定量釋放。關(guān)于藥物釋放動力學方程的數(shù)學模型有10多種，其中較為常見的有零級釋放動力學方程、一級釋放動力學方程、Higuchi模型和Ritger-pappas模型。

陸靜等[17]在研究其制備的高效氯氟氰菊酯微膠囊的緩釋性能時，使用上述4種方程模擬了其釋放曲線，發(fā)現(xiàn)零級釋放動力學方程和一級釋放動力學方程模擬的效果較好。為了更加準確地模擬釋放情況，將緩釋曲線進行了分段模擬，在前6 h使用零級釋放動力學方程模擬，6 h之后使用一級釋放動力學方程模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，說明模擬效果非常好。作者認為，通過具體的數(shù)字對所制微膠囊的釋放過程進行描述，能夠?qū)ζ渌幚硖匦杂懈蛹氈碌牧私?，不僅對微膠囊的研制有理論指導意義，而且也有一定的實際應(yīng)用價值。

在多數(shù)情況下，藥物從微膠囊中釋放符合Fick定律，其動力學方程可以使用Higuchi及其改進模型來描述，但當初始囊芯內(nèi)藥物含量大于藥物溶解度時，結(jié)果和Higuchi模型可能會有差別，此時的藥物釋放具有溶出控制的特點[18]。Ritger等[19]提出，藥物的釋放屬于溶出和擴散共同控制的過程，為此引入簡單的半經(jīng)驗指數(shù)方程，也就是Ritger-pappas模型。

其中，n為擴散系數(shù)。根據(jù)n值可以判斷微膠囊的釋放機理。對于固體微膠囊來說，n=0.45時，為Fick擴散；n=0.89時，為溶出控制；n介于兩者之間時，微膠囊為Non-Fickian擴散，也就是Fick擴散和溶出機理的偶合。周斌等[20]使用Ritger-pappas模型模擬了其制備的阿維菌素微膠囊的緩釋動力曲線，n=0.625，屬于Non-Fickian擴散機理，也就是無規(guī)釋放。

3 結(jié)論

由于微膠囊制劑具有安全、環(huán)保，使用方便等顯著的優(yōu)點，為農(nóng)藥劑型發(fā)展的方向，特別是在地下害蟲的防治和芽前除草方面。關(guān)于農(nóng)藥微膠囊的制備方法有了很大的發(fā)展，已采用原位聚合法、界面聚合法、復(fù)合凝聚法、單凝聚法等方法制備得到性能優(yōu)良的微膠囊制劑，而且一些新的制備技術(shù)也逐漸被應(yīng)用在農(nóng)藥微膠囊制備中，例如層層自組裝技術(shù)、溶劑揮發(fā)法等。本文綜合分析了近年來在微膠囊表征方面的研究現(xiàn)狀，比較了不同方法的差異性和優(yōu)缺點。由于微膠囊現(xiàn)在尚無配套的國家標準來對其進行評價，而且囊芯物和壁材種類不同，表征的指標也有明顯的差異。現(xiàn)在流行的指標測定方法大多是照搬或者借鑒醫(yī)藥微膠囊指標的測定，尤其是在緩釋性能測試方面，醫(yī)藥微膠囊在緩釋介質(zhì)中的緩釋測定是模擬在人體胃部和腸道的釋放行為。而農(nóng)藥一般是在水溶液或土壤中釋放，整個釋放環(huán)境完全不同，這就需要根據(jù)農(nóng)藥微膠囊制備和使用的實際情況制定配套的檢測方法和指標。

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（責任編輯：顧林玲）

Research Status of Characterization Techniques of Pesticide Microcapsules

LIAO Ke-chao1,LU Fu-sui2
(1.College of Plant Protection,Shandong Agricultural University,Shandong Tai'an 271018,China;2.College of Chemistry and Material Science,Shandong Agricultural University,Shandong Tai'an 271018,China)

The performances and their influencing factors of pesticide microcapsules were introduced in this paper.The research status of preparation methods,the characterization techniques and application on pesticide microcapsules were summarized.The entrapment rate,drug-loading rate and release characteristics were reviewed in detail.

microcapsule;entrapment rate;drug-loading rate;release characteristic;research status

TQ 450.6

A

10.3969/j.issn.1671-5284.2017.01.003

2016-07-09；

2016-08-14

廖科超（1988—），男，山東省滕州市人，博士研究生。研究方向:農(nóng)藥劑型加工與應(yīng)用。E-mail:liaokechao@163.com