瞬時納米沉淀法調(diào)控納米結(jié)構(gòu)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

王銘緯， 俞 潔， 趙洪陽， 付智楠， 陳 凱， 王俊有， 徐益升， Martien A. Cohen Stuart， 郭旭虹

（華東理工大學(xué)化工學(xué)院，上海 200237）

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)藥使用量居世界第一，農(nóng)藥的使用直接關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境，然而我國農(nóng)藥利用率比歐美等農(nóng)業(yè)發(fā)達國家低15% ～20%，且不像歐美等發(fā)達國家有嚴格的土地休耕計劃[1-3]。較低的農(nóng)藥利用率勢必造成農(nóng)藥大量使用，導(dǎo)致農(nóng)作物體內(nèi)農(nóng)藥殘留量高，土地污染嚴重，并且過量的農(nóng)藥隨農(nóng)田排水進入溝、渠、河流，也會造成水體富營養(yǎng)化和污染。我國2017 年修訂《農(nóng)藥管理條例》，鼓勵生產(chǎn)和使用安全、高效、經(jīng)濟的農(nóng)藥，推進農(nóng)藥專業(yè)化使用，促進農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)升級[4]。

為了安全實現(xiàn)農(nóng)藥的減量增效，主要改進方式有兩種：開發(fā)新型農(nóng)藥和合理利用現(xiàn)有農(nóng)藥。開發(fā)出符合安全、高效、低毒的新型農(nóng)藥，這種方法周期長、難度相對較大；而另一種較為快捷的方式是合理利用現(xiàn)有農(nóng)藥，即在不改變農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)和主要功效的情況下，通過將農(nóng)藥包覆在納米載體中，減少外界環(huán)境因素（光、熱等）的影響，增強了農(nóng)藥穩(wěn)定性，從而可以提高農(nóng)藥的有效利用率、減緩農(nóng)藥對環(huán)境和生物的毒性[5-6]。因為可以直接利用現(xiàn)有農(nóng)藥，并且開發(fā)周期相對較短，目前納米載體法受到許多研究者的廣泛關(guān)注，其中的納米載體如農(nóng)藥微乳劑、農(nóng)藥懸浮劑、納米農(nóng)藥粒子等被相繼開發(fā)[7-9]。制備這類農(nóng)藥納米材料的方法有多種，如乳化法、高壓均質(zhì)法、共沉淀法等，但主要是基于熱力學(xué)自組裝的原理，存在載藥率低、制備過程耗時較長、不易大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)等問題[10-13]。

近年來的研究表明，納米載體的微觀結(jié)構(gòu)對載體的應(yīng)用效果有非常重要的影響[14-15]，如非球形形狀可顯著提升藥物納米載體的靶標性能，但納米載體結(jié)構(gòu)的簡易調(diào)控較難，因此開發(fā)出一種能快速制備納米材料并有效控制納米材料微觀結(jié)構(gòu)的方法十分必要。2003 年興起的瞬時納米沉淀法（Flash nanoprecipitation, FNP）可以解決這些難題[16-17]。與上述的熱力學(xué)控制方法相比，F(xiàn)NP 法是基于動力學(xué)控制的原理，通過利用化學(xué)工程中的流體湍流混合方式實現(xiàn)納米材料的快速制備，具有載藥率高、制備時間短（毫秒級）、易于控制納米材料的尺寸大小、易于放大和連續(xù)化生產(chǎn)等特點[18-22]。FNP 法還可以簡易、系統(tǒng)化地調(diào)控納米材料的微觀結(jié)構(gòu)，進一步提升納米材料在靶標給藥、緩控釋等方面的性能，在農(nóng)藥高效利用和低毒使用上具有巨大潛力[23-26]。

1 瞬時納米沉淀技術(shù)的發(fā)展與機理

FNP 法是在2003 年由普林斯頓大學(xué)的Prud'Homme 等提出[16-17]，其原理為：非水溶性溶質(zhì)（如大部分的農(nóng)藥、抗癌藥等）首先溶解于少量的有機溶劑中，再與大量的水劇烈混合快速沉淀、成核，形成疏水核心，然后快速被溶液體系中存在的兩親性物質(zhì)（通常是兩親性嵌段聚合物）覆蓋、保護，從而形成水分散性的納米粒子，整個過程在幾十毫秒內(nèi)完成[27-30]。在這個過程中，非水溶性溶質(zhì)沉淀后被兩親性物質(zhì)保護起來，因此溶質(zhì)的有效利用率（載藥率）非常高，通常在90%以上；由于兩親性物質(zhì)的主要作用是穩(wěn)定住疏水的沉淀核心，用量不需過大，因此納米粒子的載藥量也比較高，達到50%以上[31-35]。同時，由于FNP 法是借助于流體流動的原理，因此易于連續(xù)化生產(chǎn)與放大，是一種用于工業(yè)生產(chǎn)的載體型納米粒子的有效技術(shù)[36-39]。

實現(xiàn)FNP 法制備納米粒子的第1 代裝置是封閉撞擊流混合器（Confined Impinging Jets，CIJ），如圖1(a)所示。通過兩股高速流動的液體在CIJ 的混合腔中對撞式撞擊混合，制備納米粒子。之后，為了增加操作的自由度，劉穎與Prud'Homme 等[19]研制出第2 代的MIVM（Multi-Inlet Vortex Mixer），如圖1(b)、1(c)所示。在MIVM 中，劇烈的混合是發(fā)生在混合腔的流出孔處附近[40-42]。通過調(diào)節(jié)FNP 法制備過程的宏觀工藝參數(shù)，如流速、雷諾數(shù)、濃度等，可以調(diào)控納米粒子的形成過程，進而控制其微觀結(jié)構(gòu)（圖2）。以上這些優(yōu)勢使得FNP 法適用于制備農(nóng)藥納米粒子。

圖2 FNP 法制備納米粒子示意圖Fig. 2 Illustration of nanoparticle preparation by FNP

FNP 法在初期階段適用的溶質(zhì)是非水溶性物質(zhì)，對水溶性藥物的包載能力非常有限。目前文獻[43]開發(fā)出逆向FNP（inverse FNP，iFNP）的技術(shù)，可以良好地將水溶性的藥物、蛋白質(zhì)、DNA 等封裝在納米粒子中，進一步拓展了FNP 法的物質(zhì)適用范圍與應(yīng)用前景，其過程如圖3 所示。

圖3 逆向FNP 包載親水性溶質(zhì)[43]Fig. 3 iFNP encapsulates water-soluble solute[43]

2 瞬時納米沉淀技術(shù)調(diào)控粒子的微觀結(jié)構(gòu)

2.1 控制外部結(jié)構(gòu)：形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

載體型納米粒子的常見形貌為球形粒子，但近年的研究表明對于載體型納米粒子的生物與醫(yī)學(xué)應(yīng)用來說，非球形結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用效果會比球形結(jié)構(gòu)更好[14-15]。然而，如何簡便、系統(tǒng)地控制納米材料的微觀形貌，本身也是納米材料領(lǐng)域的一個難點。Wang 等[44]發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)NP 法可以快速、簡易地實現(xiàn)納米粒子形貌的系統(tǒng)控制（圖4（a）），研究中使用多糖類兩親性嵌段聚合物Dextran-b-poly(lactic acid)和Dextranb-polycaprolactone 作為保護性聚合物，通過調(diào)節(jié)FNP 過程中的混合濃度以及兩親性嵌段聚合物中疏水嵌段的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度，可以調(diào)控聚集誘導(dǎo)發(fā)光型熒光分子ED 和QM-2 的微觀聚集結(jié)構(gòu)在“球形-納米棒-微米棒”之間的轉(zhuǎn)變，而且納米棒的形貌在癌細胞的細胞攝取以及體內(nèi)循環(huán)時的腫瘤組織富集方面遠遠優(yōu)于常見的納米球結(jié)構(gòu)。

載體型納米粒子的重要用途是在藥物（醫(yī)藥、農(nóng)藥等）包覆后，當納米粒子到達指定位置后將藥物釋放出來，而藥物的釋放與粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)建方式息息相關(guān)。通?；跓崃W(xué)自組裝法制備出的納米粒子的結(jié)構(gòu)主要是核-殼型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)控不易實現(xiàn)，因此難以建立內(nèi)部結(jié)構(gòu)與藥物釋放行為之間的關(guān)系。Wang 等[45]發(fā)現(xiàn)FNP 法的混合過程恰好可以控制納米粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖4（b））。通過調(diào)節(jié)混合過程的混合劇烈程度（通常用雷諾數(shù)來表示）、保護性的聚合物與藥物之間的物質(zhì)的量之比等，就可以控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)由堆積密度較高的緊密型結(jié)構(gòu)向堆積密度較低的松散型結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)變，并且證實緊密型結(jié)構(gòu)有助于藥物的長期緩釋。這些結(jié)構(gòu)的可控性以及實現(xiàn)過程的簡易程度，是傳統(tǒng)的制備方法難以達到的。

圖4 FNP 法調(diào)控納米粒子的形貌（a）和內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）[44-45]Fig. 4 Morphology (a) and internal structure (b) controlled by FNP[44-45]

另外，Nikoubashman 等[46-49]在沒有兩親性物質(zhì)的協(xié)助下，僅使用聚苯乙烯實現(xiàn)了大小均勻的聚苯乙烯納米粒子的定向組裝與制備，為制備各種聚合物微球提供了思路（圖5(a)）。Lee 等[50]利用兩種單嵌段聚合物，制備出內(nèi)部分相、表面各向異性的Janus 結(jié)構(gòu)納米粒子（圖5(b)）。此外，F(xiàn)NP 法還可以用于制備囊泡結(jié)構(gòu)[51-53]。除了利用親-疏水作用力制備出這些納米載體外，F(xiàn)NP 法還可以使用帶電高分子，借助電荷作用力得到更多納米結(jié)構(gòu)[54-57]。He 等[58]利用帶正電的殼聚糖與帶負電的三聚磷酸鈉，制備出可以穩(wěn)定包覆胰島素的聚電解質(zhì)納米粒子，如圖5(c)所示。

圖5 FNP 法制備聚合物微球（a），Janus 納米粒子（b）和聚電解質(zhì)納米粒子 （c）[46, 50, 58]Fig. 5 Polymer colloid (a), Janus nanoparticle (b) and polyelectrolyte nanoparticle prepared by FNP (c)[46, 50, 58]

2.2 控制表面結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)載體型納米粒子的靶向輸送能力，不僅可以借助尺寸、形貌等結(jié)構(gòu)帶來的被動靶向能力，還可以通過表面接枝靶向分子獲得主動靶向能力。通過在納米粒子的表面引入特異性的靶標分子，能針對性地將納米粒子與靶向的生物器官或組織相定向結(jié)合，實現(xiàn)靶向輸送[59-61]。Zhang 等[62]通過在納米粒子表面修飾上疊氮基團，進一步引入了具有腫瘤靶向能力的葉酸基團，從而使納米粒子具有腫瘤靶向能力，如圖6 所示。

圖6 表面修飾有葉酸基團的納米粒子[62]Fig. 6 Nanoparticle modified with folic group on surface[62]

2.3 用于調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)的兩親性嵌段聚合物

納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控離不開兩親性嵌段聚合物，表1 示出了適用于調(diào)控納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的兩親性嵌段聚合物。

表1 用于調(diào)控納米粒子微觀結(jié)構(gòu)的兩親性嵌段聚合物Table 1 Diblock copolymer used for controlling the nanostructure

3 粒子的微觀結(jié)構(gòu)在納米農(nóng)藥上的應(yīng)用

使用FNP 法制備納米農(nóng)藥的第1 份研究由LIU 等[63]報道，其使用聯(lián)苯菊酯作為非水溶性農(nóng)藥，制備出聯(lián)苯菊酯納米粒子，尺寸在60～200 nm 之間，聯(lián)苯菊酯的載藥率可達到91%，并可以穩(wěn)定半個月。Fu 等[64]采用FNP 法制備出形貌可控的阿維菌素納米粒子，載藥率可達95%，同時發(fā)現(xiàn)紡錘型納米農(nóng)藥由于其優(yōu)異的滲透性和黏附性，能夠有效地降低南方根結(jié)線蟲（Meloidogyne incognita）的存活率（圖7(a)）。這是因為相比于一般的球形納米農(nóng)藥，非球形納米農(nóng)藥（如紡錘形，棒狀等）具有更加優(yōu)異的流動性，能有效地黏附作用于生物活體，顯著降低有害生物的存活率[64]。Chen 等[65-66]制備出負載λ-氯氟氰菊酯的納米粒子，其載藥率能夠達到99%，具有有效防治蚜蟲（Aphis craccivora）的能力（圖7(b)）。

圖7 FNP 法制備不同形貌負載阿維菌素（a）和負載λ-氯氟氰菊酯載藥納米粒子及其應(yīng)用 （b）[64-66]Fig. 7 Schematic illustrating the FNP method for preparing abamectin-loaded (a) and λ-cyhalothrin-loaded nanoparticles and bioassay (b)[64-66]

4 結(jié) 論

綜上所述，瞬時納米沉淀技術(shù)是一種基于化學(xué)工程流體湍流混合的動力學(xué)控制制備納米粒子的方法，它不僅可以有效地提高藥物的載藥率、控制納米粒子的尺寸等，還易于控制納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)。通過控制納米粒子的形貌，可以提升納米材料的生物靶向性能；控制納米粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)建方式，可以提升納米材料的藥物緩控釋性能以及包載藥物的多樣性；控制納米粒子的表面結(jié)構(gòu)，可以進一步增強納米材料的主動靶標能力。以上這些結(jié)構(gòu)的控制，有利于納米粒子技術(shù)在農(nóng)藥特別是現(xiàn)有的農(nóng)藥上實現(xiàn)“減量、增效”，并為農(nóng)藥的可持續(xù)發(fā)展提供幫助。