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  農(nóng)藥對全球糧食安全至關(guān)重要，提高農(nóng)藥的有效利用以減少環(huán)境損失是可持續(xù)農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。其中，疏水性蠟質(zhì)葉片表面導(dǎo)致了農(nóng)藥制劑粘附差、持留性弱等問題有待解決。目前，微納米材料及其加工技術(shù)在農(nóng)藥遞送載體的開發(fā)中得到應(yīng)用，為提高農(nóng)藥利用率提供了機遇。靜電紡絲是微納纖維的重要加工制造技術(shù)，具有較大的靈活性和產(chǎn)業(yè)化潛力。受彈球機動力學的啟發(fā)，開發(fā)一種具有高長徑比的短纖維載體，預(yù)計其將在疏水水稻葉片上表現(xiàn)出不同于常規(guī)球形顆粒的獨特的微觀力學響應(yīng)，以優(yōu)化沉積行為及持留特性。

圖1 靜電紡絲短纖維載體的設(shè)計思路示意圖

  近日，中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所農(nóng)藥分子靶標與綠色農(nóng)藥創(chuàng)制團隊創(chuàng)新團隊利用靜電紡絲技術(shù)和氨解方法，開發(fā)了由可生物降解聚羥基丁酸酯類聚合物poly(3-hydroxybutyrate-4-hydroxybutyrate)制備的負載農(nóng)藥咯菌腈的可噴施短纖維懸浮劑。這些高長徑比短纖維可以有效地錨定在水稻葉片乳突的間隙內(nèi)，實現(xiàn)了較高的持留率，同時提高了抗雨水沖刷性能。短纖維載體與傳統(tǒng)的微球相比，Wilhelmy法測得的持留量提高了3.19倍，40°噴施法測得的持留量提高了1.47倍。沖洗試驗后，通過熒光強度測得的持留率提高了2.59倍，通過高效液相色譜法測得的持留率提高了1.43倍。通過有限元模擬構(gòu)建農(nóng)藥載體和乳突的微觀模型并進行力學分析，結(jié)果表明短纖維載體增加了在水稻葉片上的接觸面積和概率，實現(xiàn)了更加均勻的應(yīng)力分布。此外，該短纖維懸浮劑具有良好的懸浮穩(wěn)定性和響應(yīng)釋放性，能有效抑制黃瓜灰霉病和水稻紋枯病。在模擬降雨條件下，對立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）的抑菌效果明顯高于商業(yè)化懸浮劑。同時，與商業(yè)化懸浮劑相比，短纖維懸浮劑對斑馬魚的影響較小，具有良好的生物安全性。

圖2 短纖維和微球載體在水稻葉片上的沉積行為和持留特性

圖3 短纖維和微球載體的微觀力學模擬

圖4 短纖維載體的釋放行為和生物活性

  這項研究展示了一種基于靜電紡絲技術(shù)和氨解法制備的農(nóng)藥遞送載體的新策略。該策略能夠靈活生產(chǎn)具有可控高長徑比的短纖維載體，這些載體能夠高效、安全地輸送農(nóng)用化學品。同樣重要的是，這一探索為材料設(shè)計和植物微界面工程提供了一種創(chuàng)新思路。未來，這種可生物降解的短纖維有望裝載生物農(nóng)藥、昆蟲信息素、植物生長調(diào)節(jié)劑、RNAi等農(nóng)用化學品，為可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供綠色、安全的解決方案。

  本研究以“Geometrically and Micromechanically Optimized Biodegradable Short Fibers for Enhanced Pesticide Utilization”為題，發(fā)表在《Small》上，文章第一作者是中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所博士生上官文杰，曹立冬研究員為本文的通訊作者，植保所黃啟良研究員和南開大學邊強正高級工程師為本文的共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、北京市自然科學基金和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202504552