微膠囊農(nóng)藥的制備技術(shù)及發(fā)展概述*

智亞楠，王國君，陳利軍

(信陽農(nóng)林學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)系，河南信陽464000)

農(nóng)藥微膠囊劑(microcapsules，MC)是以天然或合成的高分子材料作為囊壁或囊膜，通過化學(xué)、物理或物理化學(xué)的方法，將農(nóng)藥活性物質(zhì)作為囊芯包裹起來，形成種具有半滲透性囊膜的微型膠囊，并將它們以一定的濃度穩(wěn)定地分散、懸浮在作為連續(xù)相的水中［1］。其中作為囊芯的活性成分可以是固體、液體甚至是氣體，也可以是固固、液液或固液的混合物。微膠囊農(nóng)藥作為高效、低毒的一種新劑型，這些年來正受到廣泛的關(guān)注。

1 農(nóng)藥微膠囊劑的優(yōu)點

1.1 延長持效期，提高農(nóng)藥的利用率

微膠囊劑與常規(guī)劑型相比，引入控制釋放技術(shù)，使農(nóng)藥具有了控釋的性能，延長了農(nóng)藥的持效期，降低了農(nóng)藥的施用劑量和頻率，提高了農(nóng)藥的利用率，這也就直接減少了農(nóng)藥對環(huán)境的污染。據(jù)報道微膠囊劑的持效期較乳油通常要延長數(shù)倍甚至數(shù)10 倍［2］。杜有辰等人通過對大蒜田雜草的防除試驗發(fā)現(xiàn)20%二甲戊靈微囊懸浮劑低濃度施藥，在藥后42d 和140d 對總草的株防效優(yōu)于33%二甲戊靈乳油的株防效［3］。李文輝通過對比辛硫磷微膠囊與乳油對蟑螂的防治效果發(fā)現(xiàn)60d 后辛硫磷乳油的殘存藥量僅為原藥量的8.7%，而辛硫磷微膠囊為98.3%［4］。聶王焰、周藝峰等通過田間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，13%吡蟲啉微膠囊劑對菜蚜、棉蚜的防效突出。防效達90%以上，持效期30d 以上。相同用藥量吡蟲啉微膠囊劑防效及持效明顯優(yōu)于可濕性粉劑［5］。

1.2 降低毒性，提高農(nóng)藥的安全性

微膠囊囊膜可抑制農(nóng)藥的揮發(fā)性、隱蔽其原有的異味，降低其對人畜的接觸毒性、吸入毒性等，減輕了對人畜的危害。有研究發(fā)現(xiàn)微膠囊劑的急性經(jīng)口毒性為相應(yīng)乳油制劑的1/100，急性經(jīng)皮毒性為乳油的1/10［2］。例如氧樂果微膠囊劑對小白鼠口服LD50為562mg/kg 體重，而其乳油為21.15mg/kg 體重，氧樂果由高毒變?yōu)榈投?對小白鼠經(jīng)皮LD50為2610mg/kg 體重，其乳油為215mg/kg體重，氧樂果由中等毒性變?yōu)榈投荆?］。由此可見，農(nóng)藥微膠囊化后毒性大大降低，提高了對非靶標生物的安全性。

1.3 提高穩(wěn)定性，擴大農(nóng)藥的應(yīng)用范圍

農(nóng)藥微膠囊化后其囊壁可以將油相和水相隔開，有些對水不穩(wěn)定而難以加工成水乳劑和微乳劑的農(nóng)藥可以制成微膠囊劑，還有一些農(nóng)藥由于理化性質(zhì)的不相容性，難以加工成復(fù)配制劑使用，利用微膠囊劑技術(shù)可以提高農(nóng)藥的復(fù)配能力，擴大農(nóng)藥的使用范圍。唐進根等研究發(fā)現(xiàn)將原有滅殺斃乳油和敵敵畏－馬拉硫磷乳油組合加工成以氰戊菊酯－馬拉硫磷和敵敵畏－馬拉硫磷兩組混合農(nóng)藥為主劑，用內(nèi)部界面聚合法加工研究成的長效緩釋微膠囊劑用于生產(chǎn)能有效防治生活周期長的天牛危害［7］。另外微膠囊農(nóng)藥還能夠降低環(huán)境因素如光、熱、雨水、微生物和其它化學(xué)物質(zhì)對農(nóng)藥活性成分的不利影響，例如辛硫磷、魚藤酮等農(nóng)藥，見光易分解，微膠囊化后有了囊壁的保護就提高了農(nóng)藥的穩(wěn)定性。

2 微膠囊農(nóng)藥的合成方法

2.1 囊壁材料的選擇

微膠囊的囊壁材料是決定微膠囊產(chǎn)品性的重要因素之一。一般要求成膜性好，與囊芯不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且具有一定的機械強度、穩(wěn)定性和滲透性。因此，囊壁材料的選擇成為制備微膠囊農(nóng)藥的一個重要方面。選擇微膠囊囊壁材料首先要考慮的是被包囊物質(zhì)的性質(zhì)、微膠囊產(chǎn)品的應(yīng)用性能要求等。目前報道中使用的微膠囊材料主要有天然、半合成和合成高分子材料3 大類［8］:

(1)天然高分子材料:包括明膠、阿拉伯樹膠、蟲膠、紫膠、海藻酸鈉、糊精、松脂、淀粉等，這類材料粘度大、無毒、成膜性好但力學(xué)性能差［9］。

(2)半合成高分子材料:包括羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素等，這類材料粘性小、毒性小，但是易水解，不耐高溫。

(3)合成高分子材料:包括聚丁二烯、聚乙二醇、聚丙二醇、聚異戊二烯、聚乙烯醇、脲醛樹脂、聚氨酯、聚醚、聚酯、聚酰胺、聚脲等，這類材料成膜性好、化學(xué)穩(wěn)定性高，同時也存在難降解的問題［9］。

2.2 微膠囊的制備方法

據(jù)文獻報道，微膠囊的制備方法大概有200 多種［9］。從原理上大致可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法等類型?；瘜W(xué)法一般包括界面聚合法、原位聚合法、銳孔－凝固浴法、乳液聚合法等;物理法有噴霧干燥法、空氣懸浮涂層法、鍋包法、包結(jié)絡(luò)合法、多空離心法等;物理化學(xué)法有復(fù)凝聚法、油相分離法、單凝聚法、干燥浴法(復(fù)相乳化法)、熔化分散冷凝法等。制備時應(yīng)根據(jù)囊材和芯材的種類、粒度大小及釋放特性合理選用。在農(nóng)藥工業(yè)中，以界面聚合法、原位聚合法和相分離法(復(fù)凝聚法)應(yīng)用最為廣泛。

2.2.1 界面聚合法

界面聚合法是1957年由杜邦公司發(fā)明，并成功地應(yīng)用于尼龍、聚酯及聚氨酯的合成［9］，其基本原理是根據(jù)合成高聚物的界面縮聚反應(yīng)，從而將農(nóng)藥藥劑包覆在聚合物壁材中。界面縮聚反應(yīng)是指將兩種含有雙(多)官能團的反應(yīng)單體，分別溶解在不相混溶的兩種溶劑中，在兩相界面上發(fā)生的縮聚反應(yīng)。參加聚合反應(yīng)的單體，一種是水溶性的，另一種是油溶性的，它們分別位于乳液中不相溶的分散相和連續(xù)相中，并在芯材液滴的表面進行聚合反應(yīng)形成聚合物薄膜，完成包囊反應(yīng)。常用的水溶性活性單體有多元醇、多元胺和多元酚，油溶性活性單體有多元酰氯、多元異氰酸酯等。反應(yīng)后分別生成聚酰胺、聚酯、聚脲或聚氨酯［10］。

2.2.2 原位聚合法

在原位聚合法制備微膠囊的工藝中，并不是把反應(yīng)單體分別加到芯材液滴和懸浮介質(zhì)中，而是單體或引發(fā)劑全部加入連續(xù)相中，即單體成分及催化劑是全部位于芯材液滴的內(nèi)部或外部。在整個體系中，單體在單一相中是可溶的，而聚合物是不溶的，所以聚合反應(yīng)在芯材液滴的表面上發(fā)生。在液滴表面上，聚合單體產(chǎn)生相對低分子量的預(yù)聚體，當這個預(yù)聚體尺寸逐漸增大后，沉淀在芯材的表面，由于交聯(lián)及聚合的不斷進行，最終在芯材液滴表面形成固體的膠囊外殼。

2.2.3 相分離法

相分離法的基本原理是利用聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)進行相分離。根據(jù)制備介質(zhì)的不同，可以分為水相相分離法(復(fù)合凝聚法和簡單凝聚法)和油相相分離法。這些技術(shù)的共同特點是改變條件使溶解狀態(tài)的成膜材料從溶液中聚沉出來，并將囊心包覆形成微膠囊。其中最有代表性的是復(fù)合凝聚相分離技術(shù)，即利用改變溫度、調(diào)pH 值、稀釋等使得電荷互相中和，或在溶液中加入無機鹽電解質(zhì)、成膜材料的非溶劑等方法導(dǎo)致溶解度降低，使壁材溶液產(chǎn)生相分離形成兩個新相。一個是含壁材濃度很高的聚合物豐富相，另一個是含壁材很少的聚合物缺乏相。形成的聚合物豐富相是要是充分流動的，并能夠穩(wěn)定地逐步環(huán)繞在囊芯顆粒周圍。

2.2.4 噴霧干燥法

其原理是將芯材分散在壁材溶液中，然后在高溫氣流中將芯壁材的混合溶液霧化，使溶液中溶解壁材的溶劑迅速蒸發(fā)，最終使壁材固化并最終將芯材微膠囊化［11］。

2.2.5 銳孔－凝固浴法

銳孔－凝固浴法是將化學(xué)法和物理機械法相結(jié)合的一種微膠囊方法。以可溶性聚合物為壁材，將聚合物配成溶液，以此溶液包裹芯材并呈球狀液滴落入凝固浴中，使聚合物沉淀或交聯(lián)固化成為壁膜而微膠囊化［9］。

2.2.6 空氣懸浮法

空氣懸浮法是利用垂直強氣流使囊芯物懸浮在包衣室中，囊材溶液通過噴嘴噴射于囊芯物表面，使囊芯物懸浮的熱氣流將溶劑揮發(fā)干，囊芯物表面便形成囊材薄膜而得微囊［12］。

2.2.7 微膠囊制備新工藝

近年來一些新型納米膠囊技術(shù)也得到了人們的關(guān)注和開發(fā)，如界面溶劑交換技術(shù)、逐層納米自組裝技術(shù)、雙乳液蒸發(fā)技術(shù)和超臨界流體技術(shù)等。

采用超臨界流體技術(shù)的有超臨界流體快速膨脹法(RESS 法)、氣體飽和溶液法(PGSS 法)、超臨界流體抗溶劑結(jié)晶法(GAS 法)等［13］。RESS 法是將某種溶質(zhì)溶于高密度的超臨界流體中，然后通過膨脹減壓，產(chǎn)生很大的過飽和度，處于過飽和狀態(tài)的溶質(zhì)就會以固體的形式析出。超臨界流體通過微孔的膨脹減壓，在適當條件下就可析出具有一定粒徑的囊壁微粒。PGSS 法是核物質(zhì)的混合物和包裹聚合物由超臨界流體提供，這一超臨界流體在可以保持其流動性的溫度和壓力下使聚合物溶脹，迅速降低壓力使聚合物圍繞核物質(zhì)固化形成微膠囊。GAS 法是溶解或懸浮于一種有機溶劑中的囊芯材料或囊壁材料一起或分別噴灑在一種反溶劑中，反溶劑使其膨脹導(dǎo)致微粒形成。在這種過程中，超臨界流體被當作是反溶劑以引起基質(zhì)在一種液體溶劑中溶解度的改變而產(chǎn)生沉淀，反溶劑使其膨脹導(dǎo)致微粒形成。

雖然各種微膠囊制備方法的原理有所不同但其基本步驟都可大致歸納為以下4 步:(1)將囊芯材料在介質(zhì)中分散成細粒;(2)將成膜材料加入該分散體系中;(3)通過某種方法將成膜材料聚集、沉積或包覆在己分散的囊芯材料周圍;(4)通過化學(xué)或物理的方法將微膠囊壁膜固化［14］。

2.3 微膠囊物理化學(xué)性能的表征

微膠囊有多種外形與結(jié)構(gòu)，因此有許多特征參數(shù)來描述微膠囊的性能。其特征參數(shù)主要包括外觀形貌、粒徑大小及分布、囊芯物含量、貯存穩(wěn)定性、控制釋放速度等。國內(nèi)外已有大量的文獻進行了報道［15－18］，但對其表征方法少有全面的介紹。

2.3.1 微膠囊的表面形貌

通過觀察微膠囊表面形貌可以了解包囊的效果、表面光滑度和囊壁的致密性。傳統(tǒng)手段是利用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡觀察。近年來，已有借助現(xiàn)代儀器分析方法開展微膠囊膜微觀結(jié)構(gòu)及表面性質(zhì)的研究報道。如Levy 等人利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分別考察了人血清白蛋白與對苯二酞氯表面交聯(lián)制備微膠囊過程中pH 值、交聯(lián)反應(yīng)時間對表面配酐基、酯基、羧基等功能團吸收峰的影響［19］。劉安偉利用原子力顯微鏡(AFM)對海藻酸膜(APA)微膠囊囊壁的超微結(jié)構(gòu)進行了觀測研究［20］。

2.3.2 微膠囊的粒徑大小及分布

制備的工藝條件對微膠囊的粒徑大小及分布影響很大。研究發(fā)現(xiàn)，影響微膠囊粒度分布的主要因素包括乳化條件、聚合反應(yīng)溫度、粘度、pH 值、助劑的類型和濃度、反應(yīng)容器和攪拌器的構(gòu)造、油相和水相的比例等［21］。微膠囊的粒徑大小及分布可以通過光學(xué)顯微鏡觀察，現(xiàn)在通常使用激光粒度分布儀測定觀察［22］。

2.3.3 微膠囊囊壁厚度的測定

微膠囊的囊壁厚度一般分布在0.1μm ～200μm之間，囊壁厚度與成囊材料、制備方法、囊芯物含量等條件有關(guān)。微膠囊囊壁厚度可以通過帶有測微尺的光學(xué)顯微鏡直接測定，或?qū)⑽⒛z囊產(chǎn)品包埋后切片或冷凍后切片，通過電子顯微鏡測得［23］。鄒黎明通過光學(xué)顯微鏡二次聚焦的方法測得了微膠囊的外徑和內(nèi)徑，從而求得囊壁的厚度，并研究了囊膜厚度與微膠囊滲透性的關(guān)系［24］。

3 微膠囊農(nóng)藥的國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀

微膠囊制備技術(shù)起源于20 世紀50年代，1954年美國的NCR 公司首次向市場投放了利用微膠囊技術(shù)制造的無碳復(fù)印紙，開創(chuàng)了微膠囊技術(shù)的時代，隨后得到迅速的發(fā)展。目前微膠囊技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、食品、化妝品、化肥、染料和顏料、涂料、粘合劑、紡織、油墨、添加劑等多個領(lǐng)域［21］。

在農(nóng)藥領(lǐng)域，美國Pennwalt 公司在70年代中期推出了第一個農(nóng)藥微膠囊劑——甲基對硫磷微膠囊劑，隨后該公司又推出了二嗪農(nóng)、氯菊酯、滴滴涕、除蟲菊酯、矮壯素等品種的微膠囊制劑。目前，大量的殺蟲劑、除草劑、矮壯素等已經(jīng)被各種壁材微膠囊化。

近年來，國外許多國家和公司都致力于農(nóng)藥微膠囊的研制。日本住友公司開發(fā)了以有機磷為主的殺螟硫磷為有效成分，以聚亞胺為囊壁材料的微膠囊劑，用于防治白蟻、蟑螂和生產(chǎn)防蟲膠合板。美國、法國等國家研制了微膠囊驅(qū)避劑、微膠囊殺螨劑以及微膠囊除草劑——2，4 －滴等［25］。

我國對微囊化農(nóng)藥的研究和應(yīng)用起步較晚。沈陽化工研究院、南京林業(yè)大學(xué)等單位于70年代開始研究微囊化技術(shù)，1982年才有第一個商品化的微囊化農(nóng)藥——25%對硫磷微膠囊劑。經(jīng)過努力，近年來在其研制與應(yīng)用方面都有了不少進展。但是目前我國商品化的農(nóng)藥微膠囊產(chǎn)品不多，發(fā)展速度相對較慢。

4 微膠囊農(nóng)藥的發(fā)展前景

微膠囊農(nóng)藥具有持效期長、控制釋放、毒性低、安全方便、殘留量低等優(yōu)點，是目前應(yīng)用比較成功的農(nóng)藥劑型，但是從總體上看微膠囊劑目前仍處于研究和開發(fā)階段。各種壁材的選材、制作方法、技術(shù)指標、質(zhì)量檢驗方法、釋放速度與環(huán)境條件的關(guān)系等都需要進一步研究。

我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著人們對人、畜及環(huán)境安全性的關(guān)注和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的要求，農(nóng)藥新劑型正朝著水性、粒狀、緩釋、多功能、省力化和環(huán)境相容的方向發(fā)展。因此，大力開發(fā)微膠囊制劑具有極大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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