一种两亲性木聚糖聚合物及制备以及其在农药制剂中的应用

1.本发明涉及农药制剂领域，特别涉及一种两亲性木聚糖聚合物及制备以及其在农药制剂中的应用。


背景技术：

2.农药是防治病虫害最有效的手段，但长期以来受限于农药剂型及环境、使用方法等施用条件，农药有效利用率低，导致农药过量使用，从而产生农药残留超标和环境污染等问题。近年来，利用纳米材料和先进工艺技术，制备高效、安全的绿色农药剂型，可改善农药的分散性和稳定性，同时促进农药对靶标作物的粘附和沉积，降低农药投放量和残留污染，从而实现农药的减施增效。阿维菌素是一种具有广谱杀虫、杀螨和杀线虫活性的新型生物农药，然而阿维菌素具有较差的光稳定性和溶解性，在紫外光照射下易分解，施药过程中导致实际用量增加，从而对植物和环境造成危害。利用纳米胶束作为阿维菌素的载体，可提高阿维菌素的溶解度和稳定性。
3.两亲性嵌段聚合物自组装形成的具有核-壳结构的纳米胶束是一种新型的纳米材料，具有量子效应、小尺寸效应、表面界面效应等优异的物化性质，用于负载难溶性农药分子，可提高难溶性农药的稳定性和分散性。这是因为胶束内核的疏水区域可负载疏水农药分子，增加其溶解度和稳定性，而胶束外部的亲水外壳将内部的包封分子与外部环境相隔开，防止包封分子的相互作用和外界环境的影响，从而提高农药分子的稳定性。
4.木聚糖是自然界中除纤维素外含量最丰富的天然高分子聚合物，具有来源广泛、成本低廉、可生物降解性和生物相容性良好等优点，且降解后的产物不会对环境产生二次污染，是理想的绿色农药载体。然而，市售的木聚糖由于其提取来源和方法的不同通常表现出不同的水溶性，不能很好地将药物嵌入或与之形成复合物。目前对木聚糖改性的方法主要集中在将具有活性的基团接枝到木聚糖上(如中国专利申请cn108079001a)，或者制备成水凝胶(如中国专利申请cn111961230a)来实现药物或生物大分子的递送，或者将木聚糖改性后增强木聚糖自身的药用活性(如中国专利申请cn110698594a、cn111961144a)。
5.两亲性化合物由亲水端和疏水端共同组成，其在水中可以自组装成为胶束，疏水端的空腔可以与各种疏水性药物相互作用并稳定在水溶液中，而亲水端则可以保护药物免受外环境的影响。对木聚糖进行改性合成两亲性化合物的并应用于农药的研究尚未见报道。所以开发一种亲脂端易获得，制备流程简单，制备成本低，可以应用于农药的木聚糖载体具有迫切的必要性。


技术实现要素：

6.本发明的第一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种两亲性木聚糖聚合物的制备方法。
7.本发明的第二个目的在于提供所述方法制备得到的两亲性木聚糖聚合物。
8.本发明的第三个目的在于提供所述两亲性木聚糖聚合物在制备农药载体或农药
制剂中的应用。
9.本发明的第四个目的在于提供一种4.4％阿维菌素水乳剂。
10.本发明的第五个目的在于提供所述4.4％阿维菌素水乳剂的制备方法。
11.本发明的第六个目的提供所述4.4％阿维菌素水乳剂在防治害虫中的应用。
12.本发明的目的通过下述技术方案实现：
13.一种两亲性木聚糖聚合物的制备方法，包括如下步骤：
14.将木聚糖和月桂酸溶解于二甲基亚砜(dmso)中，然后加入偶联剂n,n
’‑
二环己基碳酰亚胺(dcc)和催化剂4-二甲氨基吡啶(dmpa)，在保护性气体氛围下进行反应，然后离心去除反应副产物n-n
’‑
二环己基脲，用无水乙醇洗涤，再用丙酮和异丙醇混合溶液萃取提纯，经真空干燥，得到木聚糖接枝月桂酸聚合物，即所述两亲性木聚糖聚合物。
15.所述的木聚糖与月桂酸的质量比为1～2：2；优选为1～1.5：2；更优选为1.32：2。
16.所述的偶联剂n,n
’‑
二环己基碳酰亚胺(dcc)和催化剂4-二甲氨基吡啶(dmpa)的质量比为6～7：1；优选为6～6.5：1；更优选为6.24:1。
17.所述的偶联剂和催化剂的总质量与木聚糖的质量比为1：1.5～2；优选为1：1.81。
18.所述的二甲基亚砜的用量为按每克木聚糖配比35～40ml二甲基亚砜计算。
19.所述的保护性气体为氮气。
20.所述的反应的时间为60～120分钟。
21.所述的丙酮和异丙醇混合溶液中丙酮和异丙醇的体积比优选为1:1。
22.一种两亲性木聚糖聚合物，通过上述任一项所述的方法制备得到。
23.所述的两亲性木聚糖聚合物在制备农药载体或农药制剂中的应用。
24.所述的农药优选为阿维菌素；优选为阿维菌素b1a原药。
25.一种4.4％阿维菌素水乳剂，包含如下按质量百分数计的组分：4.4％阿维菌素，1～2％上述两亲性木聚糖聚合物，24～25％环己酮，3～5％乳化剂t-028，2～6％乳化剂z-029，水余量。
26.所述的4.4％阿维菌素水乳剂优选为包含如下按质量百分数计的组分：4.4％阿维菌素，2％上述两亲性木聚糖聚合物，25％环己酮，5％乳化剂t-028，6％乳化剂z-029，水余量。
27.所述的水优选为去离子水。
28.所述的4.4％阿维菌素水乳剂的制备方法，包括如下步骤：
29.(1)将阿维菌素溶解于环己酮中，加入乳化剂t-028，搅拌均匀，作为油相；
30.(2)将上述两亲性木聚糖聚合物(x-la)加入水中，超声辅助溶解，得到x-la溶液；
31.(3)将x-la溶液加入到油相中，在50℃条件下恒温震荡混合均匀，然后加入乳化剂z-029，在搅拌条件下加水补足至100％，继续在50℃条件下恒温震荡混合，得到4.4％阿维菌素水乳剂。
32.步骤(3)中所述的x-la溶液的浓度优选为72mg/ml。
33.步骤(3)中所述的恒温震荡混合的时间均为30min以上。
34.所述的4.4％阿维菌素水乳剂在防治害虫中的应用。
35.所述的害虫包括螨虫、线虫、斜纹夜蛾、小菜蛾和福寿螺等中的至少一种。
36.本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
37.本发明先采用月桂酸对木聚糖进行两亲性接枝改性，制备得到木聚糖接枝月桂酸聚合物(x-la)，然后将其作为农药载体用于制备4.4％阿维菌素水乳剂，该水乳剂储存稳定性(低温稳定性和热储稳定性)和润湿性能好，为两亲性木聚糖聚合物的绿色农药制剂的开发提供一种有效途径。
附图说明
38.图1是本发明木聚糖接枝月桂酸聚合物的合成过程图。
39.图2是本发明聚糖和木聚糖接枝月桂酸聚合物的ftir图谱。
40.图3是本发明木聚糖和木聚糖接枝月桂酸聚合物的1h-nmr谱图。
41.图4是木聚糖接枝月桂酸聚合物(x-la)、4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂的透射电镜图；其中，a为x-la；b为4.4％阿维菌素水乳剂；c为商品水乳剂。
42.图5是不同储存条件下4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂的粒径变化图。
43.图6是4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂在不同储存条件下的粒径分布图；其中，a为4.4％阿维菌素水乳剂；b为商品水乳剂。
44.图7是不同储存条件下4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂的表面张力变化图。
45.图8是4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂在甘蓝叶片上的液体保留率统计图。
具体实施方式
46.下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。下列实施例中未注明具体实验条件的试验方法，通常按照常规实验条件或按照制造厂所建议的实验条件。除非特别说明，本发明所用试剂和原材料均可通过市售获得。
47.实施例1
48.1、材料与方法
49.1.1材料与仪器
50.1.1.1试验材料
51.阿维菌素b1a原药(纯度97％，cas号:65195-55-3)；木聚糖(分子量(150.13000)n，纯度为99％，cas登录号：9014-63-5)；月桂酸(la)、二甲基亚砜(dmso)、n,n
’‑
二环己基碳酰亚胺(dcc)及4-二甲氨基吡啶(dmpa)均为分析纯(阿拉丁试剂公司)；丙酮、异丙醇、环己酮和无水乙醇均为分析纯(广州化学试剂厂)；乳化剂z-029、乳化剂t-028(购自广州粤有研光电材料有限公司)；商品化4.4％阿维菌素水乳剂(购自江门市植保有限公司)。
52.1.1.2试验仪器
53.rw20搅拌器(德国ika公司)；离心机；dzf-6055真空干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；ten-sor27傅里叶红外光谱仪(德国布鲁克公司)；av
ⅲ‑
400mhz核磁共振仪(德国布鲁克公司)；kq-600gkdv超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司)；jet-2100透射电子显微镜(日本电子株式会社)；nano-zs&mpt-2动态光散射仪(英国马尔文仪器有限公司)；zj-7000光学接触角测量仪(深圳市致佳仪器设备有限公司)；shz-b恒温水浴振荡器(金坛市城西春兰仪器厂)。
54.1.2试验方法
55.1.2.1两亲性木聚糖聚合物的制备与表征
56.木聚糖接枝月桂酸聚合物的合成过程如图1所示，木聚糖接枝月桂酸聚合物(x-la)是一种在木聚糖骨架上通过酯化反应接枝月桂酸分子的两亲性物质，其制备步骤为：
57.称取6.6g木聚糖(xylan)，加入到150ml的二甲基亚砜中，得到月桂酸/dmso溶液；称取10.016g月桂酸(lauric acid)，加入到50ml的二甲基亚砜中，得到木聚糖/dmso溶液；称取10.3g偶联剂dcc，加入到50ml的二甲基亚砜中，得到dcc/dmso溶液；然后将月桂酸/dmso溶液加入到木聚糖/dmso溶液中搅拌10min，缓慢加入1.65g催化剂dmap，再逐滴加入dcc/dmso溶液(反应体系中，木聚糖与月桂酸的质量比约为1.32：2，偶联剂dcc与催化剂dmpa的质量比约为6.24:1；偶联剂和催化剂的总加入量按1份木聚糖加入1.81份(质量比)的偶联剂和催化剂)，通入氮气保护，在室温下反应60～120分钟，然后通过离心除去反应副产物n-n
’‑
二环己基脲，用无水乙醇洗涤，用丙酮/异丙醇(v:v＝1:1)萃取提纯，真空干燥得到产物。通过ten-sor27傅里叶红外光谱仪、av
ⅲ‑
400mhz核磁共振波谱仪对产物进行表征，并计算取代度。
58.1.2.2 4.4％阿维菌素水乳剂的制备
59.通过转相法制备。将阿维菌素原药溶解于适量环己酮中，加入少量乳化剂t-028，搅拌均匀作为油相；将木聚糖接枝月桂酸聚合物(x-la)加入超纯水中，以超声辅助溶解配成浓度为72mg/ml的x-la溶液，取少量x-la溶液加入到油相中，在50℃下恒温震荡30min，然后加入少量乳化剂z-029，补足去离子水至100g，加水的同时不断搅拌以完成转相过程，在50℃下恒温震荡30min得到4.4％(w/v)阿维菌素水乳剂。水乳剂中阿维菌素、环己酮、x-la、乳化剂t-028和乳化剂z-029的质量分数分别为4.4％、25％、2％、5％和6％。
60.1.2.3阿维菌素水乳剂储存稳定性的测定
61.根据国家标准gb/t 19136-2021和gb/t 19137-2003的方法，将4.4％阿维菌素水乳剂样品分别放置于(54
±
2)℃贮存14d以及在(0
±
2)℃下贮存7d，分别测试4.4％阿维菌素水乳剂(avermectin ew)和商品水乳剂(commercial ew)的热储稳定性与低温稳定性，以室温静置14d作为对照，按照gb 2763-2021方法测定水乳剂中的阿维菌素有效成分含量变化，以市售5％阿维菌素水乳剂为对照，并计算其各种储存条件下的阿维菌素降解率：
[0062][0063]
1.3阿维菌素水乳剂性能表征
[0064]
1.3.1形貌观察
[0065]
分别将4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂稀释至一定浓度(1:500，v/v)，取少量稀释液滴在200目的铜网上，自然风干2min后，用新制2％(w/v)磷钨酸负染2min，室温干燥后通过jet-2100透射电子显微镜(tem)观察形貌。
[0066]
1.3.2粒径及其分布
[0067]
分别将4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂稀释1000倍，取少量稀释液经0.45μm滤膜过滤，通过nano-zs&mpt-2动态光散射仪，在90
°
散射角下分别测量乳液粒径及其分布，重复3次，取平均值。
[0068]
1.3.4zeta电位测定
[0069]
通过nano-zs&mpt-2动态光散射仪分别测量4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂的zeta电位，重复3次，取平均值。
[0070]
1.3.5表面张力测定
[0071]
分别将4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂稀释1000倍后，采用悬滴法通过zj-7000光学接触角测量仪测定表面张力，以超纯水为对照，重复10次，取平均值。
[0072]
1.3.6在甘蓝叶片上的液体保留率测定
[0073]
测量药液在甘蓝叶片上的液体保留率：用打孔器裁剪直径为6.6cm的大小均匀的新鲜甘蓝(六片叶期的甘蓝)叶片，将其分别放于4.4％阿维菌素水乳剂(1:1000倍稀释)和商品水乳剂(1:1000倍稀释)中浸泡1min，垂直提起，当叶片停止滴落溶液时称量重量，以超纯水为对照，重复3次，取平均值。
[0074]
液体保留率的公式如下：
[0075]
液体保留率＝(m
1-m0)/a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0076]
式中，m0、m1分别为浸泡前后叶片重量，a为叶片表面积。
[0077]
1.4利用x-la作为药物载体负载阿维菌素包封率、包载量测定
[0078]
采用gb 2763-2021方法测定利用x-la作为载体的负载阿维菌素胶囊(4.4％阿维菌素水乳剂)的包封率和包载量按下面公式计算：
[0079][0080][0081]
2、结果与分析
[0082]
2.1两亲性半纤维素衍生物结构表征结果
[0083]
图2是木聚糖和木聚糖接枝月桂酸聚合物(x-la)的ftir图谱。木聚糖接枝月桂酸后，ft-ir谱图出现了明显的变化，1744cm-1
和1256cm-1
的吸收峰分别为月桂酸侧链上的酯羰基(c＝o)和醚键(c-o)的特征吸收峰，这表明月桂酸侧链成功地接枝到木聚糖分子主链上。
[0084]
图3是木聚糖和木聚糖接枝月桂酸聚合物(x-la)的1h-nmr谱图。木聚糖的谱图中，在1.22ppm和0.84ppm附近有极弱的信号峰，这是因为木聚糖是多种糖基组成的多糖，支链上带有极少量ch2和ch3。木聚糖接枝月桂酸后，在1.23ppm处和0.84ppm附近出现较强的信号峰，其中0.84ppm是侧链月桂酸分子上甲基(ch3)的化学位移，而在1.23、1.49和2.26ppm处较强的信号峰对应侧链月桂酸分子上亚甲基(ch2)的化学位移，表明月桂酸疏水侧链被成功接枝到木聚糖分子链上。
[0085]
根据公式(2)可计算木聚糖接枝聚合物中月桂酸的取代度(ds)：
[0086][0087]
式中，ia、i
h1
、i
h4
分别表示疏水侧链甲基(ch3)上的h和半纤维素结构单元上的h1、h4的化学位移积分面积。本研究中，木聚糖接枝月桂酸聚合物的取代度约为0.318。
[0088]
2.2水乳剂性能表征
[0089]
2.2.1形貌观察
[0090]
x-la、4.4％阿维菌素水乳剂和商品水乳剂的透射电镜图如图4所示，两亲性木聚糖聚合物(x-la)自组装形成球状结构的纳米胶束，粒径小于100nm(图4a)。以x-la制备的4.4％阿维菌素水乳剂微粒保持了x-la胶束的形态大小，微粒形态清晰可见，呈光滑球体形状(图4b)。而商品水乳剂微粒呈无规则形状，且微粒分布杂乱无序，粒径大于100nm(图4c)。
[0091]
2.2.2储存稳定性结果
[0092]
本发明制备的4.4％阿维菌素水乳剂在不同储存条件下的性能表征如表1所示，不同储存条件下阿维菌素的降解率如表2所示，粒径变化如图5所示，粒径分布如图6所示。由图5可知，经冷贮后x-la制备的4.4％阿维菌素水乳剂各项指标与室温储存的相近，热储后的平均粒径仅122.9nm，pdi指数约为0.2，且在不同储存条件下均只有一个粒径分布峰(图6a)，总有效成分含量保持不变(表1)，说明x-la制备的4.4％阿维菌素水乳剂分散性好，乳液微粒分布均匀，储存稳定性较好，特别是热储稳定性。而商品水乳剂在冷贮和热储后，均出现明显的层析现象，其中热储后的平均粒径从156.2nm增加到588.9nm(图5)，pdi指数为0.61，且热储后出现了三个粒径分布峰(图6b)，乳液微粒发生了明显聚集，说明商品水乳剂储存稳定性较差，特别是热储稳定性。
[0093]
另外，通过对比表1和图4中水乳剂微粒的粒径，可发现tem图像中微粒粒径小于用动态光散射法得到的平均粒径，这可能是检测方法的误差。动态光散射法检测到的是溶剂化胶束的流体力学直径，而tem图像则是在高真空条件下观察，胶束在此过程中产生一定的脱水收缩。
[0094]
通过分析水乳剂表面zeta电位(表1)可以得到以上相同的结论。在相同条件下，4.4％阿维菌素水乳剂的zeta电位值均高于商品水乳剂。较高的表面电荷值，使得微粒之间由于静电作用相互排斥不易发生聚集，从而提高了水乳剂的稳定性。
[0095]
表1不同储存条件下4.4％阿维菌素水乳剂的性能表征
[0096][0097][0098]
表2不同储存条件下阿维菌素的降解率
[0099][0100]
2.2.3润湿性能结果
[0101]
药液的润湿性能是影响农药有效利用率的关键因素，较好的润湿性能可促进药液在靶标作物的润湿、铺展和沉积。
[0102]
图7为水乳剂的表面张力结果，以x-la制备的4.4％阿维菌素水乳剂不同储存条件下的表面张力为52mn/m左右，均低于超纯水。而商品水乳剂经冷储和热储后的表面张力均增加。因此，4.4％阿维菌素水乳剂与商品水乳剂相比具有较低的表面张力，且在不同储存条件下的稳定性较高。
[0103]
图8为水乳剂在甘蓝叶片上的液体保留率，从图8可知，4.4％阿维菌素水乳剂在甘蓝叶片上的液体保留率大于超纯水，而商品水乳剂则小于超纯水。这是因为x-la制备的4.4％阿维菌素水乳剂具有较低的表面张力(图7)，容易在甘蓝叶片上润湿和铺展。此外，x-la是两亲性半纤维素聚合物，与疏水改性纤维素聚合物相似，是一种非离子型表面活性剂，加入非离子型表面活性剂可降低甘蓝叶片(超疏水界面)的界面张力，从而抑制溶液飞溅，使农药粘附和沉积在甘蓝叶片上。
[0104]
2.3利用x-la作为药物载体负载阿维菌素包封率、包载量
[0105]
利用x-la作为药物载体负载阿维菌素(4.4％阿维菌素水乳剂)的包封率、包载量分别达到65.72％和4.40％(表3)。
[0106]
表3 x-la负载阿维菌素的包封率和包载量
[0107]
样品包封率/％载药量/％x-la负载阿维菌素胶囊65.724.40
[0108]
木聚糖作为天然高分子材料，具有来源广泛、成本低廉、生物相容性良好和可生物降解性等优点，以其为载体的纳米农药制剂，可以降低农药用量，实现农药活性物质的对靶释放，从而提高农药利用率并减少农药残留，而且木聚糖可生物降解，降解后的产物不产生二次污染，对环境友好。
[0109]
两亲性嵌段聚合物自组装形成的具有“核-壳”结构的纳米胶束是难溶性农药的优良载体，其小尺寸和较大的比表面积，可提高难溶性农药分子的分散性和稳定性。此外，某些两亲性天然高分子聚合物可作为非离子表面活性剂，加入农药后能够抑制药液在甘蓝
(超疏水界面)叶面上的飞溅，增加农药对靶标作物的粘附和沉积，提高农药的润湿性能，从而提高农药利用率。
[0110]
本发明中，用月桂酸对木聚糖进疏水接枝改性，制备了两亲性木聚糖聚合物(x-la)，将其用于4.4％阿维菌素水乳剂的开发，通过表征4.4％阿维菌素水乳剂在不同储存条件下的粒径、zeta电位、表面张力及在甘蓝叶片上的液体保留率，证明了x-la制备的4.4％阿维菌素水乳剂具有较好的储存稳定性(热储稳定性和低温稳定性)及润湿性能。以上结果可为制备储存稳定性和润湿性良好的水乳剂提供参考。
[0111]
纳米胶束是两亲性嵌段聚合物自组装形成的具有“核-壳”结构的有序聚集体，其疏水内核可负载难溶性农药。
[0112]
利用纳米材料和制备技术开发纳米农药新剂型，可有效提高农药利用率，降低农药残留和对环境污染。这是因为纳米颗粒的尺寸小、比表面积大，可提高难溶性农药的分散性、润湿性和稳定性，并增加农药对靶标表面的粘附和沉积。
[0113]
本发明中，与商品水乳剂相比，使用半纤维素-月桂酸聚合物制备的4.4％阿维菌素纳米胶束水乳剂具有较好的储存稳定性，特别是热储稳定性。在不同储存条件下，均只有一个粒径分布峰，总有效成分含量保持不变。常温和冷贮后纳米胶束水乳剂的平均粒径分别为225.5nm、229.8nm，而热储后的平均粒径仅122.9nm，表面zeta电位为-7.677mv。这是因为，胶束对阿维菌素的包封增加了阿维菌素在水中的稳定性。其次纳米胶束独有的小尺寸和大比表面效应，使粒径较小的微粒在水中的分散性和稳定性更好，而且微粒表面所带的负电荷对其稳定性同样有促进作用。
[0114]
与商品水乳剂相比，制备的4.4％阿维菌素纳米胶束水乳剂具有较好的润湿性能。不同储存条件下的表面张力均保持在52mn/m左右，表现出良好的亲水性能和稳定性。另外，纳米胶束水乳剂在甘蓝叶片上的液体保留率高于水和对照组，这是因为两亲性聚合物本身具有表面活性作用，在甘蓝叶片(超疏水界面)上能抑制胶束溶液飞溅，从而使农药药液粘附和沉积在甘蓝叶片上。
[0115]
因此，两亲性半纤维素聚合物自组装形成的纳米胶束可作为阿维菌素的优良载体，将其用于阿维菌素纳米制剂可改善应用效果。预期该类制剂将在预防斜纹夜蛾、小菜蛾等病虫害防治中发挥重要作用。
[0116]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。