Vervaardiging, karakterisering en biologische activiteit van avermectine nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes

Experimenteel

Materialen

PLA en Av werden respectievelijk geleverd door Nature Works en Qilu Pharmaceutical Co., Ltd. (Inner Mongolia, P.R. China). Polyvinylalcohol (PVA), 87-90% gehydrolyseerd met een gemiddeld M_w van 30.000-70.000, werd gekocht van Sigma-Aldrich Shanghai Trading Co., Ltd. (Shanghai, Volksrepubliek China). Gelatine werd gekocht bij Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Beijing, Volksrepubliek China). De dialysemembranen zijn gekocht bij Beijing Tianan Technology Co., Ltd. (Volksrepubliek China). Andere chemische reagentia waren van analytische kwaliteit en werden gekocht bij Beijing Chemical Works (Beijing, Volksrepubliek China). Het water dat in alle experimenten werd gebruikt, was van Milli-Q-klasse (18,2 MΩ cm, TOC 4 ppb) en werd verkregen uit een Milli-Q Advantage A10-systeem (Millipore, Milford, MA, VS).

Voorbereiding van avermectin Nano-afgiftesysteem

Het Av-nano-afleversysteem werd bereid via een olie-in-water (O/W) emulsiemethode gecombineerd met een ultrasoon en afschuivend fysisch emulgeringsproces. In het kort werden PLA en Av opgelost in methyleenchloride als de oliefase. Voor de waterfase werd gelatine opgelost in water van 40°C, dat vervolgens werd gemengd met een waterige PVA-oplossing. Vervolgens werd de oliefase langzaam in een groot volume van de waterfase gedruppeld onder emulgering met hoge afschuiving (FA25, FLUKO, Ruhrgebiet, Duitsland), om een ​​grove emulsie te bereiden. De grove emulsie werd vervolgens uniform gedispergeerd door ultrasone emulgering (JY 92-IIN, SCIENTZ, Ningbo, Volksrepubliek China). De uniforme emulsie werd vervolgens gedurende de nacht onder magnetisch roeren gestold (RW20, IKA, Staufen, Duitsland). Het uitgeharde Av-nano-afgiftesysteem werd verzameld via centrifugatie en werd driemaal gewassen met gedeïoniseerd water. Producten werden verzameld door centrifugeren en vervolgens gevriesdroogd (FD-81, EYELA, Tokyo, Japan) om een ​​vrijstromend poeder op te leveren. Het gedroogde poeder werd tot gebruik bij 4 °C bewaard.

Karakterisering van nano-afleversystemen

De morfologie van elk Av-nano-afleversysteem werd onderzocht met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM, JSM-6700 F, JEOL Ltd., Akishima-shi, Japan) met een versnellingsspanning van 5 kV. SEM-monsters werden druppelsgewijs op het oppervlak van een siliciumplakje afgezet. De druppel mocht bij kamertemperatuur drogen en werd vervolgens bedekt met een dunne laag platina met behulp van een sputtercoater (EM ACE600, Leica, Wenen, Oostenrijk), om opladen tijdens SEM-waarneming te voorkomen. De deeltjesgrootte in de Av-nano-afleversystemen werd gemeten bij 25 °C door laserverstrooiing met behulp van een zetasizer (Zetasizer NanoZS90; Malvern, Worcestershire, VK).

Bepaling van het laden van avermectine in de nano-afgiftesystemen

De hoeveelheid Av in het nano-afgiftesysteem werd gemeten bij een golflengte van 245 nm, met behulp van een ultraviolet-zichtbare (UV-vis) spectrofotometer (TU901, Shimadzu Corporation, Kyoto, Japan). In detail werden de met Av geladen monsters afgewogen en overnacht opgelost in chloroform, waarna de oplossing werd gedroogd via destillatie onder verminderde druk. Vervolgens werd methanol toegevoegd om het Av uit het gedroogde neerslag op te lossen. Ten slotte werd het mengsel gefiltreerd om een ​​heldere oplossing op te leveren die werd geanalyseerd met UV-vis-spectrofotometrie.

Gecontroleerde afgifte van avermectine uit de nano-afgiftesystemen

De afgifteprofielen van Av uit de nano-afgiftesystemen van verschillende groottes werden als volgt onderzocht. Av nano-afleveringsmonsters van elke grootte werden gesuspendeerd in 10 ml ethanol/watermengsel (1:1, v /v ). De suspensie werd vervolgens overgebracht naar een dialysezak, die werd afgesloten in een bruine kolf met 90 ml ethanol/watermengsel (1:1, v) /v ) als het afgiftemedium. De kolf werd geïncubeerd in een incubatorschudder bij 300 rpm bij kamertemperatuur. Na gedefinieerde tijdsintervallen werd 5,0 ml oplossing verwijderd en vervangen door 5,0 ml vers oplosmiddel. De afgiftesnelheid van Av uit het nano-afleveringsmonster werd berekend door de concentraties van Av opgelost in het afgiftemedium met verschillende tussenpozen te meten en werd gebruikt om de eigenschap van aanhoudende afgifte te evalueren. De concentratie van Av werd gemeten met een UV-vis-spectrofotometer bij een golflengte van 245 nm. Als controle werd technisch abamectine (TC, actief ingrediënt van technische kwaliteit) gebruikt.

Fotolyse-gedrag van avermectine in het nano-afgiftesysteem

Het fotolytische gedrag van Av in het nano-afgiftesysteem werd geëvalueerd met het commerciële Av WDG als controle. De monsters werden opgelost in methanol/water (1:1, v /v ) en gelijk verdeeld in kweekschalen, en de resulterende monsters werden bestraald gedurende een gewenste duur bij 25 ° C onder een UV-lamp (500 W), die een maximale intensiteit had bij een golflengte van 365 nm. Op gespecificeerde tijdsintervallen (12, 24, 36, 48, 60 en 72 uur) werd de kweekschaal uit de reactor gehaald en werd de Av-concentratie van de monsters geanalyseerd.

Stabiliteitstesten

De stabiliteit van het Av nano-afleversysteem is getest volgens CIPAC MT 46 en GB/T 19136-2003. Monsters werden verpakt in glazen buizen en gedurende 7 dagen bij 0 ±-2 °C en 14 dagen bij 54 ±-2 °C bewaard. Veranderingen in de hoeveelheid Av in het nano-afgiftesysteem werden vervolgens bestudeerd.

Bioassays

Bioassays van het Av nano-afleversysteem van verschillende groottes werden uitgevoerd met behulp van de blad-dip-methode. Monsters werden verdund met Triton X-100 waterige oplossing bij verschillende Av-concentraties. Kool (Brassica oleracea L.) bladeren werden ondergedompeld in de verdunde Av-suspensie, vervolgens gedroogd bij kamertemperatuur en bevestigd aan een petrischaal. In elke schaal werden bladluislarven geïntroduceerd en de behandelde bladluizen werden in een incubator gekweekt bij 25°C en 75% relatieve vochtigheid. Er werden vier herhalingen uitgevoerd om te vergelijken met de controletest. De mortaliteit werd 48 uur na de behandeling vastgesteld. Concentratie-mortaliteitsgegevens werden geanalyseerd met behulp van DPS v12.01 statistische software. De mediane letale concentraties (LC₅₀ ) en hun 95%-betrouwbaarheidslimieten werden berekend. Commerciële WDG werd gebruikt als controle.

Resultaten en discussie

Constructie en karakterisering van het Avermectin Nano-afgiftesysteem

De Av nano-afleversystemen zijn geconstrueerd volgens de procedure zoals weergegeven in Fig. 1. Tijdens het proces werden de water- en oliefasen bereid volgens de hierboven genoemde methode. De oliefase werd geëmulgeerd in een waterfase (olie-in-water-emulsie) door emulgeren met hoge afschuiving, om een ​​grove emulsie te bereiden. De grove emulsie werd vervolgens uniform gedispergeerd door ultrasone emulgering. Dit werd gevolgd door roeren, verdampen en centrifugeren van de resulterende nanodeeltjes. De deeltjesgrootte van een afgiftesysteem is een van de belangrijkste factoren die de afgifte-eigenschappen en biologische activiteit van het pesticide beïnvloeden. Zoals weergegeven in figuur 2, werden Av-nano-afleversystemen met deeltjesgrootten van 344 tot 827 nm geconstrueerd door de syntheseparameters te regelen. Deeltjesgrootte is een belangrijke parameter voor de gecontroleerde afgifte-eigenschappen van pesticiden. De deeltjesgrootte van de Av-nano-afleversystemen zou kunnen worden gecontroleerd door de PVA/gelatine-concentratieverhouding te veranderen. Er werden verschillende Av-nano-afleversystemen bereid met afmetingen variërend van 344 tot 827 nm en Av-gehaltes variërend van 33,4 tot 57,5% (33,4, 44,9, 45,2 en 57,5%), zoals weergegeven in Fig. 3. Alle Av-producten hadden gladde oppervlakken en morfologieën van bolvormige deeltjes.

Schematische weergave van de voorbereiding van het Av nano-leveringssysteem

SEM-afbeeldingen (a –d ) en maatverdelingen (e ) van Av nano-afleversystemen met verschillende deeltjesgroottes

Hoeveelheden Av in Av nano-afleversystemen met verschillende deeltjesgroottes

Avermectine-afgifte uit het nano-afgiftesysteem in vitro

In de afgelopen jaren is de ontwikkeling van systemen voor de afgifte van pesticiden overgegaan in de richting van nauwkeurige en kwantitatieve afgifte, in tegenstelling tot eerdere systemen voor langzame en kwalitatieve afgifte. Om controleerbare afgifte te bereiken, werden de afgifteprofielen van de Av nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes systematisch onderzocht. Figuur 4 toont de procentuele afgifte van Av uit de nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes na hetzelfde tijdsinterval. De technische Av had een hoge afgiftesnelheid en was na 25 uur bijna volledig vrijgegeven. De geldigheidsduur van pesticiden heeft de aanhoudende afgifte van pesticiden nodig om de werkzaamheid gedurende een lange tijd te behouden. Vergeleken met de burst-afgifte van het technische abamectine, gaven alle voorbereide nano-afgiftesystemen Av met relatief lage snelheden vrij en behielden ze de aanhoudende afgifte gedurende langere perioden. Av-afgifteprofielen van de nano-afleversystemen bestonden uit een burst-afgifte gevolgd door een geleidelijke afgifte gedurende het 240 uur durende tijdsbestek van het experiment. Naarmate de grootte van het afleversysteem afnam van 827 naar 344 nm, nam de cumulatieve afgifte na 240 uur toe van 53,2 tot 79,4%. De resultaten gaven aan dat de Av-afgiftesnelheid van het nano-afgiftesysteem geleidelijk toenam met afnemende deeltjesgrootte. Dit was te wijten aan een groter oppervlak dat werd blootgesteld aan de omgeving, wat de permeatie en effusie van pesticiden in de omhulsels van het nano-afgiftesysteem bevordert. De resultaten toonden aan dat de Av-afgiftesnelheid van het nano-afgiftesysteem effectief kon worden gecontroleerd door de deeltjesgrootte te wijzigen.

Afgiftegedrag van Av nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes in ethanol/water (50:50, v /v ) meer dan 200 u

Biologische activiteit

De biologische activiteit van Av die vrijkomt uit nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes tegen bladluizen wordt getoond in Fig. 5. De LC₅₀ van het Av nano-afleversysteem nam geleidelijk af met afnemende deeltjesgrootte. De biologische beschikbaarheid van nano-emulsies is naar verluidt hoger dan die van conventionele emulsies vanwege hun kleinere deeltjesgrootte en hogere oppervlakte-tot-volumeverhouding. Daarom werden de hogere biologische activiteiten van Av-nano-afgiftesystemen met kleinere deeltjesgroottes toegeschreven aan de verhoogde dispergeerbaarheid, bevochtigbaarheid en retentie veroorzaakt door kleinschalige effecten. Alle Av nano-afleversystemen hadden een lagere LC₅₀ waarden en hogere activiteiten dan commerciële Av WDG. De hoge werkzaamheid was te danken aan de deeltjes van nanogrootte die de hechting en penetratie van het Av-pesticide op het oppervlak van gewassen verbeterden, waardoor het verlies van pesticide als gevolg van lekkage tijdens het spuiten wordt verminderd.

Bioassayresultaten van Av nano-afleversystemen met verschillende deeltjesgroottes

UV-beschermende eigenschappen van avermectine in het nano-afgiftesysteem

Om de UV-afschermende eigenschappen van Av in het nano-afgiftesysteem te verifiëren, werd de fotolytische snelheid van Av geschat door kunstmatige bestraling. De analyse van de fotolysesnelheid van Av met bestralingstijd wordt getoond in Fig. 6. Het fotolytische percentage abamectine was 18,7% voor het nano-afgiftesysteem en 46,7% voor de commerciële Av WDG na 48 uur. Na 72 uur was het fotolytische percentage abamectine 25,6% voor het nano-afgiftesysteem en 51,5% voor de commerciële Av WDG. Deze resultaten toonden aan dat het nano-afgiftesysteem geremde fotolyse van Av vertoonde vanwege het beschermende effect van de muurdrager.

Vergelijking van Av-fotolysepercentage met het commerciële WDG- en nano-afgiftesysteem onder UV-bestraling

Opslagstabiliteit

De stabiliteiten van de Av-nano-afleversystemen met verschillende deeltjesgroottes werden geëvalueerd door hun ladingsinhoud te meten bij temperaturen van 0, 25 en 54 ° C. Figuur 7 laat zien dat het nano-afleversysteem stabiel bleef zonder grote veranderingen in Av-lading tijdens opslag bij kamertemperatuur en lage temperatuur. Een klein verlies van Av werd waargenomen na 14 dagen bij 54 °C, als gevolg van de afbraak van Av bij hoge temperatuur. Deze resultaten toonden aan dat het Av nano-bezorgsysteem een ​​goede opslagstabiliteit had.

Stabiliteit van Av nano-afleversysteem bij verschillende opslagtemperaturen

Conclusies

Om de gecontroleerde afgifte, chemische stabiliteit en biologische activiteit van Av te verbeteren, werd een Av-nano-afgiftesysteem met verschillende gemiddelde deeltjesgroottes gesynthetiseerd met behulp van de emulsiepolymerisatiemethode. Het Av nano-afleversysteem vertoonde consistent afgiftegedrag. De Av-afgiftesnelheid uit het nano-afgiftesysteem nam geleidelijk toe met afnemende deeltjesgrootte, dankzij een groter oppervlak. De biologische activiteit van het Av-nano-afgiftesysteem nam geleidelijk toe met afnemende deeltjesgrootte, dankzij verbeterde hechting en penetratie. Het Av nano-afleversysteem vertoonde goede anti-fotolyse-eigenschappen en stabiliteit. Het toedieningssysteem overwint de tekortkomingen van de huidige biopesticiden, zoals hun gevoeligheid voor het milieu, ongewenste bodemadsorptie en korte activiteitsduur. Dit zal de doeltreffendheid van pesticiden verbeteren en de vereiste sproeifrequentie verminderen.