Nano Materials Science｜李晓云课题组综述：生物质基材料用于智能响应农药递送系统——聚焦性能优化、机理探索与多功能设计
传统农药的利用率不足1%，大量有效成分因喷施漂移、淋溶和降解而流失至环境中，不仅造成资源浪费，更对生态系统和非靶标生物构成严重威胁。从传统缓释向智能响应型农药递送系统的转变，已成为绿色农业发展的必然趋势。生物质基材料因其可再生性、可功能化修饰及固有的生物可降解性，成为构建智能响应农药载体的理想选择。
针对这一重要方向，中山大学农业与生物技术学院李晓云课题组在《Nano Materials Science》上发表题为“Biomass-based materials for intelligent responsive pesticide delivery system: Focusing on performance optimization, mechanism exploration, and multi-functional design”的综述论文。该论文系统总结了木质素、纤维素、壳聚糖等生物质基材料在智能响应农药递送系统中的应用进展，深入分析了这些材料的独特性质、优势及其精准释放机制，并提出了未来研究应聚焦于性能优化、机理探索与多功能设计三大方向。
该综述指出，生物质基控释农药的载体形态主要包括纳米颗粒、微/纳米胶囊、凝胶和Pickering乳液等。不同形态的载体在靶向积累、吸收效率和释放动力学方面呈现差异化特征。纳米颗粒凭借高比表面积可实现快速响应；核壳结构的胶囊有利于多组分隔离与顺序释放；三维凝胶网络为多刺激响应单元的整合提供了理想平台；而Pickering乳液的固液界面则为组装响应性颗粒提供了动态环境。载体形态的选择直接决定了农药释放速率、持效期及空间靶向能力。
在智能释放机制方面，该综述详细阐述了pH响应、酶响应、温度响应、光响应、氧化还原响应及多重响应等六类刺激响应策略。近年来，农药控释技术在精准化、智能化和可控性方向上持续发展。通过利用对环境中的刺激因子敏感的的响应材料，可构建具有智能控释功能的环境响应型纳米农药递送系统。这些系统能有效实现农药的精准靶向释放，使农药释放机制与病虫害发生规律相匹配，从而充分发挥农药的防治效果并显著提升利用效率（图1）。
图1 环境与生物体内存在的刺激物
综述进一步聚焦于木质素、纤维素、壳聚糖三大类生物质材料的研究进展。木质素复杂而丰富的官能团（如酚羟基、羧基和羰基等）赋予其多种改性方式，使得构建多种响应平台成为可能——包括纳米颗粒、皮克林乳剂和微胶囊——能够响应pH值、酶和光等刺激（图2），来自不同来源的木质素结构异质性和多分散性导致载体性能在批次间不一致，增加了标准化生产的复杂性。纤维素不仅是世界上最丰富的天然聚合物，也是自然界中分布最广泛、数量最多的多糖。从结构上看，纤维素是一种高分子量的均相多糖，由β-1,4连接的D-葡萄糖单元组成，通常呈现椅子构象，并具有独特的三维交联多孔结构（图3）。因其独特的特性、可生物降解性和无毒性，代表了一种有前景的农药封装材料。然而，扩大生产流程以满足全球对此类系统的需求仍面临多重技术和物流挑战。壳聚糖作为唯一的天然阳离子多糖，其C2位氨基（-NH₂）在中性或酸性条件下可质子化为-NH₃⁺，从而使材料带正电荷。这一特性使其在与其他生物质材料复合时展现出独特的协同优势，但壳聚糖的原材料（如虾蟹壳）相较于木质纤维素而言，在资源易得性方面缺乏足够优势。不同材料各具特点，这使得研究者在根据农药类型与应用场景选择合适的负载材料时，有了更为多元且细致的考量。
图2 基于木质素的控释系统开发：从持续释放到智能响应活性成分
图3 纤维素结构图
该综述还系统归纳了其他生物质基材料的研究进展，包括海藻酸盐、淀粉、瓜尔胶、果胶、透明质酸、玉米醇溶蛋白及脂质等。这些材料各具特色——海藻酸盐可在常温下与钙离子交联形成水凝胶；玉米醇溶蛋白可通过二硫键引入实现pH和氧化还原双重响应；脂质载体则可利用害虫肠道中的脂肪酶实现酶触发释放。
值得注意的是，该综述首次提出了生物质基智能农药载体的分层设计框架：在分子层面，材料的固有官能团与化学键决定了其响应特性（如羧基/氨基赋予pH响应、糖苷键赋予酶响应）；在结构层面，载体的物理形态（纳米颗粒、胶囊、水凝胶等）决定了刺激信号如何转化为可控释放行为；在系统层面，多刺激响应机制的集成可赋予系统更高的“智能性”，实现田间复杂条件下的精准响应释放。
尽管生物质基智能农药在实验室层面展现出巨大潜力，该综述也坦诚讨论了从实验室走向田间所面临的商业化挑战，包括：生物质原料的异质性与过程标准化问题、成本竞争力与全生命周期评估、以及新型纳米制剂的环境安全性与监管路径等。作者指出，克服这些挑战将确保有前景的系统最终在真实农业场景中实现可持续价值。
论文第一完成单位为中山大学农业与生物技术学院。论文第一作者为2024级硕士研究生陀敬华，李晓云副教授为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金和广东省自然科学基金项目的资助。
初审：李晓云 审核：辛国荣 终审：杨德胜
