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海南大學(xué)李嘉誠教授團(tuán)隊(duì) CEJ：一種受多種仿生粘附策略啟發(fā)的海藻酸基凝膠 - 可增強(qiáng)農(nóng)藥的葉面親和性和耐雨水沖刷性
2023-11-29  來源：高分子科技

  農(nóng)藥是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。然而，由于植物葉片表面存在疏水蠟質(zhì)化合物和微/納米級乳突結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了農(nóng)藥液滴在靶標(biāo)表面發(fā)生滾落、聚并及反彈現(xiàn)象，從而阻礙有效潤濕。此外，雨水沖刷更是影響農(nóng)藥葉面沉積及生物利用率的主要自然因素之一，約有90%的有效成分在雨水的沖洗作用下極易發(fā)生流失。而這一現(xiàn)象涉及三個(gè)不同尺度方面的問題：1）農(nóng)藥液滴與植物葉片之間缺乏分子間的界面橋接作用；2）雨水容易進(jìn)入葉片表面微納結(jié)構(gòu)之間的空隙中，從而降低了農(nóng)藥液滴與靶標(biāo)表面的有效接觸面積；3）在雨水環(huán)境中，農(nóng)藥載體/添加劑容易發(fā)生體系微結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚性破壞，進(jìn)而影響了農(nóng)藥的包封和釋放效率。而利用高分子海藻多糖的本征特性和多級組裝特點(diǎn)將其作為農(nóng)藥噴灑助劑，促使農(nóng)藥液滴與作物葉片之間相互耦合作用具有顯著潛力，有望提高農(nóng)藥在實(shí)際應(yīng)用中的效果，確保其更有效地發(fā)揮作用，進(jìn)而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更可靠的支持。



  海南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李嘉誠教授團(tuán)隊(duì)受多種仿生粘附策略啟發(fā)，通過順序噴灑法噴灑聚多巴胺共軛海藻酸衍生物和Fe3+離子溶液至作物靶標(biāo)表面構(gòu)建納米凝膠。該凝膠不僅可以實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥與葉面之間的分子級的界面橋連，而且還能誘導(dǎo)與粗糙的微/納米結(jié)構(gòu)物理互鎖，增強(qiáng)了農(nóng)藥的葉面親和性和耐雨水沖刷性。相關(guān)成果2024年11月24日“Multi-bioinspired alginate-based gel coatings formed by dynamic metal–ligand assembly for enhancing foliar affinity and rain-fastness of pesticides”為題在線發(fā)表于Chemical Engineering Journal。 



  團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉作為一種天然聚合物，在葉片表面具有優(yōu)異的成膜特性，可增加與靶標(biāo)的接觸面積。柔性多糖鏈可有效適應(yīng)與不平整基質(zhì)形成分子鍵合所需的耦合變形。此外，海藻酸衍生物還具有與金屬離子螯合的本征功能，可調(diào)節(jié)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)。聚多巴胺共軛海藻酸鹽是通過酰胺法制得。其中，聚多巴胺作為 "釘子 "將多糖衍生物緊密附著在葉片表面，在誘導(dǎo)強(qiáng)界面粘附力方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。Fe3+離子可通過與海藻酸鹽的羧基和多巴胺的鄰苯二酚基團(tuán)形成配位鍵來橋接高分子聚合物，從而組裝形成致密的納米級三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，推動與葉面微/納米結(jié)構(gòu)的相互耦合和物理互鎖。同時(shí)，它還為凝膠的內(nèi)部提供了強(qiáng)大的內(nèi)聚力。并且由于羧基-Fe3+體系的本征動態(tài)特性，海藻酸基凝膠還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥的光響應(yīng)釋放。 


圖2. 海藻酸基凝膠在葉面的沉積 


圖3. 凝膠在疏水蠟質(zhì)層上的粘附機(jī)理
 

圖4. 施用載藥凝膠的盆栽實(shí)驗(yàn)

  海南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院熱帶島嶼資源先進(jìn)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該論文的唯一通訊單位，碩士研究生麥可揚(yáng)為論文第一作者，李嘉誠教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、海南省科技計(jì)劃項(xiàng)目以及海南大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心研究項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。


  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894723060886

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