智能水凝胶是一类能感知外界环境 (如温度、pH 值、光、电、磁场) 的微小变化而发生可逆性体积膨胀和收缩的具有三维网状结构的高分子聚合物，广泛应用于化工、生物、医药领域^[1-2]，如化学反应阀^[3]、组织工程支架^[4]和药物传递控释载体^[5-7]等。根据智能水凝胶对环境刺激的响应特性，可将智能水凝胶分为 pH 敏感水凝胶、光敏感水凝胶、温度敏感水凝胶等，其中温度敏感水凝胶是目前研究最多、应用最广泛的一类高分子水凝胶，它能感知外界环境温度的变化而发生体积的可逆膨胀或收缩，当外界温度达到或超过某一临界值时，其体积就会发生突跃式变化，此临界温度称为体积相转变温度 (volume phase transition temperature，VPTT)^[8-9]。基于其对温度独特的响应特性，温敏水凝胶作为缓控释载体已被广泛应用于医药领域的靶向给药系统^[10-13]，还鲜见应用于农药领域的相关报道。微球作为一种药物剂型，系指将药物分散在高分子材料中，形成骨架型微小球状实体^[14]。将智能水凝胶制备成微球作为农药的控释载体，其可通过感知温度、pH值、化学或生物质等环境信息的变化，定点、定时、定量的实现药物释放，具有提高药效、靶向，减少给药频率，增加安全性等优点^[15]。

高效氯氰菊酯 (beta-cypermethrin) 生物活性高，具有触杀和胃毒作用，杀虫谱广、击倒速度快，在农业生产上广泛用于防治果树食心虫类害虫——桃小食心虫^[16]。目前已登记剂型主要为乳油、水乳剂及微乳剂等，但其施用后有效利用率低。随着农业种植结构的调整，果树种植面积逐年扩大，导致了桃小食心虫大面积爆发，给果农造成了严重的经济损失^[17]。研究表明，桃小食心虫的发生与温、湿度关系密切，当土壤含水量为 2%~15%，温度为 22.9~25.8 ℃ 时，其幼虫出土达到高峰^[18-20]。聚 (N-正丙基丙烯酰胺) (PNNPAM) 水凝胶是一种可分散于水中，并能感应外界温度变化而发生体积相转变的智能材料，其体积相转变温度 (VPTT) 为 22 ℃ 左右^[21]，利用聚 (N-正丙基丙烯酰胺) 水凝胶作为高效氯氰菊酯的控药载体，可以实现其在桃小食心虫出土盛期时释放有效成分，既提高了药物利用度，又可以将幼虫控制在经济阈值以下，从而实现药物的精准释放。鉴于此，本研究采用无皂乳液聚合法，以 N-正丙基丙烯酰胺 (NNPAM) 为制备材料，通过对制备关键工艺的研究，筛选出高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球制备工艺条件，并成功制备。

1 材料与方法 1.1 仪器与材料

85-2 控温磁力搅拌器 (常州国宇仪器制造有限公司)；PWC254 电子分析天平 (英国艾德姆衡器有限公司)；Aglient 1260 高效液相色谱仪 (美国安捷伦有限公司)；Malvern Zetasizer Nano ZS90 激光粒度仪 (英国马尔文仪器有限公司)；OLYMPUS BX53 显微镜 (奥林巴斯株式会社)；Alpha 1-2 LD plus 冷冻干燥机 (德国 CHRIST 公司)。

97% 高效氯氰菊酯原药 (江苏扬农化工股份有限公司)；N-正丙基丙烯酰胺 (NNPAM，东京化成工业株式会社)；N,N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA，天津市光复精细化工研究所)；过硫酸钾 (KPS，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司)；无水乙醇 (国药集团化学试剂有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 高效氯氰菊酯PNNPAM温敏微球的制备 参考文献[22]方法。称取定量 NNPAM 和 MBA 于装有温度计、回流冷凝管及导气装置的 250 mL 四口烧瓶中，加入 60 mL 去离子水，磁力搅拌下边搅拌边升温，待 NNPAM 和 MBA 完全溶解后，通入 N ₂ 至液面下鼓泡。在 N ₂ 保护下升温至 70 ℃，待温度稳定 30 min 后加入 10 mL 质量浓度为 8 mg/mL 的过硫酸钾水溶液，当溶液由淡蓝色变为乳白色后，滴加 10 mL 质量浓度为 35 mg/mL 的高效氯氰菊酯乙醇溶液，在 N ₂ 保护下恒温 70 ℃ 反应 6 h。冷却后放入 10 ℃ 冰箱中冷藏，备用。

1.2.2 反应温度的影响 保持 NNPAM 和 MBA 质量浓度分别为 12、0.5 mg/mL 不变，设定反应温度分别为 60、70、80、90 ℃，按照 1.2.1 节方法制备高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球。每个处理重复 3 次。考察不同反应温度对温敏微球粒径、载药量及包埋率的影响。

1.2.3 MBA 质量浓度的影响 保持 NNPAM 质量浓度为 12 mg/mL，设定 MBA 质量浓度分别为 0.3、0.5、0.7 和 0.9 mg/mL 制备高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球。每个处理重复 3 次。考察 MBA 质量浓度对温敏微球粒径、载药量及包埋率的影响。

1.2.4 NNPAM 质量浓度的影响 保持 MBA 质量浓度为 0.5 mg/mL，设定 NNPAM 质量浓度分别为 8、12、16 和 20 mg/mL 制备高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球。每个处理重复 3 次。考察 NNPAM 质量浓度对温敏微球粒径、载药量及包埋率的影响。

1.2.5 形态观察 采用 OLYMPUS BX53 显微镜观察所制备微球在室温环境下的外观形态。

1.2.6 粒径测定 采用 Malvern Zetasizer Nano ZS90 激光粒径仪测定微球在 20 ℃ 下的粒径。取定量反应后体系溶液，用去离子水稀释 1 000 倍，振荡摇匀。每个样品重复测量 3 次。

1.2.7 载药量和包埋率测定 取反应后体系全部溶液，于 20 ℃ 下过滤，滤饼先后用 10 mL 去离子水和 10 mL 无水乙醇分别洗涤 3 次，冷冻干燥后称重。

称取 0.2 g 高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球于烧杯中，加入 20 mL 无水乙醇，置于超声波清洗机中提取高效氯氰菊酯。将提取液合并，用乙腈定容至 250 mL。采用 Aglient 1260 HPLC 测定高效氯氰菊酯含量。检测条件为：Zorbax Eclipse XDB-C ₁₈ 色谱柱 (150 mm × 4.6 mm)；G1314B/C (VL) 可变波长紫外检测器；柱温 30 ℃；流动相： V (水):V (乙腈) = 23 : 77，流速：1.0 mL/min；进样量10 μL；检测波长 278 nm。分别按 (1) 和 (2) 式计算温敏微球的载药量和包埋率。

${\text{载药量}} / \text{\%} = \frac{\text{微球中高效氯氰菊酯质量}}{\text{微球质量}} \times 100$

(1)

${\text{包埋率}} / \text{\%} = \frac{\text{微球中高效氯氰菊酯总质量}}{\text{投入高效氯氰菊酯总质量}} \times 100$

(2)

1.2.8 温敏微球释药性测定 准确称取载药量为 16.9% 的高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球 5 g (精确至 0.000 1 g) 两份，分别放入带有滤纸的玻璃漏斗中，模拟自然环境，将漏斗分别置于相对湿度 80%、光周期 15 L:9 D、温度为 20 和 25 ℃ 的人工气候培养箱中，每隔 2 h 用 10 mL 无水乙醇淋洗、过滤，滤液转移至 50 mL 容量瓶中，用乙腈定容。按照 1.2.7 节中 HPLC 测定条件测定滤液中高效氯氰菊酯含量，按 (3) 式计算温敏微球在不同时间内的高效氯氰菊酯累计释放率 (Q)。

$Q / \text{\%} = \frac{{{M_1}}}{{{M_0}}} \times 100 $

(3)

式中，M ₁ 为从温敏微球释放的高效氯氰菊酯的累计质量，mg，M ₀ 为温敏微球中高效氯氰菊酯的初始质量，mg。

2 结果与分析 2.1 反应温度对高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球性能的影响

2.1.1 不同反应温度对粒径的影响 结果 (表 1) 表明：反应温度是影响微球粒径大小的重要因素。60 ℃ 时聚合反应几乎不发生，未见有微球生成；随着反应温度的升高，溶液颜色逐渐由无色→淡蓝色→乳白色，粒径逐渐减小，这是由于随着温度的升高，使得过硫酸钾分解的自由基数量增加，导致微粒间发生碰撞的机会增多，进而使聚合反应链终止的机会增多，造成微球粒径减小。

2.1.2 不同反应温度对载药量及包埋率的影响 结果 (表1) 表明：当反应温度为 60 ℃ 时，不能生成微球；随着温度的升高，载药量和包埋率先升高后降低，当温度为 90 ℃ 时，载药量和包埋率开始下降，有不规则形状凝胶颗粒出现(见图 1)，究其原因可能是因为当反应温度达到一定高度时，反应剧烈，微粒间碰撞几率增加，导致直链聚合物来不及转化成球形，聚合反应就已终止。

2.2 不同 MBA 质量浓度对温敏微球性能的影响

2.2.1 不同 MBA 质量浓度对微球粒径的影响 由图 2 可以看出，随着 MBA 质量浓度的增加，微球粒径逐渐减小。这可能是因为随着交联剂 MBA 质量浓度的增加，交联密度加大，在单体 NNPAM 浓度一定的情况下，粒径就会减小。

2.2.2 不同 MBA 质量浓度对载药量及包埋率的影响 由图 3 可以看出，微球载药量和包埋率均随 MBA 质量浓度的增高而显著增加，这是由于在 NNPAM 质量浓度不变的情况下，MBA 作为交联剂，其浓度越大，导致微球内部交联密度越大，网络中交联点更多，更易使药物负载其中。

2.3 不同 NNPAM 质量浓度对温敏微球性能的影响

2.3.1 不同 NNPAM 质量浓度对微球粒径的影响 图 4 表明，随着 NNPAM 单体浓度的增加，微球粒径增加，这是由于在其他制备条件不变时，随着单体质量浓度的增加，越来越多的单体交联聚合，导致粒径增大。

2.3.2 不同 NNPAM 质量浓度对载药量及包埋率的影响 由图 5 可以看出，微球载药量和包埋率均随着 NNPAM 质量浓度的增大而显著增加，这是由于在其他条件不变的情况下，NNPAM 质量浓度越大，聚合反应速率越快，导致更多的药物被包埋。

2.4 高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球的释药性能

从图 6 分析可知，温度对高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球累积释放率具有显著影响。当环境温度为 20 ℃，小于其 VPTT 时，高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球在 48 h 内累积释放率不足 10%；当环境温度为 25 ℃，大于其 VPTT 时，微球在 2 h 内的累积释放率大于 50%，在 12 h 内累积释放率达到 80% 以上，且随着时间的增长，累积释放率逐渐增大，但在 12~48 h 内，增长速率减慢。其原因是由于在微球收缩过程中，位于微球浅层的药物最先被挤压出来，位于微球内部的药物由于在收缩过程中扩散通道变形，导致药物扩散受阻^[23]。

3 讨论

影响微球粒径、载药量和包埋率的因素很多，主要有包载药物本身的化学性质、载体的性能以及微球的制备工艺。顾婷等^[24]针对采用不同制备工艺合成的温敏性微凝胶研究表明，制备工艺对微凝胶粒径有显著影响。本研究结果表明：温度、MBA 和 NNPAM 质量浓度对微球粒径、载药量和包埋率均有显著影响，粒径随着反应温度的升高和 MBA 质量浓度的升高而逐渐下降，随着 NNPAM 质量浓度的升高而增大，与赵永强^[25]的研究结果一致。载药量和包埋率随着 MBA 和 NNPAM 质量浓度的升高而增大，当 MBA 和 NNPAM 质量浓度达到一定程度后，再继续增加二者的浓度，所生成的微球会发生严重粘连，最终形成块状凝胶。在本研究中，对于疏水性药物高效氯氰菊酯而言，由于该聚合反应在水溶液中进行，相比亲水性药物，其微球载药量较低。近年来相关研究^[26-27]表明，环糊精及其衍生物由于具有 “内疏水，外亲水” 的特殊分子结构，一方面对疏水性药物具有明显的增溶作用，另一方面经交联后具有高的载药量和控释能力。利用环糊精和 NNPAM 制备互穿网络水凝胶有望在提高难溶性药物水溶性的同时，能够有效提高疏水性药物的负载和释放能力^[28]。本研究结果表明：在环境温度低于其 VPTT 时，高效氯氰菊酯累积释放率不足 10%；而高于其 VPTT 时，累积释放率在 0–12 h 内会快速增加至 80%，表明该温敏微球能够有效实现对高效氯氰菊酯的温控释放，使其在桃小食心虫出土高峰时发挥作用。

本研究利用温敏材料聚 (N-正丙基丙烯酰胺) (PNNPAM) 的体积相转变温度与桃小食心虫出土高峰期温度相近的特点，在 70~80 ℃ 条件下，可制备出粒径大小合适、载药量和包埋率较高的高效氯氰菊酯 PNNPAM 温敏微球，将温敏材料聚 (N-正丙基丙烯酰胺) 应用于农药剂型加工领域，为农药控释化开发和研究拓宽了方向，进而为开发出一种适合于防治桃小食心虫的控释化产品奠定了一定的基础。