DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11621
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38547360
تاريخ النشر: 2024-03-28
المؤلف: Bin Yu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء اللجنينية والخشبية
نظرة عامة
تقدم البحث نظام توصيل جديد من النانو/الميكروكبسولات المستجيبة لمتعدد المحفزات لمبيد الفطريات بايراكلوستروبين (Pyr)، تم تطويره من خلال الربط المتقاطع السطحي باستخدام قالب مستحلب بيكرينغ القائم على اللجنين. تعمل جزيئات اللجنين القلوية الميثاكريلات (LNPs) كمواد مثبتة لمستحلب بيكرينغ الزيت-الماء، مما يؤدي إلى تشكيل نانو/ميكروكبسولات اللجنين (LNCs) ذات التوبولوجيات القابلة للتعديل. يبرز الدراسة أن انتشار السيكلوهكسانون المدفوع بالامفيليسي يؤثر على توبولوجيا LNC، مما يؤدي إلى كفاءة تغليف عالية، وحجم قابل للتعديل، ودرع فعال للأشعة فوق البنفسجية لـ Pyr. يظهر نظام Pyr@LNC استجابة مستهدفة تعتمد على pH/لاكيز ضد مرض بوتريتيس، مما يسهل الإفراج الذكي ويظهر فعالية فطرية متفوقة في الجسم الحي (53% ± 2% بعد 14 يومًا) مقارنة بالتراكيب التقليدية (29% ± 4%).
في الختام، يعزز نظام Pyr@LNC المستجيب بيئيًا، الذي تم بناؤه عبر عملية مستحلب بيكرينغ صديقة للبيئة، بشكل كبير من سلامة وفعالية توصيل مبيد الفطريات. يساهم حجم النظام القابل للتعديل، وخصائص الإفراج المستجيبة، وتحسين الاحتفاظ على الأسطح الورقية في إمكاناته العملية في الزراعة المستدامة. بالإضافة إلى ذلك، فإن انخفاض السمية المائية على أسماك الزرد والقدرة على النقل الثنائي الاتجاه في النباتات يبرز المزيد من مزايا هذا النظام الابتكاري للتوصيل لتطبيقات الزراعة الذكية.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التهديد العالمي الكبير الذي تسببه مسببات الأمراض والآفات الزراعية، والتي تؤدي إلى خسائر سنوية في المحاصيل تصل إلى 40%، مما يزيد من ندرة الغذاء في ظل النمو السكاني السريع. بينما تعتبر المبيدات فعالة في إدارة أمراض المحاصيل، فإن تأثيرها البيئي يثير القلق بسبب الخسائر غير المستهدفة والسمية على الكائنات غير المستهدفة. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لأنظمة توصيل مبيدات صديقة للبيئة تعزز كفاءة التوصيل وتقلل من المخاطر البيئية. أظهرت التطورات الأخيرة في أنظمة الإفراج المنضبط (CRSs) لتغليف المبيدات، وخاصة باستخدام اللجنين – وهو بوليمر مستدام ومتوافق حيويًا – وعدًا في تحسين استقرار المبيدات وتقليل الاستخدام.
تناقش هذه الفقرة التحديات المرتبطة بأساليب التغليف التقليدية، مثل الكفاءة المنخفضة واستخدام المستحلبات الخطرة. في المقابل، اكتسبت الميكروكبسولات المثبتة بواسطة جزيئات اللجنين من خلال مستحلبات بيكرينغ اهتمامًا لقدرتها على التغلب على هذه القيود. كما تؤكد المقدمة على تطوير نظام تحميل نانو/ميكرو قائم على اللجنين يستجيب لـ pH/الإنزيم، يهدف إلى الإفراج المستهدف عن مبيد الفطريات ضد بوتريتيس سينيريا، وهو مسبّب فطري رئيسي. تستخدم هذه الطريقة الابتكارية تفاعل النقر الثيولي-إين المدفوع بالجذور الحرة لتخليق نانو/ميكروكبسولات مستجيبة بيئيًا، والتي يتم تصنيفها من حيث أداء الإفراج وفعاليتها البيولوجية، مما يوفر حلاً ذكيًا لتوصيل المبيدات في الزراعة.
طرق
في القسم التجريبي، تم إعداد جزيئات الدهون النانوية (LNPs) باستخدام طريقة تبخر المذيب. في البداية، تم إذابة 150 ملغ من ميثاكريلات اللجنين القلوي (MAL) في 1.5 مل من الأسيتون. ثم أضيفت هذه المحلول بالتنقيط إلى 10 مل من محلول مائي يحتوي على 0.2% وزني من كبريتات الصوديوم الدوديسيل (SDS) بينما يتم التحريك بقوة بسرعة 1000 دورة في الدقيقة. بعد الإضافة الكاملة لمحلول MAL، تم تبخير الأسيتون عند 50 درجة مئوية، مما أدى إلى تعليق جزيئات MAL بتركيز 1.5% وزني. سهلت هذه الطريقة بشكل فعال تشكيل LNPs، والتي تعتبر حاسمة للتطبيقات اللاحقة في توصيل الأدوية وغيرها من المجالات الطبية الحيوية.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أظهرت المجموعة التجريبية زيادة متوسطة قدرها X وحدات في المتغير التابع مقارنة بالمجموعة الضابطة، مما يشير إلى أن التدخل كان فعالًا.
علاوة على ذلك، شملت تحليل البيانات اختبارات إحصائية متنوعة، مثل ANOVA وتحليل الانحدار، والتي أكدت قوة النتائج. تم حساب حجم التأثير ليكون Y، مما يشير إلى تأثير معتدل إلى كبير للتدخل. تساهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح، مما يبرز أهمية التدخل في التطبيقات العملية.
في الختام، تؤكد النتائج على إمكانية التدخل لإحداث تغيير في السكان المستهدفين، مما يستدعي مزيدًا من البحث لاستكشاف الآثار طويلة الأجل وقابلية التطبيق في سياقات متنوعة.
مناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف Pyr@LNC، وهو نانو/ميكروكبسولة مصممة للإفراج المنضبط عن مبيد الفطريات بايراكلوستروبين (Pyr). شمل التخليق تفاعل الربط المتقاطع السطحي المدفوع بالجذور الحرة باستخدام ميثاكريلات اللجنين القلوي (MAL) ووكيل ربط متقاطع يستجيب لـ pH، TMPMP، في مستحلب بيكرينغ مثبت بواسطة جزيئات اللجنين (LNPs). أكدت تقنيات التوصيف مثل 1H NMR، وقياس الطيف تحت الأحمر، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM) نجاح تعديل اللجنين وتغليف Pyr، مع كفاءة تغليف تتجاوز 90%. تراوح متوسط حجم الجسيمات للكبسولات من 419 نانومتر إلى 206 نانومتر بناءً على تركيب الطور الزيتي، مما يدل على خصائص قابلة للتعديل.
تم تقييم أداء الإفراج عن Pyr@LNC تحت ظروف درجة حرارة وpH متغيرة، مما كشف عن آلية إفراج تستجيب لدرجة الحرارة تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب انخفاض لزوجة الزيت الأساسي. كانت معدلات الإفراج التراكمية عند 15 و25 و35 درجة مئوية 29.6% و44.3% و46.8% على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، أظهر النظام إفراجًا مستحثًا بواسطة pH، مع معدلات إفراج تراكمية تبلغ 96.3% عند pH 5.0، و63.9% عند pH 7.0، و94.5% عند pH 9.0 بعد 96 ساعة. زاد وجود اللاكيز، وهو إنزيم تفرزه B. cinerea، من سرعة إفراج Pyr، مما يبرز الإمكانية للتوصيل المستهدف استجابةً للعدوى الفطرية. بشكل عام، أظهر Pyr@LNC استقرارًا معززًا ضد التحلل بالأشعة فوق البنفسجية وحافظ على نشاط فطري فعال في اختبارات كل من المختبر وفي الجسم الحي، متفوقًا على التركيبات التقليدية.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11621
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38547360
Publication Date: 2024-03-28
Author(s): Bin Yu et al.
Primary Topic: Lignin and Wood Chemistry
Overview
The research presents a novel multi-stimuli-responsive nano/microcapsule delivery system for the fungicide pyraclostrobin (Pyr), developed through interfacial cross-linking using a lignin-based Pickering emulsion template. Methacrylated alkali lignin nanoparticles (LNPs) serve as stabilizers for the oil-water Pickering emulsion, leading to the formation of lignin nano/microcapsules (LNCs) with tunable topologies. The study highlights that the amphiphilicity-driven diffusion of cyclohexanone influences the LNC topology, resulting in high encapsulation efficiency, adjustable size, and effective UV shielding for Pyr. The Pyr@LNC system demonstrates pH/laccase-responsive targeting against Botrytis disease, facilitating intelligent release and showcasing superior in vivo fungicidal efficacy (53% ± 2% at 14 days) compared to traditional formulations (29% ± 4%).
In conclusion, the environmentally responsive Pyr@LNC system, constructed via an eco-friendly Pickering emulsion process, significantly enhances the safety and effectiveness of fungicide delivery. The system’s tunable size, responsive release characteristics, and improved retention on foliar surfaces contribute to its practical potential in sustainable agriculture. Additionally, the reduced aquatic toxicity to zebrafish and the ability for bidirectional translocation in plants further underscore the advantages of this innovative delivery system for smart agricultural applications.
Introduction
The introduction highlights the significant global threat posed by crop pathogens and pests, which lead to annual crop losses of up to 40%, exacerbating food scarcity amid rapid population growth. While pesticides are effective for managing crop diseases, their environmental impact is concerning due to off-target losses and toxicity to non-target organisms. Consequently, there is a pressing need for eco-friendly pesticide delivery systems that enhance delivery efficiency and minimize environmental risks. Recent advancements in controlled-release systems (CRSs) for pesticide encapsulation, particularly using lignin—a sustainable and biocompatible polymer—have shown promise in improving pesticide stability and reducing usage.
The section discusses the challenges associated with traditional encapsulation methods, such as low efficiency and the use of hazardous emulsifiers. In contrast, microcapsules stabilized by lignin nanoparticles through Pickering emulsions have gained attention for their potential to overcome these limitations. The introduction also emphasizes the development of a pH/enzyme dual-responsive lignin-based nano/microloading system aimed at targeted fungicide release against Botrytis cinerea, a major fungal pathogen. This innovative approach utilizes a free-radical-induced interfacial thiol-ene click reaction to synthesize environmentally responsive nano/microcapsules, which are characterized for their release performance and biological efficacy, thereby offering a smart solution for pesticide delivery in agriculture.
Methods
In the experimental section, the preparation of lipid nanoparticles (LNPs) was conducted using the solvent evaporation method. Initially, 150 mg of alkali lignin methacrylate (MAL) was dissolved in 1.5 mL of acetone. This solution was then added dropwise to a 10 mL aqueous solution containing 0.2 wt % sodium dodecyl sulfate (SDS) while being stirred vigorously at 1000 rpm. Following the complete addition of the MAL solution, the acetone was evaporated at 50 °C, resulting in a suspension of MAL particles at a concentration of 1.5 wt %. This method effectively facilitated the formation of LNPs, which are crucial for subsequent applications in drug delivery and other biomedical fields.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the experimental group demonstrated a mean increase of X units in the dependent variable compared to the control group, suggesting that the intervention was effective.
Furthermore, the data analysis included various statistical tests, such as ANOVA and regression analysis, which confirmed the robustness of the results. The effect size was calculated to be Y, indicating a moderate to large effect of the intervention. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence that supports the proposed theoretical framework, highlighting the importance of the intervention in practical applications.
In conclusion, the results underscore the potential of the intervention to effect change in the target population, warranting further research to explore long-term effects and applicability in diverse contexts.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of Pyr@LNC, a nano/microcapsule designed for controlled release of the fungicide pyraclostrobin (Pyr), are discussed. The synthesis involved a free radical-induced interfacial cross-linking reaction using methacrylated alkali lignin (MAL) and a pH-responsive cross-linking agent, TMPMP, in a Pickering emulsion stabilized by lignin nanoparticles (LNPs). Characterization techniques such as 1H NMR, IR spectroscopy, and scanning electron microscopy (SEM) confirmed the successful modification of lignin and encapsulation of Pyr, with an encapsulation efficiency exceeding 90%. The average particle size of the capsules varied from 419 nm to 206 nm based on the oil phase composition, indicating tunable properties.
The release performance of Pyr@LNC was evaluated under varying temperature and pH conditions, revealing a temperature-responsive release mechanism that increased with temperature due to reduced viscosity of the core oil. The cumulative release rates at 15, 25, and 35 °C were 29.6%, 44.3%, and 46.8%, respectively. Additionally, the system demonstrated pH-triggered release, with cumulative release rates of 96.3% at pH 5.0, 63.9% at pH 7.0, and 94.5% at pH 9.0 after 96 hours. The presence of laccase, an enzyme secreted by B. cinerea, further accelerated the release of Pyr, highlighting the potential for targeted delivery in response to fungal infections. Overall, Pyr@LNC exhibited enhanced stability against UV degradation and maintained effective fungicidal activity in both in vitro and in vivo tests, outperforming conventional formulations.