一种载药凝胶及其制备方法与流程

本发明涉及农药制剂技术领域，尤其涉及一种载药凝胶及其制备方法。

背景技术：

随着植保无人飞机硬件设备和飞控系统的快速发展，植保无人飞机喷雾均匀性和稳定性进一步提升，操控更为智能和简便。但与之相配套的飞防专用药剂的发展较为滞后，目前植保无人飞机作业中多是直接喷施常规剂型，存在较为突出的农药蒸发和飘移问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种载药凝胶及其制备方法，本发明提供的载药凝胶能够有效抑制麦草畏雾滴蒸发和漂移。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种载药凝胶，包括凝胶载体和负载在所述凝胶载体上的水溶性除草剂，所述凝胶载体为叶酸和锌离子交联形成的网络状纤维；所述载药凝胶中水溶性除草剂的负载量为0.15～0.36wt％。

优选地，所述载药凝胶中锌离子的含量为0.09～0.14wt％。

优选地，所述水溶性除草剂包括麦草畏、草甘膦、2,4d-钠盐或二甲四氯。

本发明提供了上述技术方案所述载药凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将叶酸溶解于碱性水溶液中，得到叶酸-碱溶液；

将水溶性除草剂溶解于所述叶酸-碱溶液中，得到除草剂-叶酸-碱溶液；

将所述除草剂-叶酸-碱溶液、硝酸锌与水涡旋混合后静置，得到载药凝胶。

优选地，所述碱性水溶液中的碱性物质包括koh或naoh，所述叶酸-碱溶液的ph值为10～13。

优选地，所述叶酸-碱溶液中叶酸的浓度为0.045～0.055mol/l。

优选地，所述除草剂-叶酸-碱溶液中水溶性除草剂的浓度为0.25～0.30mol/l。

优选地，所述硝酸锌与水的用量比为:(0.5～0.6)mmol：9.4ml。

优选地，所述涡旋混合的转速为1000～8000rpm，时间为20～40s；所述静置的时间为0.5～1.5h。

优选地，所述涡旋混合和静置独立地在15～35℃条件下进行。

本发明提供了一种载药凝胶，包括凝胶载体和负载在所述凝胶载体上的水溶性除草剂，所述凝胶载体为叶酸和锌离子交联形成的网络状纤维；所述载药凝胶中水溶性除草剂的负载量为0.15～0.36wt％。本发明以叶酸和锌离子交联形成的网络状纤维作为凝胶载体负载水溶性除草剂，能够使药液喷雾雾滴粒径增大，进而有效抑制雾滴蒸发和漂移，有利于提高农药利用率且降低成本。本发明实施例的结果显示，以水和麦草畏-koh溶液作为对照，在35℃条件下，麦草畏-koh溶液的蒸发抑制率是0％，而本发明提供的麦草畏凝胶的蒸发抑制率为45.98％，说明麦草畏凝胶具有明显的蒸发抑制效果；而且麦草畏凝胶的漂移量显著低于麦草畏-koh溶液。

附图说明

图1为实施例1制备的麦草畏凝胶的冷冻扫描电镜图；

图2为麦草畏凝胶的流变性能测定结果图；

图3为麦草畏凝胶的润湿性能测定结果图；

图4为风洞试验装置及雾滴收集线的布置图；

图5为距喷头下方不同位置处喷雾溶液的雾滴粒径分布图；

图6为麦草畏原药色谱图；

图7为采用雾滴收集线收集麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液在不同位置雾滴的飘移沉积量测试结果图；

图8为风洞试验装置及雾滴收集卡的布置图；

图9为采用雾滴收集卡收集麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液在不同位置雾滴的飘移沉积量测试结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种载药凝胶，包括凝胶载体和负载在所述凝胶载体上的水溶性除草剂，所述凝胶载体为叶酸和锌离子交联形成的网络状纤维；所述载药凝胶中水溶性除草剂的负载量为0.15～0.36wt％，优选为0.25～0.36wt％。在本发明中，所述载药凝胶中锌离子的含量优选为0.09～0.14wt％，优选为0.10～0.12wt％。在本发明中，所述水溶性除草剂优选包括麦草畏、草甘膦、2,4d-钠盐或二甲四氯；在本发明的实施例中，具体是以麦草畏为例说明本发明提供的载药凝胶的结构及性能。

在本发明中，叶酸上的蝶呤环倾向于通过氢键形成四聚体，四聚体可通过π-π堆积形成纳米纤维，锌离子将纳米纤维交联成更大尺寸的纤维，再进一步交联形成纤维网络，其具有排列规则的多孔结构；本发明以叶酸和锌离子交联形成的网络状纤维作为凝胶载体，能够使药液喷雾雾滴粒径增大，进而有效抑制雾滴蒸发和漂移，有利于提高农药利用率且降低成本。

本发明提供了上述技术方案所述载药凝胶的制备方法，包括以下步骤：

将叶酸溶解于碱性水溶液中，得到叶酸-碱溶液；

将水溶性除草剂溶解于所述叶酸-碱溶液中，得到除草剂-叶酸-碱溶液；

将所述除草剂-叶酸-碱溶液、硝酸锌与水涡旋混合后静置，得到载药凝胶。

本发明将叶酸溶解于碱性水溶液中，得到叶酸-碱溶液。在本发明中，所述碱性水溶液中的碱性物质优选包括koh或naoh，所述叶酸-碱溶液的ph值优选为10～13；所述叶酸-碱溶液中叶酸的浓度优选为0.045～0.055mol/l，更优选为0.05mol/l。在本发明中，所述碱性水溶液中碱性物质的浓度优选为0.45～0.55mol/l，更优选为0.5mol/l，该浓度的碱性水溶液可以保证所述叶酸-碱溶液的ph值在10～13范围内，有利于保证叶酸的充分溶解。本发明对将叶酸溶解于碱性水溶液中的方式没有特殊限定，直接将二者混合实现叶酸的充分溶解即可。

得到叶酸-碱溶液后，本发明将水溶性除草剂溶解于所述叶酸-碱溶液中，得到除草剂-叶酸-碱溶液。在本发明中，所述除草剂-叶酸-碱溶液中水溶性除草剂的浓度优选为0.25～0.30mol/l，更优选为0.27mol/l。本发明对将水溶性除草剂溶解于所述叶酸-碱溶液中的方式没有特殊限定，具体可以采用超声混合的方式。

得到除草剂-叶酸-碱溶液后，本发明将所述除草剂-叶酸-碱溶液、硝酸锌与水涡旋混合后静置，得到载药凝胶。在本发明中，所述硝酸锌与水的用量比优选为:(0.5～0.6)mmol：9.4ml，更优选为0.54mmol：9.4ml。本发明优选将硝酸锌溶于部分水中，得到硝酸锌溶液，然后将所述硝酸锌溶液、剩余水和草剂-叶酸-碱溶液涡旋混合。在本发明中，所述硝酸锌溶液的浓度优选为0.08～0.12mol/l，更优选为0.1mol/l。

在本发明中，所述涡旋混合的转速优选为1000～8000rpm，更优选为5000～8000rpm；时间优选为20～40s，更优选为30s。在本发明中，所述静置的时间优选为0.5～1.5h，更优选为1h。在本发明中，所述涡旋混合和静置优选独立地在15～35℃条件下进行，更优选独立地在20～30℃条件下进行，具体可以在室温条件下进行，即不需要额外的加热或降温；在本发明的实施例中，具体是在25℃条件下进行涡旋混合和静置。

在本发明中，静置过程中，体系逐步形成均一透明的凝胶；本发明优选将各组分含量控制在上述范围内，能够使水溶性除草剂负载到叶酸和锌离子交联形成的水凝胶体系中，有利于形成性能稳定的载药凝胶。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中所用供试植株以及供试试剂如下：

供试植株：藜，chenopodiumalbuml.一年生草本植物，常见于路旁、荒地及田间，为很难除掉的杂草。实验所用的藜草种子由中国农业科学院植物保护研究所提供，首先将种子在赤霉酸溶液(浓度为0.1wt％)中浸泡24h以打破种子休眠，然后将种子播种在花盆中，每个花盆中播种3～5粒种子，在温室里培养。控制温室培养条件为：光周期14h；相对湿度65～80％；昼夜温度分别为33℃和26℃。

供试试剂：97％麦草畏(dicamba)原药，购自江苏长青农化股份有限公司；叶酸水合物(c19h19n7o6·xh2o)，纯度>98％，购自梯希爱(上海)化成工业发展有限公司；氢氧化钾(koh)，纯度>85％，购自天津市光复科技发展有限公司；硝酸锌水合物(zn(no3)2·xh2o)，纯度为98％，购自阿拉丁试剂公司；实验用水均为超纯水。

实施例1

将10mmol的koh溶解于20ml水中，得到koh水溶液；将1mmol叶酸水合物溶解于所述koh水溶液中，得到澄清透明的叶酸-koh溶液；将5.4mmol麦草畏与叶酸-koh溶液混合，超声至完全溶解，得到麦草畏-叶酸-koh溶液；

将0.6ml麦草畏-叶酸-koh溶液、0.54ml浓度为0.1mol/l的硝酸锌水溶液和8.86ml水混合，室温(25℃)、8000rpm条件下涡旋30s后静置1h，得到麦草畏凝胶(即为负载麦草畏的叶酸/硝酸锌水凝胶)。

对照例

对照组1为麦草畏-koh溶液：由麦草畏和koh水溶液混合得到，其中，麦草畏的浓度为3.6g/l，koh的浓度为1.68g/l；

对照组2为水。

表征以及性能测试

表征：使用冷冻扫描电镜(cryo-sem)对麦草畏凝胶的微观结构进行观察，该仪器将扫描电镜冷冻传输系统(英国quorumpp3010t)与日立冷场发射扫描电镜su8010相结合，在液氮泥中对样品进行冷冻固定，在真空低温的环境下将样品断裂，然后在真空-75℃的条件下升华，冷冻制样完成后将样品通过冷冻传输系统置于扫描电镜的冷台上进行观察。

图1为实施例1制备的麦草畏凝胶的冷冻扫描电镜图，其中a和b分别是在1.00k和2.50k的放大倍数下的冷冻扫描电镜图。由图1可知，冻干的麦草畏凝胶具有排列规则的多孔结构，由纳米纤维形成的支架相连接。这与叶酸分子的特殊结构有关，具体的，叶酸上的蝶呤环倾向于通过氢键形成四聚体，四聚体可通过π-π堆积形成纳米纤维，锌离子将纳米纤维交联成更大尺寸的纤维，再进一步交联形成纤维网络。

本发明提供的麦草畏凝胶的孔隙结构中孔径较大，且结构稍疏松，这更有利于喷雾器械将载药凝胶雾化成雾滴，避免了由于体系粘度太大而出现药液堵喷头的情况发生。

性能测试：

1流变性能

用小药匙取一小块麦草畏凝胶，置于physicamcr301流变仪的样品台上，转子选用pp50转子，夹具为25mm平板，测定间距为1mm。在频率为1hz、0.1～10pa的应力范围模式下进行动态应力扫描；在应力为1pa、0.1～10hz的频率范围模式下进行动态频率扫描；控制剪切率从0.1s^-1增加到10s^-1，然后再从10s^-1减小到0.1s^-1，即通过连续流动实验测定麦草畏凝胶粘度随剪切率的变化情况；在频率为1hz、0.8％应变60s以及80％应变30s的模式下进行连续应变阶跃测量四个循环，以测定麦草畏凝胶的剪切变稀以及自修复性能。以上测试均在25℃条件下进行。

图2为麦草畏凝胶的流变性能测定结果图。图2中的a是在固定频率为1hz的条件下，对麦草畏凝胶进行压力扫描，得到线性粘弹区范围；结果表明所述麦草畏凝胶可承受的最大应力在10pa左右。图2中的b是在固定应力为1pa的条件下，对麦草畏凝胶进行频率扫描；结果表明储存模量(弹性模量，gˊ)和损耗模量(粘性模量，gˊˊ)与频率(f)基本无关，而gˊ在整个研究频率范围内比gˊˊ大一个数量级。图2中的c为连续流动实验测试结果，图2中的d为连续应变阶跃测量实验测试结果；实验结果表明，剪切速率从0.1s^-1增加到10s^-1时，麦草畏凝胶的粘度变小，随即将剪切速率从10s^-1减小至0.1s^-1，麦草畏凝胶的粘度又增加至初始值；对麦草畏凝胶交替施加80％大应变和0.8％小应变的阶跃测量，麦草畏凝胶的结构在大应变下被破坏，随后在小应变下又恢复到原来的状态，并且进行多个循环测量结果均一致。这说明本发明提供的麦草畏凝胶在可承受的范围内具有剪切变稀以及自修复的特性。这一特性对载药凝胶在储存、运输以及田间喷雾的应用中具有重要意义，具体的，如在进行田间喷雾时，药液经过喷嘴受到一个高的剪切力，本发明提供的载药凝胶具有剪切自修复的特性，所述载药凝胶在喷雾雾化时不会受到剪切力的影响，雾化后的雾滴仍能保持较高的粘度，雾滴内部交联的纳米纤维也不会受到影响，保证具有较好的喷施效果。

2润湿性能

使用接触角测量仪oca20(dataphysics，德国)，采用坐滴法在25℃条件下测定麦草畏凝胶、麦草畏-koh溶液和水在藜草叶片上的接触角。具体是选取长势旺盛的藜草植株，将大小一致的叶片在水流下小心冲洗干净去除表面灰尘，晾至干燥后，使用双面胶将叶片粘在载玻片上，放入恒温样品槽中，设置程序使注射器自动注射4μl的液滴于藜草叶片上，由ccd相机快速拍摄照片并传输到计算机，通过使用l-y法(laplace-young)确定接触角的值。

通过使用具有高灵敏度微机电平衡系统的dcat21表面张力仪来测定麦草畏凝胶液滴与藜草叶片的粘附力。将粘有藜草叶片的载玻片放在平衡台上，用微量注射器注射液滴(约10μl)悬在金属环上，然后将平衡台以0.01mm/s的恒定速度向上移动，直到藜草叶片接触液滴。仪器开始测量，测量结束时，平台以相同的速度自动下降，直到液滴与藜草叶片分离开来。软件自动记录液滴刚接触和脱离藜草叶片表面这一段时间的粘附力与距离的关系曲线，曲线记录的峰值数据为最大粘附力值。

每部分实验每组样品至少测量五次，最后取平均值。

图3为麦草畏凝胶的润湿性能测定结果图，其中a为麦草畏凝胶、麦草畏-koh溶液和水的表面张力测定结果，b为麦草畏凝胶、麦草畏-koh溶液和水在藜草叶片上的接触角测定结果，c为麦草畏凝胶、麦草畏-koh溶液和水的液滴与藜草叶片表面之间粘附力的最大值，d为麦草畏凝胶、麦草畏-koh溶液和水的液滴与藜草叶片表面的粘附力-距离曲线。由图3中的a和b可知，麦草畏凝胶、麦草畏-koh溶液和水的表面张力及接触角相差不大；由图3中的c和d可知，麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液的液滴与藜草叶片表面的粘附性优于水，麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液的液滴与藜草叶片表面的粘附性差别不大。

3蒸发性能

用接触角测量仪oca20在35℃条件下采用悬滴法测定麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液的蒸发性能。具体是在恒温样品槽内，设置程序使注射器自动注射约9μl的液滴，视频光学系统拍摄液滴的状态传输到计算机中，使用l-y法(laplace-young)记录在1min内液滴体积随时间的变化情况，计算蒸发抑制率。蒸发抑制率计算公式如下：

r＝100％×(v0-vi)/v0；

其中，r：蒸发抑制率；v0：纯水液滴在1min内的体积变化差值；vi：测试样品的液滴在1min内的体积变化差值。

实验结果显示，在35℃条件下，麦草畏-koh溶液的蒸发抑制率是0％，而麦草畏凝胶的蒸发抑制率为45.98％，说明麦草畏凝胶具有明显的蒸发抑制效果。

4飘移性能

试验风洞位于大连理工大学雾滴空间运行与剂量传递实验室。风洞工作段长度为5m、高1m、宽2m(如图4和图8所示)。对比麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液的雾滴在同一喷雾条件下的雾滴飘移特性，试验分两组进行，每组做三个重复。供试喷头为空心圆锥雾化喷头tr005，喷头距地面0.7m高。试验温度为20℃，相对湿度为40％。

4.1雾滴粒径测试：使用空心圆锥雾化喷头tr005，利用winner318c激光雾滴粒径分析仪对距喷头下方20cm、30cm、40cm、50cm处的雾滴进行采集，分析经喷头雾化后的雾滴粒径，测试前需对仪器进行调试，喷雾压力为0.3mpa，喷头距地面高度1.0m。

雾滴粒径测试结果：雾滴粒径与农药药效之间存在生物-最佳粒径的相关关系。农药喷雾技术理论相关研究认为喷洒除草剂时适合采用100～300μm的较粗大雾滴。因此，为了研究麦草畏凝胶的雾化性能，本发明将其与麦草畏-koh水溶液进行对比，测定了其在距喷头下方不同位置处(20cm、30cm、40cm、50cm)的雾化粒径分布情况，结果如表1所示。

表1距喷头下方不同位置处喷雾溶液的雾滴粒径分布

注：v10表示的是小于该粒径的雾滴所占的体积百分比是10％；v50表示的是小于该粒径的雾滴所占的体积百分比是50％；v90表示的是小于该粒径的雾滴所占的体积百分比是90％。vad表示的是雾滴的平均粒径。

从表1中可以看出，随着距喷头距离的增大，麦草畏-koh溶液和麦草畏凝胶的雾滴粒径均增大；对比水、麦草畏-koh溶液以及麦草畏凝胶在同一距离下的雾滴粒径，麦草畏凝胶的雾滴粒径最大，水次之，最后是麦草畏-koh溶液。为更加直观形象的突出麦草畏-koh溶液与麦草畏凝胶的喷雾雾滴粒径的差别，利用不同位置处的雾滴粒径绘制得到图5。图5中的a～d分别为距喷头20cm、30cm、40cm和50cm处雾滴的粒径分布图，由图5以及表1可知，麦草畏凝胶可改善雾滴粒径分布，增大雾滴粒径。

4.2雾滴收集线(聚乙烯绳)收集雾滴飘移沉积量测试：在距喷头下风向2m处垂直气流方向的平面上布置聚乙烯绳，以收集空中飘移的雾滴量(如图4所示)。垂直由上往下布置6根聚乙烯绳(记为v1～v6)，间距0.1m，其中v1距地面0.1m。水平方向距喷头2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m处分别再布置一根聚乙烯绳(记为h1～h5)，用于收集雾滴水平方向上飘移的雾滴，均距地面高度0.1m，垂直方向的第一根聚乙烯绳同时也是水平方向的第一根聚乙烯绳(即h1＝v1)。聚乙烯绳的长度均为2.0m，直径均为2.0mm。喷雾压力为0.3mpa，风速固定为2m/s，喷雾时间为10s。

样品处理：测试结束后，将每条聚乙烯绳单独分装于自封袋中，每个自封袋加水10ml，密封好后，超声波洗脱药液30min，将自封袋上下颠倒数次，使洗脱液完全浸没收集绳，以充分洗脱收集绳上收集的雾滴，再次洗脱30min，每袋取样1ml，过0.22μm水系滤膜至进样小瓶中等待分析。麦草畏的液相检测条件：dad检测器，检测波长254nm；色谱柱eclipseplusc18柱(5μm×4.6mm×150mm)；流动相为乙腈：甲酸水溶液(甲酸体积分数为0.3％)＝60：40，流动相流速为1ml/min；柱箱30℃；进样体积5μl；采用外标法定量分析，麦草畏原药色谱图见图6，在0.25～16mg/l范围内，峰面积(y)与质量浓度(x)之间的线性关系为y＝19.253x+5.2879，r²＝99.6％。

聚乙烯绳收集雾滴飘移沉积量测试结果：图7为采用雾滴收集线收集麦草畏凝胶和麦草畏-koh溶液在不同位置雾滴的飘移沉积量测试结果图，其中，a为垂直面上不同位置雾滴的飘移沉积量，b为水平面上不同位置雾滴的飘移沉积量。由图7可知麦草畏凝胶的漂移量显著低于麦草畏-koh溶液的漂移量。

4.3雾滴收集卡(水敏纸)收集飘移雾滴试验：在距喷头下风向2m处水平方向分别距喷头2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m布置水敏纸，每个位置处由上往下间距0.1m布置三片水敏纸(如图8所示)。喷雾压力为0.3mpa，风速固定2m/s，风洞条件20℃/rh40％，喷雾时间5s。

水敏纸收集飘移雾滴试验结果：水敏纸是一种高灵敏度的专业试纸。当植保无人机的喷雾雾滴落到其表面时，立即产生蓝色斑点，在田间喷雾时，可以利用水敏纸测出雾滴分布、雾滴密度及覆盖度，还可以用来评价喷雾机具喷雾质量以及测定喷雾漂移。为了进一步确定麦草畏凝胶的抗飘移性能，在不同的水平位置及高度(即垂直位置)处布置了水敏纸进行试验，具体是使用depositscan软件扫描水敏纸得到水敏纸上雾滴的相关信息，包括雾滴密度、雾滴覆盖率等，对雾滴覆盖率使用origin作图分析，结果如图9所示。图9中a是距地面0.1m高度，水平位置上距喷头2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m位置处布置的水敏纸上雾滴覆盖率的统计结果；b是距地面0.3m高度，水平位置上距喷头2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m位置处布置的水敏纸上雾滴覆盖率的统计结果；c是距地面0.5m高度，水平位置上距喷头2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m位置处布置的水敏纸上雾滴覆盖率的统计结果；d是对应于图8中不同空间位置处布置的水敏纸经depositscan软件扫描后的电子图像。如图9中的a、b和c所示，垂直位置上距地面0.5m高度处雾滴覆盖率最大，水平位置上距喷头2.0m位置处雾滴覆盖率最大；由图9中的d更直观的可以得到麦草畏-koh溶液和麦草畏凝胶在不同空间位置处的雾滴在水敏纸上的沉积。结合风洞试验雾滴收集绳收集飘移的雾滴以及水敏纸观察不同空间位置处雾滴的沉积实验的结果，如图7和图9所示，可知麦草畏凝胶的漂移量显著低于麦草畏-koh溶液。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。