Fabrication, caractérisation et activité biologique de systèmes de nano-administration d'avermectine avec différentes tailles de particules

Contexte

Les pesticides sont importants pour lutter contre les maladies des plantes et les insectes nuisibles et pour sauvegarder la sécurité alimentaire nationale. La plupart des formulations de pesticides classiques sont des systèmes ouverts, qui présentent des problèmes tels qu'une mauvaise dispersion, la dégradation des ingrédients actifs et la dérive des gouttelettes. Les ingrédients actifs des pesticides ont des taux de perte allant jusqu'à 70-90%. Cela se produit à la suite de la pulvérisation sur le terrain en raison de la biodégradation, de la dégradation chimique, de la photolyse, de l'évaporation, du ruissellement de surface et de la percolation des eaux souterraines, qui soulèvent toutes des préoccupations pour la sécurité alimentaire et l'environnement [1, 2]. L'amélioration de l'application et de la livraison des pesticides est donc devenue un sujet de recherche important [3,4,5].

Ces dernières années, le développement de la nanotechnologie et des nanomatériaux a fourni une nouvelle approche pour améliorer l'efficacité de l'application des pesticides [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]. Des formulations de nanoparticules de pesticides ont été proposées pour produire une meilleure distribution spatiale des pesticides à la surface des feuilles, en raison de la petite taille et de la grande surface des nanoparticules, ce qui offre une meilleure efficacité [16,17,18,19]. Les systèmes de nano-administration de pesticides impliquent de piéger les ingrédients actifs des pesticides à l'intérieur de nanomatériaux polymères, pour permettre la libération lente et contrôlée d'ingrédients actifs sur les cultures cibles [20,21,22]. Parmi les différents polymères, l'acide polylactique (PLA) a été largement utilisé comme transporteurs de nanoparticules dans les systèmes de nano-administration à libération contrôlée pour de nombreuses molécules bioactives en raison de sa bonne biodisponibilité et biocompatibilité non toxique et de son approbation par la Food and Drug Administration pour un usage humain [23, 24]. Il existe peu d'études sur le PLA en tant que matériau de support dans le domaine des pesticides. Le PLA est un matériau de revêtement très prometteur pour encapsuler les pesticides en raison de son respect de l'environnement, de son faible coût et de sa mise à l'échelle facile.

Les systèmes de nano-distribution de pesticides offrent également des zones de contact élargies entre les parasites cibles et les particules de pesticides [25, 26].

L'avermectine (Av) est un biopesticide très efficace, à large spectre et sûr qui peut lutter contre une variété de parasites agricoles. Av se dégrade facilement en raison de la photo-oxydation. Av a également une courte demi-vie dans l'eau, ce qui affecte la lutte antiparasitaire dans les applications sur le terrain. Le coefficient d'adsorption du carbone organique pour Av est élevé. Cela signifie qu'Av ne migre pas facilement dans le sol car il se lie étroitement à la matière organique, ce qui affecte sa lutte antiparasitaire dans le sol. Beaucoup d'efforts se sont concentrés sur la protection de l'activité biologique d'Av par des technologies de microencapsulation [27, 28]. Cependant, la taille des microcapsules contenant Av est difficile à contrôler. Ils sont généralement de grande taille, avec des tailles d'environ 1 à 5 μm, et ont une large distribution de tailles [29, 30]. Une mauvaise dispersion et uniformité, ainsi que de grandes tailles, ne sont pas propices à l'amélioration de l'adhérence des pesticides à la surface des feuilles ou à l'augmentation de la perméabilité chez les insectes nuisibles. Des recherches limitées ont été menées sur la synthèse et l'activité biologique des systèmes de nano-administration de pesticides pour Av avec différentes tailles [31,32,33,34]. La construction de systèmes de nano-distribution pour Av par encapsulation de nanomatériaux peut améliorer considérablement sa photostabilité, réduire son adsorption dans le sol ou d'autres facteurs défavorables, et améliorer l'effet de contrôle du pesticide. De plus, les systèmes de nano-distribution Av ont également une meilleure pénétration et permettent une libération plus lente et plus contrôlée des ingrédients actifs sur les cultures cibles, par rapport aux microcapsules conventionnelles.

La présente étude visait à préparer différentes tailles de particules de systèmes de nano-distribution d'Av par polymérisation en émulsion à l'aide de PLA et à caractériser leurs performances en tant que support sûr et biodégradable. Nous avons étudié l'effet de la taille des particules sur les propriétés de libération et l'activité biologique du système de nano-délivrance Av [35,36,37,38,39]. Les concentrations de la substance active et de ses précurseurs, ainsi que les caractéristiques du système d'émulsion sont les principaux facteurs permettant d'établir la distribution granulométrique du système de nanodistribution Av final. Le système de nano-distribution Av a montré une bonne dispersion des particules avec une taille de particules contrôlée, une charge Av élevée, un contrôle efficace de la taille et des propriétés de libération prolongée, ainsi qu'une bonne protection contre les ultraviolets (UV) et une bonne stabilité.

Expérimental

Matériaux

PLA et Av ont été fournis par Nature Works et Qilu Pharmaceutical Co., Ltd. (Mongolie intérieure, République populaire de Chine), respectivement. Alcool polyvinylique (PVA), 87-90% hydrolysé avec un M_w moyen de 30 000 à 70 000, a été acheté auprès de Sigma-Aldrich Shanghai Trading Co., Ltd. (Shanghai, République populaire de Chine). La gélatine a été achetée auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Pékin, République populaire de Chine). Les membranes de dialyse ont été achetées auprès de Beijing Tianan Technology Co., Ltd. (République populaire de Chine). D'autres réactifs chimiques étaient de qualité analytique et ont été achetés auprès de Beijing Chemical Works (Pékin, République populaire de Chine). L'eau utilisée dans toutes les expériences était de qualité Milli-Q (18,2 MΩ cm, COT 4 ppb) et provenait d'un système Milli-Q Advantage A10 (Millipore, Milford, MA, États-Unis).

Préparation du système de nano-administration d'avermectine

Le système de nano-distribution Av a été préparé via une méthode d'émulsion huile-dans-eau (H/E) combinée à un processus d'émulsification physique par ultrasons et cisaillement. Brièvement, PLA et Av ont été dissous dans du chlorure de méthylène en tant que phase huileuse. Pour la phase aqueuse, la gélatine a été dissoute dans de l'eau à 40 °C, qui a ensuite été mélangée avec une solution aqueuse de PVA. Ensuite, la phase huileuse a été goutte à goutte lentement dans un grand volume de la phase aqueuse sous émulsification à fort cisaillement (FA25, FLUKO, Ruhr-gebiet, Allemagne), pour préparer une émulsion grossière. L'émulsion grossière a ensuite été uniformément dispersée par émulsification aux ultrasons (JY 92-IIN, SCIENTZ, Ningbo, République populaire de Chine). L'émulsion uniforme a ensuite été solidifiée sous agitation magnétique pendant une nuit (RW20, IKA, Staufen, Allemagne). Le système de nano-distribution d'Av durci a été collecté par centrifugation et lavé trois fois avec de l'eau déminéralisée. Les produits ont été collectés par centrifugation puis lyophilisés (FD-81, EYELA, Tokyo, Japon) pour donner une poudre fluide. La poudre séchée a été conservée à 4 °C jusqu'à utilisation.

Caractérisation des systèmes de nano-distribution

La morphologie de chaque système de nano-distribution Av a été étudiée par microscopie électronique à balayage (SEM, JSM-6700 F, JEOL Ltd., Akishima-shi, Japon) avec une tension d'accélération de 5 kV. Des échantillons MEB ont été déposés goutte à goutte sur la surface d'une tranche de silicium. La gouttelette a été laissée à sécher à température ambiante et a ensuite été recouverte d'une fine couche de platine à l'aide d'un pulvérisateur (EM ACE600, Leica, Vienne, Autriche), pour empêcher la charge pendant l'observation SEM. Les tailles des particules dans les systèmes de nano-distribution Av ont été mesurées à 25 °C par diffusion laser à l'aide d'un zetasizer (Zetasizer NanoZS90 ; Malvern, Worcestershire, Royaume-Uni).

Détermination de la charge en avermectine dans les systèmes de nano-distribution

La quantité d'Av dans le système de nano-distribution a été mesurée à une longueur d'onde de 245 nm, à l'aide d'un spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-vis) (TU901, Shimadzu Corporation, Kyoto, Japon). En détail, les échantillons chargés en Av ont été pesés et dissous dans du chloroforme pendant une nuit, après quoi la solution a été séchée par distillation à pression réduite. Du méthanol a ensuite été ajouté pour dissoudre l'Av du précipité séché. Enfin, le mélange a été filtré pour donner une solution claire qui a été analysée par spectrophotométrie UV-vis.

Libération contrôlée d'avermectine à partir des systèmes de nano-distribution

Les profils de libération d'Av à partir des systèmes de nano-distribution de différentes tailles ont été étudiés comme suit. Av nano-distribution des échantillons de chaque taille ont été suspendus dans 10 mL de mélange éthanol/eau (1:1, v /v ). La suspension a ensuite été transférée dans un sac de dialyse, qui a été scellé dans un flacon brun avec 90 mL de mélange éthanol/eau (1:1, v /v ) comme support de libération. Le flacon a été incubé dans un agitateur incubateur à 300 tr/min à température ambiante. Après des intervalles de temps définis, 5,0 ml de solution ont été retirés et remplacés par 5,0 ml de solvant frais. Le taux de libération d'Av à partir de l'échantillon de nano-administration a été calculé en mesurant les concentrations d'Av dissous dans le milieu de libération à différents intervalles et a été utilisé pour évaluer la propriété de libération prolongée. La concentration de Av a été mesurée à l'aide d'un spectrophotomètre UV-vis à une longueur d'onde de 245 nm. L'abamectine technique (TC, principe actif de qualité technique) a été utilisée comme témoin.

Comportement de photolyse de l'avermectine dans le système de nano-administration

Le comportement photolytique de Av dans le système de nano-distribution a été évalué avec le Av WDG commercial comme contrôle. Les échantillons ont été dissous dans du méthanol/eau (1:1, v /v ) et répartis également dans des boîtes de culture, et les échantillons résultants ont été irradiés pendant une durée souhaitée à 25 °C sous une lampe UV (500 W), qui avait une intensité maximale à une longueur d'onde de 365 nm. À des intervalles de temps spécifiés (12, 24, 36, 48, 60 et 72 h), la boîte de culture a été retirée du réacteur et la concentration Av des échantillons a été analysée.

Tests de stabilité

La stabilité du système de nano-distribution Av a été testée conformément aux normes CIPAC MT 46 et GB/T 19136–2003. Les échantillons ont été conditionnés dans des tubes en verre et stockés à 0 ± 2 °C pendant 7 jours et à 54 ± 2 °C pendant 14 jours. Les changements de la quantité d'Av dans le système de nano-distribution ont ensuite été étudiés.

Tests biologiques

Des essais biologiques du système de nano-distribution Av de différentes tailles ont été menés à l'aide de la méthode par immersion des feuilles. Les échantillons ont été dilués avec une solution aqueuse de Triton X-100 à différentes concentrations en Av. Chou (Brassica oleracea L.) les feuilles ont été immergées dans la suspension Av diluée, puis séchées à température ambiante et attachées à une boîte de Pétri. Des larves de pucerons ont été introduites dans chaque boîte et les pucerons traités ont été cultivés dans un incubateur à 25°C et 75 % d'humidité relative. Quatre répétitions ont été effectuées pour comparer avec le test de contrôle. La mortalité a été évaluée à 48 h après le traitement. Les données de concentration-mortalité ont été analysées à l'aide du logiciel statistique DPS v12.01. Les concentrations létales médianes (CL₅₀ ) et leurs limites de confiance à 95 % ont été calculées. Le WDG commercial a été utilisé comme témoin.

Résultats et discussion

Construction et caractérisation du système de nano-administration d'avermectine

Les systèmes de nano-distribution Av ont été construits selon la procédure illustrée à la figure 1. Au cours du processus, les phases aqueuse et huileuse ont été préparées selon la méthode mentionnée ci-dessus. La phase huileuse a été émulsifiée dans une phase aqueuse (émulsion huile-dans-eau) par émulsification à fort cisaillement, pour préparer une émulsion grossière. L'émulsion courante a ensuite été uniformément dispersée par émulsification aux ultrasons. Cela a été suivi par l'agitation, l'évaporation et la centrifugation des nanoparticules résultantes. La taille des particules d'un système d'administration est l'un des facteurs les plus importants affectant les propriétés de libération et l'activité biologique du pesticide. Comme le montre la figure 2, des systèmes de nano-délivrance Av avec des tailles de particules allant de 344 à 827 nm ont été construits en contrôlant les paramètres de synthèse. La taille des particules est un paramètre important pour les propriétés de libération contrôlée des pesticides. La taille des particules des systèmes de nano-administration d'Av pourrait être contrôlée en modifiant le rapport de concentration PVA/gélatine. Divers systèmes de nano-distribution Av ont été préparés avec des tailles allant de 344 à 827 nm et des teneurs en Av allant de 33,4 à 57,5 % (33,4, 44,9, 45,2 et 57,5%), comme le montre la figure 3. Tous les produits Av ont un aspect lisse. surfaces et morphologies de particules sphériques.

Schéma montrant la préparation du système de nano-distribution Av

Images SEM (a –d ) et les distributions de taille (e ) de systèmes de nano-distribution Av avec différentes tailles de particules

Quantités d'Av dans les systèmes de nano-administration d'Av avec différentes tailles de particules

Libération d'avermectine par le système de nano-administration in vitro

Ces dernières années, le développement de systèmes de libération de pesticides a évolué vers une libération précise et quantitative, contrairement aux systèmes de libération lente et qualitative antérieurs. Pour obtenir une libération contrôlable, les profils de libération des systèmes de nano-distribution Av avec différentes tailles de particules ont été systématiquement étudiés. La figure 4 montre le pourcentage de libération d'Av par les systèmes de nano-distribution avec différentes tailles de particules après le même intervalle de temps. L'Av technique avait un taux de libération rapide et était presque complètement libéré après 25 h. La période de validité des pesticides nécessite une libération prolongée de pesticides pour maintenir leur efficacité pendant une longue période. Par rapport à la libération en rafale de l'abamectine technique, tous les systèmes de nano-administration préparés ont libéré Av à des vitesses relativement lentes et ont maintenu une libération prolongée pendant des périodes plus longues. Les profils de libération Av des systèmes de nano-distribution consistaient en une libération en rafale suivie d'une libération progressive sur la période de 240 heures de l'expérience. Alors que la taille du système d'administration diminuait de 827 à 344 nm, la libération cumulée augmentait de 53,2 à 79,4 % après 240 h. Les résultats ont indiqué que le taux de libération d'Av du système de nano-distribution augmentait progressivement avec la diminution de la taille des particules. Cela était dû à une plus grande surface exposée à l'environnement, facilitant la perméation et l'épanchement des pesticides situés dans les coques du système de nano-distribution. Les résultats ont montré que le taux de libération d'Av du système de nano-distribution pouvait être efficacement contrôlé en modifiant la taille des particules.

Comportements de libération des systèmes de nano-distribution Av avec différentes tailles de particules dans l'éthanol/l'eau (50:50, v /v ) sur 200 h

Activité biologique

L'activité biologique de l'Av libéré par les nanosystèmes de distribution de différentes tailles de particules contre les pucerons est illustrée à la figure 5. La LC₅₀ du système de nano-distribution d'Av diminuait progressivement avec la diminution de la taille des particules. La biodisponibilité des nanoémulsions serait plus élevée que celle des émulsions conventionnelles en raison de leur plus petite taille de particule et de leur rapport surface/volume plus élevé. Par conséquent, les activités biologiques plus élevées des systèmes de nano-distribution d'Av avec des tailles de particules plus petites ont été attribuées à la dispersibilité, à la mouillabilité et à la rétention accrues causées par des effets à petite échelle. Tous les systèmes de nano-distribution Av avaient un LC₅₀ inférieur valeurs et des activités supérieures à celles commerciales Av WDG. La grande efficacité était due aux nanoparticules améliorant l'adhérence et la pénétration du pesticide Av à la surface des cultures, ce qui réduit les pertes de pesticides dues aux fuites lors de la pulvérisation.

Résultats d'essais biologiques de systèmes de nano-administration Av avec différentes tailles de particules

Propriétés de protection contre les UV de l'avermectine dans le système de nano-distribution

Pour vérifier les propriétés de protection UV d'Av dans le système de nano-distribution, le taux photolytique d'Av a été estimé par irradiation artificielle. L'analyse du taux de photolyse d'Av avec le temps d'irradiation est illustrée à la Fig. 6. Le pourcentage photolytique d'abamectine était de 18,7% pour le système de nano-distribution et de 46,7% pour le Av WDG commercial après 48 h. Après 72 h, le pourcentage photolytique de l'abamectine était de 25,6% pour le système de nano-distribution et de 51,5% pour le Av WDG commercial. Ces résultats ont montré que le système de nano-distribution présentait une photolyse inhibée de Av en raison de l'effet protecteur du support mural.

Comparaison du pourcentage de photolyse Av avec le WDG commercial et le système de nano-distribution sous irradiation UV

Stabilité de stockage

Les stabilités des systèmes de nano-distribution Av avec différentes tailles de particules ont été évaluées en mesurant leur contenu de charge à des températures de 0, 25 et 54 °C. La figure 7 montre que le système de nano-distribution est resté stable sans changement majeur de la charge AV pendant le stockage à température ambiante et à basse température. Une petite perte d'Av a été observée après 14 jours à 54 °C, en raison de la dégradation d'Av à haute température. Ces résultats ont montré que le système de nano-distribution Av avait une bonne stabilité au stockage.

Stabilité du système de nano-distribution Av à différentes températures de stockage

Conclusions

Pour améliorer la libération contrôlée, la stabilité chimique et la bioactivité d'Av, un système de nano-administration d'Av avec différentes tailles de particules moyennes a été synthétisé à l'aide de la méthode de polymérisation en émulsion. Le système de nano-distribution Av a montré un comportement de libération cohérent. Le taux de libération d'Av du système de nano-distribution augmentait progressivement avec la diminution de la taille des particules, en raison d'une surface spécifique plus élevée. L'activité biologique du système de nano-délivrance Av a progressivement augmenté avec la diminution de la taille des particules, en raison d'une adhérence et d'une pénétration améliorées. Le système de nano-distribution Av a montré de bonnes propriétés anti-photolyse et une bonne stabilité. Le système de distribution surmonte les lacunes des biopesticides actuels, tels que leur sensibilité environnementale, leur adsorption indésirable dans le sol et leur courte durée d'activité. Cela améliorera l'efficacité des pesticides et réduira la fréquence de pulvérisation requise.