CN111165475A

CN111165475A - 作为活性成分的载体的水凝胶及其制备方法

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Publication number: CN111165475A
Application number: CN201911097200.2A
Authority: CN
Inventors: D·布朗; C·科尔比; L·马奇多; M·巴塔; D·斯瓦尔
Original assignee: Winfield Solutions LLC
Current assignee: Winfield Solutions LLC
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CA3060806A1; US11968976B2; CN111165475B; AU2019261809B2; AR117020A1; US20200146282A1; ZA201907391B; EP3649859A1; US20240306635A1; AU2019261809A1; BR102019023444A2

Abstract

负载活性成分的水凝胶至少包括水凝胶和活性成分。活性成分以受控方式在农业位点上从水凝胶释放到农业基质中。水凝胶可以包括乳糖，其可以由来自乳业或食品加工业的牛奶渗透液废料流提供。

Description

作为活性成分的载体的水凝胶及其制备方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月9日提交的题为“作为活性成分载体的水凝胶及其制备方法”的美国临时专利申请第62/758,049号的优先权，并且涉及于2018年11月9日提交的题为“乳糖衍生的水凝胶及其制备方法”的美国非临时专利申请第16/185,406号和于2018年11月9日提交的题为“作为流变改性剂的水凝胶及其制备方法”的美国临时专利申请第62/758,031号，在此通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及作为活性成分的载体的水凝胶及其制备方法。

背景

商业农业通常利用除草剂、杀虫剂、杀真菌剂、杀线虫剂和杀鼠剂等农药来尽量减少或消除害虫。农药的受控释放对于在期望的时间和期望的速率下将药剂递送到期望的位置是有价值的。在释放之前，必须将药剂安全地牢固地保留，以避免在不希望的位置或不希望的时间释放。存在安全、准确且经济地保留和释放农药的需求。

发明简述

一些实施方式提供了将活性成分递送至农业基质的方法。在实施方案中，将活性成分递送至农业基质的方法包括制备载体水凝胶并将载体水凝胶递送至农业基质。

通过将活性成分与水凝胶前体混合以产生载体水凝胶前体混合物，并使载体水凝胶前体混合物交联以产生载体水凝胶，从而制备载体水凝胶。载体水凝胶适于控制活性成分向农业基质的释放，控制农业基质对活性成分的吸收，或同时控制活性成分的释放和吸收。

在实施方式中，所述的农业基质是种子、土壤、树叶和果实中的一种或多种。

在实施方式中，所述的载体水凝胶在释放活性成分之前延长了一段时间。

在实施方式中，交联形成基质，并且活性成分至少部分位于基质内。

在实施方式中，所述的活性成分是水溶性或水不溶性的。

在实施方式中，所述的活性成分为液体或固体形式。

在实施方式中，所述的活性成分是农药。

在实施方式中，所述的活性成分是阿特拉津或草铵膦。

在实施方式中，所述的乳糖为选自以下的一种或多种：纯化的乳糖、牛奶渗透液、乳清、乳清渗透液、脱乳糖渗透液、脱蛋白乳清、乳制品衍生的多糖、酪乳、脱脂乳、哺乳动物乳、全脂奶粉、脱脂干奶和黄油奶粉。

实施方式中，所述的乳糖可以来自乳制品或食品加工操作的废料。所述的废料可以是牛奶渗透液。

在实施方式中，从载体水凝胶释放活性成分的方法包括制备载体水凝胶，将载体水凝胶递送至农业位点，以及在农业位点从载体水凝胶中释放活性成分。制备载体水凝胶的步骤包括将活性成分添加到水凝胶前体中以制备载体水凝胶前体混合物，并将载体水凝胶前体混合物暴露于光下以制备载体水凝胶。

在实施方式中，通过被动扩散、搅拌、机械力、化学降解、生物降解、温度变化、pH变化或溶蚀(digestion)来释放活性成分。

在实施方式中，所述的载体水凝胶是交联的，并且交联延长了活性成分释放之前的时间。

在实施方式中，所述的农业位点是种子、土壤、树叶和果实中的一种或多种。

附图简要说明

图1是根据一个实施例的水凝胶载体制备方法的流程图。

图2是根据一个实施例的水凝胶载体前体混合物制备方法的流程图。

图3是根据图1的方法制备的载体水凝胶中，阿特拉津伴随时间从载体水凝胶中释放的曲线图。

图4是根据图1的方法制备的载体水凝胶中，草铵膦伴随时间从载体水凝胶中释放的曲线图。

图5是在施用根据图2的方法制备的载体水凝胶前体混合物后14天，草甘膦诱导的植物伤害或死亡的图。

图6是在施用根据图2的方法制备的载体水凝胶前体混合物后14天，草甘膦诱导的植物伤害或死亡的图。

具体实施方式

本文公开了负载活性成分的水凝胶。所述的活性成分保留在水凝胶中，并以受控方式从水凝胶中释放出来。还公开了制备所述水凝胶的方法和从水凝胶释放活性成分的方法。所述的方法是原子经济的(即不产生废物)，环境友好的，并且不产生挥发性有机化合物。

如本文所用，术语“水凝胶”是指亲水性聚合物网络，其可以被水溶胀并且通常能够以比其干质量大许多倍的负载吸收水。网络结构可以通过聚合物链之间的共价键形成，但是也可以通过物理交联来构建，所述物理交联是由例如链缠结、静电相互作用以及经由强氢键或范德华相互作用的缔合形成的。将碳水化合物掺入聚合物结构中可以引发亲水性，这有助于制备水凝胶。含糖聚合物可通过聚合物化学物质(例如聚脲、酚醛树脂，以及苯乙烯和丙烯酰胺衍生物的自由基聚合反应)起到水凝胶的作用。

载体水凝胶配方

负载活性成分的水凝胶(或“载体水凝胶”)通常可以理解为至少包含水凝胶前体和活性成分的组合物。本领域已知的任何水凝胶或水凝胶前体可适用于载体水凝胶制剂。在一些实施方式中，所述的水凝胶通常可以理解为包含至少一种糖和交联剂的组合物。

所述的糖可以是乳制糖。在一些实施方案中，糖是乳糖。尽管使用乳糖作为合适的糖的实例，并且在整个本公开内容中详细描述了乳糖衍生的水凝胶，但是用于所公开的载体水凝胶配方的合适的水凝胶的组合物不限于包括乳糖的那些。

乳糖可包括乳糖的α-和β-异构体之一或两者。

乳糖可以是衍生的乳糖，例如酯化的乳糖。在一实例中，酯化的乳糖是乳糖甲基丙烯酸酯。乳糖可以在八个游离羟基中的任何一个或多个上衍生化。乳糖甲基丙烯酸酯可包括乳糖单甲基丙烯酸酯、乳糖二甲基丙烯酸酯、乳糖三甲基丙烯酸酯、乳糖高级甲基丙烯酸酯或其任意组合。甲基丙烯酸酯单体可以以任何比例存在。

乳糖可以是分离的和/或相对纯的乳糖。例如，乳糖可以是具有≥94％的α-乳糖的市售乳糖一水合物。乳糖或其他乳制糖可以通过牛奶渗透液、乳清、乳清渗透液、脱乳糖渗透液、脱蛋白乳清、乳制品衍生的多糖、酪乳、脱脂乳、哺乳动物乳、全脂奶粉、脱脂干乳、黄油奶粉或其任何组合的形式提供。乳糖可以例如来自乳制品或食品加工操作的废料流形式提供。在一个实施例中，乳糖通过乳品厂操作的废牛奶渗透液形式提供。

在载体水凝胶的实施和使用中，从现有废物流中获得乳糖和/或其它乳制糖可以有利于利用未开发的原料，降低生产载体水凝胶的成本，和/或降低产生含乳糖废料流的材料的生产成本。

在一些实例中，在将乳糖与丙烯酸衍生物结合之前，将乳糖溶解于水中。

所述的交联剂可以是丙烯酸衍生物。丙烯酸衍生物可以是甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸单体、甲基丙烯酰氯、活化的丙烯酸酯、丙烯酸酐、丙烯酸、或其任意组合。

在一实例中，丙烯酸衍生物是甲基丙烯酸酐。

在一些实施方案中，乳糖和甲基丙烯酸酐可以组合形成水凝胶前体混合物。

在一些实例中，在氢氧化钠的存在下，组合乳糖和甲基丙烯酸酐以产生包括甲基丙烯酸乳糖、甲基丙烯酸钠和/或甲基丙烯酸的水凝胶前体混合物。

前体混合物中乳糖与甲基丙烯酸酐的比例可为约1.0：0.1至约1.0：3.0，例如约1.0：0.1，约1.0：0.5，约1.0：1.0，约1.0：2.0或约1.0：3.0。

在载体水凝胶的实施和使用中，改变前体混合物中乳糖与甲基丙烯酸酐的比例可以有助于调节各种水凝胶性质，例如流变性、结构、凝胶强度和/或视觉清晰度。

所述的活性成分可以是固体或液体。所述的活性成分可以是水溶性的或水不溶性。所述的活性成分可以是农药，例如除草剂、杀虫剂、杀真菌剂、杀线虫剂或杀鼠剂。在一个实施例中，所述的活性成分是阿特拉津(1-氯-3-乙基氨基-5-异丙基氨基-2,4,6-三嗪)，一种固体，水不溶性除草剂。在一个实施例中，所述的活性成分是草铵膦((RS)-2-氨基-4-(羟基(甲基)膦酰基)丁酸)，一种水溶性除草剂。

相容性除草剂的其他实例包括各种形式的草甘膦(例如，N-(膦酰基甲基)甘氨酸)，包括其盐，酯或其他衍生物的形式。草甘膦产品的例子包括但不限于草甘膦作为钾盐(例如，

和

)；作为二甲胺盐(例如，

)；作为异丙胺盐(例如

5plus)；以及草甘膦与其他农药,例如2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-D)(例如Enlist Duo^TM)和麦草畏(例如Mon 76832和

Xtend)结合使用。

兼容的除草剂的其他实例包括但不限于苯达松的钠盐(3-(1-甲基乙基)-1H-2,1,3-苯并噻二嗪-4(3H)-酮-2,2-二氧化物)(例如，

)；3，6-二氯邻茴香酸的二甘醇胺盐(例如，

Blue)；3，6-二氯-2-甲氧基苯甲酸(例如，Dicamba，Enginia^TM)；2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-D)；酰胺类除草剂；砷类除草剂；氨基甲酸酯和噻氨基甲酸酯类除草剂；羧酸类除草剂；二硝基苯胺类除草剂；杂环含氮除草剂；有机磷酸盐化合物；尿素除草剂；季铵盐除草剂；5-[2-氯-4-(三氟甲基)苯氧基]-N-(甲基磺酰基)-2-硝基苯甲酰胺(氟磺胺草醚，氟磺胺草醚)；和环磺酮(例如

)。

兼容的杀虫剂包括但不限于拟除虫菊酯类杀虫剂(例如联苯菊酯)；除虫菊酯或其他植物药(例如D-柠檬烯，芳樟醇，尼亚那(ryania)，鱼藤酮，丁子香酚(丁香油))；氯烟碱；香精油(例如柠檬草、冬青油、迷迭香、肉桂、芝麻、百里香、雪松油和辣椒素)；印楝油(例如印楝素)；尼古丁；微生物产品(例如苏云金芽孢杆菌和球孢白僵菌)；恶二嗪(例如茚虫威)；邻甲酰氨基苯甲酰胺(例如氯虫苯甲酰胺)；保幼激素模拟物(例如苯氧威、吡丙醚、甲氧普林和烯虫乙酯)；吡咯类(例如溴虫腈)；苯基吡唑类(例如氟虫腈)；有机磷酸酯类(例如马拉硫磷和毒死蜱)；无机物(例如硫磺、休眠(dormant)油和园艺油)；昆虫生长调节剂，例如几丁质合成抑制剂(例如，六氟隆；多氟脲；二氟脲；丁丙非嗪；环丙嗪；和氟苯肼)；杀螨剂，例如杀螨剂(例如阿维菌素)；和杀螨剂(ixodicides)。

相容的杀真菌剂包括但不限于氟唑菌酰胺、唑菌胺酯、丙环唑、肟菌酯、丙硫菌唑、1,2-丙二醇、嘧菌酯(例如，

amp，

SC，

和

)，其单独使用或以任意组合使用。

其他相容的活性成分可包括佐剂、微量营养素、常量营养素、植物生长调节剂和动物驱避剂。

在一些实施方案中，所公开的载体水凝胶所使用的乳糖来源是已知为一独立的制造过程所产生的废物副产物或废物流。所述的载体水凝胶可以是生物可降解的。

所述的载体水凝胶及其制备方法可能比已知的水凝胶和生产方法更环保。所述的方法在下文中立即会被更详细地描述。

如实施例2中更详细地描述的，并且如图2和3所示，随着载体水凝胶的分解，载体水凝胶可随着时间释放活性成分。在一些实施方式中，水凝胶的搅拌可以有助于加快活性成分的释放速率。

载体水凝胶的生产方法

通常，制备所公开的载体水凝胶的方法包括将活性成分与水凝胶前体混合以制备载体水凝胶前体混合物，和使载体水凝胶前体混合物交联以制备载体水凝胶。交联可形成基质，并且活性成分至少部分可位于基质内。

在一些实例中，制备所公开的载体水凝胶的方法包括在不存在光引发剂的情况下，使用光诱导的光聚合在一锅法反应中使乳糖甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸钠共聚。该方法不产生挥发性有机化合物或废物。乳糖与甲基丙烯酸酐的比率可以变化以制备具有不同特性的水凝胶。

图1示出了制备载体水凝胶的方法100。所述的方法100包括步骤102：将乳糖分配在水中以产生乳糖溶液；步骤104：调节乳糖溶液的pH；步骤106：将甲基丙烯酸酐添加到乳糖溶液中以制备反应混合物；步骤108：调节反应混合物的pH；任选步骤110：中和反应混合物；步骤112：过滤反应混合物以制备水凝胶前体混合物；步骤114：将活性成分加入到水凝胶前体混合物中，得到载体水凝胶前体混合物，以及步骤116：将载体水凝胶前体混合物暴露于光下以产生载体水凝胶。

在步骤102中，可以搅拌乳糖和水，这可以有助于分配乳糖。另外地或作为替代地，可以加热乳糖和水，例如从约25℃至约90℃，或从约65℃至约90℃，这可以有助于分配乳糖。可以搅拌和/或加热乳糖和水，直到乳糖部分或完全溶解在水中以制备乳糖溶液。

乳糖可以是分离的和/或相对纯的乳糖。例如，乳糖可以是具有≥94％的α-乳糖的市售乳糖一水合物。乳糖可以通过牛奶渗透液、乳清、乳清渗透液、脱乳糖渗透液、脱蛋白乳清、乳制品衍生的多糖、酪乳、脱脂乳、哺乳动物乳、全脂奶粉、脱脂干乳、黄油奶粉或其任何组合的形式提供。乳糖可以例如来自乳制品或食品加工操作的废料流形式提供。在一个实施例中，乳糖以来自乳品厂操作的废牛奶渗透液形式提供。

在步骤104之前，可以将步骤102中制备的乳糖溶液冷却，例如被动地冷却至室温。

在步骤104中，将乳糖溶液的pH调节至至多约10。在一个实例中，将氢氧化钠水溶液添加至溶液以增加pH。在一个实例中，步骤102中的乳糖通过牛奶渗透液提供，且乳糖溶液的未调节pH为约6.2至约6.4。

在步骤106中，可以将乳糖溶液和甲基丙烯酸酐一起搅拌。可以以制备乳糖与甲基丙烯酸酐的期望比例的量添加甲基丙烯酸酐。乳糖与甲基丙烯酸酐的摩尔比的实例包括约1.0∶0.5，约1.0∶1.0和约1.0∶2.0。乳糖和甲基丙烯酸酐可反应生成乳糖甲基丙烯酸酯。

在步骤108中，将反应混合物的pH调节至至多约10。在一些实施方式中，pH不允许超过约10。在一个实施例中，通过缓慢加入氢氧化钠水溶液使pH保持约9.5±0.5。

在一个实例中，通过用甲基丙烯酸酐酯化以用甲基丙烯酸酯基团将乳糖官能化以产生乳糖甲基丙烯酸酯。乳糖甲基丙烯酸酯可以包括乳糖单甲基丙烯酸酯、乳糖二甲基丙烯酸酯、乳糖三甲基丙烯酸酯和/或乳糖高级甲基丙烯酸酯单体。在该实施例中，甲基丙烯酸钠作为酯化反应的副产物和水解的结果而产生。酯化反应中还会生成甲基丙烯酸。所述的乳糖甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸钠和/或甲基丙烯酸可以共聚。

在一些实施方案中，在添加氢氧化钠之后且在步骤110之前，将反应混合物搅拌，例如在室温下搅拌约30分钟。

在步骤110中，可以将反应混合物中和至pH约7。在一种实施方式中，通过添加盐酸中和反应混合物。在一些实施方式中，不执行步骤110。

在步骤112中，可以通过例如重力过滤、真空过滤或离心过滤反应混合物，这可以有助于去除不溶性颗粒。在一种实施方式中，反应混合物通过定性滤纸重力过滤。滤液在步骤114中用作水凝胶前体混合物。

在步骤114中，所述的活性成分可以是固体或液体形式。所述的活性成分可以是水溶性的或水不溶性。在一些实例中，所述的活性成分是水不溶性的，但是在有或没有表面活性剂的情况下溶解在有机溶剂中。所述的活性成分可随后在，例如步骤116中，被包埋在水凝胶基质中。

在步骤116中，将所述的载体水凝胶前体混合物暴露于光下，这可以有助于诱导乳糖甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸钠的自引发共聚。乳糖二-和高级甲基丙烯酸酯可在聚合过程中充当交联剂。在一实例中，所述的光在紫外光谱中。在一实例中，所述的UV光具有约365nm的波长和/或约3.4mW/cm²至约3.8mW/cm²的强度。在一实例中，所述的载体水凝胶前体混合物在室温下暴露于紫外光约60分钟。

在一些实施方案中，水凝胶前体混合物在被递送至基质之前不交联。在一些实施方式中，载体水凝胶前体混合物在被递送至基质之后交联。所述的载体水凝胶前体混合物可通过暴露于环境光下而交联以形成水凝胶。

图2示出了制备和施用载体水凝胶前体混合物的方法200。在所述方法200中，载体水凝胶前体混合物在被递送至基质之前不交联。方法200包括步骤202：将乳糖分配在水中以产生乳糖溶液；步骤204：调节乳糖溶液的pH；步骤206：将甲基丙烯酸酐添加到乳糖溶液中以产生反应混合物；步骤208：调节反应混合物的pH；任选步骤210：中和反应混合物；任选步骤212：过滤反应混合物以产生水凝胶前体混合物；步骤214：组合水凝胶前体混合物和活性成分，得到载体水凝胶前体混合物，以及步骤218：将载体水凝胶前体混合物递送至基质。

步骤202、204、206、208分别如上文针对步骤102、104、106和108所述。

任选步骤210如上针对任选步骤110所述。任选步骤212如上针对步骤112所述。

步骤214如上针对步骤114所述。另外地或可替代地，可以在与水凝胶前体混合物混合之前将活性成分稀释，和/或可以将载体水凝胶前体混合物稀释。在一个实例中，通过将每种活性成分和水凝胶前体混合物与水合并，例如通过将它们各自添加到水箱中，从而稀释它们。

在步骤218中，载体水凝胶前体混合物可通过滴灌、枢轴灌溉、宽幅喷射、带状施用、点施、甘迪盒、牵引设备、自行设备、飞机、直升机、无人机、犁沟施用和/或配套应用来进行递送。所述的载体水凝胶前体混合物被递送至的基质可以是例如农业基质，例如种子、土壤、树叶或水果。

所述的载体水凝胶前体混合物在被递送至基质之后，可通过例如暴露于环境光下从而交联以形成水凝胶。

在一些实施方案中，载体水凝胶的交联延长了活性成分释放前的时间量。时间量可能比未交联的载体长。

本文公开的制备载体水凝胶的方法可具有许多益处，包括优于已知的制备活性成分载体的方法的益处。所公开的方法可以采用绿色化学技术和/或比已知的生产方法更环保的技术。所公开的方法可以利用已知作为独立的制造过程(例如来自乳制品或食品加工业)中的废物副产物或废料流的乳糖来源。所公开的方法可能比已知方法更具成本效益。

所公开的方法适用于固体、液体，水溶性或水不溶性活性成分。

所公开的方法是容易调节的，例如通过调节乳糖和甲基丙烯酸酐起始原料的摩尔比，以产生具有所需特征，例如结构、凝胶强度、视觉清晰度和流变性质的水凝胶。

乳糖甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸钠单体的光聚合可以在不存在光引发剂的情况下进行，这使得该方法可以排除光引发剂。即使没有光引发剂，所公开的方法也可以实现高聚合速率。

其他益处可包括但不限于，在水中进行该方法，在室温下进行该方法，不产生废料(即该方法是原子经济的)和/或通过该方法不产生挥发性有机化合物。

从载体水凝胶中释放有效成分的方法

活性成分可以在载体水凝胶中保留所需的时间。可以以受控的方式，例如在期望的位置，期望的时间和/或期望的速率，从载体水凝胶释放活性成分。活性成分可通过例如被动扩散、搅拌、机械力例如咀嚼或剪切、化学降解、生物降解、温度变化、pH变化或溶蚀(digestion)而从水凝胶中释放。在一些实施方式中，载体水凝胶被调节为适于控制载体水凝胶所施加到的基质对于活性成分的吸收。

在一些实施方式中，将载体水凝胶干燥，然后在递送至所需位置之前水化。

在一个实施例中，将干燥的水凝胶添加到容器中，并将液体添加到容器中。所述干燥的水凝胶可以是粉末形式。所述的容器可以是喷雾罐。在将水凝胶施加到所需位置之前或之时，所述的液体可以使干燥的水凝胶再水化。

在一些实施方式中，所述的载体水凝胶不干燥。在一个实例中，将未干燥的水凝胶添加到容器中，并且液体同样被添加到容器中。所述的未干燥的水凝胶可以是液体、凝胶、半固体或固体形式。所述的容器可以是喷雾罐。在将水凝胶施加至所需位置之前或之时，水凝胶可不吸收，吸收一部分或全部液体。

在一些实施方式中，载体水凝胶用于农业工业中，例如负载农药。在一些示例中，农药的目标递送位置是基质，例如农业基质，例如种子、土壤、树叶或水果。目标递送位置可以在植物或土壤上方，或可以在地下。在一些实施例中，所述的载体水凝胶或载体水凝胶前体混合物通过滴灌、枢轴灌溉、宽幅喷射、带状施用、点施、甘迪盒、牵引设备、自行设备、飞机、直升机、无人机、下种水凝胶、犁沟施用和/或配套应用来进行递送。

实施例

以下示例示出了本公开的各个方面，并且不应被认为是限制性的。

实施例1–负载除草剂的乳糖衍生水凝胶的制备

负载除草剂的乳糖衍生的水凝胶一般是根据2018年11月9日提交的题为“乳糖衍生的水凝胶及其制备方法”的美国非临时专利申请16/185,406中所述的方法制备的，其全部内容通过引用并入本文。简而言之，具有2：1的乳糖：甲基丙烯酸酐(mol：mol)比并负载除草剂的水凝胶通过如下方法制备。

向装有磁力搅拌棒的100mL圆底烧瓶中加入渗透粉(50g)和去离子水(100mL)。将混合物在65℃下搅拌直至产生澄清的无色溶液(约15分钟)。然后将溶液冷却至室温，并加入氢氧化钠水溶液(2.5M，约3滴)，直到溶液的pH值约为10。加入甲基丙烯酸酐(10.7g；94％，以2000ppm脱品醇A作为抑制剂MilliporeSigma公司，密苏里州圣路易斯)，并将混合物剧烈搅拌。缓慢加入氢氧化钠(28.5g；2.5M)，保持pH值为9.5±0.5；pH值不允许超过10。氢氧化钠的添加完成后，将反应混合物在室温搅拌30分钟。

加入盐酸(0.5g；1N；ACS Plus，赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)公司公司，汉普顿，新罕布什尔)以中和反应混合物至pH 7。然后将混合物离心并倾析以产生水凝胶前体混合物，将其转移至聚苯乙烯培养皿中。

将阿特拉津或草铵膦添加至水凝胶前体混合物中以产生载体水凝胶前体混合物。将阿特拉津(2.5g；42％悬浮浓缩物)加入到9g水凝胶前体混合物中。将草铵膦(1.5g；97.1％工业级)添加到9g水凝胶前体混合物中。

然后在室温下对载体水凝胶前体混合物进行UV照射(365nm，3.4-3.8mW/cm²)60分钟。前体混合物中的甲基丙烯酸乳糖、甲基丙烯酸和甲基丙烯酸钠的光诱导共聚反应产生了负载阿特拉津或草铵膦的水凝胶。

实施例2–除草剂从载体水凝胶中释放的分析

根据实施例1的方法，制备载有阿特拉津或草铵膦的水凝胶。根据以下步骤，测试通过被动扩散、搅拌或剪切载体水凝胶的成分释放。

冲头(直径1.5cm)以一式两份或一式三份取自各水凝胶盘。将每个冲头快速浸入去离子水中，然后放入装有100mL去离子水的250mL广口瓶中。短暂旋转装有水和水凝胶冲头的L广口瓶，然后取出1mL溶质基线样品并将其收集在小瓶中。

对于每一份阿特拉津和草铵膦水凝胶，将一个广口瓶保持静止，将一个广口瓶在振动台上以50％的速度连续搅拌，将一个广口瓶中的内容物使用高剪切混合器以5000rpm的速度高剪切1分钟。30分钟、1小时、2小时、4小时、8小时和24小时后，从静态和振动的广口瓶中取出溶质样品。在从静态广口瓶中收集样品之前，先旋转广口瓶以使溶质均匀。5分钟、1小时和24小时后，从高剪切罐中取出溶质样品。

通过HPLC测定除草剂的释放。用酸化(0.1％H₃PO₄)乙腈将来自阿特拉津广口瓶的每1mL溶质样品调至5mL。然后使用以下HPLC条件分析样品：

5μm C18

LC色谱柱250x4.6mm(

托兰斯，CA)；柱室保持在30℃；10μL进样；流动相A–含0.1％H₃PO₄的去离子水；流动相B–含0.1％H₃PO₄的乙腈；泵速为1mL/min；以15％A和85％B等度运行；运转8分钟；检测器设置为254nm；保留时间＝2.92分钟。

用含有5％MeOH的0.05mM KH₂PO₄缓冲液将草铵膦广口瓶中的每个1mL溶质样品调至至5mL。然后使用以下HPLC条件分析样品：Partisil 10 SAX LC色谱柱250 x 4.6mm(英国伯克希尔，希克罗有限公司)；柱室保持在30℃；25μL进样；流动相–25mMol KH₂PO₄；泵速为2mL/min；运行5分钟；检测器设置在195nm；和保留时间＝2.13分钟。

对于每一份阿特拉津和草铵膦，将溶质样品与外部样品进行比较以进行定量。

结果如图3(阿特拉津)和图4(草铵膦)所示。结果表明，载有阿特拉津的水凝胶会缓慢分解并释放出阿特拉津。搅动水凝胶可加快释放。在温和的搅拌下，负载的水凝胶会在不超过1个小时的时间内大量分解，并释放出大部分的阿特拉津。不受限于任何作用机理或作用方式，搅拌(例如，在收集样品之前旋转广口瓶)可以有助于破坏水凝胶和/或有助于释放活性成分，其程度大于在不搅拌的条件下的高剪切作用。

结果表明，载有草铵膦的水凝胶缓慢分解并释放草铵膦。搅动水凝胶可加快释放。在温和的搅拌下，负载的水凝胶在数小时内大量分解，并释放出大部分草铵膦。

实施例3–施加于植物的载体水凝胶前体混合物引起的除草剂诱导的伤害

通过检查植物的伤害或死亡，间接研究了除草剂从负载水凝胶中的释放。根据图2中所示的方法200制备水凝胶前体混合物。以乳糖与甲基丙烯酸酐之比为1：0.5制备前体混合物。

将单独的草甘膦(先正达公司的

)(对照组)或草甘膦加水凝胶前体混合物(测试组)添加到水中以形成喷雾溶液。对于每个对照组和测试组，喷雾溶液中的草甘膦的量大致相同(即约2.34％v/v)。测试组还包括在喷雾溶液中5％v/v、10％v/v、20％v/v、25％v/v或50％v/v的水凝胶前体混合物。每组包括温室中的五种秋葵植物。对照组或测试组以每英亩10加仑的喷雾溶液进行喷雾。在测试组中，将水凝胶前体混合物加草甘膦混合物施用于植物后，使其在环境条件下交联。

14天后，通过目视评估系统测量直接施用草甘膦(对照)或从载体水凝胶释放草甘膦(测试)引起的植物伤害或死亡。结果在图5中以植物伤害或死亡百分比表示，其中“100％对照”表示植物完全死亡。归属于多个组的同一字母表示这些组之间没有统计学上的显着差异。归属于多个组的不同字母表示这些组之间在统计学上有显着差异(95％CI)。

14天后，仅草甘膦会对植物造成平均85％的损害。与对照组相比，将草甘膦与水凝胶前体以任意数量前体(v/v)的组合都可以减少植物的伤害。与较低量的水凝胶前体混合物相比，较高量的水凝胶前体混合物导致较少的植物伤害。

结果表明，当将活性成分(如草甘膦)的稀水溶液与水凝胶前体混合物应用于植物并使其交联时，将形成水凝胶。结果还表明，随着时间的推移，活性成分可被所形成的水凝胶保留。不限于任何作用机理或作用方式，喷雾溶液中较高量的水凝胶前体混合物可导致活性成分在喷雾液滴中的更多保留。

实施例4–施加于植物的载体水凝胶前体混合物引起的除草剂诱导的伤害

通过检查植物的伤害或死亡，间接研究了除草剂从负载水凝胶中的释放。根据图2中所示的方法200制备水凝胶前体混合物。以乳糖与甲基丙烯酸酐之比为1：0.5、1：0.25或1：0.1制备前体混合物(测试组)。

将单独的草甘膦(先正达公司的

)(对照组)或草甘膦加水凝胶前体混合物(测试组)添加到水中以形成喷雾溶液。对于每个对照组和测试组，喷雾溶液中的草甘膦的量大致相同(即约2.34％v/v)。测试组还包括一种5％v/v的水凝胶前体混合物。每组包括温室中的五种秋葵植物。对照组或测试组以每英亩10加仑的喷雾溶液进行喷雾。在测试组中，将水凝胶前体混合物加草甘膦混合物施用于植物后，使其在环境条件下交联。

14天后，仅草甘膦会对植物造成平均55％的损害。随着水凝胶前体混合物中乳糖对甲基丙烯酸酐的比例降低，植物的伤害增加。乳糖与甲基丙烯酸酐之比为1：0.1的前体混合物造成了在统计学上比单独使用草甘膦对植物更大的伤害。由乳糖/甲基丙烯酸酐比率较低(例如1：0.1)的前体混合物形成的水凝胶，当与活性成分一起施用时，可以比与由乳糖/甲基丙烯酸酐比率较高的前体混合物(例如，1：0.25或1：0.5)相比会造成对植物更大的伤害。不受任何作用机理或作用方式的限制，与由较高乳糖对甲基丙烯酸酐比率形成的水凝胶相比，由较低乳糖与甲基丙烯酸酐比率形成的水凝胶可释放更多的活性成分和/或可在更长的时间内释放活性成分。

尽管本公开提供了对优选实施例的参考，但是本领域技术人员将认识到，可以在形式和细节上进行改变而不背离本发明的精神和范围。

Claims

1.将活性成分递送至农业基质的方法，所述方法包括：

通过以下方法制备载体水凝胶：

将活性成分与水凝胶前体混合以产生载体水凝胶前体混合物；和

使载体水凝胶前体混合物交联以产生载体水凝胶；和

将载体水凝胶递送到农业基质上，

其中，所述的载体水凝胶适于控制活性成分向农业基质的释放，控制农业基质对活性成分的吸收，或同时控制活性成分的释放和吸收。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述农业基质是种子、土壤、枝叶和果实中的一种或多种。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述载体水凝胶在释放活性成分之前延长了一段时间。

4.如权利要求1所述的方法，其中交联形成基质，并且所述活性成分至少部分位于所述基质内。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述活性成分为水溶性或水不溶性的。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述的活性成分为液体或固体形式。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述的活性成分是农药。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述的活性成分是阿特拉津或草铵膦。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的乳糖为选自以下的一种或多种：纯化的乳糖、牛奶渗透液、乳清、乳清渗透液、脱乳糖渗透液、脱蛋白乳清、乳制品衍生的多糖、酪乳、脱脂乳、哺乳动物乳、全脂奶粉、脱脂干奶和黄油奶粉。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述的乳糖是来自乳制品或食品加工操作的废料。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述的废料是牛奶渗透液。

12.一种从载体水凝胶释放活性成分的方法，所述方法包括：

通过以下方法制备载体水凝胶：

向水凝胶前体中添加活性成分以制备载体水凝胶前体混合物；和

使载体水凝胶前体混合物暴露于光下以制备载体水凝胶；

将载体水凝胶输送到农业位点；和

在农业位点上，从载体水凝胶中释放活性成分。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述活性成分通过被动扩散、搅拌、机械力、化学降解、生物降解、温度变化、pH变化或溶蚀而释放。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述载体水凝胶被交联，并且所述交联延长了所述活性成分释放之前的时间。

15.如权利要求12所述的方法，其中所述农业位点是种子、土壤、枝叶和果实中的一种或多种。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述的乳糖为选自以下的一种或多种：纯化的乳糖、牛奶渗透液、乳清、乳清渗透液、脱乳糖渗透液、脱蛋白乳清、乳制品衍生的多糖、酪乳、脱脂乳、哺乳动物乳、全脂奶粉、脱脂干奶和黄油奶粉。

17.如权利要求12所述的方法，其中，所述的乳糖是来自乳制品或食品加工操作的废料。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述的废料是牛奶渗透液。