Fabrikasi, Karakterisasi, dan Aktivitas Biologis Sistem Pengiriman Nano Avermectin dengan Ukuran Partikel Berbeda
Abstrak
Sistem pengiriman nano untuk bahan aktif pestisida dapat meningkatkan tingkat pemanfaatan pestisida dan memperpanjang efek pengendaliannya. Ini karena amplop nanocarrier dan fungsi pelepasan terkontrol. Namun, partikel yang mengandung bahan aktif dalam formulasi pestisida lepas terkendali umumnya berukuran besar dan memiliki distribusi ukuran yang luas. Ada studi terbatas tentang pengaruh ukuran partikel pada sifat pelepasan terkontrol dan aktivitas biologis sistem pengiriman pestisida. Dalam studi saat ini, sistem pengiriman nano avermectin (Av) dibangun dengan ukuran partikel yang berbeda dan kinerjanya dievaluasi. Tingkat pelepasan Av dalam sistem pengiriman nano dapat dikontrol secara efektif dengan mengubah ukuran partikel. Aktivitas biologis meningkat dengan menurunnya ukuran partikel. Hasil ini menunjukkan bahwa sistem pengiriman nano Av dapat secara signifikan meningkatkan pelepasan terkendali, fotostabilitas, dan aktivitas biologis, yang akan meningkatkan efisiensi dan mengurangi residu pestisida.
Latar Belakang
Pestisida penting untuk pengendalian penyakit tanaman dan hama serangga serta menjaga ketahanan pangan nasional. Kebanyakan formulasi pestisida konvensional adalah sistem terbuka, yang memiliki masalah seperti dispersi yang buruk, degradasi bahan aktif, dan droplet drift. Bahan aktif dalam pestisida memiliki tingkat kehilangan hingga 70-90%. Hal ini terjadi sebagai konsekuensi dari penyemprotan lapangan karena biodegradasi, degradasi kimia, fotolisis, penguapan, limpasan permukaan, dan perkolasi air tanah, yang semuanya meningkatkan kekhawatiran terhadap keamanan pangan dan lingkungan [1, 2]. Oleh karena itu, meningkatkan aplikasi dan pengiriman pestisida menjadi topik penelitian yang penting [3,4,5].
Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan nanoteknologi dan nanomaterial telah memberikan pendekatan baru untuk meningkatkan efisiensi aplikasi pestisida [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]. Formulasi nanopartikel pestisida telah diusulkan untuk menghasilkan distribusi spasial pestisida yang lebih baik pada permukaan daun, karena ukuran nanopartikel yang kecil dan luas permukaan yang besar, yang memberikan efisiensi yang lebih baik [16,17,18,19]. Sistem pengiriman nano untuk pestisida melibatkan penjebakan bahan aktif pestisida di dalam bahan nano polimer, untuk memungkinkan pelepasan bahan aktif yang lambat dan terkendali pada tanaman target [20,21,22]. Di antara polimer yang berbeda, asam polilaktat (PLA) telah banyak digunakan sebagai pembawa nanopartikel dalam sistem pengiriman nano pelepasan terkontrol untuk banyak molekul bioaktif karena tidak beracun, bioavailabilitas dan biokompatibilitas yang baik, dan disetujui oleh Food and Drug Administration untuk penggunaan manusia. [23, 24]. Studi tentang PLA sebagai bahan pembawa di bidang pestisida masih terbatas. PLA adalah bahan pelapis yang sangat menjanjikan untuk mengenkapsulasi pestisida karena ramah lingkungan, biaya rendah, dan peningkatan skala yang mudah.
Sistem pengiriman nano untuk pestisida juga menyediakan area kontak yang lebih besar di antara hama sasaran dan partikel pestisida [25, 26].
Avermectin (Av) adalah biopestisida yang sangat efisien, spektrum luas, dan aman yang dapat mengendalikan berbagai hama pertanian. Av mudah terdegradasi karena oksidasi foto. Av juga memiliki waktu paruh yang pendek dalam air, yang mempengaruhi pengendalian hama dalam aplikasi lapangan. Koefisien adsorpsi karbon organik untuk Av tinggi. Ini berarti Av tidak mudah bermigrasi di dalam tanah karena terikat erat dengan bahan organik, yang mempengaruhi pengendalian hama di dalam tanah. Banyak upaya telah difokuskan untuk melindungi aktivitas biologis Av dengan teknologi mikroenkapsulasi [27, 28]. Namun, ukuran mikrokapsul yang mengandung Av sulit dikendalikan. Mereka umumnya besar, dengan ukuran sekitar 1-5 m, dan memiliki distribusi ukuran yang luas [29, 30]. Penyebaran dan keseragaman yang buruk, serta ukuran yang besar, tidak kondusif untuk meningkatkan daya rekat pestisida pada permukaan daun atau meningkatkan permeabilitas pada serangga berbahaya. Investigasi terbatas telah dilakukan pada sintesis dan aktivitas biologis sistem pengiriman nano pestisida untuk Av dengan ukuran yang berbeda [31,32,33,34]. Membangun sistem pengiriman nano untuk Av dengan enkapsulasi bahan nano dapat secara signifikan meningkatkan fotostabilitasnya, mengurangi adsorpsi tanahnya atau faktor merugikan lainnya, dan meningkatkan efek kontrol pestisida. Selain itu, sistem pengiriman nano Av juga memiliki penetrasi yang lebih baik dan memungkinkan pelepasan bahan aktif yang lebih lambat dan lebih terkontrol pada tanaman target, dibandingkan dengan mikrokapsul konvensional.
Penelitian ini bertujuan untuk menyiapkan berbagai ukuran partikel sistem pengiriman nano Av dengan polimerisasi emulsi menggunakan PLA dan mengkarakterisasi kinerjanya sebagai pembawa yang aman dan dapat terurai secara hayati. Kami menyelidiki pengaruh ukuran partikel pada sifat pelepasan dan aktivitas biologis dari sistem pengiriman nano Av [35,36,37,38,39]. Konsentrasi zat aktif dan prekursornya, serta karakteristik sistem emulsi merupakan faktor utama untuk menetapkan distribusi ukuran sistem pengiriman nano Av akhir. Sistem pengiriman nano Av menunjukkan dispersi partikel yang baik dengan ukuran partikel yang terkontrol, pemuatan Av yang tinggi, kontrol ukuran yang efektif dan sifat pelepasan berkelanjutan, serta pelindung dan stabilitas ultraviolet (UV) yang baik.
Eksperimental
Materi
PLA dan Av disediakan oleh Nature Works, dan Qilu Pharmaceutical Co., Ltd. (Mongolia Dalam, P. R. China), masing-masing. Polivinil alkohol (PVA), 87–90% terhidrolisis dengan rata-rata Mw dari 30.000–70.000, dibeli dari Sigma-Aldrich Shanghai Trading Co., Ltd. (Shanghai, Republik Rakyat Tiongkok). Gelatin dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (Beijing, Republik Rakyat Tiongkok). Membran dialisis dibeli dari Beijing Tianan Technology Co., Ltd. (Republik Rakyat Tiongkok). Reagen kimia lainnya adalah kelas analitis dan dibeli dari Beijing Chemical Works (Beijing, Republik Rakyat Cina). Air yang digunakan dalam semua eksperimen memiliki kadar Milli-Q (18,2 MΩ cm, TOC ≤ 4 ppb) dan diperoleh dari sistem Milli-Q Advantage A10 (Millipore, Milford, MA, USA).
Persiapan Sistem Pengiriman Nano Avermectin
Sistem pengiriman nano Av disiapkan melalui metode emulsi minyak dalam air (O/W) yang dikombinasikan dengan proses emulsifikasi fisik ultrasonik dan geser. Secara singkat, PLA dan Av dilarutkan dalam metilen klorida sebagai fase minyak. Untuk fase air, gelatin dilarutkan dalam air pada suhu 40 °C, yang kemudian dicampur dengan larutan berair PVA. Kemudian, fase minyak diteteskan perlahan ke dalam volume besar fase air di bawah emulsifikasi geser tinggi (FA25, FLUKO, Ruhr-gebiet, Jerman), untuk membuat emulsi kasar. Emulsi kasar kemudian didispersikan secara merata dengan emulsifikasi ultrasonik (JY 92-IIN, SCIENTZ, Ningbo, People's Republic of China). Emulsi yang seragam kemudian dipadatkan di bawah pengadukan magnetik semalaman (RW20, IKA, Staufen, Jerman). Sistem pengiriman nano Av yang mengeras dikumpulkan melalui sentrifugasi dan dicuci tiga kali dengan air deionisasi. Produk dikumpulkan dengan sentrifugasi dan kemudian dikeringkan-beku (FD-81, EYELA, Tokyo, Jepang) untuk menghasilkan bubuk yang mengalir bebas. Bubuk kering disimpan pada suhu 4 °C sampai digunakan.
Karakterisasi Sistem Pengiriman Nano
Morfologi setiap sistem pengiriman nano Av diselidiki dengan memindai mikroskop elektron (SEM, JSM-6700 F, JEOL Ltd., Akishima-shi, Jepang) dengan tegangan percepatan 5 kV. Sampel SEM diendapkan setetes demi setetes ke permukaan irisan silikon. Tetesan dibiarkan mengering pada suhu kamar dan kemudian dilapisi dengan lapisan tipis platinum menggunakan sputter coater (EM ACE600, Leica, Wina, Austria), untuk mencegah pengisian selama pengamatan SEM. Ukuran partikel dalam sistem pengiriman nano Av diukur pada 25 °C dengan hamburan laser menggunakan zetasizer (Zetasizer NanoZS90; Malvern, Worcestershire, UK).
Penentuan Pemuatan Avermectin dalam Sistem Pengiriman Nano
Jumlah Av dalam sistem pengiriman nano diukur pada panjang gelombang 245 nm, menggunakan spektrofotometer ultraviolet-tampak (UV-vis) (TU901, Shimadzu Corporation, Kyoto, Jepang). Secara rinci, spesimen bermuatan Av ditimbang dan dilarutkan dalam kloroform semalaman, setelah itu larutan dikeringkan melalui distilasi bertekanan rendah. Metanol kemudian ditambahkan untuk melarutkan Av dari endapan kering. Terakhir, campuran disaring untuk menghasilkan larutan jernih yang dianalisis dengan spektrofotometri UV-vis.
Rilis Terkendali Avermectin dari Sistem Pengiriman Nano
Profil pelepasan Av dari sistem pengiriman nano dengan ukuran berbeda diselidiki sebagai berikut. Sampel pengiriman nano av dari setiap ukuran disuspensikan dalam 10 mL campuran etanol/air (1:1, v /v ). Suspensi kemudian dipindahkan ke kantong dialisis, yang disegel dalam labu coklat dengan 90 mL campuran etanol/air (1:1, v /v ) sebagai media pelepasan. Labu diinkubasi dalam shaker inkubator pada 300 rpm pada suhu kamar. Setelah interval waktu yang ditentukan, 5,0 mL larutan dibuang dan diganti dengan 5,0 mL pelarut baru. Laju pelepasan Av dari sampel pengiriman nano dihitung dengan mengukur konsentrasi Av yang terlarut dalam media pelepasan pada interval yang berbeda dan digunakan untuk mengevaluasi properti pelepasan berkelanjutan. Konsentrasi Av diukur menggunakan spektrofotometer UV-vis pada panjang gelombang 245 nm. Abamektin teknis (TC, bahan aktif tingkat teknis) digunakan sebagai kontrol.
Perilaku Fotolisis Avermectin dalam Sistem Pengiriman Nano
Perilaku fotolitik Av dalam sistem pengiriman nano dievaluasi dengan Av WDG komersial sebagai kontrol. Sampel dilarutkan dalam metanol/air (1:1, v /v ) dan dibagi rata ke dalam cawan kultur, dan sampel yang dihasilkan diiradiasi selama durasi yang diinginkan pada 25 °C di bawah lampu UV (500 W), yang memiliki intensitas maksimum pada panjang gelombang 365 nm. Pada interval waktu tertentu (12, 24, 36, 48, 60, dan 72 jam), cawan kultur dikeluarkan dari reaktor dan konsentrasi Av sampel dianalisis.
Uji Stabilitas
Stabilitas sistem pengiriman nano Av diuji menurut CIPAC MT 46 dan GB/T 19136–2003. Sampel dikemas dalam tabung kaca dan disimpan pada 0 ± 2 °C selama 7 hari dan 54 ± 2 °C selama 14 hari. Perubahan jumlah Av dalam sistem pengiriman nano kemudian dipelajari.
Bioassay
Bioassay dari sistem pengiriman nano Av dengan ukuran berbeda dilakukan menggunakan metode celup daun. Sampel diencerkan dengan larutan berair Triton X-100 pada konsentrasi Av yang berbeda. Kubis (Brassica oleracea L.) daun direndam dalam suspensi Av yang telah diencerkan, kemudian dikeringkan pada suhu kamar, dan ditempelkan pada cawan Petri. Larva kutu daun dimasukkan ke dalam setiap cawan, dan kutu daun yang dirawat dibiakkan dalam inkubator pada suhu 25 °C dan kelembaban relatif 75%. Empat ulangan dilakukan untuk membandingkan dengan uji kontrol. Mortalitas dinilai pada 48 jam setelah pengobatan. Data konsentrasi-kematian dianalisis menggunakan software statistik DPS v12.01. Konsentrasi mematikan rata-rata (LC50 ) dan batas kepercayaan 95% mereka dihitung. WDG komersial digunakan sebagai kontrol.
Hasil dan Diskusi
Konstruksi dan Karakterisasi Sistem Pengiriman Nano Avermectin
Sistem pengiriman nano Av dibuat sesuai dengan prosedur yang ditunjukkan pada Gambar 1. Selama proses, fase air dan minyak disiapkan sesuai dengan metode yang disebutkan di atas. Fase minyak diemulsikan dalam fase air (emulsi minyak dalam air) dengan emulsifikasi geser tinggi, untuk membuat emulsi kasar. Emulsi kursus kemudian didispersikan secara merata dengan emulsifikasi ultrasonik. Ini diikuti dengan pengadukan, penguapan, dan sentrifugasi nanopartikel yang dihasilkan. Ukuran partikel dari sistem pengiriman adalah salah satu faktor terpenting yang mempengaruhi sifat pelepasan dan aktivitas biologis pestisida. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel berkisar antara 344 hingga 827 nm dibuat dengan mengontrol parameter sintesis. Ukuran partikel merupakan parameter penting untuk sifat pelepasan terkontrol pestisida. Ukuran partikel dari sistem pengiriman nano Av dapat dikontrol dengan mengubah rasio konsentrasi PVA/gelatin. Berbagai sistem pengiriman nano Av disiapkan dengan ukuran mulai dari 344 hingga 827 nm dan konten Av mulai dari 33,4 hingga 57,5% (33,4, 44,9, 45,2, dan 57,5%), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Semua produk Av mulus permukaan dan morfologi partikel bola.
Skema yang menunjukkan persiapan sistem pengiriman nano Av
Gambar SEM (a –d ) dan distribusi ukuran (e ) sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel berbeda
Jumlah Av dalam sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel berbeda
Pelepasan Avermectin dari Sistem Pengiriman Nano In Vitro
Dalam beberapa tahun terakhir, pengembangan sistem pelepasan pestisida telah beralih ke pelepasan yang akurat dan kuantitatif, berbeda dengan sistem pelepasan lambat dan kualitatif sebelumnya. Untuk mencapai pelepasan yang dapat dikontrol, profil pelepasan sistem pengiriman nano Av dengan berbagai ukuran partikel diselidiki secara sistematis. Gambar 4 menunjukkan persentase pelepasan Av dari sistem pengiriman nano dengan ukuran partikel yang berbeda setelah interval waktu yang sama. Av teknis memiliki kecepatan rilis yang cepat dan hampir sepenuhnya dirilis setelah 25 jam. Masa berlaku pestisida yang tahan lama membutuhkan pelepasan pestisida yang berkelanjutan untuk mempertahankan kemanjurannya dalam waktu yang lama. Dibandingkan dengan pelepasan abamektin teknis yang meledak, semua sistem pengiriman nano yang disiapkan melepaskan Av pada kecepatan yang relatif lambat dan mempertahankan pelepasan berkelanjutan untuk waktu yang lebih lama. Profil rilis Av dari sistem pengiriman nano terdiri dari rilis burst diikuti oleh rilis bertahap selama jangka waktu 240 jam percobaan. Karena ukuran sistem pengiriman menurun dari 827 menjadi 344 nm, rilis kumulatif meningkat dari 53,2 menjadi 79,4% setelah 240 jam. Hasil penelitian menunjukkan bahwa laju pelepasan Av dari sistem nano-delivery secara bertahap meningkat dengan menurunnya ukuran partikel. Ini karena area permukaan yang lebih tinggi terpapar ke lingkungan, membantu permeasi dan efusi pestisida yang terletak di cangkang sistem pengiriman nano. Hasilnya menunjukkan bahwa laju pelepasan Av dari sistem pengiriman nano dapat dikontrol secara efektif dengan memodifikasi ukuran partikel.
Perilaku pelepasan sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel berbeda dalam etanol/air (50:50, v /v ) lebih dari 200 j
Aktivitas Biologis
Aktivitas biologis Av yang dilepaskan dari sistem nano-delivery dengan ukuran partikel yang berbeda terhadap kutu daun ditunjukkan pada Gambar. 5. LC50 dari sistem pengiriman nano Av secara bertahap menurun dengan penurunan ukuran partikel. Bioavailabilitas nanoemulsi dilaporkan lebih tinggi daripada emulsi konvensional karena ukuran partikelnya yang lebih kecil dan rasio permukaan terhadap volume yang lebih tinggi. Oleh karena itu, aktivitas biologis yang lebih tinggi dari sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel yang lebih kecil dikaitkan dengan peningkatan dispersibilitas, keterbasahan, dan retensi yang disebabkan oleh efek skala kecil. Semua sistem pengiriman nano Av memiliki LC yang lebih rendah50 nilai dan aktivitas yang lebih tinggi daripada Av WDG komersial. Tingginya kemanjuran karena partikel berukuran nano meningkatkan daya rekat dan penetrasi pestisida Av pada permukaan tanaman, yang mengurangi hilangnya pestisida akibat kebocoran selama penyemprotan.
Hasil bioassay sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel berbeda
Sifat Pelindung UV dari Avermectin dalam Sistem Pengiriman Nano
Untuk memverifikasi sifat pelindung UV dari Av dalam sistem pengiriman nano, laju fotolitik Av diperkirakan dengan iradiasi buatan. Analisis laju fotolisis Av dengan waktu penyinaran ditunjukkan pada Gambar 6. Persentase fotolitik abamektin adalah 18,7% untuk sistem pengiriman nano dan 46,7% untuk Av WDG komersial setelah 48 jam. Setelah 72 jam, persentase fotolitik abamektin adalah 25,6% untuk sistem pengiriman nano dan 51,5% untuk Av WDG komersial. Hasil ini menunjukkan bahwa sistem pengiriman nano menunjukkan penghambatan fotolisis Av karena efek perlindungan pembawa dinding.
Perbandingan persentase fotolisis Av dengan WDG komersial dan sistem pengiriman nano di bawah penyinaran UV
Stabilitas Penyimpanan
Stabilitas sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel yang berbeda dievaluasi dengan mengukur muatan muatannya pada suhu 0, 25, dan 54 °C. Gambar 7 menunjukkan bahwa sistem pengiriman nano tetap stabil tanpa perubahan besar dalam pemuatan Av selama penyimpanan pada suhu kamar dan suhu rendah. Kehilangan kecil Av diamati setelah 14 hari pada 54 °C, karena degradasi Av pada suhu tinggi. Hasil ini menunjukkan bahwa sistem pengiriman nano Av memiliki stabilitas penyimpanan yang baik.
Stabilitas sistem pengiriman nano Av pada suhu penyimpanan yang berbeda
Kesimpulan
Untuk meningkatkan pelepasan terkontrol, stabilitas kimia, dan bioaktivitas Av, sistem pengiriman nano Av dengan ukuran partikel rata-rata yang berbeda disintesis menggunakan metode polimerisasi emulsi. Sistem pengiriman nano Av menunjukkan perilaku pelepasan yang konsisten. Laju pelepasan Av dari sistem pengiriman nano secara bertahap meningkat dengan menurunnya ukuran partikel, karena luas permukaan yang lebih tinggi. Aktivitas biologis sistem pengiriman nano Av secara bertahap meningkat seiring dengan penurunan ukuran partikel, karena peningkatan adhesi dan penetrasi. Sistem pengiriman nano Av menunjukkan sifat anti-fotolisis dan stabilitas yang baik. Sistem pengiriman mengatasi kekurangan biopestisida saat ini, seperti sensitivitas lingkungan, adsorpsi tanah yang tidak diinginkan, dan durasi aktivitas yang singkat. Ini akan meningkatkan kemanjuran pestisida dan mengurangi frekuensi penyemprotan yang diperlukan.
