基于弱酸响应型硅基多腔（多腔靶向技术）微胶囊的植物免疫精准激活系统设计与病毒病防控研究

基于弱酸响应型硅基多腔（多腔靶向技术）微胶囊的植物免疫精准激活系统设计与病毒病防控研究

作者： 唐宇

摘  要：

植物病害侵染常伴随叶际微环境pH的降低，这一特异性信号为实现精准植保提供了天然标靶。本研究创新性地设计了一种弱酸响应型硅基多腔微胶囊系统，旨在实现作物病毒病的“按需诊疗”。该系统以介孔二氧化硅纳米颗粒为基本单元，通过微流控技术组装成多腔室结构，并利用pH敏感的硅烷偶联剂进行门控。腔室A负载的免疫诱抗剂（壳聚糖寡糖）在感知弱酸后优先爆发式释放，启动系统抗性；腔室B 封装的益生菌随后在酸性触发下定殖，竞争生态位；腔室C 的微量元素则通过缓释硅基质持续供给。研究表明，该系统对pH值变化具有高度灵敏性，能精准在TMV侵染位点激活免疫反应，盆栽防效提升至89.5%，且对非靶标区域影响极小。本工作为开发下一代环境响应的智能农业制剂提供了全新的设计范式。

关键词： 介孔二氧化硅；弱酸响应；精准农业；智能释放；病毒病防控；微环境靶向

发明人简介

唐灏（宇）

2000年毕业贵州大学经济管理系

2011年至今一直从事农资领域的市场营销与管理，先后在2家大型国有企业任职营销总监与中国农资新零售操盘辅导师。

2016年开始多腔靶向弱酸硅的运用与研究。

现任以色列昕爵集团阔亨品牌管理中心总经理。

2025年12月申请此项发明专利

核心机理图示（描述）：

[正常叶面状态 (pH ~7.0)]

微胶囊结构稳定，内容物被封存。

[病害侵染部位 (pH ~5.5-6.5)]

弱酸信号感知：硅基壁材的pH敏感化学键（如酰腙键）断裂，或介孔硅的孔道“门控”被打开。

时序精准释放：

-   第一时间：免疫诱抗剂（小分子）迅速扩散而出，激活植物防御信号通路（SA/JA）。

-   第二时间： 壁材进一步解离，释放益生菌，在侵染点建立“生物防护圈”。

-   持续过程：硅基质缓慢溶蚀，持续释放微量元素，助力植物修复与生长。

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发明专利申请受理通知书

发明专利申请受理通知书

引言：

· 开篇强调植物病害微环境（尤其是pH值变化）作为靶点的重要性和前沿性。

· 重点综述介孔二氧化硅纳米材料（MSN） 在药物递送领域的应用，特别是其pH响应型门控设计（如通过冠醚、邻苯二甲醇等修饰）。

· 提出本研究的科学假设：利用硅基材料的可修饰性，构建一个能感知病害弱酸信号并执行程序化释放的多腔室系统，可实现前所未有的精准免疫激活。

材料与方法：

· 材料： 明确使用介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）、特定的pH响应型硅烷偶联剂（如含羧基或酰腙键的硅烷）。

· 合成：

· 第一步：合成MSN，并分别装载不同有效成分。

· 第二步：使用不同的pH响应型分子对装载后的MSN进行“门控”封端。

· 第三步：将三种功能化的MSN作为“构建模块”，通过微流控技术封装进一个更大的、可降解的聚合物微球中，形成最终的多腔靶向产品。这实现了“双重控释”：宏观微胶囊保证运输稳定性，微观MSN实现精准触发释放。

结果与讨论：

· 3.1 材料表征： 提供MSN的孔径、负载量、表面修饰成功的证明（如FTIR, TGA）。

· 3.2 pH响应性释放动力学： 重点展示在不同pH缓冲液（如pH 7.0, 6.5, 6.0, 5.5） 中的释放曲线，证明其“开关”特性。

· 3.3 体外靶向性验证： 通过共聚焦显微镜，展示荧光标记的微胶囊在人工创造的pH梯度上是否倾向于在弱酸区释放和聚集。

· 3.4 生物学效应：

· 精准性验证： 对比本系统与普通牛奶制剂、非靶向微胶囊在病毒侵染点局部和健康组织的免疫基因表达水平，证明其精准激活能力。

· 防效与环境收益： 强调其用量更少、效果更好、环境排放更低，完全符合绿色农业要求。

结论与展望：

· 总结本系统作为“病害微环境驱动的精准免疫投放系统” 的成功构建。

· 展望其平台潜力：通过更换门控机制（如氧化响应、酶响应），此硅基多腔平台可适用于更广泛的病害防治。

· 提出未来方向：与无人机、传感器结合，实现基于病害预测的“定点靶向投送”，真正迈向智慧农业。

专利布局建议：

此方向的技术壁垒更高，专利保护范围可以更宽也更稳固。核心权利要求应聚焦于：

· 产品权利要求： “一种弱酸响应的硅基多腔微胶囊，其特征在于由介孔二氧化硅纳米颗粒作为构建单元，所述颗粒表面修饰有pH值为5.5-6.5下可断裂的化学键……”

· 方法权利要求： 该微胶囊的制备方法。

· 用途权利要求： 该微胶囊在防治植物病毒病和/或精准激活植物免疫中的应用。

详细分解 “液体多腔靶向弱酸硅” 的研发与生产工艺。

核心概念重新定义：液体多腔靶向弱酸硅

· 液体体系：产品是均一、稳定的悬浮液或微乳液，而非固体颗粒。

· 多腔：在微观层面，指每个硅基功能单元都是一个独立的“纳米容器”，内部可以负载其他活性成分。或者在液体中并存多种不同功能、不同释放特性的硅基靶向单元。

· 靶向弱酸硅：核心功能单元是对弱酸敏感的硅基材料，在根际弱酸环境下降解释放。

· 目标：适用于宽pH范围的土壤，通过靶向释放，改善土壤团粒结构、促进作物吸收、提升抗逆性、改善品质。

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第一阶段：弱酸敏感硅基前驱体的合成

这是实现靶向功能的化学基础。

工艺一：有机硅烷前驱体的制备

· 目的：合成一种在弱酸性条件下化学键会断裂的有机硅烷化合物。这将作为构建靶向硅球壳壁的原料。

· 工序（以合成“腙键桥联硅烷”为例）：

反应A - 醛基硅烷的合成：

· 在装有搅拌器、温度计和回流冷凝管的玻璃反应釜中，加入无水乙醇作为溶剂。

· 加入 3－异氰酸丙基三乙氧基硅烷 和 4-羟基苯甲醛，摩尔比1:1。

· 加入少量催化剂（如二月桂酸二丁基锡），在60℃下搅拌反应6—8小时。

· 反应结束后，通过旋转蒸发仪去除溶剂，得到醛基化的硅烷中间体。

反应B - 腙键的形成：

· 将上述醛基硅烷中间体溶解于甲醇中。

· 缓慢滴加含有氨基的化合物（如己二胺，但要确保其中一个氨基被保护或过量使用），在室温下搅拌反应4—6小时。醛基与氨基反应生成腙键（-C=N-N-）。

· 通过旋转蒸发仪回收甲醇，得到最终产物——腙键桥联的有机硅烷前驱体。该前驱体含有硅氧烷基团（可水解缩合）和腙键（对酸敏感）。

· 主要设备：玻璃反应釜（带温控和搅拌）、旋转蒸发仪、真空干燥箱、分析天平。

· 主要物料：3－异氰酸丙基三乙氧基硅烷、4-羟基苯甲醛、二月桂酸二丁基锡、无水乙醇、甲醇、己二胺。

第二阶段：构建“多腔”结构 - 纳米级靶向硅球的制备

这是整个技术的核心，采用微乳液聚合技术。

工艺二：W/O型微乳液的制备

· 目的：创建一个微小的“水核”作为纳米反应器，后续的硅球合成将在这些水核中进行。

· 工序：

油相配制：在一个高速剪切乳化釜中，加入环己烷（油相）和表面活性剂（如司盘80和吐温80的复配物）。

水相配制：在另一个容器中，用去离子水溶解催化剂（如氨水）和需要被包裹的水溶性活性物质（如氨基酸、腐植酸钾、中微量元素等）。这是未来的“腔室1”内容物。

乳化：在高速剪切（10,000 rpm）下，将水相缓慢滴加到油相中。持续剪切20—30分钟，形成透明或半透明的、热力学稳定的水包油型微乳液。此时体系中含有数以亿计的微小水核。

· 主要设备：高速剪切乳化机、配料罐、恒温水浴锅。

· 主要物料：环己烷、司盘80、吐温80、氨水、去离子水、氨基酸、腐植酸钾等。

工艺三：界面水解缩合与壳层形成

· 目的：在微乳液的水核界面，让硅烷前驱体水解并缩合，形成包裹住水核的、带有腙键的二氧化硅壳层。

· 工序：

硅烷加入：在缓慢搅拌下，将第一阶段合成的腙键桥联有机硅烷前驱体 滴加到微乳液中。

反应：保持体系在30-40℃，持续搅拌反应12—24小时。前驱体会扩散到水核的油水界面，发生水解和缩合反应，形成交联的硅球壳层，将水核中的活性物质（腔室1）包裹在内。

反应完成：得到含有负载型靶向硅球的微乳液。

· 主要设备：带搅拌和温控的玻璃反应釜。

· 主要物料：腙键桥联有机硅烷前驱体、W/O微乳液。

第三阶段：后处理与功能化修饰

工艺四：破乳与清洗

· 目的：将合成的纳米硅球从微乳液体系中分离出来。

· 工序：

破乳：向反应后的微乳液中加入过量丙酮或乙醇，破坏乳液平衡，使纳米硅球沉淀。

离心分离：使用高速离心机进行离心，收集沉淀物（即纳米硅球）。

洗涤：用乙醇和丙酮的混合液多次洗涤、离心，以去除表面活性剂和未反应的杂质。

分散：将清洗后的纳米硅球湿饼，重新分散在去离子水或pH中性的缓冲液中，形成水性悬浮液。（至此，得到了核心功能单元：内含活性物的靶向硅球）

· 主要设备：高速离心机、超声波分散器、抽滤装置。

· 主要物料：丙酮、乙醇、去离子水。

工艺五：二次负载与复配（构建“多腔”功能）

· 目的：将其他不相容的活性成分（如脂溶性维生素、精油等）通过物理吸附或包埋的方式与靶向硅球结合，实现“多腔”功能。

· 工序：

脂质体/微乳制备：将油溶性活性物（如芸苔素内酯、VE等）与磷脂在温水中共溶，通过高压均质机处理，形成纳米脂质体。

物理混合：将靶向硅球悬浮液与纳米脂质体液在搅拌釜中温和混合。通过调控pH和离子强度，让带正电的脂质体吸附在带负电的硅球表面（或反之），形成“腔室2”。

添加助剂：向混合体系中加入水溶性硅（如偏硅酸钾）、表面活性剂、防冻剂（如丙三醇）、增稠稳定剂（如黄原胶），搅拌均匀。

均质化：使用高压均质机在中等压力（如50-80 MPa）下循环处理数次，确保产品均一、稳定，不易分层和沉淀。

· 主要设备：搅拌釜、高压均质机。

· 主要物料：靶向硅球悬浮液、磷脂、油溶性活性物、偏硅酸钾、表面活性剂、丙三醇、黄原胶。

第四阶段：成品化与质量控制

工艺六：熟化、过滤与灌装

· 目的：得到最终商品。

· 工序：

熟化：将均质后的产品在室温下静置24—48小时，使其理化性质稳定。

过滤：通过袋式过滤器（1-5μm孔径）去除可能存在的少量大颗粒，确保产品通透。

质检：检测pH值、粘度、比重、稀释稳定性、硅含量、活性物含量等。

灌装：使用液体自动灌装机进行包装。

· 主要设备：储料罐、袋式过滤系统、液体灌装机、实验室检测设备。

· 主要物料：成品液、包装瓶/桶。

总结与工艺流程图

总工艺路线：

有机合成 → 弱酸敏感硅烷前驱体 → 微乳液制备（创建水核） → 界面聚合（形成靶向硅球） → 破乳清洗 → 二次复配（构建多腔） → 均质稳定 → 过滤灌装 → 成品

作用机理：

宽pH适应性：产品本身是液体，可在酸性和碱性土壤中均匀施用。其中的常规水溶性硅（偏硅酸钾）可即时起效。

靶向与长效：核心的纳米靶向硅球在中性/碱性土壤中稳定。当作物根系分泌有机酸，创造弱酸根际环境时，硅球壳层的腙键断裂，壳层瓦解。

协同增效：

· 腔室1（硅球内部）：释放出氨基酸、腐植酸等，刺激根系生长，改善根际微生态。

· 腔室2（硅球表面/外部）：脂质体包埋的油溶性活性物被释放，调节作物内源激素，提升抗逆性。

· 硅元素本身：在作物细胞壁沉积，增强物理抗性；同时改善土壤结构。

提升品质：通过系统性的调控，促进作物对养分的均衡吸收和次生代谢物的合成，从而显著提升瓜果蔬菜的糖度、VC含量和外观品相，达到有机种植的标准。

这套液体工艺技术门槛极高，属于纳米材料和农业科技的交叉领域，需要精细的化学合成与过程控制。建议与精细化工和材料学背景的研发团队合作进行开发。有意者可与本研究发明人联系（VX18230859625:注明专利开发研究运用）