农爪网 中国农药微囊制剂发展迅速
作者：丁希权; 屈青; 李宏伟; 等
在当前农业绿色转型与环境保护的双重压力下，开发高效、安全、可持续的农药递送体系已成为迫切需求。近年来，微囊载药技术的发展为农药活性成分的封装和靶向递送提供了新的思路。其中，农药微囊因其具备缓释和控制释放等特点，在提高农药利用率、延长持效期、降低环境污染和提升靶标选择性等方面展现出独特优势。与传统制剂相比，微囊还能够通过光、温度、pH、酶等多种外界刺激实现响应性释放，有助于提升防治效果并减少非靶标生物风险。尽管部分微囊的长期生态效应仍需系统评估，但其对作物增产、农业韧性提升及全球粮食安全提供重要支撑。
本文主要结合国内外最新研究进展，梳理农药微囊的内涵与优势，综述微囊壁材的分类和研究进展，重点介绍智能响应型微囊系统的发展现状，并对农药微囊的挑战和未来发展方向进行展望。
1、农药微囊的定义和优势
微囊是指通过物理、化学或物理化学方法制备的一类以聚合物外壳包覆的微型胶囊或核壳结构颗粒。其中，被包覆的活性物质称为芯材，而其外部的壳或膜称为壁材。芯材可由一种或多种固体、液体或气体组成，壁材为单层或多层结构。微囊的粒径通常在1～1000μm之间，其形态既可以是球形，也可呈现不规则或非球形结构。多核或多层微囊常表现为非规则形态，其典型结构如图1所示。现有的农药微囊绝大多数呈球形，也有少数为″帽子″状结构(图2A～图2C)，这类微囊具有的拓扑结构可以与植物叶片表面的微/纳结构更好的契合，从而能够提升其在靶标上的粘附性和利用率。
图1 不同形貌微囊示意图
图2 ″帽子″状微囊的应用
作为农药缓控释技术的重要形式，微囊制剂在农业应用中展现出多方面优势。首先，其优异的控释性能使活性成分的释放过程可通过制备工艺、囊壁材料及药剂比例进行调控，从而实现即时、延时或长效等多种释放模式，以满足不同有害生物的防治需求。其次，微囊包覆有效提升了农药的理化稳定性，减少了光解、氧化、水解及微生物降解等不利影响，显著提高了活性成分的利用率。同时，囊壁的保护作用不仅延长了药效持续时间，减少了施药次数和用量，还降低了对人类、动物及非靶标生物的毒性暴露和环境污染风险，体现出良好的安全性与环境友好性。此外，微囊化能够将液体、固体甚至气体农药转化为稳定的固态颗粒，便于储运和与其他制剂复配，进一步改善了农药的加工性与应用性能。由此可见，农药微囊通过在控释、稳定性、持效性、安全性及加工应用等方面的综合优势，为实现高效、低毒、环境友好的农药利用提供了重要技术支持。
2、我国农药微囊剂登记情况
近年来，我国农药微囊制剂发展迅速，登记产品数量显著增加。截至2025年9月，国内微囊制剂批准登记产品共计377个，其中单剂265个，混剂112个(图3A)。从剂型形态而言(图3B)，大多数都是液体制剂，包括微囊悬浮剂、微囊悬浮-悬浮剂和微囊悬浮-水乳剂，这类产品共有366个，占比97.08%；固体制剂有11个，占比2.92%。从农药类别来看(图3C)，杀虫剂登记数量最多，达249个，占比66.05%；其次为杀菌剂和除草剂，均有56个产品登记，分别占比14.85%；植物生长调节剂和杀线虫剂分别有9个和6个产品登记，占比分别2.39%和1.59%。登记产品主要集中应用在地下病虫害防治、封闭除草、种子处理、卫生害虫防治等场景。随着环保要求的提高和农药减量增效目标的推进，微囊化技术在提高农药利用率、减少环境污染方面的作用愈发重要，企业对于微囊制剂产品的研发也更加重视，其产品登记数量也在逐年增长，呈现良好的发展态势。
图3 农药微囊剂不同分类方式占比
(A为单剂与混剂占比；B为微囊剂不同形态占比；C为微囊剂不同农药类型占比)
3、农药微囊剂的载体
农药微囊技术作为缓控释制剂的重要形式，其核心在于通过囊壁材料的选择与设计实现对活性成分的有效保护与精准释放。囊壁不仅决定了微囊的结构稳定性、药剂负载率和释放动力学，还直接影响制剂的田间持效性、环境行为及生态安全性。因此，壁材的研究与创新始终是农药微囊发展的关键。目前，农药微囊壁材主要包括3大类：一是合成高分子壁材，以聚脲、聚氨酯及其可降解聚合物为代表；二是天然高分子与生物质壁材，如淀粉、纤维素、几丁质/壳聚糖及木质素；三是功能化与仿生材料壁材，以聚多巴胺、金属–有机配位结构等材料为代表；下面将依次对这几类壁材的研究进展进行综述与分析。
3.1 合成高分子壁材
合成高分子是最早应用于农药微囊制备的壁材体系，其在农药制剂发展中具有重要地位。合成聚合物凭借结构可控、机械强度高以及优良的成膜性能，能够在微囊中提供坚固且稳定的保护屏障，有效避免农药活性成分受到光照、热和氧化等因素的破坏。同时，这类材料的制备工艺相对成熟，适合于工业化和规模化生产，因此在农药微囊技术的发展初期长期占据主导地位。代表性的合成壁材包括聚脲、聚氨酯和三聚氰胺–甲醛树脂(MF)，近年来随着农业绿色环保需求的提升，可降解合成聚合物如聚乳酸(PLA)、聚羟基丁酸酯(PHB)和聚己内酯(PCL)也逐渐被引入。
在合成壁材体系中，聚脲和聚氨酯最具代表性，通常通过界面聚合法制备，能在油–水界面快速形成致密壳层，从而获得包封率高、形貌规则和粒径分布均一的微囊。大量研究证明，采用界面聚合法制备的农药缓控释微囊不仅能延长活性成分的释放周期，还能显著提升田间防治效果。如以改性异氰酸酯制备的聚脲微囊对高效氯氟氰菊酯实现了超过90%的包封率，并在体外释放中表现出稳定的缓释性能，延长了对害虫的持效期。类似地，丙草胺聚脲微囊悬浮剂在优化工艺条件下不仅具有优异的控释性能，还在提升对稗草的除草活性的同时降低了对水稻的药害，体现了合成壁材在提高农药选择性和安全性方面的潜力。载吡唑醚菌酯的聚脲微囊在保持高效防治稻瘟病的同时大幅降低了对水生生物的毒性；采用反应性乳化剂制备的聚氨酯微囊赋予咪鲜胺更优异的叶面黏附性和光稳定性，从而延长了药效。而氟乐灵和二甲戊灵等易光解和易挥发除草剂，在聚氨酯或聚脲微囊化后明显提升了环境稳定性与除草效率。类似地，阿维菌素B2微囊也通过聚氨酯壁材实现了抗光解效应，并表现出优良的缓释与防治线虫效果。在进一步的研究中，Maruyama等比较了不同合成壁材(聚脲与三聚氰胺-甲醛)的释放特性，发现其对有效成分的释放行为和田间持效期具有显著差异；同时，双剂微囊体系利用尿醛树脂实现了植物源与微生物源活性成分的协同增效，为线虫防控提供了可持续的新思路。双层包覆系统可实现多活性成分的分级释放，Aher等的研究将聚脲内壳负载莠去津、海藻酸盐外层包载赤霉酸，在实验中表现为赤霉酸快速释放(约3 h)，诱导寄生杂草种子自杀性萌发，而莠去津则缓慢释放(约96 h)，在幼苗阶段实现杀灭。实现了″先诱导、后杀灭″的寄生杂草控制策略(图4)。
图4 双层包覆微囊防治杂草示意图
近年来，微流控技术与合成聚合物相结合，使得微囊在尺寸调控和形貌一致性方面获得突破，从而进一步提升了制剂的稳定性与生物活性。与此同时，通过改变壁材的柔韧性与表面性质，也能有效调控药剂在叶片上的附着和滞留。如利用带羟基的乳化剂调节壳层致密性，获得柔性聚脲微囊，提升了吡唑醚菌酯在叶面施用时的抗冲刷性与利用效率；而通过引入聚乙二醇调控柔韧性，则进一步改善了叶面黏附性并延长了药效。这些研究成果展示了合成壁材在农药微囊设计中不仅具备″保护活性成分″的基本功能，还逐渐向″精准递送″和″靶向施药″方向发展。
随着可持续农业理念的推进，传统″稳定持效″的研究重心逐渐向″环境友好与可降解″转变。聚乳酸、聚己内酯等可降解聚合物已被尝试用于除草剂和杀菌剂的包封，并表现出降低浸出、延长药效和改善生态安全性的优势。此外，基于聚己内酯和木质素衍生物的自组装微囊体系在保持高药效的同时，大幅提高了抗紫外线和抗雨水冲刷，为精准农药投放提供了新的平台。总体而言，合成高分子壁材从早期的聚脲、聚氨酯体系，到近年来的柔性化、可降解与功能化发展，不仅保证了农药活性成分的稳定与高效释放，也为实现农业绿色环保和可持续发展提供了坚实的材料基础。
3.2 天然高分子与生物质壁材
天然高分子与生物质材料因其可再生性、可降解性和环境友好性，在农药微囊研究中受到越来越多的关注。与合成高分子相比，这类材料不仅能减少环境残留和潜在生态风险，还能够赋予制剂额外功能，如酶响应释放、带电吸附和良好的生物相容性，从而展现出绿色农药制剂开发的独特优势。近年来，淀粉、纤维素、几丁质及其衍生物、壳聚糖、海藻酸盐，以及木质素等天然多糖与生物质材料逐渐成为研究热点。
在多糖类材料中，淀粉纳米晶体(SNC)、纤维素纳米晶体(CNC)及几丁质纳米晶体(ChNC)被广泛用于农药微囊的构建。Chen等研究表明，利用磺化纤维素纳米晶体稳定高效氯氟氰菊酯熔融并通过界面聚合制得的微囊，具有极高的包封率(99.29%)，不仅延长了害虫防治持效期，还降低了对斑马鱼的毒性与皮肤刺激，同时在14 d内能够显著降解，减少了农药残留(图5)。类似地，采用ChNC构建的Pickering乳液模板可实现无表面活性剂的农药微囊化，不仅具备高负载量(78.7%)和酶促响应释放特性，还因正电荷作用增强了叶面附着力，显著延长了农药药效并降低了非靶标生物毒性(图6)。此外，以CNC稳定的Pickering乳液为模板制备的缓释微囊在盐离子作用下实现乳液稳定化，表现出高包封率(96.76%)和长效释放能力(>82 h)，为吡虫啉等农药的高效缓释提供了新思路。在淀粉体系中，辛烯基琥珀酸酐改性的SNC作为乳化剂同样展现出优异性能，制得的微囊不仅储存稳定性好，而且能有效降低对斑马鱼和蚯蚓的急性毒性，同时保持长期害虫防治效果(图7)。
图5 纤维素纳米晶体在微囊中的应用
图6 几丁质纳米晶体在微囊中的应用
图7 淀粉纳米晶体在微囊中的应用
壳聚糖及其衍生物因具备良好的生物相容性与多功能特性，也在农药微囊研究中受到广泛关注。基于精氨酸修饰的壳聚糖(CS)和壳寡糖(COS)构建的吡唑醚菌酯微囊，表现出优异的pH响应释放特性和多方面优势。研究发现，COS基微囊在最大药效保持、紫外保护和植物生长促进方面更为突出，而CS基微囊则在降低非靶标生物急性毒性方面表现更佳，为不同应用需求选择材料提供了新思路(图8)。
图8 壳聚糖基和壳寡糖基微囊的应用
海藻酸盐作为常见的天然阴离子多糖，因其凝胶化特性和低廉成本被广泛用于农药控释体系。壳聚糖/海藻酸盐复合体系不仅通过静电相互作用和氢键增强了囊壁的稳定性，还显著改善了药剂的控释性能与生态安全性。如研究者开发了用于递送Cu(II)配合物的壳聚糖包覆海藻酸钙微囊，证实其具有优异的缓释性能，释放行为符合Fickian扩散规律；另一研究中，脱氢氨基酸衍生物类新型植物生长调节剂(PGRs)经壳聚糖/海藻酸盐微囊化后实现了持续释放与靶向释放，表现出显著的作物生长调控作用。此外，Guo等将气态植物生长调节剂1-甲基环丙烯(1-MCP)制备成环糊精微囊油分散剂后，能够在露天环境下稳定释放36 h以上，并在果树应用中有效防止苹果落果，显示出微囊剂在气态农药应用中的巨大潜力。
木质素及其衍生物因来源广泛、成本低廉且具备抗光解特性，也成为农药微囊的重要壁材。利用界面聚合制备的木质素基吡唑醚菌酯微囊在保持高包封率的同时显著降低了水生毒性，并在田间试验中展现了优异的防治效果。进一步研究发现，将柔性骨架与木质素颗粒复合可赋予囊壁优良的柔韧性和抗光解性，提升叶面滞留率与抗冲刷性，从而显著改善病害防治效果与作物产量。同时，一步法构建的木质素基微/纳米胶囊复合体系能够通过比例调控实现精准释放，在辣椒病害防治中表现出较高防效(图9A)。此外，基于木质素磺酸钠与聚烷基季铵盐的静电自组装微囊，通过调控壳体松散程度实现了快速释放与紫外防护的平衡，在田间害虫防控中表现出双重优势(图9B)。
图9 木质素基微囊的应用
(A为木质素基微/纳米胶囊复合体系；B为木质素基和聚烷基季铵盐的静电自组装微囊体系)
总体来看，天然高分子与生物质壁材因其环境友好性和功能多样性，在农药微囊研究中展现出独特优势，它们不仅能提供良好的包封与控释性能，还通过叶面附着增强、环境响应释放及生态安全性提升，推动了绿色农药制剂的发展。未来，随着多糖、木质素等天然材料在改性与复合技术上的突破，天然壁材有望与精准农业需求深度结合，成为可持续农药投放的重要支撑。
3.3 功能化与仿生材料壁材
随着农药微囊研究的不断深入，功能化与仿生材料逐渐成为囊壁设计的新方向。这类材料不仅强调药剂的保护与缓释，更注重在复杂农田环境中赋予微囊智能响应、增强附着或环境适应等功能。其中，聚多巴胺(PDA)和金属–有机配位结构是最具代表性的研究热点。
聚多巴胺源自贻贝足丝蛋白的分子结构，能够在碱性条件下自发聚合，形成具有强黏附性和紫外屏蔽性的壳层。相比传统壁材，PDA不仅能有效降低农药的光降解速率，还能延长释放周期并显著增强叶面滞留性，从而延长田间药效期。因此，PDA被认为是连接传统壁材与下一代智能材料的重要桥梁。Jia等的研究表明，利用PDA封装阿维菌素所制备的微囊具有优异的缓释特性和高负载率(66.5%)，并能显著提升药剂在棉花和玉米叶片上的滞留时间，同时有效抵御紫外照射引起的降解。另一项研究则通过多巴胺自聚合将氯氟氰菊酯负载于PDA壳层中，所得微囊表现出均一的形貌、高于50%的负载率和优异的稳定性。与市售制剂相比，其在家蝇防治实验中展现出更持久的药效和更高的利用效率，同时减少了对环境的副作用。
除了仿生高分子，金属–有机配位材料也为农药微囊提供了新思路。典型代表是Fe3+–单宁酸络合物，其壳层通过金属离子与多酚之间的可逆配位作用构建，能够在环境条件变化下动态调节结构，从而实现环境响应释放。Li等的研究表明，该类壁材在负载吡唑醚菌酯后，对稻瘟病的防治效果超过85%，并能在低剂量下显著提升水稻产量；同时对斑马鱼、大型蚤和两栖动物的毒性显著降低，展现了兼顾高效与生态安全的独特优势。此外，Li等利用壳聚糖与单宁酸构建壁材，并引入Fe3+络合作为光热剂，开发了具备双重响应特性的农药递送系统。该体系不仅具备优异的pH响应与缓释性能，还表现出较高的光热转化效率(14.18%)，在近红外光或LED模拟太阳光照射下能够显著增强杀线虫活性，为可控释放与精准施药提供了全新策略。
综上，功能化与仿生材料壁材通过引入黏附性、自组装、动态配位和光响应等新机制，极大地拓展了农药微囊的应用边界。它们不仅能够提升药剂在田间环境中的稳定性与利用率，还为实现智能化、精准化和生态友好的农药投放提供了新方向。未来，结合多种仿生与功能化设计的复合壁材，有望进一步推动农药制剂向绿色高效与可持续应用转型。
农药微囊壁材的发展体现了农药制剂从稳定保护到绿色环保再到智能调控的演化路径。早期的研究主要依赖合成高分子，如聚脲、聚氨酯和三聚氰胺–甲醛树脂，它们凭借成熟工艺和优良的稳定性实现了高包封率和可控释放，并推动了微囊的工程化与产业化。然而，这类材料可降解性差、环境残留风险高，限制了其进一步应用。随着农业可持续发展的需求增强，可降解聚合物如PLA、PHB和PCL逐渐被引入，在保持优良控释性能的同时，降低了长期残留风险。进一步地，天然高分子与生物质壁材因其可再生、可降解和环境友好特性受到重视，代表性材料包括淀粉、纤维素、几丁质及其衍生物、壳聚糖、海藻酸盐和木质素。这些材料不仅减少环境负担，还能赋予囊壁特定功能，如增强叶面结合力、促进营养吸收和提升抗逆性，但在批次稳定性与规模化应用方面仍存在挑战。在此基础上，功能化与仿生材料应运而生，以聚多巴胺为代表的仿生壁材显著提升了光稳定性和黏附性，而金属–有机配位结构则通过动态可逆作用实现环境响应与按需释放，光热和多重刺激响应体系更是为智能调控提供了可能。总体而言，合成高分子奠定了产业化基础，天然高分子推动了绿色转型，功能化与仿生材料引领智能化发展，3类壁材相互衔接与融合，共同推动农药微囊制剂向高效、安全与可持续方向迈进。
4、智能响应型微囊剂研究进展
传统农药的低效利用导致了严重的环境污染和资源浪费，而刺激响应型微囊制剂为精准释放和靶向防控提供了新契机。通过对外界温度、pH、酶及光照等因素的敏感响应，农药的释放可被动态调控，从而实现高效利用与环境友好兼顾。
温度响应体系利用相变材料或温敏聚合物作为调控核心，在不同温度条件下实现药剂的差异化释放。Li等开发的温敏型吡唑醚菌酯微囊在高温下表现出快速释放特性，对稻瘟病的药效与原药相当，但对水生生物的急性毒性显著降低，体现了温控释放在稻作病害管理中的应用价值。同样，基于正十六烷核和纳米纤维素壁材构建的毒死蜱温敏微囊在作物叶片上表现出优异的黏附性和耐雨水冲刷，且释放速率随温度升高显著加快，使对小菜蛾等害虫的药效增强，同时将对斑马鱼的急性毒性降低了5倍以上(图10A)。这些成果表明，通过温度响应与释放调控相结合，可以显著提高农药利用率并增强对环境变化的适应性。
PH响应体系利用酸碱条件下壁材结构或相互作用的变化来调控释放行为。如图10B所示，以羧化多孔淀粉为核心、单宁酸-铁配合物为外层构建的AVE@CPS-Fe-TA微囊，不仅延长了阿维菌素的光解半衰期(比原药延长15.57倍)，还在酸性环境下实现加速释放，并在玉米螟防治中展现出更长持效期和更低的非靶标毒性。与此同时，基于单宁酸-OP10-Fe构建的微囊在酸性条件下释放速率提升1倍以上，显著延长了对水稻立枯丝核菌的防治持效期，并表现出对幼苗的低药害和水生生物的低毒性。
图10 智能响应型农药微囊剂在农业中的应用
除了单一温度或pH调控外，多重刺激响应型体系能够进一步增强控释的精准性。如图10C所示，基于改性羧甲基纤维素构建的阿维菌素聚脲微囊(AVM@CM-SS-PU)在温度、谷胱甘肽、纤维素酶及脲酶等多重条件下均能触发快速释放，其光稳定性是原药的5倍，且在昆虫微环境中的响应释放显著提升了杀虫活性。通过逐层沉积木质素磺酸钠与壳聚糖制备的AVM@(CH+SL)ₙ微囊也展现了出色的pH/漆酶响应特性，在碱性环境和高酶浓度下释放速率显著加快，模拟了鳞翅目昆虫肠道环境中的触发机制。另一类以缩醛基团交联的聚脲微囊则同时具备pH和温度双重响应特性。在弱酸环境下药剂释放率显著加快，并在35°C条件下的释放速率是15°C时的10倍。该制剂不仅提高了杀菌剂活性的持续性，还在毒理试验中显著降低了对斑马鱼的急性毒性，表现出对环境更友好的应用前景。这些多重响应策略为实现″按需释放、靶标专一、环境友好″的农药应用模式提供了强有力的支撑。
5、结论与展望
农药微囊作为新型缓释制剂，凭借其优异的控释性能、稳定性和环境友好性，逐渐成为农药制剂发展的重要方向，并在提升药效利用率、降低环境风险和实现精准用药方面展现出广阔前景。然而，当前的研究与应用仍存在一些亟待解决的问题。
首先，在壁材选择方面，传统合成高分子虽具有良好的机械性能和稳定性，但生物降解性不足，可能带来潜在的环境累积风险。未来研究需更加关注绿色、可再生及可降解壁材的开发与应用，以满足可持续农业和环境保护的需求。其次，在制备工艺上，如何在保持粒径均一性和控释性能的同时实现低能耗、低成本和可规模化生产，是微囊走向产业化的关键。此外，微囊在田间复杂环境下的释放行为研究仍不够清晰，药效稳定性与环境行为的系统耦合研究有待加强。如何建立更加完善的评价体系，将释放动力学与田间防效相结合，对于实现制剂从实验室到田间的转化具有重要意义。与此同时，未来的研究应注重多功能化和智能化设计，如结合光、温度、pH或病原菌诱导的刺激响应机制，实现对病虫害的精准调控与靶向释放；或通过多组分协同与功能集成，兼具营养促进、抗逆增强等作用，拓展其应用潜力。
总之，农药微囊的发展趋势将朝着绿色化、功能化和智能化方向发展。在材料科学、高分子化学及新型制备技术的推动下，未来的微囊制剂有望在提升农药利用效率、降低非靶标毒性和环境风险以及推动农业可持续发展方面发挥更加重要的作用
