来源：《农药学学报》2022年第1期
作者：程雪健1，郑丽1，曹立冬1，张宏军2，吴进龙2，徐博3，黄啟良*,1，黄修柱*,2（1.中国农业科学院植物保护研究所；2.农业农村部农药检定所；3.河南省好年景药肥缓控释工程技术研究中心）
随着人类环境保护意识的增强，水性、粒状、缓释、多功能、省力化及环境友好成为国内外农药制剂的发展方向。但是，由于水乳剂、悬浮剂和水分散粒剂等需要对水喷雾，而在茎叶喷雾时会因蒸发飘移、弹跳碎裂、过度铺展导致脱靶流失等造成大量损失，从而制约了农药有效利用率的提高。
近年来，随着功能材料、缓释技术以及加工工艺的不断发展，传统农药制剂——颗粒剂焕发出新的生机。据中国农药信息网（http://www.chinapesticide.org.cn/）统计，农药登记颗粒剂产品已占全部制剂产品的2.1%，位列第10位。颗粒剂是具有一定粒径范围、可自由流动、含有效成分的粒状制剂，一般由农药原药和载体经过一定的加工工艺制备而成，主要用于防治种传、土传以及苗期的病虫害。颗粒剂研发的初衷是为了解决粉剂在使用过程中产生的粉尘飘移问题，最早于1955年由美国研发并投入使用，后来则重在实现高毒农药的制剂低毒化，先后解决了对硫磷、甲拌磷、克百威等高毒农药粉剂、乳油、可湿性粉剂等使用毒性问题，并在20世纪60年代后成为使用多、吨位大、应用广的重要剂型。20世纪80年代，随着拟除虫菊酯等高效农药品种的出现，颗粒剂逐渐被更加环保和有效成分含量更高的水乳剂、悬浮剂和水分散粒剂所替代，颗粒剂农药制剂低毒化的功能定位基础已大幅弱化。尽管同期国外农化公司为了提高高毒农药颗粒剂的有效含量，率先将克百威制成用淀粉、尿素甲醛包裹成微囊的控释制剂，中国也成功研发甲基对硫磷和辛硫磷微囊制剂，但产量相对较低。21世纪以来，随着功能材料、缓释技术以及加工工艺与装备的不断发展，用户需求逐渐成为农药制剂主动设计的导向，基于防治场景的省力化、精简化、功能型颗粒剂不断涌现。除以制剂低毒化为加工目的的常规颗粒剂外，以控制释放为目标和结合农艺模式的省力化药肥缓释颗粒剂产品迅速增加。通过将农药分子与聚合物材料以物理或化学方式结合，制备具有缓释功能的颗粒剂是当今提高农药利用率的重要途径。缓释颗粒剂可以使活性成分以缓慢或可控速率释放到环境中，因此持效期更长，在生产上可避免频繁重复施药，是经济安全省力的施药方式。与常规喷雾制剂相比，缓释颗粒剂不用稀释直接施用，可以结合农艺操作，实现“药种同播”等机械自动化作业；尤其是对于可根部吸收并向顶传输的内吸性农药，加工成缓释颗粒剂根部使用，可以避免传统制剂对水茎叶喷施带来的雾滴飘移脱靶损失问题，进而可降低环境风险。
颗粒剂的传统造粒工艺有包衣法、挤出成型造粒法、吸附造粒法和流化床造粒法等方法。近年来，随着新型高分子材料在农药缓释领域应用研究的不断深入，缓释颗粒剂出现了新的制备工艺，通过物理交联或化学交联可以制备具有三维网络结构的凝胶颗粒。在中国农业农村部提出农药零增长行动方案的背景下，发展缓释颗粒剂是当前提高农药利用率的一个重要且有前景的方向，而载体材料的类型和性质是影响缓释颗粒剂性能的重要因素，本文按制备工艺的不同综述了挤压型颗粒剂、包衣型颗粒剂、吸附型颗粒剂、熔融型颗粒剂和凝胶型颗粒剂的制备原理、载体材料及应用进展，阐述了不同类型颗粒剂载体材料的选择原理，并展望了缓释颗粒剂的发展前景，以期其在现代可持续农业中发挥更大作用。
1 缓释颗粒剂制备原理及载体材料类型
1.1 挤压型颗粒剂
挤压型颗粒剂的造粒方式有干式造粒和湿式造粒。干式造粒是利用物料中的结晶水直接将粉料制成颗粒；湿式造粒是将混合好的粉末原料进行加水捏合等前处理，再由挤出机通过筛网或孔板等将物料挤出成型。目前，广泛应用于农药工业的挤出成型造粒法一般多属湿式造粒。影响挤压造粒的因素有原粉的粒度和粒度分布、挤压造粒助剂、湿度、作业温度等，其中粒度和粒度分布以及造粒助剂对挤压造粒的影响最为显著。目前用于挤压型颗粒剂的新型载体材料有小麦面筋和聚羟基脂肪酸酯等。
1.2 包衣型颗粒剂
传统的包衣型颗粒剂是以砂粒或矿渣为载体，通过造粒塔喷雾法、流化床涂布法、圆盘包覆法或浸润离心法将农药原药黏附于载体表面制备而成，缓释效果往往较差。利用新型材料在制备好的芯粒外层包覆一层疏水性薄膜，可制备具有缓释功能的包衣型颗粒剂。用于包衣的材料需要具有成膜性好、疏水性强、易降解等特点，包衣后可增强颗粒剂的缓释功能，提高药物稳定性，掩蔽刺激性气味。目前常用于颗粒剂包衣的材料有乙基纤维素、树脂和氨基硅油等。
1.3 吸附型颗粒剂
吸附型颗粒剂通常是直接将原药吸附在具有吸附性能的载体上，然后再经过造粒工艺制备而成，目前常用的吸附性载体有浮石、硅藻土、凹凸棒土和膨润土等。因膨润土资源丰富、廉价易得、环境相容性好，对不同结构和性质农药的吸附和解吸附能力可调，近年来被广泛用于农药缓释领域。
1.4 熔融型颗粒剂
将农药原药和载体材料混合均匀后，使用略高于农药熔点的温度加热使其处于熔融态，然后将熔融态物料分散成液滴，冷凝使之凝固成粒，可制备熔融型颗粒剂。熔融法制备颗粒剂的温度通常较高，因此受热易分解的原药不适用。目前用于制备熔融型颗粒剂的载体材料有木质素和聚乳酸等。
1.5 凝胶型颗粒剂
在物理交联或化学交联作用下，含有亲水基团的大分子可通过共价键、氢键、范德华力等作用形成具有三维网络结构的凝胶颗粒，将农药分子封装到三维网络结构中可以提高农药有效成分的稳定性，减少因农药挥发和飘移带来的损失和环境污染，且可以降低对作物和鱼类的毒性。凝胶型颗粒剂的优越性在于它可通过调节载体材料与农药的质量比、交联程度、颗粒大小等来调控农药释放，且制备工艺简单，是优良且有前景的缓释体系。羧甲基纤维素、海藻酸盐、羧甲基壳聚糖等含有大量羧基，可以与金属离子交联形成凝胶颗粒，交联剂含有的金属离子往往也是农作物生长所需的营养元素。农药分子均匀分散在具有三维网络结构的凝胶基质中，并在特定的条件或较长周期内以可控、稳定的方式输送农药，为作物病虫害防控提供保障。
2 缓释颗粒剂载体材料应用性能
2.1 挤压型颗粒剂
2.1.1 小麦面筋
小麦面筋是淀粉工业的副产品，可生物降解，其一级结构中存在的二硫键可以作为紫外吸收基团，保护农药免受光降解。此外，小麦面筋降解后还可以为植物生长提供氮源肥料。因此是缓释颗粒剂的理想型载体。Chevillard等以小麦面筋为载体，采用挤压造粒法制备了乙氧呋草黄缓释颗粒剂，发现在小麦面筋基础配方中加入吸附剂蒙脱石或有机改性蒙脱石，均可降低原药的释放速率。生物测定试验结果表明，与市售制剂相比，以小麦面筋为载体制备的除草颗粒剂对豆瓣菜Lepidium sativum L.具有更强的除草活性。
2.1.2 聚羟基脂肪酸
在生物可降解材料中，由微生物合成的天然高分子材料聚羟基脂肪酸酯近年来受到巨大关注。聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是一类高分子聚合物的统称，目前实现商业化生产的主要有聚3-羟基丁酸酯（PHB）、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)（PHBV）、聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)（P(3HB/4HB)）和聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)（PHBHHx）。这些聚合物在环境中不容易被迅速水解，而是通过微生物降解，在环境中降解周期一般为几个月到几年，因此，以它们为载体制备的颗粒剂在土壤中有较长的持效期。
Voĭnova等首次以聚羟基脂肪酸为载体材料，采用冷压缩技术制备了直径为3 mm的林丹片剂。结果发现：随着聚合物被土壤微生物区系降解，农药从压实的聚合物颗粒中缓慢释放到土壤中，释放速率随农药含量降低而减慢，可通过改变聚合物-农药配比来调节农药的释放速率。Prudnikova等以聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)为载体制备了高效氟吡甲禾灵颗粒剂和薄膜，并进行了生物活性测定。结果发现：载体的几何形状和装载到载体中的农药比例会影响原药的释放速率；所制备的颗粒剂和薄膜均可以有效抑制匍匐剪股颖Agrostis stolonifera L.的生长。
Volova等以聚-3-羟基丁酸酯为载体制备了嗪草酮薄膜、颗粒、片剂和微粒，并研究了以上4种具有不同几何形状缓释体系的释放机理。结果表明：颗粒和微粒的扩散指数为0.4，说明两者的释放机理符合菲克定律（Fick'slaw）；而片剂和薄膜的扩散指数分别为0.51和0.55，释放机理不符合菲克定律。因此，通过调整载药体系的几何形状，可以调控原药的释放速率。为进一步探究以聚-3-羟基丁酸酯为载体构建的载药体系的生物活性，该团队又制备了戊唑醇薄膜（图1a）、片剂（图1b）和颗粒（图1c），与市售制剂相比，在施药后14～28 d，3类载药体系对土壤微生物系统中的串珠镰刀菌Fusarium moniliforme有明显的抑制作用，且药效可以持续56 d，并对土壤原生菌群无不良影响；以可降解的聚3-羟基丁酸酯为载体制备的薄膜和微粒在后期能更有效地抑制土壤中镰刀菌的生长，抑制小麦根腐病的发生。
图1 以聚3-羟基丁酸酯（PHB）为载体制备的戊唑醇薄膜（a）、片剂（b）和颗粒（c）
使用复合材料作为负载农药的载体是一个有前途的研究方向。一方面，可以有效降低生产成本；另一方面，可以增强缓释性能。Volova等以聚-3-羟基丁酸酯和天然材料（黏土、桦木屑以及泥炭）为载体材料分别制备了嘧菌酯、氟环唑和戊唑醇缓释颗粒剂和片剂（图2），生物测定试验表明，制备的缓释颗粒剂对轮枝镰孢菌Fusarium verticillioides具有显著的抑制作用。Kiselev等以聚-3-羟基丁酸酯和天然材料（黏土、桦木屑以及泥炭）为载体材料分别制备了嗪草酮、苯磺隆和精噁唑禾草灵缓释颗粒剂和片剂。土壤生物降解研究表明：降解过程主要受制剂形状影响；盆栽试验结果表明，制备的颗粒剂和片剂对小麦和大麦盆栽中杂草的防效接近100%；田间试验结果表明，嗪草酮和苯磺隆颗粒剂均可有效抑制番茄和甜菜田中的各类杂草。
2.2 包衣型颗粒剂
2.2.1 乙基纤维素
通过乙氧基取代纤维素链中的部分羟基可制备乙基纤维素。乙基纤维素具有良好的成膜性和稳定性，是农药缓释颗粒剂包衣中应用最广泛的材料之一。Fernández-Pérez等以木质素和聚乙二醇为载体材料，采用熔融法制备了灭蝇胺芯粒，随后用乙基纤维素和癸二酸二丁酯对制备的芯粒进行包衣。结果发现：在芯粒表面包衣乙基纤维素可降低原药释放速率，且涂有乙基纤维素和癸二酸二丁酯的灭蝇胺缓释颗粒在水中的释放速率最慢；同时，包衣膜的厚度和渗透性会影响灭蝇胺的释放。为进一步明确包衣膜厚度与原药释放速率的关系，该团队又采用上述加工工艺分别制备了不同粒径和不同包衣膜厚度的杀草敏颗粒剂和嗪草酮颗粒剂，发现原药释放速率随颗粒粒径的增大和包衣膜厚度的增加而减慢，且添加增塑剂癸二酸二丁酯可有效降低原药释放速率。因此，可通过调整颗粒粒径大小和包衣膜厚度来调控原药释放速率。
采用乙基纤维素对农药颗粒剂进行包衣不仅可以赋予农药缓释性能，而且可以降低高水溶性原药在土壤中的淋溶性。Flores-Céspedes等以木质素和聚乙二醇为载体材料，采用熔融法制备了嗪草酮和氯草敏缓释颗粒剂，随后用乙基纤维素和癸二酸二丁酯对制备的颗粒剂进行包衣，并研究了其在不同质地土壤中的淋溶性。结果表明，与商业产品相比，使用乙基纤维素和癸二酸二丁酯对颗粒剂进行包衣，可以有效降低农药在土壤中的淋溶性。
图2 PHB分别与黏土、木粉、泥炭混合挤压制备的缓释颗粒剂（上）和片剂（下）
2.2.2 树脂
树脂是指用作塑料基材的聚合物或预聚物，因具有良好的成膜性而被广泛应用于医药、农业等领域。按加工特点不同可将其分为热固性树脂和热塑性树脂。常用于农药颗粒剂包衣的树脂有热固性环氧树脂、热塑性聚酰胺树脂和聚乙烯等。
Xu等以膨润土为载体采用盘式造粒法制备了吡蚜酮芯粒，并用环氧树脂和聚酰胺树脂对制备的芯粒进行包衣制备了包衣型颗粒剂。结果表明：1%吡蚜酮包衣型缓释颗粒剂在施用后48d对稻飞虱的防效仍维持在61.96%～78.87%；在稻田按推荐用量和1.5倍推荐用量施用1%吡蚜酮缓释颗粒剂后，糙米中吡蚜酮的最终残留量均低于中国和日本规定的最大残留限量。Kimoto等以黏土为填料，以膨润土为粘结剂，采用挤压造粒法制备了吡虫啉芯粒，然后以低密度聚乙烯和无机填料滑石粉作为薄膜材料对颗粒剂进行包衣，制备了吡虫啉包衣型颗粒剂。水中释放试验结果表明，制备的包衣颗粒剂具有延迟释放功能，延迟释放时间可通过调整聚乙烯和滑石粉的比例以及聚乙烯和膨润土的用量来控制。
2.2.3 氨基硅油
氨基硅油作为疏水性材料包衣在颗粒剂表面可以提高颗粒剂在水中的稳定性。Chen等以生物炭、凹凸棒土、草甘膦、偶氮苯混合物为芯粒，以氨基硅油为包衣材料制备了具有光响应性能的草甘膦控释颗粒剂（图3a）。在紫外光和可见光共同存在的条件下，偶氮分子会发生反式-顺式和顺式-反式异构体转化，连续的顺反异构转化可促进草甘膦通过纳米孔道释放出来。盆栽试验表明，该颗粒剂具有良好的光响应控制释放性能。Chi等以凹凸棒土、碳酸氢铵和草甘膦混合物为芯粒，以氨基硅油和聚乙烯醇为包衣材料制备了具有温度响应性能的草甘膦控释颗粒剂（图3b）。凹凸棒土是草甘膦的吸附剂，碳酸氢铵作为发泡剂可以分解产生二氧化碳和氨气气泡，从而在氨基硅油和聚乙烯醇的壳表面制造出微纳米孔道。这些微纳米孔道的数量和聚乙烯醇的溶解度都受到温度的影响，因此可通过调整温度调控草甘膦的释放。
图3 氨基硅油包衣型颗粒剂制备及释放原理
2.3 吸附型颗粒剂
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非纯净物，常含有少量的长石、石英、贝来石、方解石等。膨润土结构片层之间存在一个几何空间，即层间域（interlayer）。膨润土的吸附性能是其在农药缓释领域应用的基础，天然膨润土的层间域存在大量金属阳离子和亲水基团，具有较强的亲水性，难以吸附疏水性农药分子。通过适当的无机物或有机物改性，把其他离子或化合物引入膨润土层间域，可以改变层间域电荷、层间域距、介质环境，使其结构和性质发生相应的变化，从而获得巨大的层间域空间和特殊的吸附性能。目前对天然膨润土进行改性的方法有酸改性、焙烧活化改性、无机改性和有机改性，其中最常用的为利用不同碳链长度的单烷链季铵盐阳离子对膨润土进行有机改性。经有机改性后的膨润土层间疏水性增加，对有机物的吸附能力增强，载药率高，是制备农药缓释颗粒剂的理想载体。
马林团队以十六烷基三甲基氯化铵（HTMAC）为改性剂制备了有机膨润土，并以其为载体分别制备了丙草胺和辛硫磷颗粒剂，发现改性后的膨润土可以极大地延缓原药的释放速率，50%的丙草胺从HTMAC-膨润土中的释放时间（t50）为原药的16～23倍，50%的辛硫磷从HTMAC-膨润土中的释放时间为对照颗粒剂的3.4～10.4倍。此外，通过改变改性剂碳链长度可调控农药的释放行为。Huang等以不同碳链长度的改性剂对膨润土进行改性后负载辛硫磷，发现辛硫磷的释放速率随季铵盐改性剂碳链长度的增加而加快；李花则发现，甲草胺和乙草胺的释放速率随季铵盐改性剂碳链长度增加而减慢。
2.4 熔融型颗粒剂
2.4.1 木质素
木质素是一种天然的可生物降解聚合物，由于具有紫外吸收、抗氧化等保护性能，且在环境中易于降解而被广泛用于农药缓释领域。Zhao等利用不同的有机溶剂体系，使用连续溶剂萃取和混合溶剂沉淀法对木质素进行分离，得到3种分子质量和水溶性不同的木质素，并分别以3种木质素和未经分离的木质素为载体，采用熔融法制备了除草定颗粒剂。结果表明，水溶性强的低分子质量木质素会影响原药的释放速率和释放机理。以低分子质量木质素制备的颗粒剂在释放过程中结构发生了显著变化，并呈现出一种独特的释放模式，即先快速释放后零级释放。在此基础上，该团队又以不同种类的木质素为载体，采用熔融法制备了伏草隆颗粒剂，发现与商业配方相比，以木质素为载体制备的伏草隆颗粒剂原药释放速率显著降低，t50值为2.37～11.2d，且水溶性强的低分子质量木质素的含量越低，伏草隆释放速率越慢。
然而，以上方法虽然可以实现原药的控制释放，但是木质素分离过程复杂，原药释放速率不易调控，难以运用到实际生产当中。Garrido-Herrera等以木质素为载体，采用熔融法制备了异丙隆、吡虫啉和灭蝇胺颗粒剂。在水中的释放动力学试验表明，缓释颗粒剂可以降低异丙隆、吡虫啉和灭蝇胺的释放速率。通过选择颗粒剂粒径大小可以调控各配方的原药释放速率。为进一步探究颗粒剂粒径和释放速率的关系，该团队又以木质素为载体，采用熔融法制备了粒径不同的氯草敏和嗪草酮缓释颗粒剂。结果表明，t50值与颗粒粒径大小呈线性相关。与商业化产品相比，制备的缓释颗粒可以降低氯草敏和嗪草酮的释放速率，并且可以降低除草剂在钙质土壤中的淋溶。
2.4.2 聚乳酸
聚乳酸是以玉米、小麦、土豆及甜菜等天然植物的根、茎、叶等有机废弃物为原料，经发酵聚合而成的生物可降解材料。聚乳酸使用后可被水解和酶解为水和二氧化碳，重新进入生态循环。因具有优良的成膜性、生物相容性以及较强的疏水性，聚乳酸常被当作载体制备农药颗粒剂。Zhao等以低分子质量聚乳酸为载体，采用熔融法制备了除草定颗粒剂和薄膜，发现其表现出相似的释放模式，即先缓慢释放后快速释放。释放速率与配方的几何形状有关，而与载体中除草定的浓度无关。在初期，聚乳酸降解缓慢，除草定的释放主要靠扩散，而后期大量聚乳酸被降解，除草定释放速率加快。
2.5 凝胶型颗粒剂
2.5.1 纤维素及其衍生物
纤维素及其衍生物是一大类可再生天然高分子材料，具有良好的生物降解性，且资源丰富、种类繁多、价格便宜，已广泛应用于农药缓释领域的有羧甲基纤维素和乙基纤维素。羧甲基纤维素是纤维素经过羧甲基化反应后生成的衍生物，含有大量的羟基和羧基，可以与许多金属离子交联形成水凝胶。以羧甲基纤维素为原料制备的凝胶亲水性好、溶胀率高、生物相容性好且生物可降解，被广泛应用于农药领域。在羧甲基纤维素凝胶体系中加入吸附性载体，可调控原药释放行为。Choudhary等分别以羧甲基纤维素、羧甲基纤维素-膨润土、羧甲基纤维素-高岭土、羧甲基纤维素-硅藻土为载体制备了克百威凝胶颗粒，并研究了其在土壤中的释放动力学。结果表明，在羧甲基纤维素凝胶颗粒中加入膨润土、高岭土和硅藻土可将t50值延长至11.14～25.11 d。李建法等通过向羧甲基纤维素凝胶颗粒中加入不同种类的黏土来研究配方的缓释性能，发现在凝胶颗粒中添加不同量的黏土或不同种类的改性黏土可将t50值延长至6.29～21.75 d。乙草胺释放速率随交联时间的增加而减慢。因此，可通过改变黏土的种类、用量及交联时间来调控凝胶颗粒中乙草胺的释放。Kumar等分别以羧甲基纤维素、羧甲基纤维素-高岭石复合物为载体制备了嗪草酮凝胶颗粒，以聚氯乙烯为载体制备了嗪草酮颗粒剂，发现以羧甲基纤维素为载体的颗粒剂原药释放速率最快，而以聚氯乙烯为载体的颗粒剂原药释放速率最慢。与单独使用羧甲基纤维素相比，羧甲基纤维素-高岭石复合物可以在前35 d有效降低嗪草酮的释放速率。
2.5.2 海藻酸盐
海藻酸是来源于褐藻的天然多糖，其分子结构中含有大量羧基，在碱性条件下可水解形成海藻酸钠等水溶性海藻酸盐。海藻酸钠的分子链上含有大量的羧基和羟基，它们可以与小分子交联剂或其他聚合物的活性官能团键合。当海藻酸钠与多价金属阳离子如钙离子反应时，可通过多价阳离子的桥联作用，发生快速交联形成具有“蛋箱”结构的凝胶，对一些药物的释放具有阻碍作用。基于这一凝胶特性，海藻酸盐常被当作农药载体制备凝胶型颗粒剂。但由于海藻酸钠形成的水凝胶具有较强的亲水性，容易吸水膨胀，对高水溶性原药的缓释效果往往不明显。通过向海藻酸钠基础配方中加入不同种类的吸附剂不仅可以降低生产成本，而且可以通过调整吸附剂的种类及配比调控原药的释放速率。
Pepperman等以亚麻油、高岭土和海藻酸盐为原料制备了嗪草酮颗粒剂。结果表明，与常规配方和不含亚麻油的海藻酸盐配方相比，该配方可显著降低原药的释放速率。亚麻油和嗪草酮的比例、干燥温度和老化时间均会影响原药释放速率。秦燕萍发现，在海藻酸盐基础配方中掺入膨润土或有机膨润土均可减缓噻虫嗪的释放，且添加有机膨润土的凝胶颗粒原药释放速率更慢。董燕发现，在海藻酸盐基础配方中掺入有机膨润土可以明显降低凝胶颗粒的吸水性，减缓药物的突释行为。Fernández-Pérez等研究了在海藻酸盐基础配方中掺入吸附剂天然膨润土、酸处理膨润土、活性炭、无烟煤对除草剂释放速率的影响。结果表明，在基础配方中加入吸附剂可以不同程度地降低除草剂的释放速率，吸附剂的吸附能力是影响除草剂释放的最重要因素。Nasser等以海藻酸盐和蒙脱土为载体制备了甲草胺凝胶型颗粒剂，并研究了该颗粒剂中甲草胺在不同浓度的聚乙二醇水溶液和不同含水量土壤中的释放情况。结果表明，水势会影响原药释放速率，在蒸馏水和聚乙二醇水溶液中，当水势在−0.1MPa以上时，凝胶颗粒会吸水膨胀，颗粒质量增加约5%，粒径增加约10%；当水势为−0.5MPa或更低时，颗粒会缩小。土壤水势也会影响原药的释放速率，原药释放速率随土壤水势降低而降低。药物释放量与时间的平方根成正比，即符合菲克定律。
2.5.3 淀粉
淀粉是一种天然可生物降解材料，在糊化后能形成具有一定弹性和强度的半透明凝胶。凝胶形成机制为直链淀粉在降温冷却的过程中以双螺旋形式互相缠绕形成凝胶网络,也可通过加入交联剂制备淀粉凝胶网络。基于此特性，淀粉常被用作载体构建农药缓控释体系。
Shukla等以脲醛为交联剂制备了克百威淀粉凝胶颗粒，发现颗粒的释放速率与交联程度呈反比关系，释放机理为非菲克定律。Kulkarni等以脲醛为交联剂，以不同比例的淀粉和瓜尔胶为载体制备了凝胶型颗粒剂，发现活性成分的释放速率取决于载体的类型及溶胀能力，吸水溶胀越强的载体材料原药释放速率越快。淀粉的溶胀能力比瓜尔胶更强，当土壤含水量较低时可选用淀粉作为载体，而在土壤含水量较高时可选用瓜尔胶为载体。Kumbar等在此基础上研究发现，在载体材料相同的情况下，农药类型也会影响原药释放速率。
由于淀粉具有较强的亲水性和水溶胀性，不利于高水溶性原药的缓慢释放。纳米纤维素具有比表面积高、易于回收、生物相容性好等优点，将其运用至淀粉凝胶体系可调控淀粉凝胶颗粒的原药释放行为。Patil等以淀粉和纳米纤维素为载体制备了纳米复合材料缓释颗粒剂（图4）。结果表明，在淀粉凝胶颗粒中添加质量分数为2%～4%的纳米纤维素可使淀粉凝胶颗粒的孔隙率显著降低，吸水量增加20%～30%。纳米纤维素可影响淀粉颗粒的形态和释放行为，由于纳米纤维素网络的吸水诱导扩散和阻挡效应，原药的初始释放速率减慢。
图4 纳米纤维素调控淀粉凝胶颗粒的原药释放行为
2.5.4 羧甲基壳聚糖
羧甲基壳聚糖可通过羧甲基取代氨基葡萄糖的部分氨基或伯羟基制备，因其具有良好的相容性和包封能力而被广泛用于农药控释制剂中。将黏土掺入羧甲基壳聚糖聚合物中，利用聚合物包封和黏土吸附的双重优势，可进一步扩展其对农药释放行为的调节能力。李建法等以羧甲基壳聚糖和膨润土复合凝胶为载体，分别制备了莠去津和吡虫啉凝胶颗粒，水中释放试验结果表明，莠去津和吡虫啉的t50值分别延长至23.83 d和1 d。两种农药释放行为的差异与它们的水溶性和疏水性有关，低溶解度和高疏水性的农药释放速率更慢。土壤淋溶试验表明，该凝胶颗粒可有效降低农药在土壤中的淋溶，有助于降低农药对环境的污染。
3 缓释颗粒剂载体材料选择原理
3.1 缓释性能对载体材料的要求
不同类型的载体材料具有不同的释放行为，按照载体材料能否降解可以将其分为可降解材料和不可降解材料。以可降解材料为载体制备的颗粒剂，其农药释放速率主要与载体材料的降解速率有关。可降解材料进入到环境中后可以通过水解、光解以及微生物降解等途径被降解，降解速率与温度、湿度、酸碱度、酶、pH值以及材料的化学结构、物理结构和表面结构等有很大关系，其中化学结构直接影响降解能力的强弱，如用于制备凝胶型颗粒剂的载体材料表面含有羧基、羟基、氨基等亲水基团，施用到土壤中后更容易被水分子浸润，有利于微生物的黏附和增殖，降解速率更快，而聚乳酸、聚羟基脂肪酸在土壤中的降解速率则更慢，制备的颗粒剂缓释效果更强。不可降解材料主要为具有吸附性能的纳米黏土，以其为载体制备的颗粒剂农药释放速率主要与载体材料的吸附性能有关。目前制备的颗粒剂释放动力学往往为非零级释放，释放速率表现为先快后慢，后期释放的剂量往往不能满足防控病虫草害的需求。理想的释放机理为零级释放，即药物载体以恒定的速率释放农药。在实际生产中，应综合考虑农药的理化性质、环境条件、应用场景以及病虫草害发生规律，选择合适的载体材料，调控农药的释放行为，使有效成分的释放速率满足发挥生物效应的剂量需求。
3.2 加工工艺对载体材料的要求
不同类型颗粒剂的加工工艺不同，对载体材料的要求也存在差异。挤压造粒是固体物料依靠外部压力进行团聚的过程，载体材料的硬度、脆性、密度、粒子形状、粒径分布以及流动性都会影响颗粒成型，因此要求载体材料具有良好的加工性能。包衣型颗粒剂的包衣材料需要具有良好的成膜性和稳定性，包衣后包覆层应尽量牢固不脱落。熔融法对温度、混合时间、配比、颗粒大小的控制要求比较严格，要求载体材料与原药混合加热后能够形成可流动的熔体，且熔体流动性要好。吸附型颗粒剂要求载体材料具有良好的吸附性、较大的比表面积、易于改性等特点，从而负载亲疏水性不同的农药。凝胶型颗粒剂载体材料需要具有亲水基团，并可通过共价键、氢键、范德华力等形成三维网络结构体系。
4 发展趋势及展望
目前，选择环境友好、易于降解、来源丰富、性价比高的材料作为缓释颗粒剂的载体已成为趋势。从工业化生产角度而言，寻找性能优良、价格低廉、来源广泛的载体材料是颗粒剂发展的重要方向。由于单位耕地面积产值有限，载体材料的成本是决定其是否可用于实际农业生产的主要因素之一，新兴的生物可降解高分子材料往往因价格昂贵、降解速度过快或过慢而不能大规模应用到实际生产当中。因此，在环境友好的生物可降解高分子材料实现大规模工业化生产之前，为实现经济效益和环境效益的双赢，企业可选择以生物可降解的高分子材料和廉价易得的天然材料为混合载体制备缓释颗粒剂。从科研工作者的角度而言，农药颗粒剂的研究工作主要集中在调控农药的释放行为和优化农药在土壤中的迁移行为两方面，而有效成分的释放速率是否能满足发挥生物效应的剂量需求是评价颗粒剂最重要的指标。在实际应用过程中，不同地区有害生物的发生规律不同，农药的释放与有害生物的防控剂量需求往往存在“时间差、位置差和剂量差”，“有害无药”或“有药无害”的现象时有发生，而目前制备的颗粒剂只能做到活性成分缓慢、持续的释放，其载体材料普遍缺乏环境响应性，其释放曲线往往与病虫害发生规律不吻合，不具备真正意义上的控释功能。
理想的缓释颗粒剂是在施用后可以通过改变环境条件调控农药释放行为的载药体系。在中国农业农村部提出农药零增长行动方案的背景下，利用对pH值、光、热等敏感响应新型材料或将常规材料改性赋予其环境响应特性，开发主动触发控制释放和被动缓慢释放相结合的功能化、智能化缓释颗粒剂，使农药的释放剂量与病虫害防治剂量需求基本一致，使农药的释放行为真正实现由“缓释”向“控释”转变，是当前提高农药利用率、降低环境污染的一个重要且有前景的方向。
