《自然纳米技术》：未来的蔬菜会使用小针来强化吗？

麻省理工学院的研究人员表示，他们可以廉价地制造出纳米丝微针，以精确地强化作物，监测植物健康，并检测土壤毒素。

　　

当农民在作物上施用农药时，30%到50%的化学物质最终会进入空气或土壤，而不是在植物上。现在，来自麻省理工学院和新加坡的一个研究小组已经开发出一种更精确的方式来给植物输送物质：由丝绸制成的小针。

在今天发表在《自然纳米技术》上的一项研究中，研究人员开发了一种生产大量空心丝微针的方法。他们用它们向植物中注入农用化学品和营养物质，并监测它们的健康状况。

该研究的资深作者、麻省理工学院土木与环境工程副教授贝内代托·马瑞利（Benedetto Marelli）说：“我们非常需要提高农业的效率。”“农用化学品对支持我们的食品系统很重要，但它们也很昂贵，并带来环境副作用，因此非常需要精确地运送它们。”

目前是耶鲁大学博士后的曹云腾博士和马瑞利实验室的前博士后金doyoon领导了这项研究，其中包括与新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）的农业精准破坏性和可持续技术（DiSTAP）跨学科研究小组的合作。

在演示中，该团队使用该技术给植物添加铁来治疗一种被称为黄萎病的疾病，并在番茄植物中添加维生素B12以使它们更有营养。研究人员还表明，微针可以用来监测流入植物体内的液体的质量，并检测周围土壤何时含有重金属。

总的来说，研究人员认为微针可以作为一种新的植物界面，用于实时健康监测和生物强化。

马瑞利说：“这些微针可以成为植物科学家的一个工具，这样他们就可以更多地了解植物的健康和它们是如何生长的。”“但它们也可以用来增加作物的价值，使它们更有弹性，甚至可能提高产量。”

植物的内部构造

要进入活体植物的内部组织，科学家们必须在不造成太大压力的情况下穿过植物的蜡质表皮。在之前的工作中，研究人员使用基于丝绸的微针在实验室环境中将农药输送到植物中，并检测活植物的pH值变化。但这些最初的努力涉及较小的有效载荷，限制了它们在商业农业中的应用。

“微针最初是为人类注射疫苗或其他药物而开发的，”马瑞利解释说。“现在我们已经对它进行了调整，使这项技术可以与植物一起工作，但最初我们无法提供足够剂量的农用化学品和营养物质来减轻压力或提高作物的营养价值。”

空心结构可以增加微针所能输送的化学物质的数量，但马瑞利说，在历史上，大规模制造这些结构需要洁净室和昂贵的设施，就像麻省理工学院内部的设施一样。纳米建筑。

在这项研究中，Cao和Kim创造了一种制造空心丝微针的新方法，将丝素蛋白与含盐溶液结合在微小的锥形模具中。当水从溶液中蒸发时，丝绸凝固在模具中，而盐在模具内形成晶体结构。当盐被除去后，它会在每根针上留下一个空心结构或微小的孔，这取决于盐的浓度和有机相和无机相的分离。

“这是一个非常简单的制作过程。它可以在洁净室之外完成——如果你愿意，你可以在厨房里完成，”金说。“它不需要任何昂贵的机器。”

研究人员随后测试了他们的微针向缺铁的番茄植株输送铁的能力，缺铁会导致一种被称为黄萎病的疾病。黄萎病会降低产量，但通过喷洒作物来处理它是低效的，而且会对环境产生副作用。研究人员表明，他们的空心微针可以用于持续输送铁而不伤害植物。

研究人员还展示了他们的微针可以用来在作物生长时强化作物。从历史上看，作物强化的努力主要集中在锌或铁等矿物质上，维生素只在食物收获后添加。

在每一种情况下，研究人员都是用手将微针应用到植物的茎上，但马瑞利设想装备自动驾驶汽车和其他已经在农场使用的设备，使这一过程自动化和规模化。

作为研究的一部分，研究人员使用微针将维生素B12（主要存在于动物产品中）输送到生长中的番茄茎中，结果表明维生素B12在收获前就进入了番茄果实中。研究人员提出，他们的方法可以用来为更多的植物补充维生素。

该研究的共同作者、DiSTAP的植物科学家Daisuke Urano解释说：“通过全面评估，我们发现微针注射对植物的不良影响很小，没有观察到短期或长期的负面影响。”

马瑞利解释说：“这种新的传输机制开辟了许多潜在的应用，所以我们想做一些以前没有人做过的事情。”

最后，研究人员探索了使用他们的微针来监测植物的健康，通过研究在被镉污染的水培溶液中生长的西红柿，镉是一种有毒金属，通常在靠近工业和采矿地点的农场中发现。他们展示了他们的微针在注入番茄茎后15分钟内就吸收了毒素，为快速检测提供了一条途径。

目前用于监测植物健康的先进技术，如比色法和高光谱铅分析，只能在植物生长已经受到阻碍之后检测到问题。其他方法，如树液取样，可能过于耗时。

相比之下，微针可以更容易地收集汁液进行化学分析。例如，研究人员表示，他们可以在18小时内监测西红柿中的镉水平。

一个新的农业平台

研究人员认为，微针可以用来补充现有的农业实践，如喷洒。研究人员还指出，这项技术在农业以外的领域也有应用，比如生物医学工程。

“这种新的聚合物微针制造技术也可能有利于微针介导的透皮和皮内给药和健康监测的研究。”

不过，目前马瑞利认为，微针为更精确、更可持续的农业实践提供了一条途径。

马瑞利说：“我们希望在不影响农场健康或周围生态系统生物多样性的情况下，最大限度地促进植物生长。”“农业和环境之间不应该有取舍。他们应该共同努力。”

这项工作得到了美国海军研究办公室、美国国家科学基金会、SMART、新加坡国家研究基金会和新加坡总理办公室的部分支持。

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