面向绿色化学的Pluronic F127/Carbopol纳米凝胶平台（NGLp）包载Lippia pedunculosa精油用于埃及伊蚊幼虫防治

《ACS Omega》：Green Chemistry Oriented Pluronic F127/Carbopol Nanogel Platform (NGLp) Encapsulating Lippia pedunculosa Essential Oil for Aedes aegypti Larval Control

　　

控制埃及伊蚊（*Aedes aegypti*）幼虫对于减少虫媒病毒传播至关重要；然而，杀虫剂抗性的增加和环境问题凸显了可持续替代方案的迫切需求。本研究开发了一种基于Pluronic F127和Carbopol 974P的无溶剂热响应纳米凝胶（NGLp），用于包载*Lippia pedunculosa* Hayek精油（EOLp），旨在通过改善分散性和延长生物活性成分的可用性来增强杀幼虫性能。通过水蒸馏法获取精油，并利用气相色谱-质谱联用（GC–MS）和核磁共振（NMR）进行化学表征，鉴定出28种成分（占96.65%），其中圆叶薄荷酮氧化物（rotundifolone，62.68%）和柠檬烯（limonene，20.74%）为主要化合物。采用低能耗冷法制备纳米凝胶，优化后的制剂（1% w/w EOLp）表现出纳米级Z均尺寸（239.9 nm；多分散系数PdI 0.474）和负的Zeta电位（?22.3 ± 3.90 mV），表明该分散体系呈纳米尺度但相对多分散，并具有中等电空间稳定作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认了精油在纳米凝胶基质内的物理包封。针对三龄埃及伊蚊幼虫的杀幼虫试验表明，其活性呈剂量和时间依赖性，在浓度≥50 μg·mL^?1下48–72 h内实现100%死亡率。中间浓度下死亡率随时间的逐步增加表明杀幼虫功效具有时间依赖性，这反映在LC₅₀和LC₉₀值从24 h的38.6和46.0 μg·mL^?1降至48 h的31.6和40.9 μg·mL^?1，并在72 h进一步改善。尽管这一时间特征与包封油的延长可用性相符，但仍需直接释放研究来确认缓释机制。这些发现表明，热响应纳米凝胶增强了*L. pedunculosa*精油的功效，支持其作为可持续且生态相容的蚊虫控制纳米平台的潜力。

## 论文解读

### 研究背景与目的

蚊媒虫媒病毒对全球公共卫生构成持续且不断扩大的威胁，尤其在热带和亚热带地区，埃及伊蚊（*Aedes aegypti*）在家庭及周边栖息地大量孳生。世界卫生组织报告显示，2024年全球登革热负担创历史新高，传播遍及100多个国家并向新气候区持续扩展。在此背景下，幼虫源头管理具有战略意义——针对成蚊羽化前的水生发育阶段进行干预，可降低叮咬压力并在蚊虫生活史早期阻断传播。传统幼虫防治长期依赖合成杀虫剂（如有机磷类双硫磷），但密集和反复施用已导致埃及伊蚊种群产生抗药性，且神经毒性化学药剂的生态毒性问题日益受到关注。基于苏云金芽孢杆菌以色列亚种（*Bacillus thuringiensis* subsp. *israelensis*，Bti）的生物杀幼剂虽作为重要基准，仍存在局限性。绿色化学12原则倡导废物预防、可再生原料、更安全的溶剂与助剂、能源效率和可降解设计，为设计兼具有效性、安全性和环境性能的媒介控制技术提供了概念框架。

植物精油（essential oils，EOs）因其可再生性、化学多样性及对节肢动物的生物活性，符合绿色化学范式；但直接应用受限于水溶性低、挥发性高和易氧化降解等固有物理化学缺陷。基于Pluronic F127（泊洛沙姆407）的热响应体系是水相自组装基质，可通过温度依赖性胶束化和结构化实现疏水活性物的控制释放；与卡波姆类聚合物结合可优化黏度和物理稳定性。巴西特有物种*Lippia pedunculosa*（马鞭草科）精油富含单萜类化合物，尤其以圆叶薄荷酮氧化物（rotundifolone）和柠檬烯（limonene）为主，相关化学型已被证实具有杀幼活性。因此，本研究旨在将*L. pedunculosa*精油（EOLp）包载于Pluronic F127/Carbopol 974P水性热响应纳米凝胶平台，通过绿色化学导向的制剂策略提升杀幼活性和持续可利用性。

### 研究内容概述

研究人员通过水蒸馏法获取*L. pedunculosa*精油并进行GC–MS与NMR化学表征，采用低能耗冷法制备不同精油负载量的Pluronic F127/Carbopol 974P纳米凝胶，通过宏观稳定性筛选确定最优制剂（NGLp，含1.0% w/w EOLp），并利用FTIR、动态光散射（DLS）、Zeta电位和扫描电子显微镜（SEM）进行系统的理化与形态学表征。杀幼虫活性评估采用世界卫生组织标准化生物测定法，针对三龄（L3）埃及伊蚊幼虫，设置五个浓度（20–60 μg/mL）和多个对照，绘制浓度-效应曲线并计算致死浓度。研究表明，该纳米平台可实现精油的有效分散、物理包封和增强的、时间依赖的杀幼虫活性，为可持续蚊虫控制提供了有前景的绿色纳米制剂策略。该论文发表在《ACS Omega》。

### 主要技术方法

为开展研究，作者用到以下关键技术方法：水蒸馏法（Clevenger装置）提取精油；GC–MS结合保留指数（retention index，RI）及一维/二维NMR鉴定化学成分；低温冷法制备纳米凝胶并经超声处理均质化；FTIR验证精油在聚合物基质中的物理包封；DLS测定水合粒径与多分散系数，电泳光散射测定Zeta电位；SEM观察冻干样品形态；参照WHO指南开展三龄埃及伊蚊幼虫生物测定，采用S形逻辑模型拟合浓度-效应曲线。植物材料采自巴西塞尔希培州Po?o Redondo镇Cajueiro村（09°40′46″ S，37°39′41″ W），凭证标本保藏于塞尔希培联邦大学ASE/DBI/UFS标本馆（编号23159），遗传资源获取已在SISGEN系统登记（编号ACAAA36）；埃及伊蚊卵由Moscamed Brasil生物工厂提供。

### 研究结果

#### GC–MS法对EOLp的化学表征

通过GC–MS分析共鉴定出28种挥发性成分，占总挥发性组分的96.65%。精油呈现显著的单萜富集特征，总单萜含量达92.79%，倍半萜仅占3.86%，表明为以含氧单萜为主的化学型。主要成分为含氧单萜piperitenone oxide（即rotundifolone，圆叶薄荷酮氧化物），占62.68%；柠檬烯为第二大成分（20.74%）；香叶醛（3.49%）与橙花醛（2.53%）合计构成柠檬醛（6.02%）。高比例的含氧单萜可通过偶极相互作用和氢键与Pluronic F127的聚氧乙烯（PEO）冠及Carbopol羧基产生特异性分子间作用，而疏水性柠檬烯倾向于分配至聚氧丙烯（PPO）富集域，共同影响胶束堆积、水化和网络组织。

#### NMR法对EOLp的化学表征

一维（¹H、¹³C）和二维（COSY、HSQC、HMBC）NMR分析证实了主要成分rotundifolone的结构归属。关键证据包括环氧相关共振δ_C 63.47（C-1季碳）和δ_C 63.41（C-2，CH），以及δ_H 3.24（1H，s，H-2）的特征单峰；烯酮官能团由δ_C 198.4（C-3羰基）和δ_C 127.6（C-4）、δ_C 148.2（C-7）不饱和碳信号证实。实验数据与参考文献高度吻合，确证piperitenone oxide为主要化合物。

#### 纳米凝胶的开发

制剂筛选以固定Pluronic F127（20% w/w）和Carbopol 974P（0.2% w/w）浓度为基础，逐步增加EOLp负载量（0.125%–2.0% w/w）。0.125%至1.0%的油载量均产生宏观稳定的体系，表明聚合物基质可有效包载疏水组分而不损害均一性。然而，当EOLp增至2.0%时出现明显相分离，表明F127胶束体系的增溶能力已达饱和，过量油分从单相分散中析出。据此确定1.0% w/w为稳定油载上限，NGLp制剂（F127/Carbopol/EOLp = 20:0.2:1.0% w/w）被选为最优配方。空白纳米凝胶（NG）pH范围为5.5–6.0，1.0% EOLp的加入未引起显著pH偏移，表明不影响Carbopol/Pluronic网络组织。

#### NGLp的表征

**FTIR分析**：空白纳米凝胶（NG）与载油体系（NGLp）均保留载体特征振动谱带，包括O–H伸缩宽带（约3200–3600 cm^?1）、脂肪族C–H伸缩带（约2970和2890 cm^?1）、羰基区（约1718–1734 cm^?1）以及PEO/PPO骨架的C–O–C醚键带（约1111 cm^?1）。归一化后NGLp在C–H伸缩区及羰基/不饱和区出现相对强度增加，与EOLp中烃类和含氧单萜的引入一致，但未出现新共价键特征峰，证明精油以物理包封方式（氢键、偶极相互作用及疏水分配）结合于聚合物网络中。

**DLS分析**：NGLp在25 °C水中测得Z均水合直径为239.9 nm，PdI为0.474，表明纳米级但相对多分散的分散体系。强度加权分布以198.5 nm主群体为主（占96.9%强度），另有38.19 nm（1.9%）的较小聚集体和5469 nm（1.2%）的少量大尺寸聚集体。该结果与含高达1.0% w/w EOLp体系的宏观稳定性相符，支持F127/Carbopol两亲网络的形成及精油在PPO疏水域中的分配。

**Zeta电位分析**：NGLp的Zeta电位为?22.3 ± 3.90 mV（单一群体，100%面积），导电率为0.0510 mS·cm^?1。负表面电荷来源于Carbopol 974P的可电离羧基，提供静电排斥；Pluronic F127水合PEO链则贡献空间位阻稳定作用，二者协同形成中等程度的电空间稳定。较高油载量（2.0%）的失稳主要归因于超出增溶/结构化容量而非表面电荷丧失。

**SEM形态分析**：冻干后NG与NGLp均呈现连续三维多孔支架，具有相互连通的孔洞和聚合物支柱，为冰模板化形貌（冷冻-升华过程形成）的典型特征。低倍镜下可见数十微米级开孔结构；高倍镜下聚合物支柱显示皱褶和微粗糙表面纹理。油载量为1.0%时未破坏连续多孔网络的完整性，且未见明显油相分离域，与宏观稳定性筛选结果一致。

#### 杀幼虫活性（埃及伊蚊）

NGLp对三龄埃及伊蚊幼虫展现广谱浓度和时间依赖性杀幼活性。预实验中100 μg/mL下2–3 h内即实现完全死亡，提示初始生物利用度较高。24 h时，低浓度（20–30 μg/mL）致死微弱但出现行为改变；40–60 μg/mL浓度引起68–100%死亡，呈阈值型毒性反应。48和72 h时中间浓度（30和40 μg/mL）的死亡率逐步上升（30 μg/mL从1%升至32%和53%；40 μg/mL从68%升至80%和96%），表明时间依赖性增强。50 μg/mL及以上浓度在48 h后均达100%死亡率。浓度-效应曲线拟合显示LC₅₀/LC₉₀值从24 h的38.6/46.0 μg·mL^?1降至48 h的31.6/40.9 μg·mL^?1，72 h进一步降低。阴性对照和空白纳米凝胶（NG）死亡率极低（≤3%），证实活性完全来自包封精油且载体无内在毒性。依据LC₅₀ < 50 μg/mL的分类标准，NGLp被划归为高效杀幼剂。与文献报道的纳米制剂相比（如Marques等报告的载油纳米凝胶NGF2002Pb在250 μg/mL下24 h和48 h死亡率分别为67%和89%），NGLp在显著更低浓度下达到相当或更高效力；相比Tween 80乳化的游离*L. pedunculosa*精油（24 h LC₅₀ = 58 μg/mL），纳米包载大幅提升了效能。

### 讨论与结论总结

该研究表明，Pluronic F127/Carbopol纳米凝胶作为*L. pedunculosa*精油的递送平台，通过改善疏水性萜类在水性介质中的分散并延长其可利用性，显著增强了杀幼虫活性，克服了精油水溶性低、挥发性高等固有缺陷。时间依赖性死亡曲线与包封油的持续可利用性相符，但作者明确指出，由于未进行直接体外释放实验，缓释机制应视为合理假设而非确定性证据。与Bti和双硫磷等传统杀幼剂相比，基于精油的纳米制剂具有多靶点作用机制，可降低抗药性选择压力，同时规避有机磷类的生态毒性问题。

**研究结论部分翻译**：本研究中开发的基于Pluronic F127/Carbopol的纳米凝胶代表了一种环境相容的*L. pedunculosa*精油递送平台。该系统表现出有效的纳米结构化、中等电空间稳定作用以及针对埃及伊蚊的时间依赖性杀幼虫活性，支持纳米凝胶制剂的潜在优势。增强的生物性能可能与生物活性萜类在水性介质中分散性的改善和可利用性的延长有关，这有助于克服精油水溶性低和挥发性高等关键限制。尽管如此，仍需直接的释放研究来确认EOLp从纳米凝胶基质中的释放特征。这些发现凸显了制剂设计在最大化植物源化合物功效方面的关键作用。重要的是，该工作通过采用无溶剂方法并减少对合成杀虫剂的依赖，与绿色化学原则相一致。因此，所提出的纳米凝胶系统代表了一种有前景且可持续的蚊虫控制纳米平台，在环境负责任的媒介管理策略中具有潜在应用价值。