科学家开发出丝微针，为植物提供营养和化学物质

当农民在作物上施用杀虫剂时，30%至50%的化学物质最终会进入空气或土壤中，而不是植物上。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向植物输送物质的方法：丝绸制成的微小针。

在《自然纳米技术》上发表的一项研究中，研究人员开发了一种生产大量中空丝微针的方法。他们用它们将农用化学品和营养物质注入植物，并监测它们的健康状况。

“我们非常需要提高农业的效率，”该研究的资深作者、麻省理工学院土木与环境工程副教授Benedetto Marelli说。“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，而且会带来环境副作用，因此非常需要精确地提供它们。”目前是耶鲁大学博士后的Yunteng Cao博士'22和Marelli实验室前博士后Doyoon Kim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铁来治疗一种称为黄化的疾病，并在番茄植物中添加维生素B12，使其更有营养。研究人员还表明，微针可用于监测流入植物的液体质量，并检测周围土壤中何时含有重金属。

总体而言，研究人员认为微针可以作为一种新型的植物界面，用于实时健康监测和生物强化。

“这些微针可以成为植物科学家的工具，这样他们就可以更多地了解植物的健康状况以及它们是如何生长的，”Marelli说。“但它们也可以用来为作物增加价值，使其更具弹性，甚至可能提高产量。”

进入活体植物的内部组织需要科学家在不造成太大压力的情况下穿过植物的蜡质皮肤。在之前的研究中，研究人员使用基于丝的微针在实验室环境中向植物输送农用化学品，并检测活体植物的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。

“微针最初是为在人体内输送疫苗或其他药物而开发的，”Marelli解释道。“现在我们已经对其进行了调整，使该技术可以与植物一起使用，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缓解压力或提高作物营养价值。”

空心结构可以增加微针可以输送的化学物质的量，但Marelli说，大规模创建这些结构历来需要洁净室和昂贵的设施，就像MIT.nano大楼内的设施一样。

在这项研究中，曹和金创造了一种制造中空丝微针的新方法，将丝素蛋白与微小锥形模具内的盐溶液结合在一起。当水从溶液中蒸发时，丝绸固化在模具中，而盐在模具内形成晶体结构。当盐被去除时，它在每个针中留下一个中空结构或微孔，这取决于盐的浓度以及有机相和无机相的分离。

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“这是一个非常简单的制造过程。它可以在洁净室外完成——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番茄植株输送铁的能力，缺铁番茄植株会导致一种称为黄化的疾病。黄化会降低产量，但通过喷洒作物进行处理效率低下，并可能对环境产生副作用。研究人员表明，他们的中空微针可用于持续输送铁，而不会伤害植物。

研究人员还表明，他们的微针可以在作物生长时用于强化作物。从历史上看，作物强化工作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。

在每种情况下，研究人员都用手将微针应用于植物的茎上，但Marelli设想为自动驾驶汽车和其他已经在农场使用的设备配备自动化和规模化的过程。

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）输送到正在生长的西红柿的茎中，这表明维生素B12在收获前就已经进入了西红柿果实中。研究人员提出，他们的方法可用于用维生素强化更多的植物。

合著者、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。”

“这种新的递送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，”Marelli解释道。

最后，研究人员通过研究在受镉污染的水培溶液中生长的西红柿，探索了使用他们的微针来监测植物的健康状况，镉是一种有毒金属，常见于靠近工业和采矿场的农场。他们展示了他们的微针在注射到番茄茎中的15分钟内吸收了毒素，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，如比色和高光谱铅分析，只能在植物生长已经受到阻碍后才能检测到问题。其他方法，如树液取样，可能太耗时。

相比之下，微针可以更容易地收集树液进行持续的化学分析。例如，研究人员表明，他们可以在18小时内监测西红柿中的镉水平。

研究人员认为，微针可用于补充现有的农业实践，如喷洒。研究人员还指出，该技术在农业以外的领域也有应用，例如在生物医学工程中。曹说：“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药物输送和健康监测的研究。”。

不过，就目前而言，Marelli认为微针为更精确、可持续的农业实践提供了一条道路。

“我们希望在不对农场健康或周围生态系统的生物多样性产生负面影响的情况下，最大限度地促进植物的生长，”Marelli说。“农业和环境之间不应该有权衡。他们应该共同努力。”