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        当农民在农作物上施用杀虫剂时，30% 到 50% 的化学物质最终会进入空气或土壤，而不是植物上。 现在，来自麻省理工学院和新加坡的一组研究人员开发了一种更精确的方法，将物质输送到植物中：由丝绸制成的细针。

         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这些空心丝微针的方法。 他们用它们将农用化学品和营养物质注入植物中，然后来监控他们的健康状况。

         “非常需要提高农业效率，”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。 “农用化学品对于支持我们的食品系统很重要，但它们也很昂贵，并且会带来环境副作用，因此非常需要精确提供它们。”

         Yunteng Cao PhD '22，目前是耶鲁大学的博士后，以及 Doyoon Kim，马瑞利的前博士后实验室领导了这项研究，其中包括与新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟 （SMART） 的农业精准颠覆性和可持续技术 （DiSTAP） 跨学科研究小组的合作。

         在演示中，该团队使用该技术为植物提供铁来治疗一种称为萎黄症的疾病，并在番茄植株中添加维生素 B12 以使其更有营养。 研究人员还表明，微针可用于监测质量流入植物的液体，并检测周围土壤何时含有重金属。

         总体而言，研究人员认为这些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健康以及它们是如何生长的，”Marelli 说。 “但它们也可以用来增加作物的价值，使它们更具弹性，甚至可能增加产量。

         植物的内部运作

         进入活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用化学品输送到植物中，并检测活植物的 pH 值变化。 但这些最初的努力涉及小有效载荷，限制了它们在商业农业中的应用。

         “微针最初是开发的用于将疫苗或其他药物输送到人体中，“Marelli 解释说。 “现在我们已经对其进行了调整，以便该技术可以与植物配合使用，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减轻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品数量，但 Marelli 表示，大规模创建这些结构历来需要洁净室和昂贵的设施在 MIT.nano 大楼内找到。

         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，方法是将丝素蛋白与微小的锥形模具内的咸溶液相结合。 当水分从溶液中蒸发时，丝绸凝固到模具中，而盐在模具内形成晶体结构。 当盐被去除时，它会在每根针中留下一个中空结构或微小的孔，这取决于盐浓度和有机相和无机相。

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

         然后，研究人员测试了他们的微针将铁输送到缺铁番茄植株的能力，这会导致一种称为萎黄病的疾病。 萎黄病会降低产量，但通过喷洒农作物来处理萎黄病效率低下，并且可能具有环境方面影响。 研究人员表明，他们的空心微针可用于持续输送铁而不会伤害植物。

         研究人员还表明，他们的微针可用于在作物生长过程中强化作物。 从历史上看，农作物强化工作主要集中在锌或铁等矿物质上，只有在收获食物后才添加维生素。

         在每种情况下，研究人员都用手将微针应用于植物的茎部，但 Marelli 设想配备农场中已使用的自动驾驶汽车和其他设备，以实现流程自动化和扩展。

         作为研究的一部分，研究人员使用微针将维生素 B12（主要天然存在于动物产品中）输送到生长中的西红柿的茎中，表明维生素 B12 在收获前进入了西红柿果实。 研究人员提出，他们的方法可以用来用维生素强化更多的植物。

         的合著者 Daisuke Urano 是一位植物科学家，拥有DiSTAP 解释说：“通过全面评估，我们发现植物微针注射的不利影响最小，没有观察到短期或长期的负面影响。

         “这种新的交付机制开辟了许多潜在的应用，因此我们想做一些以前没有人做过的事情，”Marelli 解释说。

         最后，研究人员通过研究在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受镉污染，镉是一种常见于工矿区附近农场的有毒金属。 他们表明，他们的微针在注射到番茄茎后 15 分钟内吸收了毒素，为快速检测提供了一条途径。

         当前用于监测植物健康的先进技术，例如比色和高光谱铅分析，只能在植物生长受到阻碍后才能发现问题。 其他方法（如 SAP 采样）可能过于耗时。相比之下，

         微针可用于更轻松地收集汁液以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含量。

         农业新平台

         研究人员认为，这些微针可用于补充现有的农业实践，如喷洒。 研究人员还指出，这项技术在农业之外也有应用，例如生物医学工程。

         “这个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，“Cao 说。

         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途径。

         “我们希望最大限度地促进植物的生长，而不会对农场的健康或周围生态系统的生物多样性产生负面影响，”Marelli 说。 “不应该在农业、工业和环境。 他们应该共同努力。

         这项工作部分得到了美国的支持。 美国海军研究办公室 美国国家科学基金会 （National Science Foundation）、SMART、新加坡国家研究基金会 （National Research Foundation of Singapore） 和新加坡总理办公室 （Singapore Prime Minister's Office）。