丝素微针助力植物精准施肥与连续树液监测

到2050年，全球人口增长将对农作物产量和营养价值提出更高要求，同时农业系统需降低能耗、节约资源并应对气候变化。传统农药喷施存在效率低、浪费大等问题，植物健康监测技术也多存在检测滞后或操作复杂的限制。微针技术为精准施药和深层健康监测提供了新路径，已应用于递送激素、提取DNA、检测水分胁迫及实时监测树液流动。相比金属、陶瓷材料，生物可降解聚合物如丝素蛋白更适合与植物组织形成稳定界面，但现有实心微针因容量小而限制了应用。中空或多孔微针有望改善这一问题，但受限于现有制造技术。未来亟需开发新型工艺，制备可降解、多孔微针，推动农业中精准施药与植物健康管理的发展。

在此，麻省理工学院Benedetto Marelli教授团队开发出一种通过无机物成核调控丝素蛋白组装的新方法，利用纳米制造技术制备出可与植物组织界面的多孔和中空微针。植株生长分析和伤害基因检测表明，蚕丝微针注射到番茄中后不会引发显著的全身伤害反应。中空微针可以通过叶柄注射，将人类微量营养素输送至番茄果实，实现植物微量元素治疗和作物营养强化。此外，空心微针还能为植物脉管系统提供树液采样通道，实现环境污染物（如镉）积累的连续监测与早期检测。相关成果以“Nanofabrication of silk microneedles for high-throughput micronutrient delivery and continuous sap monitoring in plants”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为中国学者Yunteng Cao，Doyoon Kim为共同一作。

SF-阳离子相互作用调节蛋白质组装

蚕丝蛋白（SF）在家蚕腺体中受阳离子调控，通过促进随机卷曲向β-折叠转变实现纺丝，但其与阳离子的作用机制尚不明确。作者用分子动力学模拟发现，仿丝肽（DD(GAGSGA)₂DD）可通过Cu²⁺形成“离子桥”诱导聚集，而Na⁺则无此效应（图1a）。动态光散射实验证实了模拟结果，Cu²⁺处理使肽段水动力半径（Rh）明显增大，Na⁺影响较小。进一步实验表明，在60mM离子强度下，Cu²⁺处理的SF悬浮液Rh可增长至200nm以上，同时表面电位接近中性，pH降至接近等电点（图1b,c）。Cu²⁺还提高了储能模量、黏度、表面张力和接触角，最终触发溶胶-凝胶转变。相比之下，其他阳离子虽能略微增加Rh，但未能引发凝胶形成。

图1：SF与PFA阳离子之间的相互作用，用于制造HMN和PMN

丝MN结构的组装和操纵

丝素蛋白SF悬浮液在水分蒸发过程中经历溶胶-凝胶-固体转变，形成固体结构（图1d）。在PDMS模具中干燥时，SF沿马兰戈尼流和重力方向组装，可生成薄壳或实心微针，具体取决于初始体积和浓度。掺入水溶性金属盐（如CuSO₄）后，Cu²⁺在干燥过程中形成微米级晶体，并向微针尖端富集（图1e,f；图2a–c），局部破坏蛋白基体，实现在脱模时形成中空结构（HMNs）。经乙醇处理后，SF的β-折叠结构增强，微针耐水性提高（图2d–f）；再经酸处理可将Cu²⁺残留降至<0.1 wt%，保证植物安全（图2g）。最终得到结构完整、壁厚27–63µm、尖端开口约80µm的中空微针。

图2：PFA制造的HMN

当初始CuSO₄浓度超过15mM时，Cu²⁺可加速丝素蛋白凝胶化，限制离子扩散并控制盐晶体的大小和分布（图1f）。微CT和SEM分析显示，脱模后的微针（MN）在基底和中段形成中空结构，壁厚约30–90µm（图3a–c）。拉曼显微分析表明，SO42-信号强度自微针基部向尖端逐渐增强（图3c,d）。冷冻脆断样品的SEM成像显示，CuSO₄晶体（200–800nm）嵌入于SF基体内（图3e）。经乙醇处理和晶体去除后，可得到多孔微针（PMNs），孔径约0.5–1µm（图3e–g）。乙醇处理使中位孔径缩小15.2%，而去盐后因孔壁收缩进一步减小。初始CuSO₄浓度可调控PMN形貌和孔径，如30mM浓度会促使全针体形成晶体并产生较大孔洞（~5µm），而低浓度（如3mM）则形成小于200nm的孔洞。弱酸处理可有效去除残留晶体（图3h）。

图3：PMN的PFA制造

MN支持长时间的植物-生物材料界面

作者评估了中空微针和多孔微针在番茄中建立生物界面的能力，包括插入过程中的机械完整性、植株内稳定性及伤害反应。PMNs因孔隙降低了力学强度，而HMNs因钝化的针尖增强了断裂力和穿透力（图4a）。所有微针均能顺利穿透组织，且高β-折叠含量（>38%）的丝素微针在植株内保持结构完整至少7天，部分降解迹象可通过扫描电镜观察到。注射后，微针只在局部产生轻微创伤，且对叶绿素含量、气孔导度、光合效率及植株高度无显著影响（图4c–e）。进一步的基因表达分析显示，部分损伤标记基因如P126、JAZ3和LOXD在注射HMNs和PMNs后30分钟内短暂上调，但24小时后基本恢复正常（图4f,g）。SMNs未引发明显基因表达变化。整体表型和基因水平分析表明，丝素微针对植物的损伤极小，验证了其作为植物生物界面材料的可行性，可实现深层组织的持续访问与应用。

图4：植物对MN注射的反应

持续递送微量营养素和生物饮食

将中空微针插入植物茎或叶柄，可直接接触维管系统，实现精准递送以缓解胁迫或进行作物营养强化。作为验证，作者用HMNs向番茄输送铁微量元素，治疗缺铁引发的叶片黄化症。相比固体微针（SMNs）因载量受限未能明显改善症状，HMNs连续递送等量EDTA–Fe溶液，显著提高了第3至第7片复叶的铁含量，并实现了均匀的叶色恢复（图5a）。进一步地，作者将维生素B12（VB12）通过HMNs注射至番茄花梗，24小时内在花萼和花梗出现红色，表明VB12成功向果实转运（图5b–d）。液相色谱质谱和ICP-MS分析确认果实中VB12含量随时间增加（图5e,f），而传统叶面喷施未能实现有效积累。未来通过优化剂量和注射位点，有望实现单次注射多果实的同步营养强化。本研究将维生素强化从采后加工前移至生长期内，展示了HMNs在精准植物管理和作物营养提升中的应用潜力。

图5：微量营养素和维生素通过HMN递送到番茄链球菌中

单次分析和持续监测植物SAP

丝素微针与植物深层组织建立的生物界面可用于植物健康监测。本研究进一步验证了SMNs、中空微针和多孔微针采集作物中镉（Cd）等有害重金属的能力。在水培番茄暴露于1 ppm Cd条件下，植株叶片Cd浓度随时间显著增加。插入叶柄后，SMNs可在15分钟内快速采样Cd，而PMNs因孔径较大导致初期采样较慢，24小时后达到接近SMNs的水平（Fig. 6a）。尽管PMNs采样小分子稍慢，但对大分子（如~53kDa蛋白）吸收效果更好，适合大分子监测。HMNs单独采样能力较弱，但结合滤纸或SMNs使用后可显著提高，且保持中空结构，支持连续树液收集和化学分析（Fig. 6b–d）。作者利用HMNs实现了长达18小时的连续Cd监测，检测灵敏度优于FAO/WHO设定的安全限值（Fig. 6e），显示出早期污染物监测的潜力。此外，PMNs可配合HMNs进行大分子采样，HMNs还能辅助光学成像及光谱分析，如拉曼光谱或荧光纳米传感器应用。HMNs耐机械性好，可重复注射至少五次，进一步证明了纳米结构微针作为植物单点和连续健康监测工具的广阔应用前景。

图6：通过HMN连续监测来自番红花链球菌的污染物

小结

本文通过调控无机纳米晶体生成，利用PFA工艺在PDMS模具中制备了具有中空和多孔结构的丝素微针（MNs），克服了传统微针注射容量小、重复使用受限的问题。丝素微针可稳定插入番茄维管组织，维持至少7天，且对植物造成的伤害极小。作为示范，微针实现了铁营养递送治疗黄化症、VB12果实强化，以及连续采样监测镉污染。未来，HMNs和PMNs可结合光谱和传感技术，用于持续植物健康监测，并有望通过自动化制造与部署在农业中推广应用。同时，丝素微针也展现出在生物医药领域的潜力。

来源：高分子科学前沿

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