研究人员已经证明他们可以廉价地制造丝绸微针，以精确地强化作物、监测植物健康和检测土壤毒素。
当农民向他们的作物喷洒农药时，30%到50%的化学物质最终落入空气或土壤，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为精准的物质传递方式：由丝绸制成的小针。
在今天发表在自然纳米技术期刊上的一项研究中，研究人员开发了一种生产大量这些中空丝绸微针的方法。他们利用这些微针向植物注入农化学品和营养物质，并监测其健康。
“在农业中提高效率的需求非常迫切，”研究的主要作者、麻省理工学院土木与环境工程副教授贝内德托·马雷利（Benedetto Marelli）说。“农化学品对于支持我们的食品系统至关重要，但它们也很昂贵，并带来环境副作用，因此准确传递它们的需求非常迫切。”
2022年获得博士学位的曹运腾（Yunteng Cao）目前是耶鲁大学的博士后，金道云（Doyoon Kim）是马雷利实验室的前博士后，领导了这项研究，该研究与新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟（SMART）下的颠覆性和可持续农业精准技术（DiSTAP）跨学科研究小组合作进行。
在演示中，团队利用该技术向植物提供铁以治疗称为氯变的疾病，并向番茄植物添加维生素B12，以提高其营养价值。研究人员还表明，这些微针可以用于监测植物中流动液体的质量，并检测周围土壤中是否含有重金属。
整体而言，研究人员认为这些微针可以作为一种新的植物接口，用于实时健康监测和生物强化。
“这些微针可以作为植物科学家的工具，让他们更好地了解植物的健康状况及其生长方式，”马雷利说。“但它们也可以用于增加作物的价值，使作物更具抗逆性，并可能提升产量。”
植物的内部工作机制
访问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透植物的蜡质外皮。在之前的研究中，研究人员利用基于丝绸的微针在实验室环境中向植物传递农化学品，并检测活植物中的pH变化。但这些初步努力涉及小负载，限制了它们在商业农业中的应用。
“微针最初是为人类传递疫苗或其他药物而开发的，”马雷利解释说。“现在我们已经对其进行了改进，使其能够与植物一起使用，但最初我们无法提供足够剂量的农化学品和营养物质来减轻植物压力或增强作物的营养价值。”
中空结构可以增加微针能够传递的化学物质的数量，但马雷利表示，历史上大规模创建这些结构需要洁净室和麻省理工学院.nano大楼内部那样昂贵的设施。
在这项研究中，曹和金创造了一种通过将丝纤维蛋白与盐水溶液结合在微型锥形模具中制造中空絲绸微针的新方法。当水从溶液中蒸发时，丝绸在模具中固化，而盐在模具内形成晶体结构。当盐被移除时，每个针中留下了中空结构或微小孔洞，这取决于盐浓度和有机及无机相的分离。
“这是一种相当简单的制造过程。它可以在洁净室外完成——如果你愿意，可以在你的厨房里进行，”金说。“它不需要任何昂贵的机械设备。”
然后研究人员测试了他们的微针向缺铁的番茄植物传递铁的能力，这种缺铁会导致一种称为氯变的疾病。氯变会减少产量，但通过喷洒作物进行处理效率低下，并可能有环境副作用。研究人员表明，他们的中空微针可以在不损害植物的情况下持续传递铁。
研究人员还表明他们的微针可以在植物生长期间用于强化作物。在历史上，作物强化工作主要集中在像锌或铁这样的矿物上，而维生素的添加通常在收获后进行。
在每个案例中，研究人员手动将微针应用于植物的茎，但马雷利设想装备已经用于农场的自主车辆和其他设备，以自动化并扩大这一过程。
作为研究的一部分，研究人员利用微针将主要在动物产品中自然存在的维生素B12传递到生长中的番茄的茎中，显示维生素B12在收获前进入了番茄果实。研究人员提出他们的方法可以用于增强更多植物中的维生素含量。
共同作者、DiSTAP的植物科学家宇良大辅（Daisuke Urano）解释说，“通过全面评估，我们证明了微针注射对植物造成的负面影响极小，没有观察到短期或长期的负面影响。”
“这种新传递机制开辟了许多潜在应用，因此我们想做一些此前没有人尝试过的事情，”马雷利解释说。
最后，研究人员探索了利用其微针监测植物健康的可能性，通过研究生长在污染镉的水培溶液中的番茄。他们显示，微针在注入番茄茎内的15分钟内就能够吸收有毒物质，为快速检测提供了途径。
当前的植物健康监测先进技术，例如比色法和高光谱铅分析，只能在植物生长受到抑制后检测到问题。其他方法，如汁液采样，可能过于耗时。
相比之下，微针可以更容易地收集汁液进行持续的化学分析。例如，研究人员显示他们可以在18小时内监测番茄中的镉水平。
农业的新平台
研究人员认为微针可以用于补充现有的农业实践，例如喷洒。研究人员还指出，该技术在农业之外也有应用，例如生物医学工程。
“这种新的聚合物微针制造技术也可能有助于微针介导的经皮和皮内药物传递及健康监测研究，”曹说。
不过，目前马雷利认为微针提供了一条通往更精确、可持续农业实践的道路。
“我们希望在不负面影响农场健康或周围生态系统生物多样性的情况下最大化植物的生长，”马雷利说。“农业行业和环境之间不应该有权衡。它们应该齐心协力。”
这项工作部分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支持。
