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  微針遞送系統(tǒng)正在從生物醫(yī)學走向植物界面調(diào)控。石河子大學賈鑫教授、孫美州博士團隊在Matter報道了一種光熱響應微針納米酶平臺，通過高分子修飾MoS?納米酶與透明質(zhì)酸可溶解微針的集成，實現(xiàn)了植物葉片中的精準養(yǎng)分遞送和氧化應激調(diào)控，為高分子材料賦能智慧農(nóng)業(yè)提供了新的策略。

  在全球氣候變暖背景下，高溫脅迫已成為影響作物生長和糧食安全的重要因素。一方面，高溫會抑制光合作用并誘導活性氧（ROS）過量積累；另一方面，傳統(tǒng)葉面噴施和土壤施肥存在遞送效率低、養(yǎng)分流失嚴重、時空控制能力不足等問題。如何構(gòu)建能夠精準遞送營養(yǎng)元素并同步緩解氧化損傷的新型植物材料界面，是當前農(nóng)業(yè)材料領域關注的重要方向。

  近日，石河子大學化學化工學院賈鑫教授，孫美州博士團隊，提出一種刺激響應型微針-納米酶協(xié)同平臺，通過構(gòu)建植物-材料生物界面，實現(xiàn)了在溫和近紅外光觸發(fā)下的精準養(yǎng)分釋放與活性氧清除，為應對氣候變化下的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新材料策略。

  2026年2月13日，相關成果發(fā)表在Cell Press旗艦期刊Matter上：Photothermal Microneedle Nanozymes for precise Nutrient Delivery and Oxidative Stress Regulation towards Sustainable Agriculture。該論文第一作者為石河子大學化學化工學院博士研究生李睿（昌吉學院青年教師），共同第一作者為新疆大學化學學院副教授劉智青。該研究受到111引智基地項目，國家自然基金等項目的支持。

圖1光熱響應微針納米酶（MPFP-HAMNs）的構(gòu)建及其在植物葉片中的作用機制示意圖

  該研究構(gòu)建的核心體系為負載MPFP納米酶的可溶解透明質(zhì)酸微針陣列（MPFP-HAMNs）。其中，MPFP由Fe²⁺摻雜聚多巴胺與兩性離子聚合物修飾的MoS₂納米片組成，兼具光熱轉(zhuǎn)化、離子釋放與仿生酶催化等多重功能；透明質(zhì)酸微針則作為可溶解載體，負責穿透植物葉片角質(zhì)層并完成原位遞送。該微針陣列能夠貼合葉片表面并在數(shù)秒內(nèi)完成穿透和溶解，將功能納米酶有效遞送至葉肉組織，建立穩(wěn)定高效的植物-材料生物界面。從材料設計上看，這一體系體現(xiàn)出鮮明的多組分協(xié)同特征。MoS₂提供了納米酶活性基礎，聚多巴胺賦予體系優(yōu)異的近紅外響應能力，Fe²⁺作為關鍵營養(yǎng)元素參與葉綠素生物合成，而兩性離子聚合物則有助于提升體系分散性、穩(wěn)定性及界面相容性。多組分集成后，材料不僅實現(xiàn)了溫和光熱響應下的按需釋放，同時還具備明顯的SOD/CAT樣仿酶活性，可高效清除O·-₂、H₂O₂ 和·OH等活性氧物種。

  研究顯示，在 808 nm 近紅外光照射下，MPFP納米酶可在約35°C的溫和條件下實現(xiàn)受控升溫和Fe²⁺釋放，避免了過熱對植物組織造成損傷。與此同時，材料的ROS清除能力有助于緩解高溫引發(fā)的氧化脅迫，保護葉綠體結(jié)構(gòu)與功能。也就是說，該平臺并非單純的“遞送工具”，而是一個集精準輸送、環(huán)境響應與生物調(diào)控于一體的功能系統(tǒng)。

圖2 MPFP納米酶的抗氧化酶模擬活性

  在棉花模型中，MPFP-HAMNs展現(xiàn)出顯著的促生長和抗逆效果。與對照組相比，處理后植株株高提高34.1%，葉綠素含量增加35.7%，干重和鮮重分別提升9.5%和37.8%。進一步的轉(zhuǎn)錄組學結(jié)果表明，該體系能夠顯著調(diào)控與光合作用、核糖體生物合成、應激響應及MAPK信號通路相關的基因表達，并維持葉綠體標志基因的穩(wěn)定，從分子層面解釋了其促進植物生長和增強熱脅迫耐受性的機制（圖3）。

圖3 MPFP-HAMNs對棉花生長的促進機制

  作者將可溶解微針引入植物葉片遞送體系，突破了傳統(tǒng)噴施方式在穿透和利用效率上的局限。其次，通過引入高分子修飾納米酶，實現(xiàn)了光熱轉(zhuǎn)換、營養(yǎng)釋放和抗氧化保護的多功能集成。最后，體系依托葉片近紅外光學窗口實現(xiàn)外源刺激響應，為植物體內(nèi)遞送提供了更高水平的時空可控性。總體而言，這項研究展示了高分子材料、納米材料與植物科學交叉融合的獨特潛力，也為農(nóng)業(yè)場景下智能遞送系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的范式。

  該平臺具有較強的可拓展性。透明質(zhì)酸微針的機械強度、溶解行為及載荷組成均可根據(jù)不同作物葉片特征進行調(diào)節(jié)，而近紅外激活策略也具備較好的普適性。因此，這一研究不僅為植物營養(yǎng)強化和逆境調(diào)控提供了新方法，也為高分子微針材料在農(nóng)業(yè)領域的應用拓展提供了值得關注的新方向。

  論文信息：

  標題：Photothermal Microneedle Nanozymes for precise Nutrient Delivery and Oxidative Stress Regulation towards Sustainable Agriculture

  期刊：Matter

  作者：Rui Li, Zhiqing Liu, Long Chen, Chao Huang, Youpeng Xiong, Shiyu Liu, Kai Zhang, Caiye Meng, Xuehua Zhang, Meizhou Sun*, Xin Jia*

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2026.102663

石河子大學化學化工學院“農(nóng)業(yè)化學品與功能材料工程” 團隊

  “農(nóng)業(yè)化學品與功能材料工程”團隊現(xiàn)有教授4名，副教授8名，講師3名，實驗師1名，碩博研究生67名。團隊依托“111引智計劃”和“省部共建國家重點實驗室培育基地”與加拿大蒙特利爾大學、俄羅斯托木斯克理工大學、中科院蘭州化學物理研究所、蘭州大學、華東理工大學、西北農(nóng)林科技大學、西南大學、東華大學、新疆大學等國內(nèi)外知名科研院所保持密切合作，并制定了碩/博生聯(lián)合培養(yǎng)計劃，為教師和學生的國內(nèi)外交流訪學提供了有力支撐。

  團隊負責人:賈鑫，教授，博士生導師，長江學者，石河子大學化學化工學院黨委書記，首屆新疆生產(chǎn)建設兵團“天山英才”創(chuàng)新領軍人才。主要開展植物生理信號原位監(jiān)測，生長元素智能精準遞送，光催化農(nóng)業(yè)應用新技術及生物質(zhì)資源高值化利用等研究方向，承擔國家級項目10項，省部級項目5項，申請專利20余項，授權9項。以第一作者或通訊作者在Matter, Nat. Commun, J. Am. Chem. Soc, Adv. Funct. Mater, Chem. Sci, Appl. Catal. B Environ, Small, Chem. Mater等高水平SCI雜志收錄文章120余篇。

  下載：論文原文。