CN104039871A - 基于多糖的水凝胶聚合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制备用于活性剂的输送的水凝胶的方法。所述方法包含：提供含有所述活性剂的水溶液；将形成凝胶的聚合物分散或溶解于所述水溶液中，以形成聚合物溶液；交联所述聚合物溶液中的所述聚合物，以形成封装所述活性剂的所述水凝胶。

Description

基于多糖的水凝胶聚合物及其应用

交叉引用

本申请要求2011年6月3日提交的美国临时专利申请61/492,995号的优先权的权益。所述临时申请的全文在此以引用的形式合并入本文中。

技术领域

本申请一般涉及基于多糖的水凝胶及其在农业以及医疗保健行业中的应用。更具体地，本申请涉及基于多糖的水凝胶聚合物及其在活性剂至植物、动物或人类的输送中的应用。

背景技术

如美国专利5,185,024号所描述的，聚合的水凝胶已经被用来将水分维持在植物根部周围的土壤中。这些水凝胶可以以块状的形式施加，或者被喷洒在植物上。水凝胶也被用来向植物提供微量营养元素（例如硫酸铁）（美国专利5,632,799号）。这样的配方能够在数天内持续地供应微量营养元素。为了从动物中保护植物，已经发明了这样的配方，它们包含以各种形式输送的植物中提取的毒素（美国专利7,052,708 B2号）。这些配方阻止动物干扰植被，而不会对植物或动物引起永久的损伤。这些水凝胶系统通常在土壤中快速分解，或者具有膨胀至会干扰植物生长的体积的趋势。

β-葡聚糖（glucan）已经通过模拟免疫应答而表现出药理活性，其反过来能够应用于抗肿瘤活性、伤口愈合以及抗感染（Chihara, 1970; Sasaki, 1978; Ohno, 2001 ; Yano, 1991 ; Wei, 2002; Portera, 1997）。β-葡聚糖的应用的某些例子包括用于便秘缓解药物的配方（专利公开US2005/0272694 A1号）、引入药物活性植物提取物（专利公开US2006/0121 131 A1号）、用于癌症治疗的葡聚糖（专利公开US2006/0160766 A1号）、用于皮肤应用的葡聚糖（专利公开US2007/0224148 A1号）、植物中葡聚糖的医药应用（专利公开US2010/0267661 A1号）以及用于预防骨质疏松症（专利US 7,671 ,039 B2号）。这些例子突出了与β-葡聚糖相关的医疗应用的广度。

可得然胶（Curdlan）是由土壤细菌Alcaligenes Faecalis var. Myxogenes以及Agrobacterium biobar生物合成的水不溶性的、线型的、高分子量β-1,3-葡聚糖。可得然胶在文献中已经被广泛地研究，这些研究关于当它被加热来形成弹性凝胶时的螺旋形成能力和凝胶能力（Harada, 1979; Deslandes, 1980）。另外，可得然胶已经被调查关于它将增强的免疫竞争引入适用的宿主的能力（Sasaki, 1978; Sonck, 2010）。

可得然胶的结构成形性能已经引发了作为热结构水凝胶的在食品科学中的多种应用（Nakao, 1991 ; Funami, 1998），并且其他类似的β-1,3-葡聚糖已经在纳米结构的形成中被用作支架（Dunstan, 2007; Haraguchi, 2005）。在最近的文献中，持续感兴趣的是当可得然胶被含水氯化钙透析时的形成液晶凝胶的能力（Dobashi, 2004; Nobe, 2005），并且水凝胶系统被用来模拟由DNA形成的类似凝胶的形成（Furusawa, 2007; Dobashi, 2007）。

可得然胶的药理潜力已经引发了人类药物输送中的多种应用，包括可得然胶的热凝胶以封装和释放药物（Kanke, 1995），并且，最近纯净的可得然胶和它的水溶性羧甲基衍生物用来包覆纳米颗粒系统并封装化疗药物的应用已经变成有效的方法（Na, 2000; Kim, 2005; Subedi, 2009; Li, 2010）。可得然胶和其他β-1,3-葡聚糖也已经被用来形成水溶性螺旋复合物（Kimura, 2000; Miyoshi, 2005），并且对于复合物形成所必需的可得然胶骨架进行了适当的修改（Koumoto, 2001 ; Hasegawa, 2007）。通过所有1,3-β-葡聚糖形成的螺旋复合物需要存在同质核酸，这将最近的研究引领至通过使用一段同质核苷酸来附加有用的寡核苷酸，以便于复合物形成，从而引起复合物形成（Karinaga, 2005）。使用水质稳定剂（例如聚（乙二醇））来附加1,3-β-葡聚糖已经使得能够提高细胞摄取并降低溶酶体降解（Karinaga, 2006）。

脱氧核糖核酸（DNA）也已经被用来举例说明药理活性。特别地，如先前所证明的，CpG DNA对于免疫刺激性应用（例如疫苗接种）是重要的（专利US 7,749,979 B2号）。其他形式的DNA（例如质粒）也已经由于它们在动脉粥样硬化疫苗中的作用而被利用（专利US 6,284,533 B1号）。当研究DNA时，观察到的是，围绕DNA的结晶层能够从外部降解源中提供保护（Wolf, 1999）。

纤维素是由β(1→4)连接的D-葡萄糖单元组成的水不溶性多糖。该聚合物骨架能够被修改来改变它在水中的溶解性。一种这样的衍生物是羧甲基纤维素（CMC），它是水溶性的。CMC可以被用于通过先前举例的离子交联来形成稳定的凝胶化合物（美国专利4,618,491号）。如美国专利公开US 201 1/0129516 A1号所研究的，纤维素和它的衍生物也已经被探索来用于眼部药物传输，并且如美国专利公开US 2008/0226705 A1号所研究的，用于口服药物给药。

因此需要一种传输系统，其能够被施加至植物、动物以及人类，从而运载各种活性成分（例如水、作物保护剂、治疗剂、核酸），并同时控制这些药剂的释放。

发明内容

在第一个方面，本发明提供一种基于多糖的聚合物水凝胶，它包含：多糖聚合物；交联剂，它与该多糖聚合物相互作用，以交联该多糖聚合物；以及活性剂，它由该交联的多糖聚合物封装。

所述交联剂可以是离子（例如金属阳离子），它与多糖聚合物上的抗衡离子（counter-ion）官能团相互作用。

所述交联剂可以是与多糖聚合物反应的化学交联剂。所述化学交联剂可以是多官能醛、多官能羧酸、多官能胺、多官能酰胺、或者多官能异氰酸酯。在具体的例子中，所述化学交联剂可以是戊二醛、丁二醛、柠檬酸、马来酸、衣康酸、四羟甲基-乙炔-双脲或甲苯二异氰酸酯。

所述活性剂可以是小分子（small molecule）、免疫刺激剂、抗癌分子、疫苗、生物聚合物、作物保护剂或其任意组合。在具体的例子中，所述活性剂是植物肥料。

所述多糖聚合物可以是肽聚糖聚合物。

所述多糖聚合物或者可以是β-葡聚糖聚合物或α-葡聚糖聚合物。所述α-葡聚糖聚合物可以是具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖。所述具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖聚合物可以是右旋糖酐（dextran）或聚醛右旋糖酐。

所述α-葡聚糖聚合物或者可以是α-1,4-；α-1,6-葡聚糖。所述α-1,4-；α-1,6-葡聚糖聚合物可以是普鲁兰糖（pullulan）或淀粉。

所述β-葡聚糖聚合物可以是β-1,3-葡聚糖或β-1,4-葡聚糖聚合物。

所述β-1,3-葡聚糖可以是具有β-1,6支链的β-1,3-葡聚糖，例如：裂褶多糖（schizophyllan）、香菇多糖（lentinan）、茯苓聚糖（pachyman）、茯苓多糖（pachymaran）、硬葡聚糖（scleroglucan）、灰树花多糖（grifolan）或其化学衍生物。所述化学衍生物可以是羧甲基茯苓多糖、羟甲基茯苓多糖、或羟丙基茯苓多糖。或者，所述β-1,3-葡聚糖多糖聚合物可以是可得然胶聚合物或羧甲基可得然胶聚合物。

所述β-1,4-葡聚糖聚合物可以是纤维素聚合物，例如羧甲基纤维素聚合物、几丁质（chitin）或几丁质衍生物。

所述基于多糖的聚合物水凝胶可以额外地包含赋形剂。所述赋形剂可以是填充剂（bulking agent）。

在另一个方面，本发明提供了一种离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，它用于由水凝胶封装的活性剂的触发运输。所述水凝胶包含：多糖聚合物；离子，它与该多糖聚合物上的抗衡离子官能团相互作用，以交联该多糖聚合物；以及活性剂，它由该交联的多糖聚合物封装。

被封装的活性剂的运输可以由螯合剂触发，所述螯合剂与所述离子的至少一部分相互作用并防止这些离子与多糖聚合物交联。

所述活性剂可以是水、小分子、免疫刺激剂、抗癌分子、疫苗、生物聚合物、作物保护剂或其任意组合。在具体的例子中，所述活性剂是水或植物肥料。

所述多糖聚合物可以是肽聚糖聚合物。

所述多糖聚合物或者可以是β-葡聚糖聚合物或α-葡聚糖聚合物。所述α-葡聚糖聚合物可以是具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖。所述具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖聚合物可以是右旋糖酐或聚醛右旋糖酐。

所述α-葡聚糖聚合物或者可以是α-1,4-；α-1,6-葡聚糖。所述α-1,4-；α-1,6-葡聚糖聚合物可以是普鲁兰糖或淀粉。

所述β-葡聚糖聚合物可以是β-1,3-葡聚糖或β-1,4-葡聚糖聚合物。

所述β-1,3-葡聚糖可以是具有β-1,6支链的β-1,3-葡聚糖，例如：裂褶多糖、香菇多糖、茯苓聚糖、茯苓多糖、硬葡聚糖、灰树花多糖或其化学衍生物。所述化学衍生物可以是羧甲基茯苓多糖、羟甲基茯苓多糖、或羟丙基茯苓多糖。或者，所述β-1,3-葡聚糖多糖聚合物可以是可得然胶聚合物或羧甲基可得然胶聚合物。

所述β-1,4-葡聚糖聚合物可以是纤维素聚合物，例如羧甲基纤维素聚合物、几丁质或几丁质衍生物。

在另一个方面，本发明提供了一种用于从离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶中释放活性剂的试剂盒，所述聚合物水凝胶封装所述活性剂。所述试剂盒包含：离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，所述聚合物水凝胶封装所述活性剂；以及螯合剂，它适于螯合离子地交联所述基于多糖的聚合物水凝胶的离子的至少一部分。

在进一步的方面，本发明提供了一种制备用于运输活性剂的基于多糖的聚合物水凝胶的方法。所述方法包含：提供多糖聚合物；提供含有所述活性剂的溶液；将所述多糖聚合物分散或溶解在所述溶液中，以形成聚合物凝胶溶液；以及将聚合物凝胶溶液中的多糖聚合物与交联剂交联，以形成封装所述活性剂的基于多糖的聚合物水凝胶。

所述交联剂可以是离子，所述基于多糖的聚合物水凝胶可以是离子地交联的水凝胶，并且所述方法可以相应地包含：将所述聚合物凝胶溶液与所述离子接触，以交联所述多糖聚合物并形成离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶。所述离子可以是金属离子，例如钙离子、铁离子、铝离子、镍离子、钴离子或铜离子。

所述活性剂可以是水。所述活性剂可以额外地包含作物保护剂，例如：盐、离子、矿物、肥料（fertilizer）、杀线虫剂（nematicide）、杀害虫剂（pesticide）、除草剂（herbicide）、杀昆虫剂（insecticide）、必需营养素、非必需营养素、核酸、杀真菌剂、或其任意组合。在具体的例子中，所述活性剂额外地包含植物肥料。

在具体的例子中，所述作物保护剂可以是核酸。所述核酸在被加入至所述聚合物溶液之前，可以被分散在去离子水中。

所述方法可以进一步包含：干燥所述水凝胶。

在又一个方面，本发明提供了一种将活性剂输送至植物的方法。所述方法包含：向所述植物施加上述水凝胶。

所述交联剂可以是化学交联剂，所述基于多糖的聚合物水凝胶可以是化学地交联的水凝胶。所述方法相应地可以包含：使得所述活性剂扩散出所述水凝胶。

所述水凝胶可以进一步包含赋形剂，其中所述活性剂是作物保护剂，并且所述方法包含所述活性剂从所述水凝胶的由渗透压驱动的释放。

在又一个方面，本发明提供了一种将活性剂输送至植物的方法。所述方法包含：向所述植物施加上述离子地交联的水凝胶。所述方法进一步包含：施加螯合剂，以螯合离子地交联所述水凝胶的离子的至少一部分，并触发所述活性剂从所述水凝胶的释放。

所述离子可以是钙离子、铁离子、铝离子、镍离子、钴离子、铜离子或其任意组合。

所述螯合剂可以是柠檬酸钠、乙二胺四乙酸（EDTA）或膦酸盐。

所述离子可以是钙离子而所述螯合剂可以是柠檬酸钠。

结合附图，阅读具体实施例的以下说明之后，本发明的其他方面和特征会对本领域技术人员变得清晰。

附图说明

现在仅通过例子的方式，参照附图，描述本发明的实施例。

图1包含不同的可得然胶和DNA含量的液晶水凝胶的照片。可得然胶的非结晶相显示为白色，而结晶相是不透明的。DNA的掺入改变了非结晶相和结晶相的分布。

图2是示出可得然胶水凝胶的膨胀能力的图。该图示出了一片可得然胶水凝胶在100小时内的膨胀和干燥行为，通过称量去除残留水后的水凝胶的重量而测得。

图3示出了CMC水凝胶在74日内重复的膨胀和干燥循环中的重量变化。

图4示出了当放置于土壤中时的CMC水凝胶的重量变化。CMC水凝胶被置于土壤中并在变化的水施加频率下测试稳定性。

图5描述了可得然胶水凝胶内的DNA分布。纯净的可得然胶在260 nm显示出非常小的吸收率，而随着掺入的DNA增多，总体吸收率变得更高。在最高的DNA负载下，两个“环”的DNA在该结构中很明显。

图6包含可得然胶水凝胶毫米球的照片，并且示出了DHA和氯化钙含量对毫米球的影响。随着DNA含量下降，水凝胶球的弹性下降直至没有可见的球体形式。氯化钙含量的下降使纤维密度下降，使得该球体表现出更多的膨胀。

图7示出了通过变化的DNA和氯化钙浓度形成的可得然胶水凝胶毫米球的光学显微镜显微照片。在10x放大倍率下的光学显微镜表明该毫米球内存在两个界面，这在自然光下可以看到，但这现象仅仅发生在DNA负载大于50%的时候。

图8示出了可得然胶水凝胶的透射电子显微镜显微照片。在高浓度下，可得然胶形成封装结晶的DNA的微球。在低浓度下，可得然胶形成纳米纤维网络，该网络能够掺入作为球状​​球形颗粒的DNA。DNA的进一步增加产生纳米颗粒和更长的刚性杆状结构。对于具有0.5和2.5 mg/mL DNA的样品，TEM显微照片是从上清液拍摄的。比例尺是500 nm。

图9是示出使用柠檬酸钠从可得然胶水凝胶释放DNA的图。在去离子水中没有发生释放，而该图显示出当该水凝胶被置于1 %的柠檬酸钠中时，释放率显著提高。插入的图显示出被从水移动至柠檬酸钠的单一水凝胶样品，以证明通过加入外部触发剂的触发释放。

图10是示出肥料从CMC水凝胶的释放的图。CMC水凝胶被置于去离子水中，并通过扩散来观察肥料的释放。

图11是示出疏水性和亲水性分子的释放的图。CMC水凝胶被用来封装快绿FCF（Fast green FCF）和亚甲基蓝（methylene blue），并且观察到两种染料的释放率相似。

图12是示出使用CMC肥料水凝胶的小麦生长的图。封装肥料的CMC水凝胶被植入小麦种子。显示的数据是对来自对照实验的最大高度标准化的平均高度，在对照实验中小麦种子在没有CMC水凝胶的情况下生长。误差线是平均值的标准误差（对于CMC水凝胶n = 6，对于对照实验n = 10）。

图13是示出使用CMC肥料水凝胶的油菜生长的图。封装肥料的CMC水凝胶被植入油菜种子。显示的数据是对来自对照实验的最大高度标准化的平均高度，在对照实验中油菜种子在没有CMC水凝胶的情况下生长。误差线是平均值的标准误差（n = 6）。

图14是示出使用CMC肥料水凝胶的小麦生长的图，其中交联在40°C下进行。显示的数据是对另一组小麦种子的最大高度标准化的平均高度，这组小麦种子在有肥料但没有水凝胶的情况下生长。误差线是平均值的标准误差（n = 6）。

图15是示出使用离子地交联的CMC肥料水凝胶的小麦生长的图，该水凝胶在80°C下干燥。显示的数据是对另一组小麦种子的最大高度标准化的平均高度，这组小麦种子在有肥料但没有水凝胶的情况下生长。误差线是平均值的标准误差（n = 6）。

图16是示出使用化学地交联的CMC肥料水凝胶的小麦生长的图，该水凝胶在80°C下干燥。显示的数据是对另一组小麦种子的最大高度标准化的平均高度，这组小麦种子在有肥料但没有水凝胶的情况下生长。误差线是平均值的标准误差（n = 6）。

图17是示出使用离子地交联的CMC肥料水凝胶的小麦生长的图，其中植物每周给水两次，而不是每天给水（2/7总水量）。显示的数据是对另一组小麦种子的最大高度标准化的平均高度，这组小麦种子在有肥料但没有水凝胶的情况下生长。

图18是示出使用化学地交联的CMC肥料水凝胶的小麦生长的图，其中植物每周给水两次，而不是每天给水（2/7总水量）。显示的数据是对另一组小麦种子的最大高度标准化的平均高度，这组小麦种子在有肥料但没有水凝胶的情况下生长。误差线是平均值的标准误差（n = 6）。

具体实施方式

本发明提供基于多糖的水凝胶聚合物，它具有封装的活性剂，用于输送至植物、动物或人类。

所述基于多糖的水凝胶可以是例如肽聚糖聚合物水凝胶、α-葡聚糖水凝胶或β-葡聚糖水凝胶，它能够被装载有或封装一个活多个活性剂。所述基于多糖的水凝胶聚合物可以例如通过这样制备：将多糖聚合物的水溶液加入盐的水溶液，以制备离子地交联的水凝胶。

在另一个实施例中，所述基于多糖的水凝胶聚合物可以通过这样制备：加入具有化学交联剂（例如戊二醛）的多糖聚合物的水溶液，以制备化学地交联的水凝胶。其他多官能醛或羧酸分子也可以被用来通过采用存在于多糖骨架上的羟基和羧酸基团来形成醚或酯键，从而形成化学交联。这些化学物质的例子包括但不限于：戊二醛、丁二醛、柠檬酸、马来酸和衣康酸。另外，多官能胺或酰胺（例如四羟甲基-乙炔-双脲）也可以被用来通过次级胺或酰胺的形成来达到多糖的交联。可以被用来形成化学交联的其他化合物包含具有两个或以上化学基团的多官能化合物，这些基团与存在于多糖骨架上的羟基或羧酸基团反应。这种化合物的一个例子是甲苯二异氰酸酯。

所述β-葡聚糖水凝胶可以例如是β-1,3-葡聚糖水凝胶，它例如通过在水性金属盐的存在下从溶液中复性（re-naturing）水不溶性的β-1,3-葡聚糖来制备。所述β-1,3-葡聚糖可以是“可得然胶”，而所述β-1,3-葡聚糖水凝胶可以相应地被称为“可得然胶”水凝胶。在另一个实施例中，所述β-葡聚糖水凝胶可以是β-1,4-葡聚糖水凝胶，它由β-1,4-葡聚糖的水溶性衍生物的离子交联而制备。所述β-1,4-葡聚糖可以是“纤维素”，而所述β-1,4-葡聚糖水凝胶可以相应地被称为“纤维素”水凝胶。β-1,4-葡聚糖纤维素水凝胶的一个例子是“羧甲基纤维素”水凝胶（CMC水凝胶）。

基于多糖的水凝胶聚合物可以在活性剂被释放之前保护活性剂不降解。例如：亲脂性药物，例如杀害虫剂、杀真菌剂、杀昆虫剂、生长荷尔蒙以及干旱保护剂；亲水性药物，例如盐、离子、矿物质、必需的营养物质和非必需的营养物质；多肽药物；蛋白质药物；生长激素；生长因子；或其组合；可以被封装在基于多糖的水凝胶聚合物中，以降低它们被释放之前的降解率。

使用可生物降解的聚合物和/或单体制成的基于多糖的水凝胶聚合物可以随着时间被微生物降解、代谢、或被同时降解并代谢。例如，基于多糖的水凝胶聚合物可以在施加至植物后的2年之内被降解。在一些例子中，基于多糖的水凝胶聚合物可以在施加至植物后的数周之内被降解。基于多糖的水凝胶聚合物可以通过聚合物键的水解而被降解。

与当活性剂没有被封装在基于多糖的水凝胶聚合物中而被施加时的被输送至土壤和被输送至植物的活性剂的量相比，具有封装的活性剂的基于多糖的水凝胶聚合物可以降低被输送至土壤的活性剂的量，并提高被输送至植物的活性剂的量。

基于多糖的水凝胶聚合物可以主动地释放被封装的药剂，例如通过由添加外部触发剂而触发的释放，或者通过由渗透压驱动的释放机制触发的释放。或者，基于多糖的水凝胶聚合物可以被动地释放被封装的药剂，例如通过活性剂从基于多糖的水凝胶聚合物向外的扩散。通过添加外部触发剂的触发释放可以被理解为水凝胶的去交联（de-crosslinking），因此形成不交联的基于多糖的聚合物，以及被封装的药剂从水凝胶的相应的释放。这种触发释放的一个例子是使用螯合剂的离子地交联的水凝胶的去交联，该螯合剂与离子相互作用，以防止离子与水凝胶交联。随着交联的离子通过螯合剂而从交联剂分离，水凝胶被去交联并释放被封装的药剂。“螯合剂（chelator）”也可以被称为“络合剂（chelating agent）”。

基于多糖的水凝胶聚合物可以被用在干燥条件中，以供应活性剂。例如水凝胶可以作为供应水的储水器。水凝胶可以被定做，使得可以输送各种量的水，例如每克水凝胶0.3 mg水至每克水凝胶3 g水。

基于多糖的水凝胶聚合物可以被直接地植入根床，以将水和其他活性剂输送至植物；或者可以被喷洒在植物上，以将封装的活性剂输送至植物的叶子。

当封装活性剂，并且该活性剂对被用在基于多糖的水凝胶聚合物的产品中的成分敏感时，可以与基于多糖的水凝胶聚合物一起包含赋形剂。例如，当活性剂对碱性介质或高离子含量敏感时，可以包含赋形剂。这种赋形剂的一个例子是表面活性剂（例如Tween-60），对于疏水性且不溶于碱性介质的活性剂来说可以包含这种赋形剂。

如果需要，可以对基于多糖的水凝胶聚合物施加涂层。

如本文所使用的，“植物”指任何种类的植物，包括但不限于：树、花、灌木、草、藤类、蕨类、藓类及类似物（例如开花植物和结果植物、种子、豆类、谷物、块茎及类似物）。术语“植物”包含作物。术语“植物”包含“植物部分”，例如根、茎或叶。

如本文所使用的，“作物”指被种植来收获食物、家畜饲料、燃料或用于任何其他经济目的的植物品种或变形。

在本说明书的文本中，“水凝胶”（也被称为“水凝胶聚合物”、“基于多糖的水凝胶”或“基于多糖的水凝胶聚合物”）从基于多糖的聚合物链的网络中形成，该聚合物链是亲水的，在水作为分散介质时会形成胶体凝胶。这些基于多糖的聚合物可以例如通过金属离子、化学交联剂或氢键而被交联。水凝胶或水凝胶聚合物包含高吸收性的天然或合成的聚合物，并且当被完全水合时可以含有99 wt%的水。水凝胶可以根据它们的水含量而具备一定程度的灵活性。

多糖聚合物是由重复单元（单糖或二糖）形成的、通过糖苷键结合在一起的聚合的碳水化合物结构。在本文公开的一些例子中，多糖聚合物是β-葡聚糖聚合物，例如可得然胶或纤维素（例如羧甲基纤维素（CMC））。能够被采用的其他多糖包含α-葡聚糖。一种这样的α-葡聚糖是具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖，它被称为右旋糖酐。例如，如果聚醛右旋糖酐被所述用作多糖聚合物，则基于胺的交联剂（例如乙二胺）可以被用来制造所述水凝胶。对于聚醛右旋糖酐水凝胶，基于叠氮化物的多官能化合物也可以被用作交联剂，通过采用点击化学来交联所述水凝胶。其他α-葡聚糖（包含α-1,4-；α-1,6-葡聚糖（例如普鲁兰糖和淀粉））也可以使用离子或化学交联剂来形成水凝胶。当考虑β-葡聚糖时，可得然胶是线型的1,3-β-葡聚糖，因为具有1,6-支链的其他1,3-β-葡聚糖表现出与可得然胶相似的特性，所以它们也可以被预期来形成水凝胶。这些分支的多糖包含裂褶多糖、香菇多糖、茯苓聚糖、茯苓多糖、硬葡聚糖、灰树花多糖和它们的化学衍生物。所述化学衍生物例如是羧甲基茯苓多糖、羟甲基茯苓多糖、羟丙基茯苓多糖和羧甲基可得然胶。因为其他1,4-β-葡聚糖与羧甲基纤维素的相似性，所以它们也可以被预期来使用离子或化学交联剂来形成水凝胶。这种1,4-β-葡聚糖的一些例子包含几丁质及其衍生物。另外，可以预期的是，肽聚糖也可以形成具有增强的特性的水凝胶，其中肽会根据离子的电荷而协助离子的配合。肽单元也可以提供特定的功能，例如制造疏水的袋，以用于活性剂的封装。

可以被用来形成根据本发明的水凝胶的多糖聚合物的分子量可以是从10 kDa至5,000 kDa。在被用来制备水凝胶的特定的配方中，多糖的浓度为至少1 mg/mL，优选为70 mg/mL。多糖的分子量为至少10 kDa，优选250 kDa（这是被用在该例子中的CMC的分子量）。如果该水凝胶是离子地交联的水凝胶，则该多糖需要能够被溶于水溶液中。如果正在形成替代的水凝胶，则该水凝胶不需要能够被溶于水溶液中。如果多糖聚合物不是水溶性的，则可以得到衍生物，以提高溶解度并使得该多糖聚合物衍生物能够被离子地交联。在被用来制备离子地交联的水凝胶的特定实施例中，交联溶液中离子的浓度是至少0.01 wt%，优选10 wt%。

如本文所使用的，“可得然胶”（或β-1,3-葡聚糖）指包含β-1,3-连接的葡聚糖残基的葡聚糖的高分子量聚合物，它能够在水悬浮液中加热的时候形成弹性水凝胶。它可以通过Agrobacterium biobar（一种非致病性细菌）而被制备。或者，可得然胶可以通过Alcaligenes faecalis而被制备。高分子量的可得然胶的范围从1 x10⁵ Da至30x10⁵ Da。分子量位于该范围的上端的可得然胶可以对形成的水凝胶提供额外的益处（Dobashi, 2004; Nobe, 2005）。

如本文所使用的，术语“羧甲基纤维素”（或CMC）指高分子量的纤维素（即β-1,3-葡聚糖）聚合物衍生物，它包含羧甲基（-CH₂-COOH），该羟甲基结合至形成纤维素骨架的吡喃葡萄糖单体的一些羟基。高分子量的CMC的范围可以从90 kDa至700 kDa。CMC的取代度可以是0.1至2.8，优选的取代度是每个葡萄糖单元0.7个羟甲基基团。可以被用来制备根据本发明的水凝胶的CMC聚合物先前已经在美国专利4,618,491号中由Kanematu, T. 和Yamaguchi, Y讨论。

如本文所使用的，术语“活性剂”包含对植物、动物或人类具有预期的影响的任何药剂。这包括但不限于例如：小分子，例如药理学活性的化合物（例如疏水性或亲水性药物）；免疫刺激剂；抗癌分子；疫苗；生物聚合物，例如肽、蛋白质、聚核酸（例如肽药物、蛋白质药物、生长激素、生长因子）；作物保护剂，例如盐、离子、矿物、肥料、杀线虫剂、杀害虫剂、除草剂、杀昆虫剂（insecticide）、必需营养素、非必需营养素、核酸或杀菌剂；或干旱保护剂，例如水。应该理解的是，要被输送的活性剂的特性会影响哪种基于多糖的水凝胶聚合物会被用于该输送。例如，如果要将水输送至植物，则可以选择疏水性更强的水凝胶，这是因为疏水性更强的水凝胶可以含有多达99 wt%的水。

营养素可以包括大量营养素和微量营养素。如本文所使用的，“大量营养素”（例如氮、磷、钾、钙、镁和硫）是植物中需求量最大的植物营养物，而“微量营养素”（例如铁、铜、锰、锌、硼、钼和氯）的需求量则相对较小。对植物有益但并非一定必不可少的其他矿质营养元素包括钠、钴、钒、镍、硒、铝和硅。根据被植物吸收的形式、在植物中的功能、在植物中的移动性以及植物缺乏症或营养素的毒性症状特点，营养元素可以不同。

如本文所使用的，“作物保护剂”指直接或间接促进植物的健康或生长的药剂，包括但不限于：肥料、杀真菌剂、杀害虫剂、除草剂、杀线虫剂、杀昆虫剂、杀线虫剂和核酸。根据本发明的水凝胶可以允许被水凝胶封装的活性剂的释放，例如通过使用依赖于水凝胶的物理结构的离子性质的触发释放效果，或者通过使用渗透压驱动的释放机制。

封装有活性剂的基于多糖的水凝胶聚合物例如通过这样形成：将要被封装的活性剂添加至碱性溶液中的可得然胶（β-1,3-葡聚糖）混合物。在这种碱性溶液中，可得然胶被变性。所述混合物然后可以例如在加入水性金属盐时被复性，它离子地交联可得然胶的螺旋结构域并形成封装活性剂的基于多糖的水凝胶聚合物。被封装的活性剂可以是亲水性或疏水性的。水凝胶可以被形成为各种形状、尺寸和形式。将螯合剂添加至离子地交联的水凝胶中，会触发活性剂从可得然胶水凝胶的释放，这是因为螯合剂结合至金属盐并使可得然胶水凝胶变性。可得然胶或者可以使用化学交联分子而被形成，该分子与多糖聚合物骨架上的羟基反应。在交联反应之后，活性剂可以例如使用下述称为反向加载的过程而被加载进化学地交联的可得然胶水凝胶中。

这些可得然胶水凝胶具有非常高的膨胀能力，在一些例子中在水化时达到其干重的多达20倍的重量，使得它们非常适用于保留和释放土壤中的水。可得然胶水凝胶能够输送多种适用于作物保护的其他活性剂，包括例如是：杀害虫剂、除草剂、杀真菌剂、以及用于作物保护和生长的肥料、以及用于转基因应用的核酸。使用不同的添加方法和不同浓度的可得然胶、活性剂和盐，使得能够形成各种结构，这些结构从例如纳米纤维网络至微米颗粒和宏观的圆柱状水凝胶。在实施例1、2、8和9以及与这些实施例相关的相应的附图中，讨论了通过各种浓度的可得然胶、活性剂和/或盐形成的不同水凝胶的例子。

羧甲基纤维素（CMC）钠盐水凝胶聚合物是基于多糖的水凝胶聚合物的其他例子，它可以被用来封装活性剂。例如，CMC水凝胶可以被用来封装用于输送至植物的水。在CMC水凝胶被植入期望的应用之后，CMC水凝胶可以被生物降解。

CMC水凝胶可以例如由CMC和活性剂的水溶液制备，它们然后被加入至盐的水溶液，因此制备封装活性剂的离子地交联的CMC水凝胶。被封装的活性剂可以是亲水性或疏水性的。

在替代的例子中，CMC水凝胶可以使用化学交联而制成。化学交联的CMC水凝胶可以例如通过使用戊二醛溶液、水和盐酸而被制成，而非铁和钙的盐。这形成具有更大的孔径和更强的由于吸水而产生的膨胀能力的CMC水凝胶。交联的不同性质也消除了活性剂加载的螯合作用，这是因为可以在交联反应之后使用例如被称为反向加载的过程来加载活性剂。

反向加载是这样完成的：将期望的活性剂（例如20/20/20的肥料）溶于水中，并使得溶解的活性剂扩散进水凝胶。通过干燥来使被加载的水凝胶脱水，可以重新拉紧水凝胶的孔，并使得被加载的活性剂能够被控制释放。

与离子交联的水凝胶相比，化学地交联（例如使用戊二醛）的水凝胶具有更高的加载能力。离子交联的水凝胶的释放测试显示，一旦肥料负载超过40 wt%，则在被首次放置进土壤时，离子地交联的水凝胶不能防止肥料的突释（burst release）。另一方面，化学地交联的水凝胶能够容纳超过90 wt%肥料的肥料负载，而仍然维持控制释放。

由在聚合物骨架上具有羧基基团的多糖聚合物形成的CMC水凝胶或其他水凝胶，可以使用与羧基基团反应的交联分子而被形成。对于使用与聚合物骨架上的羟基基团反应的交联分子形成的水凝胶，更高的反应速率和更高的交联密度可以提供优势。但是，与聚合物骨架上的羟基基团反应的交联剂，而不是带负电荷的羧基基团，会使多糖（例如可得然胶或纤维素）能够被用来代替羧甲基纤维素。和CMC和可得然胶一样，纤维素水凝胶可以通过这样形成：将纤维素溶解于NaOH水溶液中，从而使多糖聚合物变性，并通过加入金属阳离子来使聚合物复性，以形成离子地交联的水凝胶。

CMC和纤维素水凝胶可以被用来输送多种适用于作物保护的活性剂，包括例如是：水、杀害虫剂、除草剂、杀真菌剂、以及用于作物保护和生长的肥料、以及用于转基因应用的核酸。使用不同的添加方法和不同浓度的CMC或纤维素、活性剂、化学交联剂和/或盐，使得能够形成各种结构，这些结构从例如纳米纤维网络至微米颗粒和宏观的圆柱状水凝胶。在实施例3、7、10和13以及与这些实施例相关的相应的附图中，讨论了通过各种浓度的CMC、活性剂、化学交联剂和/或盐形成的不同水凝胶的例子。

根据可得然胶水凝胶的结果，可以相信，将螯合剂加入至离子地交联的CMC水凝胶中，可以触发活性剂从CMC水凝胶的释放，这是因为螯合剂会结合至离子地交联CMC水凝胶的金属盐并因此使CMC水凝胶变性。

干燥水凝胶（例如CMC或纤维素水凝胶）可以有助于防止被封装的活性剂的突释。CMC或纤维素水凝胶的干燥可以通过这样完成：在交联和活性剂加载之后，在约80 °C将水凝胶放置入烤箱中至延长的时间。水凝胶的干燥诱发多糖聚合物的结晶，这降低了材料的孔径并提高了它对从水化学降解的抗性。干燥48h能形成CMC或纤维素水凝胶的最大量的结晶。可得然胶水凝胶也可以被干燥，并且可以预期，干燥可得然胶水凝胶会影响活性剂的释放速率。

与不干燥的水凝胶相比，干燥的水凝胶可以在更长的时间内并以更受控的方式释放封装的活性剂。使用封装有肥料的干燥水凝胶，小麦植物已经能够显示出超越阳性对照的生长，即使是在该水凝胶含有的肥料剂量低至被施加至阳性对照的剂量的21%的时候。这些结果在图15和16中被示出。

多糖水凝胶具有吸收水和重新释放水的能力，从而能够持续地释放水（例如在降雨期间吸收的水）。水凝胶的膨胀和吸收水的能力依赖于水凝胶的交联密度。这一能力可以被用来帮助维持植物（例如作物或草坪草）的生长。CMC水凝胶能够维持遭受干燥条件的植物的健康，而不会使土壤含盐量升高或改变土壤pH，这些问题都与最常见的土壤改良剂产品相关。在干燥条件下使用CMC水凝胶的实验显示，相对于没有用CMC水凝胶处理的对照实验，CMC水凝胶能够极大地提高植物的健康和生长，不仅是在高度方面，还在植物活力和色彩方面。该实验的结果在图17和18中被示出。

在基于多糖的聚合物形成凝胶结构（例如溶于水）之后，根据本发明的基于多糖的水凝胶聚合物可以通过交联该凝胶结构而被形成，例如通过离子交联、化学交联或基于热的交联。

水凝胶聚合物的离子交联利用多糖聚合物骨架上化学基团的存在，与加入的离子反应，以交联该聚合物。当水凝胶聚合物包含羟基基团或羧酸盐基团的化学基团时（例如可得然胶、纤维素或羧甲基纤维素），交联离子可以是阳离子。当水凝胶聚合物包含带正电荷的化学基团时，交联离子可以是阴离子。

多糖聚合物链具有形成氢键的倾向，根据羟基基团之间的氢键，在某些情况下会在水溶液中形成具有一个或三个聚合物链的螺旋结构域。多糖聚合物（例如可得然胶或纤维素）在二甲亚砜或碱性水溶液（例如氢氧化钠）中的溶解会抑制氢键，导致无规卷曲状态。例如，无规卷曲状态可能在氢氧化钠的浓度大于0.2M时发生。

在凝胶结构被溶解在水溶液中并且聚合物包含羟基和/或羧酸盐基团的配方中，通过加入金属阳离子，它会在多糖聚合物链的去质子化的羟基和/或羧酸盐基团之间形成键，以交联这些结构域，从而使变性的多糖聚合物的无规卷曲复性，以形成螺旋结构域。

所述金属阳离子可以是例如钙、钴、铝、镍或铁的离子。例如，铁的阳离子可以从氯化铁（II）或氯化铁（III）中获得。铝离子可以例如从氯化铝中获得。在一些例子中，所述阳离子是二价阳离子，例如钙的阳离子。正离子（例如钙、钴、铝、镍或铁的离子）也可以被用于通过交联CMC聚合物骨架上的羟基而离子交联CMC。离子交联可以在室温下进行。

加热可以替代地被用来交联基于多糖的水凝胶（例如可得然胶、纤维素或CMC），而不需要加入金属正离子。因此，交联也可以在较高的温度下进行。例如，CMC水凝胶可以通过在40 °C下在水中加热CMC而被形成。

或者，基于多糖的水凝胶可以使用化学交联而被制得。化学交联的水凝胶可以通过使用例如戊二醛溶液、水和盐酸而被制得，而非铁和钙的盐。这形成具有更大的孔径和更强的由于吸水而产生的膨胀能力的水凝胶。交联的不同性质也消除了活性剂加载的螯合作用，这是因为可以在交联反应之后使用例如被称为反向加载的过程来加载活性剂。通过干燥来使被加载的水凝胶脱水，可以重新拉紧水凝胶的孔，并使得被加载的活性剂能够被控制释放。与离子交联的水凝胶相比，化学地交联（例如使用戊二醛）的水凝胶具有更高的加载能力。

交联可以被用来制造各种各样的形状和形式的物理水凝胶。图1示出了离子地交联的可得然胶，其具有不同水平的封装的活性剂，其中活性剂是从0%至18%的DNA，这在实施例1和2中会被更详细地讨论。具有0%活性剂的可得然胶液晶水凝胶表现出可见的同心环，它是由离子交联形成的。同心环的出现是由于钙的扩散梯度，其形成非结晶的（白色环）和结晶的（黑色环）可得然胶的交替层。活性剂的加入使得活性剂独特地分布进可得然胶水凝胶。根据被结合的分子的分子量和结晶度，该分布可以不同。

使用例如由渗透压驱动的释放机制，活性剂可以随着时间从基于多糖的水凝胶聚合物中被主动地释放。与不采用基于多糖的水凝胶聚合物而施加活性剂相比，随着时间的活性剂的释放可以减少重复施加活性剂的需要。

使用由渗透压驱动的释放机制的基于多糖的水凝胶聚合物可以额外地包含赋形剂，它被封装在基于多糖的水凝胶聚合物中，以提高活性剂从基于多糖的水凝胶聚合物中的释放速率。被用于由渗透压驱动的释放的赋形剂（也被称为膨胀剂或辅料（osmotagens））通过在基于多糖的水凝胶聚合物内生成渗透压，而提高活性剂的释放速率。蔗糖是可以被用来生成渗透压的赋形剂的一个例子。

在不希望被理论束缚的前提下，可以相信，水会被封装在基于多糖的水凝胶聚合物之内的赋形剂渗透地吸收。被封装在基于多糖的水凝胶聚合物之内的活性剂会被扩散进基于多糖的水凝胶聚合物的水溶解，因此在基于多糖的水凝胶聚合物的基质内形成水性的微胶囊。

因为环绕水性的微胶囊的基于多糖的水凝胶聚合物是弹性的，所以被赋形剂吸收的水会引起聚合物的膨胀。虽然聚合物最初会通过聚合物弹性应变来抵抗膨胀，但是微胶囊的最终膨胀会在基于多糖的水凝胶聚合物内生成裂缝，这是由于周围的基于多糖的水凝胶聚合物内的键断裂。基于多糖的水凝胶聚合物的破裂是一种压力，它可以由被基于多糖的水凝胶聚合物封装的赋形剂的浓度而确定。

这种微胶囊的膨胀以及导致的基于多糖的水凝胶聚合物的裂缝，通过装置以一层接一层的方式持续进行，导致活性剂的释放。活性剂的释放速率可以通过调整基于多糖的水凝胶聚合物内的渗透活性而被影响。所述渗透活性可以通过例如改变赋形剂、改变赋形剂的量或同时进行两者来调整。例如，释放速率可以被调节至每克基于多糖的水凝胶聚合物每天0.01 mg活性剂，并持续一个月至数个月。

使用由渗透压驱动的释放机制的基于多糖的水凝胶聚合物可以使活性剂能够被输送至植物并持续整个生长季节（对于农作物），而只需施加一次基于多糖的水凝胶聚合物。这能够减少重复施加所需的人力、使用更少的活性剂、或同时达到两种效果。

通过由渗透压驱动的释放机制，被施加至环绕植物的土壤的基于多糖的水凝胶聚合物通过毛细力将水从环境中吸收进基于多糖的水凝胶聚合物。水向基于多糖的水凝胶聚合物的移动制造了渗透-化学-运输路径，使植物根部导向基于多糖的水凝胶聚合物。因为植物根部环绕基于多糖的水凝胶聚合物生长，植物根毛能够物理地生长并将它们自身依附在基于多糖的水凝胶聚合物上。基于多糖的水凝胶聚合物可以作为仓库来向根部释放被封装在基于多糖的水凝胶聚合物中的活性剂。

根据本发明的水凝胶具有可以被用来封装活性剂的物理结构。β-1,3-葡聚糖水凝胶的可得然胶三螺旋通过使用水性氯化钙的离子交联而形成，它是具有能够封装活性剂的物理结构的基于多糖的水凝胶聚合物的一个例子。具有能够封装活性剂的物理结构的基于多糖的水凝胶聚合物的其他例子包含使用例如铁或钙离子形成的离子地交联的可得然胶、CMC或纤维素水凝胶聚合物。改变离子的浓度会改变得到的CMC、纤维素或可得然胶水凝胶的机械性能并因此改变输送特性。

具有能够封装活性剂的物理结构的基于多糖的水凝胶聚合物的其他例子包含通过化学交联剂（例如戊二醛）交联的可得然胶、CMC或纤维素水凝胶。改变化学交联剂的量会改变得到的可得然胶、CMC或纤维素水凝胶的机械性能并因此改变输送特性。

活性剂的一些分子特性（例如高碱溶解度和低水溶性）会使封装效率提高。但是，其他分子也可以被封装，包括小分子。对于在水份保持中的应用，可能会期待基于多糖的水凝胶聚合物具有高吸水膨胀能力和一致的可重复性。图2示出了在被初步干燥之后在膨胀和脱水循环期间β-1,3-葡聚糖水凝胶的重量的进展。该水凝胶由多达90%的能够通过简单的空气干燥去除的水性介质（例如水）组成。在水中的重新水化使水凝胶重新膨胀至其原始质量。持有大量的水的能力使得水凝胶将水输送至植物。需要的水保留量依赖于应用场合。例如，在水的输送是目的之一的干燥区域，需要更大的水保留。另一方面，在湿润区域，则需要较少的水保留，从而对土壤水平造成最小的干扰。

在将作物保护剂加载进水凝胶的例子中，根据在初期水溶液的有效负载的溶解度，可以观察到均匀分布。水溶性的肥料（例如硝酸盐和磷化合物）可以被均匀地加载进水凝胶。不溶性的杀害虫剂（例如阿特拉津）可以在水凝胶内形成沉淀，对释放提供基于二级扩散的屏障。

DNA可以被基于多糖的水凝胶聚合物封装，虽然可以理解的，DNA只是可以被封装的活性剂的一个例子。DNA是可以适用于例如制造转基因植物的说明性例子。核酸在水凝胶内的分配受到DNA在金属盐的存在下的凝胶能力的影响。图1示出了DNA的重量百分比提升下的可得然胶液晶水凝胶。通过加入DNA，水凝胶形成非结晶相和结晶相。通过分子量远远超过可得然胶的DNA链，非结晶状态的DNA链使非晶中心的密度可见地增加，而结晶的DNA均匀地分布在可得然胶基质中。整个水凝胶的DNA图谱的研究（图5）证实了这种行为，它形成两个不同浓度的DNA的分布，即靠近中心和靠近外环。朝向外侧环的浓度超过DNA的重量百分比较高的内部浓度，这是由于与可得然胶相比DNA更快的凝胶速率（因为分子量更大）。通过更高的DNA浓度，进入水凝胶中心的分布被抑制。

被封装的DNA可以是CpG DNA，它已经被证明是免疫刺激性的。CpG DNA先前已经被用于疫苗的配方中。基于多糖的水凝胶聚合物（例如可得然胶）和DNA在外层的结晶为内部的非结晶DNA提供了保护层。非结晶DNA更有生物活性，因为它很可能会处于其天然形式。这种配置提供了稳定的配方，直到内部DNA需要被释放。DNA可以在螯合剂（例如柠檬酸钠）的帮助下被释放。在哺乳动物的例子中，这可以通过在摄入水凝胶-DNA系统之后施加口服或静脉的触发剂（例如柠檬酸钠）而完成。

基于多糖的水凝胶聚合物（例如β-1,3-葡聚糖水凝胶）可以使用例如透析和纳米沉淀的方法而被制得，而同时保持它们在各种规模下的特性。多糖聚合物（例如可得然胶）围绕中心的非结晶DNA的结晶可以保护DNA的活性并降低来自酶（例如DNA酶）的降解。另外，多糖聚合物（例如可得然胶）可以具有治疗性影响，这可以补充免疫刺激性的DNA的活性。

基于多糖的水凝胶聚合物可以被形成为多种不同的物理形式。例如，本发明描述了不同物理形式的可得然胶水凝胶。根据浓度，逐滴地将可得然胶溶液加入正在搅拌的水性氯化钙，能够形成从纳米纤维网络至微粒和较大的球形毫米球等结构。当液体溶液被优选地喷洒在土壤上时，纳米纤维网络可以是优选的。当水凝胶要被与种子种植一起使用时，毫米球和宏观的水凝胶可以是优选的。在静脉给药的例子中，纳米纤维可能是更兼容的，而在吸入法的例子中，则可能需要粉末形式。虽然本发明可能讨论了通过特定的基于多糖的聚合物来形成物理形式，但应该理解的是，其他基于多糖的聚合物也可以被用来形成那些物理形式。相应地，关于可得然胶-DNA水凝胶的讨论可以被替代为CMC-DNA水凝胶或纤维素-DNA水凝胶，只要可以理解为被用来形成水凝胶的CMC或纤维素能够被溶于水溶剂中。

毫米球是直径为0.1 mm至10mm的珠状结构。可得然胶和DNA的同时共凝胶化（亦即，形成封装DNA的可得然胶水凝胶）能够形成根据可得然胶和DNA的相对浓度而改变结构的毫米球。这证明了根据可得然胶和DNA的浓度控制结构的架构。图6证明了在改变DNA和氯化钙浓度的时候毫米球结构的演变。纯DNA的毫米球凝胶化形成固体的白色水凝胶，而可得然胶浓度的上升提供了不透明的水凝胶涂层，这证明了DNA的较高凝胶速率使它能够作为用于毫米球形成的成核中心。太多地降低DNA浓度会导致球形的损失，这是因为毫米球在搅拌过程中被变形，并且完全没有DNA浓度会导致没有这种毫米球。较低浓度的氯化钙会降低交联密度，使颗粒膨胀。

光学显微镜显示了毫米球内界面的存在（图7）。在75% DNA系统的例子中，可以清楚看到，内部界面将DNA的中央核心（在形态上与纯DNA球体相似）和可得然胶的外涂层分开。更具同质性的相似界面可以在50% DNA样品中观察到。在更低或更高浓度的DNA之下，没有观察到内部界面。这表示了毫米球内的DNA根据浓度的可变分布，这反过来可以影响基质内活性剂的封装、分布和释放。

通过以幅度下降的DNA浓度，形成了更小的纳米和微米结构。图8示出了通过逐滴地加入可得然胶和DNA的混合物而得到的、通过透射电子显微镜看到的纳米结构的演化。在较高浓度的可得然胶之下，增加DNA浓度会使纤维结构转换为形成具有核-壳结构的刚性结晶微颗粒。在较低浓度的可得然胶之下，增加DNA浓度首先使纤维密度升高，导致形成承载疏水核心和亲水外壳的纳米颗粒和刚性棒状结构。但是，因为可得然胶的浓度较低，在这些样品中观察到可见的沉淀，而纳米结构在上清液中可以找到。在逐步降低的可得然胶之下，DNA结晶在样品中可见，且没有其他定义特征。

被封装的活性剂从根据本发明的基于多糖的聚合物的释放可以例如通过加入外部触发剂而被触发。所述外部触发剂可以是螯合剂，它螯合参与交联的离子的至少一部分。通过加入外部触发剂的触发释放可以被理解为水凝胶的去交联，因此形成不交联的基于多糖的聚合物，以及被封装的药剂从水凝胶的相应的释放。

这种触发释放的一个例子是使用螯合剂的离子地交联的水凝胶的去交联，该螯合剂与离子相互作用，以防止离子与水凝胶交联。随着交联的离子通过螯合剂而从交联剂分离，水凝胶被去交联并释放被封装的药剂。螯合剂可以是能够螯合交联离子的任何化合物。在一些例子中，螯合剂可以是柠檬酸钠，乙二胺四乙酸（EDTA）或膦酸酯。在一些例子中，交联离子可以是钙、铁或铜。

如图9所示，当成型的可得然胶水凝胶被放置于水中时，经过30小时都观察不到DNA有效负载的释放。通过作为介质的水性柠檬酸钠，在最初的2小时水化时期之后，释放曲线是截然不同的，且水凝胶在8小时内几乎完全崩解。利用这种效应，可以通过将浸泡在水中的水凝胶移动进柠檬酸钠介质来触发释放。

在CMC水凝胶的例子中，活性剂的释放可以在不存在螯合剂的情况下完成。这在图10中示出，其中使用市售的肥料作为活性剂。可以观察到，CMC水凝胶可以在一个月内在去离子水中释放肥料。当应用至土壤时，可以期待释放速率会进一步减慢，因为水凝胶之外的水含量更低。

实施例

实施例 1 ：通过使用圆柱形模具的宏观可得然胶液晶水凝胶。

将从和光纯药工业（Wako Pure Chemical Industries）得到的可得然胶以70 mg/mL的浓度溶解于0.4M的氢氧化钠水溶液中。通过利用透析膜（Fisherbrand再生纤维素透析管平板，宽45mm，截留分子量12,000至14,000 Da）和两个直径29.6 mm的塑料盖（Amicon超-15离心式过滤器单元盖）为交联过程制造圆柱形模具。该装置为合成水凝胶提供了均匀的圆柱形状。然后，通过在一个盖中打孔并随后密封该盖，将12ml的可得然胶溶液插入至模具中。然后将具有可得然胶溶液的透析模具置于100 mL 10 wt%的氯化钙水溶液中4小时。这段时间之后，通过切割透析膜来提取物理的圆柱形水凝胶。从圆柱形水凝胶中切割2mm厚的截面切片来得到图1的图像。

实施例 2 ：使用圆柱形模具的宏观可得然胶 -DNA 液晶水凝胶。

将来自鲑鱼睾丸（Sigma-Aldrich公司）的脱氧核糖核酸（DNA）以15 mg/mL的浓度溶解于去离子水中。将各种体积（3 mL、5 mL和7.5 mL）的这种DNA溶液加入至各种体积（分别为12 mL、10 mL和7.5 mL）的来自实施例1的70 mg/mL的可得然胶溶液中，以得到具有5 wt%、10 wt%和18 wt% DNA的溶液。结果，将12 mL的每种混合物插入至实施例1中描述的单独的模具中。然后将这些样品置于100 mL 10 wt%的氯化钙水溶液中4小时。提取水凝胶并切割2mm厚的截面切片来得到图1的图像。

实施例 3 ：使用圆柱形模具的宏观 CMC 水凝胶。

将Mw为约250,000并且每摩尔纤维素含有0.7 mol羧甲基的羧甲基纤维素（CMC）钠（Sigma-Aldrich公司）以70 mg/mL的浓度溶解于去离子水中。然后将30 mL的这种溶液转移至实施例1中描述的圆柱形模具中。然后将具有CMC溶液的透析模具放置于不同浓度的氯化钙、氯化铁（II）、氯化铁（III）溶液中72小时，以确保完全交联。提取这些样品并将其转移至30ml的去离子水中，以使其在72小时内膨胀至最大重量。记录重量并将样品置于环境条件下干燥，直到达到平衡。重新水化该样品并重复该循环。如图3中突出的，可以发现使用0.5 wt%的氯化铁（III）和5 wt%的氯化钙合成的样品在膨胀和脱水循环中最稳定。为了在土壤环境中延伸膨胀和脱水研究，以用于实际应用，如以下的实施例7中突出的，通过封装的10 wt% 20/20/20的肥料来合成水凝胶。该水凝胶被置于土壤中，并且不浇水或者每日或每周浇水。每天测量水凝胶的重量。将数据对每个样品得到的最大重量进行标准化。如图4所示，在每周浇水的条件下，水凝胶在数个膨胀循环中保持稳定。

实施例 4 ：宏观可得然胶水凝胶的干燥和膨胀。

如实施例1所描述地合成宏观的圆柱形可得然胶水凝胶。获取这些水凝胶的截面切片，重量为1-2克。将这些水凝胶置于环境条件中干燥并在去离子水中膨胀并进行重复的循环。使用分析天平监控干燥/膨胀循环期间水凝胶的重量，直到重量停止变化。这些结果示出于图2中。

实施例 5 ： DNA- 可得然胶宏观水凝胶中 DNA 的分布。

如实施例2所描述地合成DNA-可得然胶水凝胶。获取这些水凝胶的2mm厚的截面切片，其重量约为1克。从水凝胶的中心向外移动纵向地将该截面进一步切成5个2 mm的部分。对每个这些切片称重并将其溶解于5 wt%柠檬酸钠水溶液中，以得到浓度为10 mg/mL的水凝胶。使用紫外-可见光分光光度法通过测量在260 nm的吸光度来表征这些溶液，该波长是对DNA的特征吸收峰。对纯可得然胶水凝胶进行相似的步骤，以用于对比。通过减去溶剂的空白读数使吸光度标准化，然后将其对离水凝胶的中心的距离进行作图。这可以在图5中看到。

实施例 6 ：使用柠檬酸钠的 DNA 从 DNA- 可得然胶宏观水凝胶的触发释放。

如实施例2所描述地合成DNA-可得然胶水凝胶。将2mm厚和1克重的截面切片置于25mL的去离子水或1 wt%柠檬酸钠水溶液中。在转移至1 wt%柠檬酸钠水溶液之前，将每个切片在去离子水中水化2小时。

在规则的时间间隔从基质中采集样品8小时，并在260 nm测量吸光度。通过减去溶剂的吸光度使吸光度标准化，然后将其对样品采集的时间进行作图。这些结果示出于图9中。这证明了DNA可以通过使用螯合剂（例如柠檬酸钠）从水凝胶中被释放。

实施例 7 ：药剂从 CMC 水凝胶的控制释放。

使用市售的20/20/20肥料来证明活性剂在CMC水凝胶中的封装。将肥料以140 mg/mL的浓度溶解于去离子水中，然后将其加入至在实施例3中提到的CMC溶液（70 mg/mL），从而形成相对于CMC的20 wt%的肥料。与实施例3中的相比，透析介质含有更高浓度的盐（亦即，1 wt%的氯化铁（II）、1 wt%的氯化铁（III）和10 wt%的氯化钙），这是因为肥料中存在螯合剂。

为了测试亲水性和疏水性分子的封装能力，也以140 mg/mL的浓度制备快绿FCF染料和亚甲基蓝染料的溶液，然后将其以20 wt%加入CMC溶液。然后将这些溶液转移至实施例3中提到的圆柱形模具，然后合成水凝胶。然后将水凝胶置于100 mL去离子水中，通过从释放介质中采集1 mL的样品来测量活性剂的释放。不断补充释放介质来保证体积不变。使用紫外-可见光光谱来量化释放的活性剂的量。对于肥料样品，在630 nm测量吸光度，对于快绿FCF染料，在620 nm测量吸光度，对于亚甲基蓝染料，在290 nm测量吸光度。如图10所示，可以观察到，肥料可以在一个月的时间内被释放。如图11所示，染料以相似的速率被释放。

实施例 8 ：通过共凝胶和纳米沉淀的 DNA- 可得然胶毫米球。

将可得然胶以15 mg/mL的浓度溶解于0.4 M氢氧化钠水溶液中，并将DNA以相同的浓度溶解于去离子水中。通过加入各种体积的DNA（2 mL、1.5 mL、1 mL、0.5 mL、0 mL）和可得然胶（分别为0 mL、0.5 mL、1 mL、1.5 mL、2 mL）溶液来制造DNA和可得然胶的5个混合物。然后，将0.5 mL的每个这些混合物逐滴地加入至5 mL 1 wt% 或10 wt%的磁力搅拌的氯化钙水溶液中。可以搅拌这些溶液一小时。在显微镜载玻片上从证明有毫米球的每个样品采集三个毫米球，以用于成像。这些结果显示于图5中。可以观察到，更高浓度的DNA（~50%）和更高浓度的氯化钙（~10%）可以提供界限更清楚的毫米球。在盖玻片下压缩这些微球，以在蔡司相衬光学显微镜下对其研究。在10x的放大倍率下对样品成像，以证明某些样品中内核的存在。这在图6中示出。

实施例 9 ：由 DNA 和可得然胶纳米沉淀形成的纳米纤维。

将可得然胶（10 mg/mL和30 mg/mL）溶解于0.4 M氢氧化钠水溶液中，并将DNA（0.1 mg/mL、0.5 mg/mL和2.5 mg/mL）溶解于去离子水中。通过向0.25 mL DNA样品加入0.25 mL可得然胶样品，制备DNA和可得然胶的混合物。将这些混合物（0.5 mL）逐滴地加入至磁力搅拌的10 wt%氯化钙水溶液中。通过将一滴样品置于300目的涂有福尔瓦（Formvar）的铜网（Canemco & Merivac公司）上，然后使用滤纸将其吸干，以制备TEM样品。使用一滴磷钨酸将样品染色，然后也进行吸干。使用飞利浦CM10透射电子显微镜分析制备的样品。采集的图像显示于图7中。该图显示，能够形成具有不同形态的纳米结构。

实施例 10 ：用于小麦和油菜的生长的 CMC 水凝胶。

将来自实施例7的封装有肥料的CMC水凝胶和小麦和油菜的种子一起植入罐中。在每个罐含有两个种子的三次重复中完成实验。在没有CMC水凝胶的情况下进行对照实验。通过测量植物的高度来确定植物生长。使用来自对照实验的最大高度来使数据标准化，并因此以百分比表示生长。可以观察到，具有肥料的CMC水凝胶具有增强小麦（图12）和油菜（图13）植物的生长的能力。

实施例 11 ：在热力下交联的离子 CMC 水凝胶。

通过使用1 wt%的氯化铁（II）、1 wt%的氯化铁（III）和10 wt%的氯化钙的透析介质交联CMC，以制备与来自实施例7的相似的封装有肥料的CMC水凝胶，将其在交联步骤的持续时间内持续地加热至40 °C，以促进盐扩散进CMC水凝胶。

测试得到的水凝胶的促进植物生长的能力。该测试在每个罐含有一个种子的三次重复中完成。在没有CMC水凝胶的情况下进行对照实验，阳性对照接收每日50 ml 1 g/L的溶于去离子水的20/20/20肥料的剂量，而阴性对照仅接收50 ml去离子水。通过测量植物的高度来确定植物生长。使用来自阳性对照实验的最大高度来使数据标准化，并因此以百分比表示生长。可以观察到，具有CMC水凝胶的植物的生长优于阳性对照，并且显示了加热交联的水凝胶优于常规CMC水凝胶制剂，这是通过对同时生长的阳性对照的每个百分比生长的增加来确定的。该结果示出于图14中。

实施例 12 ：干燥的离子和化学交联的 CMC 水凝胶。

将与来自实施例7的相似的、封装有肥料的离子CMC水凝胶在离子交联之后提取，并通过将它们置于设置为80 °C的烤箱中48小时来进行干燥，从而去除残留水并减少水凝胶的结晶。

为了化学交联，通过制备CMC溶液（70 mg/mL），并将得到的水凝胶置于模具中，并将水凝胶放置入交联溶液（由250 mL 25%的溶于水的戊二醛溶液、140.2 mL去离子水和9.8 mL 38%的盐酸组成）中，以制备水凝胶。水凝胶可以在持续加热至40 °C 48小时之下保持在交联溶液中。然后将水凝胶从交联溶液中移除，并将其使用去离子水反复冲洗，直到所有残留的戊二醛都从水凝胶中移除。然后通过将水凝胶置于2.15g/L的20/20/20肥料的溶液中，以通过肥料反向加载水凝胶，并使肥料在48小时的时间内扩散进水凝胶。然后将化学交联的水凝胶加载进烤箱，并干燥48小时。

在干燥水凝胶之后，将它们单独地放置进罐中，其中每个罐含有一个种子。在没有CMC水凝胶的情况下进行对照实验，阳性对照接收每日50 ml 1 g/L的溶于去离子水的20/20/20肥料的剂量，而阴性对照仅接收50 ml去离子水。通过测量植物的高度来确定植物生长。使用来自对照实验的最大高度来使数据标准化，并因此以百分比表示生长。可以观察到，具有CMC水凝胶的植物的生长优于阳性对照。该结果示出于图15和16中。

实施例 13 ：干燥条件下离子和化学交联的 CMC 水凝胶对植物的影响。

使用来自实施例7的过程来制造封装有肥料的离子CMC水凝胶。

为了化学交联，通过混合CMC溶液（70 mg/mL），并将得到的水凝胶置于模具中，并将水凝胶放置入交联溶液（由250 mL 25%的溶于水的戊二醛溶液、140.2 mL去离子水和9.8 mL 38%的盐酸组成）中，以制备水凝胶。水凝胶可以在持续加热至40 °C 48小时之下保持在交联溶液中。然后将水凝胶从交联溶液中移除，并将其使用去离子水反复冲洗，直到所有残留的戊二醛都从水凝胶中移除。

将水凝胶单独地放置进罐中，其中每个罐含有一个种子，并且在离子CMC水凝胶的情况中，每周施加两次50 mL去离子水，而对于化学CMC水凝胶，则每周施加两次50 mL 1 g/L的溶于去离子水的20/20/20肥料。在没有CMC水凝胶的情况下进行对照实验，阳性对照接收每周两次50 ml 1 g/L的溶于去离子水的20/20/20肥料的剂量，而阴性对照仅接收每周两次50 ml去离子水。通过测量植物的高度来确定植物生长。使用来自对照实验的最大高度来使数据标准化，并因此以百分比表示生长。可以观察到，具有CMC水凝胶的植物的生长优于阳性对照。该结果示出于图17和18中。

上述所有参考文献的全文都明确地合并入本文中。

上述实施例仅仅旨在作为例子。本领域技术人员可以对特定的实施例进行改变、修改和变型，而不会脱离本发明的范围，该范围仅由附加的权利要求书界定。

Claims (72)

1.一种将活性剂输送至植物的方法，所述方法包括：

向所述植物施加离子地交联的水凝胶，所述离子地交联的水凝胶包含：

多糖聚合物；

离子，所述离子与所述多糖聚合物上的抗衡离子官能团相互作用并交联所述多糖聚合物；以及

活性剂，所述活性剂被离子地交联的多糖聚合物封装；并且

施加螯合剂，以螯合离子地交联所述水凝胶的离子的至少一部分，触发被封装的活性剂从所述水凝胶的释放，并将所述活性剂输送至所述植物。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子是钙离子、铁离子、铝离子、镍离子、钴离子、铜离子或其任意组合。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中螯合剂是柠檬酸钠、乙二胺四乙酸（EDTA）、膦酸盐或其任意组合。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子是钙离子，所述螯合剂是柠檬酸钠。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述活性剂是水、小分子、免疫刺激剂、抗癌分子、疫苗、生物聚合物、作物保护剂或其任意组合。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述活性剂是水。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述活性剂是植物肥料。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述多糖聚合物是肽聚糖聚合物。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述多糖聚合物是β-葡聚糖聚合物或α-葡聚糖聚合物。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述α-葡聚糖聚合物是具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述α-葡聚糖聚合物是右旋糖酐或聚醛右旋糖酐。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述α-葡聚糖聚合物是α-1,4-葡聚糖、α-1,6-葡聚糖。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述α-葡聚糖聚合物是普鲁兰糖或淀粉。

14.根据权利要求9所述的方法，其中所述多糖聚合物是β-1,3-葡聚糖聚合物或β-1,4-葡聚糖聚合物。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述β-1,3-葡聚糖是具有β-1,6支链的β-1,3-葡聚糖。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述β-葡聚糖是裂褶多糖、香菇多糖、茯苓聚糖、茯苓多糖、硬葡聚糖、灰树花多糖或其化学衍生物。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述化学衍生物是羧甲基茯苓多糖、羟甲基茯苓多糖、或羟丙基茯苓多糖。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述β-1,3-葡聚糖聚合物是可得然胶聚合物或羧甲基可得然胶聚合物。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述β-1,4-葡聚糖聚合物是纤维素聚合物、羧甲基纤维素聚合物、几丁质或几丁质衍生物。

20.一种基于多糖的聚合物水凝胶，包含：

多糖聚合物；

交联剂，所述交联剂与所述多糖聚合物相互作用，以交联所述多糖聚合物；以及

活性剂，所述活性剂被交联的多糖聚合物封装。

21.根据权利要求20所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述交联剂是离子，所述离子与所述多糖聚合物上的抗衡离子官能团相互作用。

22.根据权利要求21所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述离子是金属阳离子。

23.根据权利要求20所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述交联剂是与所述多糖聚合物反应的化学交联剂。

24.根据权利要求23所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述化学交联剂是戊二醛。

25.根据权利要求20至24中任一项所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述活性剂是小分子、免疫刺激剂、抗癌分子、疫苗、生物聚合物、作物保护剂或其任意组合。

26.根据权利要求20至24中任一项所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述活性剂是植物肥料。

27.根据权利要求20至26中任一项所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述多糖聚合物是肽聚糖聚合物。

28.根据权利要求20至26中任一项所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述多糖聚合物是β-葡聚糖聚合物或α-葡聚糖聚合物。

29.根据权利要求28所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖。

30.根据权利要求29所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是右旋糖酐或聚醛右旋糖酐。

31.根据权利要求28所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是α-1,4-葡聚糖、α-1,6-葡聚糖。

32.根据权利要求31所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是普鲁兰糖或淀粉。

33.根据权利要求28所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述多糖聚合物是β-1,3-葡聚糖聚合物或β-1,4-葡聚糖聚合物。

34.根据权利要求33所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-1,3-葡聚糖是具有β-1,6支链的β-1,3-葡聚糖。

35.根据权利要求34所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-葡聚糖是裂褶多糖、香菇多糖、茯苓聚糖、茯苓多糖、硬葡聚糖、灰树花多糖或其化学衍生物。

36.根据权利要求35所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述化学衍生物是羧甲基茯苓多糖、羟甲基茯苓多糖、或羟丙基茯苓多糖。

37.根据权利要求33所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-1,3-葡聚糖聚合物是可得然胶聚合物或羧甲基可得然胶聚合物。

38.根据权利要求33所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-1,4-葡聚糖聚合物是纤维素聚合物、羧甲基纤维素聚合物、几丁质或几丁质衍生物。

39.根据权利要求20至38中任一项所述的基于多糖的聚合物水凝胶，所述基于多糖的聚合物水凝胶进一步包含赋形剂。

40.根据权利要求39所述的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述赋形剂是填充剂。

41.一种离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，所述水凝胶用于被所述水凝胶封装的活性剂的触发输送，所述水凝胶包含：

多糖聚合物；

离子，所述离子与所述多糖聚合物上的抗衡离子官能团相互作用，以交联所述多糖聚合物；以及

活性剂，所述活性剂被离子地交联的多糖聚合物封装。

42.根据权利要求41所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中被封装的活性剂的输送是通过螯合剂触发的，所述螯合剂与所述离子的至少一部分相互作用并防止这些离子交联所述多糖聚合物。

43.根据权利要求41或42所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述活性剂是水、小分子、免疫刺激剂、抗癌分子、疫苗、生物聚合物、作物保护剂或其任意组合。

44.根据权利要求41或42所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述活性剂是水。

45.根据权利要求41或42所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述活性剂是植物肥料。

46.根据权利要求41至45中任一项所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述多糖聚合物是肽聚糖聚合物。

47.根据权利要求41至45中任一项所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述多糖聚合物是β-葡聚糖聚合物或α-葡聚糖聚合物。

48.根据权利要求47所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是具有α-1,3支链的α-1,6-葡聚糖。

49.根据权利要求48所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是右旋糖酐或聚醛右旋糖酐。

50.根据权利要求47所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是α-1,4-葡聚糖、α-1,6-葡聚糖。

51.根据权利要求50所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述α-葡聚糖聚合物是普鲁兰糖或淀粉。

52.根据权利要求47所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述多糖聚合物是β-1,3-葡聚糖聚合物或β-1,4-葡聚糖聚合物。

53.根据权利要求52所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-1,3-葡聚糖是具有β-1,6支链的β-1,3-葡聚糖。

54.根据权利要求53所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-葡聚糖是裂褶多糖、香菇多糖、茯苓聚糖、茯苓多糖、硬葡聚糖、灰树花多糖或其化学衍生物。

55.根据权利要求54所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述化学衍生物是羧甲基茯苓多糖、羟甲基茯苓多糖、或羟丙基茯苓多糖。

56.根据权利要求52所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-1,3-葡聚糖聚合物是可得然胶聚合物或羧甲基可得然胶聚合物。

57.根据权利要求52所述的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶，其中所述β-1,4-葡聚糖聚合物是纤维素聚合物、羧甲基纤维素聚合物、几丁质或几丁质衍生物。

58.一种用于从离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶中释放活性剂的试剂盒，所述水凝胶封装所述活性剂，所述试剂盒包含：

封装所述活性剂的离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶；以及

螯合剂，所述螯合剂适于螯合离子地交联所述基于多糖的聚合物水凝胶的离子的至少一部分。

59.一种制备用于活性剂的输送的基于多糖的聚合物水凝胶的方法，所述方法包含：

提供多糖聚合物；

提供含有所述活性剂的溶液；

将所述多糖聚合物分散或溶解在所述溶液中，以形成聚合物凝胶溶液；并且

通过交联剂交联所述聚合物凝胶溶液中的所述多糖聚合物，以形成所述基于多糖的聚合物水凝胶，所述基于多糖的聚合物水凝胶封装所述活性剂。

60.根据权利要求59所述的方法，其中所述交联剂是离子，所述基于多糖的聚合物水凝胶是离子地交联的水凝胶；

所述方法包含：将所述聚合物凝胶溶液与所述离子接触，以交联所述多糖聚合物并形成所述离子地交联的基于多糖的聚合物水凝胶。

61.根据权利要求60所述的方法，其中所述离子是金属离子。

62.根据权利要求59所述的方法，其中所述金属离子是钙、铁、铝、镍、钴或铜。

63.根据权利要求59至62中任一项所述的方法，其中所述活性剂是水。

64.根据权利要求63所述的方法，其中所述活性剂额外地包含作物保护剂。

65.根据权利要求64所述的方法，其中所述作物保护剂是盐、离子、矿物、肥料、杀线虫剂、杀害虫剂、除草剂、杀昆虫剂、必需营养素、非必需营养素、核酸、杀真菌剂、或其任意组合。

66.根据权利要求65所述的方法，其中所述作物保护剂是核酸。

67.根据权利要求66所述的方法，其中所述核酸在被加入至所述聚合物溶液之前，被分散在去离子水中。

68.根据权利要求66所述的方法，其中所述活性剂额外地包含植物肥料。

69.根据权利要求59至68中任一项所述的方法，所述方法进一步包含：干燥所述水凝胶。

70.一种将活性剂输送至植物的方法，所述方法包含：向所述植物施加根据权利要求20至57中任一项所述的水凝胶。

71.根据权利要求70所述的方法，其中所述交联剂是化学交联剂，所述基于多糖的聚合物水凝胶是化学地交联的水凝胶；

所述方法包含：使所述活性剂分散出所述水凝胶。

72.根据权利要求70所述的方法，其中所述水凝胶进一步包含赋形剂，所述活性剂是作物保护剂，并且所述方法包含所述活性剂从所述水凝胶的由渗透压驱动的释放。