纳米材料与安全研究报告.doc

精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载。纳米材料毒性与安全性研究报告（中南大学化学化工学院化工系，长沙，410000）摘要：随着纳米技术的不断发展，越来越多的纳米化技术被应用到生物医药领域，为疾病的诊断和治疗提供极大的利益。但是，当这些产品最终应用到人体的时候，引发了一系列的思考，纳米材料的毒性不断被报道。因此各国的科学家都呼吁在纳米生物医疗产品被更广泛的应用之前，应该通过进一步的实验对其风险收益比进行评估。关键字：纳米材料 生物效应 生物安全性中图分类号：TB383Research on biological safety of nanometer-scale materials(Central South University,Changsha,410000)Abstract:With the continuous development of nanotechnology,a growing number of nano-technology has been applied to the biomedical field.It provides great benefits for the diagnosis and treatment of disease.However,when these products finally applicated to the human body, triggering a series of thinking, the toxicity of nanomaterials continue to be reported.So scientists are calling for all countries before the nano-bio-medical products are more widely used in,it should be evaluated by further experiments on its risk-benefit ratio.Key words:Nano-materials Biological safety Biological effects 自从1991年Iijiman等人制造成功纳米碳管以来，在国际上掀起了研究纳米材料和纳米器件的高潮各种各样的纳米材料不断制取出来，而且生产纳米材料的工厂像雨后春笋般地建立起来据不完全统计，短短几年内仅在我国每年能生产近千万吨纳米材料的工厂就已建立起几千家纳米科学技术的出现被认为是继工业革命后最大的工程革命，而且被美国政府描述为未来10年值得投资万亿资金的“下一个工业革命”【1】。纳米颗粒(微粒)通常是指颗粒尺寸介于原子与物质之间的一类粉末，尺寸一般在1100脚之间。当小粒子尺寸进入纳米量级(1100m)时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，在物理化学性质发生突变的同时，其机械性能和生物效应也发生质的转变，从而在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面显示出许多奇异的特性【2】。纳米技术在多个领域已经得到了较好应用，如电子、化妆品和防晒霜、医药学和金属切割工具等领域。而且科研人员正在开展以纳米技术为基础的新型材料、可以自我组装和复制的纳米机器人或装置以及可以杀死特定有机体甚至可以修复DNA的生物医学治疗等领域的研究。1.纳米材料安全性评估的重要性这些效应可导致异常的吸附能力，化学反应能力，分散与团聚能力，在不同介质中的溶解性，热学性能，光催化性能和表面活性等由于它颗粒小，V/S（体积表面积）之比极小，其特性与大块的材料有明显区别有些纳米材料具有极其奇特性能而广泛运用于工业、农业、医疗、科学研究和食品卫生等方面纳米技术在多个领域已经得到了较好应用，如电子、化妆品和防晒霜、医药学和金属切割工具等领域。而且科研人员正在开展以纳米技术为基础的新型材料、可以自我组装和复制的纳米机器人或装置以及可以杀死特定有机体甚至可以修复DNA的生物医学治疗等领域的研究【3-5】。但正是因为它的尺寸比空气中的灰尘还小，人们必然想到生活在产地和供用的场所的人每天要吸人大量的纳米颗粒，至此人们就自然要问吸人人体的纳米材料是否对人的健康会造成严重影响?这是值得我们深思，而我们的政府必须考虑的问题【6】一项长期流行病学研究结果表明，人的发病率和死亡率与他们所生活的周围环境空气中大气颗粒物浓度和颗粒物尺寸密切相关。死亡率是由剂量非常低的相对较小的颗粒物引起的，粒径越小，危害越大，导致发病率和死亡率显著增高，所引起的疾病主要是心血管疾病和肺部疾病。在美国进行的这项长期人群调查结果显示，人生活周围空气中25斗m颗粒每增加10灿gm3，总死亡率增加713。世界卫生组织(WHO)组织专家对已有的实验数据进行分析发现：(1)周围空气10斗m的颗粒每增加100斗gm3，死亡率增加68，但是当周围空气25斗m的颗粒每增加100斗gm3，死亡率却增加1219；(2)周围空气10斗m的颗粒每增加50斗gm3，住院病人增加了36，周围空气25斗m的颗粒每增加50斗gm3，住院病人增加了25；(3)周围空气10(m的颗粒每增加25斗gm3，哮喘病人病情恶化和使用支气管扩张器的百分比将增加8，咳嗽病人将增加12。伦敦大雾是一个众所周知的例子，这场大雾之后，两周内在伦敦有4000多人突然死亡。科学家分析研究的结果，认为主要是空气中细小的纳米颗粒大量增加造成的。目前，细小颗粒物导致疾病的发病率和死亡率增加的机理还不清楚，但是科学家们推测，大气颗粒物中小于100 nm超细颗粒物具有特殊生物机制，并起关键作用：它们在肺组织中的沉积效率很高；另一种推测是，小于100 nm的超细颗粒物可能直接作用于心脏，直接导致心血管疾病；也有人假设是它可以增加血粘度或血的凝固能力，导致心血管疾病。由于100 nm以下的物质正好是纳米科学技术在努力发展的领域，因此，世界卫生组织最近呼吁要优先研究超细颗粒物，尤其是纳米尺度颗粒物的生物机制7。纳米材料在各个领域的广泛使用，使得人们有更多的机会接触纳米材料。目前最有可能接触纳米材料的人是生产和研发纳米材料的工作人员，但是对于其危险度的评价信息严重缺乏，仅美国在2003年正式提出纳米材料对人类健康和环境存在潜在影响【8】。2003 年 4 月 Science【9】2003 年 7月 Nature【10】, 相继发表编者文章, 开始讨论纳米尺度物质的生物效应对环境和健康的影响问题. 2004 年1 月美国化学会的 Environmental Science & Tech-nologies11杂志2004 年 6 月 Science12又再次载文强调, 必须对纳米技术的安全性问题进行研究. 同时,英国皇家科学院13也相继发表文章, 讨论纳米尺度物质对生物环境健康等可能带来的潜在影响. 2.纳米材料毒性研究情况目前，对纳米材料生物安全性评价还主要集中在对其健康效应的毒理学研究。世界各国都有研究人员对各种纳米材料进行着安全研究与评估，人们接触纳米材料一般通过3条途径：呼吸系统；皮肤接触；其他方式，如食用、注射之类【14】。纳米材料特别是纳米粒子对于生物体的影响作用主要是通过呼吸系统进入生物体，通过体液间扩散进入循环系统，进而可能通过血脑屏障，血眼屏障等，沉积在组织或细胞中，破坏或影响其正常功能，目前有关的研究大多集中在对生物鼠模型进行直接实验研究的基础上【15-18】。2.1碳纳米管由于单壁碳纳米管在机械和电子磁性方面有优越的性质，因此有着广泛的应用和商业价值. 未被处理过的纳米管非常轻，有可能通过空气到达人的肺部. 因此，单壁碳纳米管对于环境和生物的安全性也最先被人们注意. 在单壁碳纳米管肺部毒性研究方面，美国 NASA Johnson 空间中卜的 Chiu-Wing Lam 等人和美国杜邦公司的 Davic B. War-heit 等人已经做出了相关的研究19-20。Lam 等人将碳纳米管分为 0，0. 1，0. 5 mg 3 个剂量组，将其通过气管注入老鼠体内，同时设置了相同剂量组的碳黑和石英（粉）分别作为阴性对照组和阳性对照组. 在第 7 c 和第 90 c 进行肺部组织病理学的研究. 动物染毒后第 7 c，所有注入碳纳米管的老鼠都出现了与剂量相关的上皮肉芽肿，有一些还出现了间隙炎症. 第 90 c，这些损伤持续存在并且更加显著，有些老鼠还出现了外周气管炎和坏疽. 那些注入碳黑的老鼠肺部正常，注入高剂量石英的老鼠出现了轻度到中度的炎症. 此项研究表明如果碳纳米管到达肺部，将比碳黑和石英更具毒性，长期吸入碳纳米管对健康极其不利【19】。Davic B. Warheit 等人将 1 mg/ kg 和 5 mg/ kg2 个剂量组的碳纳米管，碳基铁（粉），石英（粉）通过气管注入老鼠体内，分别在第 24 h，第 7 c，第 30c，第 90 c 对老鼠进行病理组织学检查. 比较后发现，石英（粉）具有最强的毒性并且造成了最严重的肺部感染，而碳纳米管只造成了短暂的毒性并且介于碳基铁和石英（粉）之间. 对中期实验结果的分析表明碳纳米管不像石英那样会带来持续的肺部炎症【20】。2.2纳米聚四氟乙烯和碳颗粒 纽 约 Rochester 医 学 牙 科 学 校 的 GtnterObercirster 将老鼠放在含有粒径为 20 nm 的聚四氟乙烯中 15 min，大多数老鼠在 4 h 内死亡. 作为对照，那些在含有粒径为 130 nm 的聚四氟乙烯空气中的老鼠没有受到影响. 组织学研究表明，能够清除外来物质的巨噬细胞很难将较小的颗粒清除出去. 研究还发现，老鼠吸入粒径为 35 nm 的碳颗粒 1 c 后，这些颗粒可以到达脑内处理呼吸的部位嗅球，并且数量在 7 c 内持续增长【21】2.3固体脂质纳米颗粒【22】相对于传统的胶质载体（例如乳状液、脂质体），固体脂质纳米颗粒是另一种可供选择的载体系统. 德国的研究人员 Rainer H. MtIIer 等将固体脂质纳米颗粒与聚酯纳米颗粒分别作用于相同细胞，进行 2 种颗粒的细胞毒性比较研究. 结果发现：0. 5%的聚酯纳米颗粒可使 100% 的细胞死亡，而10% 的固体脂质纳米颗粒却可令 80% 的细胞存活. 由此可见，固体脂质纳米颗粒具有相对较低的毒性2.4量子点Choi A O等【23】测定了碲化镉量子点(CATe QDs)对人胸腺癌细胞表基因组和基因的毒性反应。量子点会诱导普遍的酰基化反应，该反应暗示了表基因组反应广泛存在的基因毒性压感应器p53被量子点激活并转移。之后，通过添加p53抑制剂发现，细胞减少的程度有所降低，说明p53的转移对于量子点诱导的细胞毒性能起到一定作用。暴露于量子点的细胞的线粒体和核产生了变化进而导致细胞损伤和死亡，这种变化与细胞种类、浓度和作用时间有关。共聚焦图像证明CdTe QDs影响细胞核的形貌，通过荧光染料在活细胞中的成像发现在作用于量子点后24h出现_厂明显的DNA结构紊乱。电镜试验也证实了重组的发生和线粒体的损伤以及嵴的部分消失。同时，在一些细胞中观察到了线粒体肥大和嵴紊乱。线粒体的这些破坏导致其膜的渗透性增加，由此说明QDs会诱导线粒体功能的破坏。在通过加入HDACs抑制剂TSA来评估损伤町逆性的实验中发现，QDs诱导产生的乙酰化损伤和细胞死亡是不可逆的。JohnVFrangioni建议临床时应使用可降解的或者成分无害的纳米微粒。对于含有金属的纳米微粒，其尺度应小于55nm，以保证其能够通过。肾脏排出体外【24】。综上所述，纳米材料具有一定的生物活性，可以通过呼吸系统、消化道和皮肤进入机体。纳米材料可以沉淀在呼吸系统引起炎症反应；可损伤AM致肺清除功能下降，引发肺部慢性炎症病变和氧化损伤；可以从沉淀部位向周围组织弥散，穿透血气屏障进入循环系统；还可穿透血脑屏障和经嗅神经通路导致脑损伤【30】。纳米材料的负面效应并不能说明纳米材料是非常危险的，因为目前出现负面效应的实验所用的纳米材料剂量比较高，高剂量的急性实验最多只能反映突发情况下的暴露水平；从动物实验结果向人群外推时，影响因素复杂，难以确定；体外实验中所用的低剂量水平实际上对于人体也是较高的剂量。纳米材料的负面影响结果说明存在潜在的危害，然而现在还不能确定哪些纳米材料是有危险的，在什么条件下有危险。对纳米安全性深入了解，不仅可以让我们合理使用纳米材料，也避免公众对纳米技术的误解和反对【25】。3. 纳米材料生物安全性研究的几个方向【26】 3.1 纳米材料在环境中的传播 首先接触到纳米材料的应该是生产这些材料的工作人员在加工纳米材料的过程中 人体的皮肤可能会接触到材料另外以固体或气溶胶方式存在的纳米材料由于自身的质量很小很容易漂浮在空气中因此也有可能通过呼吸进入人体。3.2纳米材料的尺寸和结构与其生物效应之间的关系研究生物细胞的大小通常在几个到几十个微米数量级 相对之下 纳米材料的体积要比细胞小得多容易进入生物体并发生相互作用目前国内外的一些研究表明没有毒害作用的微米物质当被加工成纳米级的超细微粒时就会表现出一定的毒性而且颗粒尺寸越小单位表面的活性也越大产生的生物效应也越大。3.3纳米材料与生物体相互作用机理研究【27】。纳米材料与生物组织相互作用机理，生物组织相互作用与纳米材料的组成电子结构表面键合物质表面覆盖(活性或惰性)和溶解性等性质有关另外还与其他环境因素(如UV活化)有关例如尺寸减小导致纳米材料会产生不连续的晶面使得结构缺陷增加这些缺陷可能会提供新的生物作用点大多数纳米材料表现出毒性是由于材料的电子活性点(给电子或受电子基团)能与氧分子发生作用 形成超氧阴离子(O2) 通过歧化反应产生额外的ROS导致细胞氧化损伤。目前建立的毒理学机制理论较多，彼此之间存在着一定的矛盾。但一般而言，纳米材料的生物效应主要与纳米颗粒本身性质(如质量、粒子数、粒径、表面积等)及纳米粒子表面修饰(吸附、键合、载带等)有关【28】3.4实验动物间的差异【29】1） 品系间差异超微颗粒在不同品系的啮齿类动物中引起的肺部反应不同。同等处理条件下，大鼠比小鼠的肺部反应更严重，进而发生进展性的上皮改变和纤维增生。吸入10mgm3超微TiO，可引起大鼠和小鼠肺清除力损害，但仓鼠不受影响旧7。因此，在已报道的大多数超微颗粒与细颗粒毒性比较的研究中，大鼠模型被认为是颗粒引起肺部炎症发生的最敏感从而运用最多的动物模型。2） 种属差异近来一些报道指出，颗粒引起狗、灵长类动物及人类的肺部反应与啮齿类动物特别是大鼠有所不同心n30。例如，大鼠慢性吸入颗粒物，颗粒主要沉积于肺泡腔，而人类则主要沉积于肺间质区。沉积的解剖部位不同，引起的反应结果也不一样。由此可知，纳米颗粒的安全性问题已经El益受到人们的关注，但研究还处于早期阶段。仅根据当前有限的资料得出它们的毒性结论还为时过早。我们期待出现更合理、有效、快速的评价方法，以解决纳米技术快速发展所带来的安全性评价的问题。4.另外最后列举一些国际际纳米立法规定和国际纳米标准2006年9月，联合国环境与发展署在巴黎召开专家会议，专门起草了“纳米技术与环境安全”报告，提交联合国有关部门，纳米技术安全性问题已成为各国政府和公众关注的焦点。随着纳米技术的发展，现有的相关法规可能不适用于所有纳米产品的监管。2006年5月，英国食物安全法规制定人员发现纳米技术监管存在漏洞，为尽快建立纳米材料安全性评估体系奠定了基础。2008年1月，英国主要有机产品认证机构英国土壤协会宣布禁止在有机食品中使用纳米材料，成为世界上第一个反对纳米技术应用的机构。1）美国 2003年11月，美国参议院形成了21世纪纳米技术研发法案。2003年，美国众议院为纳米技术立法，代号HR766，HR766将通过政府机关来协调纳米技术的研发。2）国际电工委员会纳米标准化组织2005年，国际电工委员会标准化管理局(IECSMB)开始筹备成立纳米相关的标准化技术委员会。2005年9月，IEC成立了纳米技术咨询平台，制定IEC领域的有关纳米技术标准，并与ISOTC229配合与协调，避免重复制定标准。2007年3月，国际电工委员会纳米标准化组织(IECTCll3)在德国召开了成立大会，秘书处设在德国。3）国际标准化组织纳米技术委员会国际标准化组织纳米技术委员会(ISOTC229)【31的秘书处由英国标准协会(BSI)承担，其主要工作范围包括：理解和控制的物质或过程应在纳米尺度范围，即指典型的、但并不完全要求至少在有一维的方向上在lOOnm以下开始具有尺度依存关系的新颖功能，并可以应用的材料；可利用的纳米尺度材料与单个的原子、分子以及大块物质的性质有区别3）其他组织和国家的纳米标准化工作2004年3月，欧洲标准化委员会(CEN)下设的技术管理局组建了一个与纳米技术相关的临时工作组(CENBTWG166)，英国标准化协会是该组织的秘书处。英国标准化协会于2004年6月成立了，纳米技术委员会(The UK nationalcommittee fornanotechnologies)，并于2005年制定了国际第一份以英文形式发布的纳米术语规范。4）我国纳米标准化研究现状2001年，科技部将“纳米材料标准及数据库”列入基础性重大研究项目，2003年12月经国家标准委批准成立了全国纳米材料标准化联合工作组。2005年6月，我国成立了全国纳米技术标准化技术委员会。2005年，国家质检总局和国家标准委联合发布了7项纳米材料国家标准，这是世界上首次以国家标准形式发布的纳米材料标准，并已于2005年4月1日起实施。这7项纳米材料标准的发布和实施成为我国纳米产业问路国际标准的重要里程碑，其中包括1项术语标准、2项检测方法标准和4项产品标准。2009年3月，全国纳米技术标准化技术委员会2008年度会议在北京召开，介绍了国际纳米标准最新进展和参加ISOTC229与IECfCll3会议的相关情况32。参考文献：1. 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