纳米生物效应与纳米安全性

2.6纳米生物效应与纳米安全性,目前，约2000种纳米材料已为商用或正开发为商用。对纳米医药产品的需求每年以17速度在增长，到2011年市场规模估计有530亿美元，其中药物市场最大，在2014年可达到180亿美元。目前至少有12种纳米药物已获得批准。,2.6纳米生物效应与纳米安全性,纳米生物效应？对生命过程和人体健康的影响？对生物体和环境的影响？是否会引发新的生物与环境问题？纳米毒理学纳米生物环境学,2.6纳米生物效应与纳米安全性,2003年4月，Science首先发表文章讨论纳米材料与生物环境相互作用可能产生的生物安全问题。随后，Nature和Science杂志在1年内，先后4次发表编者文章，美国化学会，以及欧洲许多学术杂志也纷纷发表文章，与各个领域的科学家们探讨纳米生物安全，尤其是纳米颗粒对人体健康、生存环境和社会安全等方面是否存在潜在的负面影响，即纳米生物环境安全性问题。2004年美国、英国、法国、德国、日本、中国，以及中国台湾相继召开纳米生物环境效应的学术会议。,2003年10月美国政府在没有预算的情况下，增拨专款600万美元启动该领域的研究。2005年，美国纳米计划（NNI）总预算的11%投入纳米健康和环境的研究。美国化学会将纳米生物效应与纳米毒理学作为新的研究领域。2004年英国皇家学会和皇家工程院建议成立“纳米物质生物环境效应”研究中心。2004年欧共体把研究纳米生物环境健康效应问题的重要性列于欧洲纳米发展战略的第三位。2005年Nanotoxicology杂志在英国创刊。2001年11月高能所提出开展纳米生物效应、毒理学与安全性研究的建议。2004年11月底我国组织召开了“纳米尺度物质的生物效应（纳米安全性）”为主题的第243次香山科学会议。,Keith，Renwick，Giles等分别于2002年和2004年报告了纳米颗粒可以透过“肺-血屏障”、“血-脑屏障”、“胎盘屏障”等事实。各种组织屏障可以有效阻止有害物质以及超细粒子通过的结论被打破！,纳米生物效应和安全性研究的几个方向,1.纳米材料在环境中的传播和进入人体的途径2.纳米材料的尺寸、结构、化学修饰与其生物效应之间的关系研究3.纳米材料与生物体相互作用机制研究4.纳米材料生物安全性评价体系的研究,1.纳米材料在环境中的传播和进入人体的途径,危险性=危害性暴露性RiskIntrinsicHazardExposure,Howcanweincorporatesustainabilityconsiderationsearlyinthedevelopmentofanemergingtechnology?,Thereisinsufficientexposureinformationcurrentlyavailabletoadequatelyassesstherisksfromexposure(byinhalation,dermalandingestion)tonanoparticlesinnanoparticleproductionprocesses.,1.纳米材料在环境中的传播和进入人体的途径,纳米材料的大规模工业生产、运输和处理过程中产生纳米颗粒进入环境；个人用品，如化妆品、防晒品、纺织品等掺杂纳米尺度物质，在洗脱过程中进入环境；广泛应用于微电子机械、轮胎、燃料、纤维、化工染料和涂料等许多产品中的纳米尺度物质，可能随产品的使用、分解而释放或流入、渗入到大气、水体和土壤中。,Somepossibleexposureroutesfornanoparticlesandnanotubesbasedoncurrentandpotentialfutureapplications.,NanoContainingEnd-Products,Electronics,Food,BabyProducts,Batteries,Appliances,SunScreen,2.纳米材料的尺寸、结构、化学修饰与其生物效应之间的关系研究,Giventhediversityofnanoparticleshape,sizeandfunction,riskassessmentswillbynecessitybehighlyspecifictoparticulargroupsorclassesofnanoparticles.Lackofinformationaboutboththeextenttowhichtheywillbeusedinproductsandalsothelikelihoodofsuchparticlesbeingreleasedfromnanomaterialssuchascompositesinaformorquantitythatmightcauseharmtohumansortheenvironment.,构效关系（Structureactivityrelationship,SAR）,2.纳米材料的尺寸、结构、化学修饰与其生物效应之间的关系研究,Oberdrster研究组将黑鲈鱼在含0.5ppmC60富勒烯的水中饲养，48h后鱼脑部发生明显的过氧化反应，同时发现鱼腮部谷胱甘肽耗尽，这是第一次关于未修饰的富勒烯能在水中对生物体产生毒性的报道.纳米TiO2可以引起炎症、肺细胞增生等病理改变.23.5nm的铜比17m的铜毒性更大，前者的半致死剂量(LD50)仅为413mg/kg，而后者则5000mg/kg.,单壁纳米碳管会使人HEK293细胞分裂过程停留在G1期，引起细胞凋亡，降低细胞的黏附能力，并呈现“剂量效应”关系。通过生物芯片和WesternBlot印记转移发现，单壁纳米碳管可以影响细胞周期的基因表达，并诱导与细胞黏附有关的蛋白低表达。在相同的剂量下，碳纳米材料细胞毒性有以下顺序：单壁纳米碳管多壁纳米碳管石英(阳性对照)C60。未进行化学修饰的C60的细胞毒性要高于C60的衍生物（带有羧基或羟基的官能团）。,在生理盐水溶液中尺寸小于100纳米的磁性纳米颗粒进入动物体内就导致凝血现象，聚集形成小鼠血管大小的颗粒，堵塞小鼠血管，最后导致小鼠死亡。这说明这种纳米颗粒进入人体可能会导致心血管疾病。体外细胞培养实验表明，纳米颗粒可以对细胞周期、细胞功能、信号传导调控、物质摄取等基本生命活动有影响。,3.纳米材料与生物体相互作用机制研究,纳米材料的生物学效应生物整体细胞分子和环境纳米颗粒容易进入细胞内并与细胞发生作用但是，各种纳米颗粒对细胞分裂、增殖、凋亡等基本生命过程的影响和相关信号转导通路的调控，以及在细胞水平上产生的生物效应等，目前还不知道。,纳米载体的细胞毒理学研究、纳米结构表面与生物分子和细胞作用的研究生物材料的纳米拓扑结构研究,材料的拓扑结构和化学特性是决定细胞与其相互作用的重要因素,纳米材料与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，此外还与其他环境因素（如UV活化）有关。,4.纳米材料生物安全性评价体系的研究,Riskassessmentapproacheswillhavetoconsiderhowbesttouseinformationwhichiscurrentlyavailable,andplantocollectnewinformation.Methodologicalapproachesareavailablewhichmaybeusedinnewstudies.,4.纳米材料生物安全性评价体系的研究,哪些因素决定纳米尺度物质进入系统循环进而分布全身，甚至达到骨髓，穿透血脑屏障，通过胎盘影响下一代的发育？释放到环境中的纳米颗粒物是否会影响食物链甚至导致物种变异？低剂量-长时间暴露的生物效应如何？,建立不同种类、不同形状、不同性质的纳米材料通过不同暴露途径，对不同靶器官的生物效应数据库和评价技术指标体系。,纳米物质生物效应机制研究的内容：确定纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除的生物学途径；各种形态纳米物质与生物器官（细胞/分子）相互作用的方式；不同纳米材料可能的靶器官或生物标志等纳米材料的急性毒性、亚急性毒性、慢性毒性等新的实验方法学（如荧光检测法）,Everitt等用气溶胶吸入法研究纳米TiO2对小鼠、大鼠和豚鼠肺部的毒性，结果发现它能产生炎症，并在肺里严重沉积，清除困难。OberdoSter发现，C60能使大嘴鲈鱼的脑细胞发生脂质过氧化作用，导致GSH在腮部、肺里明显减少。SWCNT对肺部有较大毒性水溶性SWCNTols能非常容易、迅速地分布到大鼠的各种组织和脏器，没发现能跨越血脑屏障。相对分子量60万的SWCNT在生物体内的行为与小分子相似。,HealthRisksAssociatedwithNanoparticles,Thereisverylittledataontheinteractionofnanoparticleswithbiologicalsystemsandtheenvironment.Particleswithnanoscaledimensionscaneasilypassthroughbiologicalsystems,andmayaccumulateinundesirablelocationswithincells,andsotherearepotentialhealthrisksassociatedwithnanoparticles.Scientificstudyoftheseeffectsisonlyjustbeginningintheearlytwenty-firstcentury,ontwofronts:thepotentialhealthrisks,andthepotentialuseofnanoparticlesforclinicaltreatments.Giventhelackofdataandtheeasewithwhichnanoparticlescanberedistributedintheenvironmentgiventheirsmallsizes,itiswisetotakeprecautionsinhandlingnanoparticles.Industrialoperationswithnanoparticlesshouldconsidersuchparticlestobeapotentialhazard,anddevelophandlingprotocolsthatareconsistentwithpotentialhazards.,GeneralNanotechnology,PublicConcernaboutNanotechnology,TraditionalWasteCycle,CurrentWasteCycle,RiskAssessmentLife-CyclePerspective,RawMaterialProduction,1stProductManufacturing,WorkerExposure,IndustrialEmissionsAccidentalReleases,2ndProductManufacturing,ProductDevelopment,ConsumerUseorMisuse,EndofLife,GeneralPopulationExposure,Recycle,IndustrialEmissionsReleases/Discharges,ManufacturingProcess,Disposal,AbrasionDirectContact,PollutionSecondaryUse,RiskAssessmentLife-CyclePerspective,ConsumerUseorMisuse,EndofLife,EcosystemExposure,Recycle,IndustrialEmissionsReleases/Discharges,ManufacturingProcess,Disposal,AbrasionEnv.Application,Land,Air,WaterPollutionIncidentalEnvDebris,RiskAssessmentLife-CyclePerspective,纳米材料生物效应及其毒理学研究进展汪冰等，中国科学B辑化学2005,35(1):110,纳米生物技术是一把“双刃剑”“正效应”“负效应”,建立纳米技术或纳米材料环境与生物安全性标准或规范,第3章纳米生物材料,纳米材料（Nanomaterials）具有纳米量级的超微粒构成的固体物质，其结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级内，各纳米单元之间存在一定的相互作用。,3.1纳米生物材料的物理化学性能,特殊的光学性质具有很强的吸光性所有的金属在超微颗粒状态都呈现黑色作为高效率的光热、光电等转换材料应用于红外敏感元件、红外隐身材料等窄的吸收带，表现出明显的可见光发射现象非线性光学效应P0（(1)E1(2)E2(3)E3）（P-介质极化强化；E-场强）,特殊的热学性质纳米材料的熔点显著下降低温烧结，用于粉末冶金日本川崎制铁公司采用0.11m的铜、镍超微颗粒制成的导电浆料可代替钯与银等贵金属在钨颗粒中添加0.1%0.5%重量比的超微镍颗粒，可使烧结温度从3000降低到12001300.纳米材料的比热容cp增大由于纳米晶界原子排列比较混乱，原子密度低，