纳米材料-生物毒性--20131128

1、纳米材料生物毒性研究进展摘要： 纳米技术作为21世纪最有影响的技术之一，正在以前所未有的发展趋势影响人类生活的方方面面。纳米技术在给人类带来丰硕成果的同时，对人类的身体健康也造成了潜在的威胁。纳米科技在全球迅速发展，纳米材料的生产与应用对传统行业产生了巨大的影响，纳米材料的环境安全性问题已经引起了各界的注意。近年来国内外在纳米材料的生物安全性研究方面的工作已经证实，直接或间接接触纳米材料将对生物体有负面影响。纳米粒子可以进入细胞内部，甚至可以透过血屏脑障，从而危及生物的健康和生态环境。因此人类在发展纳米科技的同时，要密切关注其对生态环境和人群健康的潜在危害，探讨纳米技术正反两个方面的效应。真正

2、地推动纳米科技的进步，促进纳米技术产业化健康、有序发展。文中通过几个纳米材料生物毒性实验终述了纳米材料的环境行为、生物效应、生物毒理学研究以及对人体健康的危害，让人们认识到纳米材料的危害，尽量减少与其接触的机会。关键词：纳米材料 碳纳米材料 量子点 二氧化钛 生物毒性 Abstract: nanotechnology as one of the most influential technology in the 21st century, the development trend of is in an unprecedented impact every aspect of human

3、life.Nanotechnology in bring to mankind the fruitful results at the same time, to the human body health also creates potential threat.Nano science and technology in the global rapid development, the production and application of nanometer materials has a huge impact on the traditional industry, the

4、environmental safety of nanomaterials has attracted the attention from all walks of life.At home and abroad in recent years in the biological safety of nanomaterials research work has been confirmed, direct or indirect contact with nanomaterials will have negative effects on organisms.Nanoparticles

5、can enter the cells, it can even through the blood brain barrier, thereby endangering the health of the biological and ecological environment.Therefore human beings in the development of nano science and technology at the same time, should pay close attention to its potential harm to ecological envi

6、ronment and people health, explore the positive and negative two aspect effect of nanotechnology.Really push the progress of nanotechnology, promote the industrialization of nanotechnology health. Orderly development.In this paper, through several nanomaterials biological toxicity experiments descri

7、bed the environmental behaviors of nanomaterials. Biological effects. Biological toxicology and the harm to human body health, let people realize the impact of nanomaterials, try to minimize the chance of exposure.Key words: nano carbon nano material titanium dioxide biological toxicity of QDS1 概述 纳

8、米科学、信息科学和生命科学并列成为21世纪的三大支柱科学领域。纳米技术被誉为21世纪最有发展前途的新技术之一27。合成纳米材料已在各领域开始广泛应用。据伍德罗威尔逊国际中心 ( http: / /www. nanotechproject. org/ inventories/consumer / analysis_ draft / ) 统计，截至2011年 3月10日，在该中心网站自由登记的纳米产品已达1317 种，涵盖健康与保健、家居与园艺、电子产品与电脑、食品与饮料、切割、汽车、家用电器和儿童用品等八大类。其中健康与保健类纳米产品最多 ( 738 种) ，包括 143 种化妆品、182 种织

9、物、267 种个人护理用品、119 种体育用品、33 种防晒霜和 43种过滤器等。纳米颗粒(nanoparticles,NPs)和超细颗粒物(ultrafineparticles, UFPs)，一般是指尺寸至少有一维在1100nm间的粒子18。纳米级结构材料简称为纳米材料，广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50以上。纳米材料大致可分为纳米粉末(零维

10、)、纳米 纤维(1维)、纳米膜(2维)、纳米块体(3维)、纳米复合材料等2。纳米尺度是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，处于这个区域的材料具有一些独特性质，如小尺寸效应、表面-界面效应和量子尺寸效应等3。 正所谓性质决定用途，由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使得它在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛的应用。目前人造纳米材料已经广泛应用到医药工业、染料、涂料、食品、化妆品、环境污染治理等传统或新兴产业中，人们在研究、生产、生活中接触到纳米材料的机会越来越多；同时，环境中也存在大量天然的和工业

11、生产所带来的纳米尺度物质，如柴油车尾气、工厂烟囱排出的废气，垃圾焚烧、沙尘暴等也含有大量的纳米颗粒。当前，纳米材料也越来越多地用于商业用途，像装填物、折光剂、催化剂、半导体、化妆品、微电子学和药物载体等方面，纳米材料的广泛应用可能对环境和健康产生正面和负面的影响。2 0 0 3年4月 ，S c i e n c e上首先发表文章，提出必须开展纳米尺度物质的毒理学研究( R i c e ， 2 0 0 3 ) ；随后N a t u r e上也发表了编者文章，提出如果不及时开展纳米尺度物质和纳米技术1的生物效应研究，将危及政府和公众对纳米技术的信任和支持 ( G e o f ， 2 0 0 3 )

12、；美国化学会的著名专业杂志E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e&T e c h n o l o g y 以 及 T o x i c o l o g i c a l S c i e n c e s 也相继发表文章，讨论纳米尺度物质的潜在生物毒性问题；( U t s u n o m i y a e t 0 1 ， 2 0 0 4 ； D r e h e r ， 2 0 0 4 )；2005年, 美国、英国等国的环保部门制订并启动了纳米材料环境行为、生态效应的研究计划；越来越多的研究证实, 纳米材料具有一定的生物毒性已开始被认为是一类潜在的新型污染物。17但

13、从总体上看, 对纳米材料环境行为和生物毒性的研究尚处于起步阶段, 研究内容与深度急需拓展与加强。 由于纳米尺度物质的特殊性质和穿透效应，其对生态环境和生命体的作用方式、作用途径、作用机制具有独特性，传统的环境风险评估技术以及化学品(材料)健康危险度评估技术很难应用当这些具有特殊性质的物质进人生态环境和生命体以后，会发生什么后果，目前还不得而知。如同美国学者所指出的，“在纳米的层次上，已经不再区分生命体和非生命体正因为如此，它潜在的破坏力也可能很强，它对环境 、人体健康和社会的影响还很难估计” ( K a g a n e t 0 1 ， 2 0 0 5 )。 目前的研究结果主要有：纳米颗粒可以透

14、过“肺一血屏障”（ R e n w i c k e t 0 1 ， 2 0 0 4 ； K e i t h ， 2 0 0 2 ) ；纳米颗粒可以透过“血一脑屏障” ( G i l e s ， 2 0 0 4 ； O b e r d f i r s t e r e t 0 1 ，2 0 0 4 ) ；纳米颗粒可以透过胎盘屏障( E P A ，2 0 0 4 ) 等17。这些重要的实验结果打破了人们长期以来一直认为的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。人们担心纳米技术的快速增长和使用可能会使纳米材料有可能成为21世纪的“石棉”，给环境和人类健康带来潜在的影响。因此，我们非常有

15、必要在关注纳米材料有益生物效应的同时，考虑其负面的作用，以对纳米技术的发展和应用起到很好的指导作用。2 纳米材料的环境行为纳米材料通过生产、运输、生活、使用、废弃、分解、释放等多种途径进入环境后,类似其他环境污染物,也会在大气圈、水圈、土壤圈和生态系统中进行复杂的迁移/转化过程。纳米材料会通过人类生产活动排放到大气中，之后与大气中其他污染物进行复杂的物理、化学反应发生团聚或者发生转化，再通过干/湿沉降等方式在地表(包括陆面和水面)与大气之间交换; 另外大气中的纳米材料还可能随大气环流、气候变化、风力等作用进行长时间、长距离的迁移扩散转化; 进入土壤的纳米材料一方面会与土壤发生团聚沉积下来，另一

16、方面也会发生迁移/转化行为, 如通过渗滤作用进入到到地下水层、再通过地表/地下径流等进入水体或被陆生生物(包括动物和植物)吸收积累而迁出土壤; 进入水体的纳米材料会发生复杂的水环境行为, 可能在水中分散并稳定悬浮, 也可能团聚而沉降到底泥中; 底泥中的纳米材料会因扰动等原因再悬浮; 水体中的纳米材料可能会因物理、化学、生物等作用而转化/降解; 转化前后的纳米材料都有可能被水生生物吸收积累; 环境中的纳米材料有可能通过呼吸、饮食、皮肤接触等途径对人体暴露, 危害人体健康. 但与其他环境污染物不同, 纳米材料之间会发生团聚与分散行为, 而显著影响其在环境中的归趋和效应22。3 几种纳米材料的生态效

17、应、生物毒性研究进展 1938年滴滴涕的发明曾经给农业杀虫、除草和家庭消灭蚊蝇、寄生虫等作出了巨大贡献，并因此获得1948年诺贝尔奖。但这一新技术却对环境安全产生了重大影响，残留的多氯联苯等有机物至今仍难以根除，对全球生态的影响还在延续。从20世纪60年代起，国际有关组织作出决定全面禁止使用滴滴涕和六六六，也正是从环境安全的角度，科学界给这项曾经对人类社会经济作出贡献的科学技术发明宣判了“死刑”。北京大学化学与分子工程学院刘元方院士说，随着纳米科技的迅猛发展，各种性能优异的纳米材料已经从实验室走出来，成为触手可及的商品，但除了产品功能，这些新型材料对生态环境的影响远远没有被我们了解。PM2.5

18、颗粒对人体的危害已被公众熟知，那么只有PM2.5千分之一大小的纳米颗粒人体是否有危害呢？答案是肯定的。前日，来蓉参加中国化学会第28届年会的不少科学家发表的研究成果显示，纳米颗粒对生物细胞具有相当“毒性”，纳米材料已对环境构成潜在威胁，或成人类未来面临的重要环境“杀手”。 3.1 纳米材料-纳米TiO2 的生物效应研究 纳米TiO2在涂料、抗老化、污水净化、化妆品、抗静电等方面存在广泛应用，因而产量较高， 对其毒性研究也较多。在体内和体外的实验研究中，纳米尺度的TiO2颗粒均比微米尺度的TiO2颗粒对肺部的损伤程度大，这与纳米颗粒小的粒径和大的比表面积有直接关系。实验方法主要包括：用支气管吸入

19、法或支气管注入法将TiO2颗粒导入动物体内。与注入法相比，吸入法更接近人类真实的暴露情况。因此应尽量采用吸入法来模拟人类实际的暴露情况，研究纳米颗粒物的生物学行为。使用外推法评价纳米颗粒物对人体的生物效应，对于纳米技术相关政策、法规和防护标准的制订等是很重要的Afaq等用支气管注入法研究超细TiO2 ( 3 0n m ，用量2 m g )对大鼠的毒性时，发现肺泡巨噬细胞的数量增加，同时细胞内的谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、 谷胱甘肽硫转移酶的活性均升高。而且， 酶活性升高并没有阻止脂质过氧化和过氧化氢的生成，这表明受到TiO2纳米颗粒作用时，尽管细胞启动自我保护机制诱

20、导了抗氧化酶的生成，却未能消除TiO2纳米颗粒产生的毒副作用。进一步的研究观察到了纳米TiO2 颗粒引起的一系列生物效应20 nm的 TiO2颗粒引起了肺组织间质化，并诱发炎症反应，使上皮组织的渗透性增加，肺泡灌洗液内生理指标的变化与纳米颗粒的比表面积( 尺寸大小) 有关。同时纳米TiO2 引起了支气管肺泡灌洗液内蛋白质总量、乳酸脱氢酶及-葡萄糖苷酸酶的活性普遍升高，而且比表面积一效应曲线与实际的炎症情况有很好的相关性，这意味着TiO2纳米物质的生物效应与尺寸效应有关。因此，我们在讨论纳米材料生物效应时，即使是同一种材料，也需要注明具体尺寸大小( 这和常规物质有很大的不同) ，因为纳米尺寸的改

21、变，会引起其生物效应发生改变。19纳米材料为何会对人体造成影响呢？当一种物质缩小到纳米尺度后，它的性质就会发生显著变化。实验表明，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克纳米二氧化硅，小白鼠就会立即毙命。而且，纳米材料不易降解，穿透性强，人一旦吸入纳米颗粒，其健康就会受到潜在的威胁。20 3.2 纳米材料-量子点的生物毒性研究量子点(quantumdots，QDs)是由有限数目的原子组成，三个维度尺寸均在纳米数量级。量子点一般为球形或类球形，是由半导体材料(通常由II BB或IIIBVB元素组成)制成的、稳定直径在220 nil2的纳米粒子。量子点是在纳米尺度上的原子和分

22、子的集合体，既可由一种半导体材料组成，如由IIVI族元素(如CdS、CdSe、CdTe、ZnSe等)或IIIV族元素(如InP、InAs等)组成，也可以由两种或两种以上的半导体材料组成。作为一种新颖的半导体纳米材料，量子点具有许多独特的纳米性质。 近日，国家纳米科学中心中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室陈春英研究组与纳米材料研究室唐智勇研究组合作，在以秀丽线虫为模型研究纳米材料生物效应方面取得重要进展，研究结果发表在美国化学会的Nano Letters 杂志上（2011, 11: 3174-3183）。纳米材料与生命体系相互作用及其健康效应问题，是纳米科技领域的重要前沿科学问题。由于纳米

23、材料本身具有独特的理化性质，传统毒理学评价方法已不能满足纳米材料生物效应研究的需求，实验中体内、体外结果不一致的矛盾日益凸显，这就要求发展快速、简单、准确的毒理学评价模型体系。而纳米材料在复杂生物体系内可能发生的多种理化性质改变更为其后续毒理学研究带来了巨大的挑战，这就要求在方法学上有所突破创新.秀丽线虫（Caenorhabditis elegans）是生物学经典的模式生物，然而用于纳米材料的生物效应研究还鲜有报道。本研究工作基于秀丽线虫模型，从纳米材料毒理学评价方法学的建立、应用和机理揭示等方面进行了具有开创意义的研究。值得一提的是：秀丽线虫的优势在于其既可以从生物个体水平进行研究，其体内的

24、每个细胞又可单独研究，便于从整体、器官、组织、细胞多层次对纳米材料的体内行为进行研究。本工作选择了目前最具有应用前景的量子点（Quantum dots）作为代表性纳米材料，研究了其在体内的分布、代谢、转化和长期毒理效应。研究发现：量子点经摄食进入并积累在秀丽线虫消化系统，进入消化道内皮细胞定位于溶酶体，长期蓄积会导致量子点从消化系统向生殖系统迁移，并导致生殖障碍和子代发育毒性。21图片说明：量子点在秀丽线虫消化道内的降解过程。通过比较量子点荧光的光学图像（optical Fluorescence）和量子点组成元素的X射线荧光图像（-XRF）发现，位于消化道末端的量子点组成元素Se大量积累，而光

25、学荧光淬灭，通过对不同部位的化学价态进行分析（X射线吸收谱，-XANES），发现量子点伴随消化过程，结构不断破坏，内核元素发生氧化，导致荧光淬灭，同时释放有毒离子，导致毒性。图片说明：量子点从消化系统向生殖系统迁移积累并导致生殖障碍和子代毒性。短期暴露量子点从消化道向生殖系统迁移但不进入卵内；长期暴露后量子点大量积累于生殖系统并产生坏卵、死卵。模式图显示了量子点材料从消化系统向生殖系统迁移的过程。 量子点因其独特的性质必将应用到生活中的方方面面，但由于对其研究还处于空白阶段，所以我们在应用新技术的同时一定要理性、慎重地对待，不能因为贪图小利而毁掉了我们生活的美好家园！ 3.3 碳纳米材料的生物

26、毒性效应研究进展 碳纳米材料是一类已广泛应用的主要纳米材料, 很多研究发现它们具有细胞和生物毒性, 已开始被认为是一类潜在的新型污染物。碳纳米材料主要包括富勒烯、单壁碳纳米管( SWCNTs)和多壁碳纳米管( MWCNTs )。碳纳米材料产生生物毒性的可能原因有 3 类。( 1) 纳米材料自身具有毒性。( 2) 纳米颗粒会粘附在生物体上限制生物体的生理活动或机械堵塞生物体的呼吸系统。( 3) 纳米材料可能携带了有毒物质, 这些有毒物质会导致生物体中毒。碳纳米材料自身能产生生物毒性的可能机制主要有: ( 1 ) 碳纳米材料由于其氧化还原活性产生活性氧, 对生物活体构成损伤; ( 2) 碳纳米颗粒

27、与蛋白质相互作用, 干扰生物信号甚 至基因信息的传递。过氧化损伤导致的生物体毒害作用是迄今最为普遍接受的一种纳米材料致毒机制。研究表明, 无论 C60 还是CNTs, 它们均对细胞、微生物、动物等具有毒性, 且其毒性与碳纳米材料浓度呈正相关, 存在显著的毒性剂量效应关系。细胞试验表明, C60 质量浓度为 2. 2 L g / L 时就能破坏人类淋巴细胞的DN A , 具有遗传毒性。细菌试验表明, C60 对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的最小抑制质量浓度为 0. 5 3. 0 mg / L , 对大肠杆菌的抑制效果好于枯草芽孢杆菌。动物试验表明, 0. 2 mg/ L 的 C60 就可以使斑马鱼的胚

28、胎产生畸形水肿, 增加死亡率。7尽管上述研究均表明, 碳纳米材料对细胞、微生物和动物具有显著的毒性效应, 但也有研究表明它们不会产生明显的毒性。碳纳米颗粒的生物毒性除了与其剂量有关外,也受其形状特别是碳纳米颗粒粒径的影响。184 纳米材料对人体健康的影响 加拿大一家非政府组织 E T C发布的一项报告指出 ，“ 纳米技术是一项很强的技术 ， 但它也可能有很强的破坏力。”纳米技术与其它任何技术一样 ，在大幅度提高人类社会生产力水平的同时，也存在潜在的风险，但不能因此就使纳米技术的优势得不到有效地发挥，就好像大多数药物都有负作用一样。而这种作用于人体的纳米材料的副作用通过以下三个方面表现出来 。

29、首先，有一些通过纳米技术产生的物质在给人类造福的同时也会带来的环境污染。这些有 可能带来污染的纳米物质通过吸人、接触或侵入的方式 可以很容易地进入到身体内 ，突破人体免疫防线。这就为污染物与细胞产生反应进而产生病变提供了可能。这些污染物进入人体后必然会对身体的健康带来危害，但其危害性却还未完全了解。更让人担忧的是，随着科技水平的提高，如果不采取相应的措施，纳米污染物排放到自然界中的数量只可能会呈现出增长趋势，而一旦这样的情况出现，对人体健康的潜在破坏更是巨大的。其次，一些纳米物质进入了人体后，有可能与体内的细胞产生化学反应。由于纳米物质面积小与蛋白质、D N A以及病毒等生物分子的尺寸大小相近

30、，可以在体内灵活地游动，因此，这些纳米物质常常作为药物，但是，当纳米颗粒的尺度达到一定以后，会对人体产生负面影响，将刺激人体内具有免疫功能的细胞，这将会导致人体疾病的产生甚至影响人体的免疫功能。最后，即使纳米物质与细胞结合后在短时间内人体无异常情况出现，也需要考虑到当纳米物质进入到人体内一段时间以后，人体产生的排异反应，给身体带来不适的可能性。6人们接触纳米材料污染一般通过下面途径：一、通过呼吸系统；二、通过皮肤接触；三、其他方式，如食用、注射之类。纳米材料污染物通过上述途径进入人体，与体内细胞起反应，会引起发炎、病变等；污染物在人体组织内停留也可能引起病变，如停留在肺部的石棉纤维会导致肺部纤

31、维化。8纳米材料比普通的污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒将比微米颗粒的数量多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。纳米材料很小，可以几乎不受阻碍地进入细胞，从而有可能进入人的神经系统，影响人的大脑，导致一些更严重的疾病和后果。目前，研究人员还不知道如何将纳米材料从人体中清除，也不知道它们会不会在人体中降解。因此，人们在生产生活中尽量少用或不用纳米材料，尽量少接触纳米材料，避免纳米材料对我们身体造成危害，另外加强对纳米材料的生物毒性研究，摸清纳米材料对人体的危害，并找到治理方法。 参考文献：1 刘吉平， 郝向阳 纳米科技与技术 M 北京： 科学出版社

32、， 2 0 0 2 2 王世敏 ， 许祖勋， 傅晶 纳米材料制备技术 M 北京： 化学工业出版社， 2 0 02 3 张立德 ， 牟季美 纳米材料和纳米结构 M 北京 ： 科 学出版社 ，2001.84 张阳德， 张蕾 ， 刘新生， 等 纳米技术在肿瘤诊断与治疗中的现状与发展 J 中国医学工程，2 0 0 4 ，( 6 ) ：14 5 杨建森 纳米环保技术的发展现状与前景 J 科学通报 ， 2 0 0 2 ， ( 7 ) 6 周姗， 纳米技术对身体健康带来的潜在危害及其规避措施 J ，学理论（社会研究），2009，657 闾晓萍，黄绚，杨坤 碳纳米材料生物毒性效应研究及展望 J ，环境污染与防

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34、 rat lung alveolar macrophages exposed to ultrafine titanium dioxideJ Appl Toxico1 1998 18 ：307 -3l211 OberdiSrster G Ferin J ，Gelein R et a1 Role of the alveolar macrophage in lung injury ： studies with ultrafine particles Environ Health Perspect，l992，97：193-199l 2 Oberdorster G， Fefin J ， Lehnert

35、B E Correlation between particle size ， in vivo particle persistence and lung injury Environ Health Perspect ， 1994 ， 102( Supp1 5 ) ：173179l3 Zhang Q ， Kusaka Y ， Sato K ， et a1 Differences in the extent of inflammarion caused by intraracheal exsposure to 3 ultrafine metals；Role of free radical J Toxicol Environ Health A ,1988,53