ISOTR 234632022 纳米技术.吸入毒性试验中使用的碳纳米管和碳纳米纤维气溶胶的特性标准立项发展报告

纳米技术吸入毒性试验中使用的碳纳米管和碳纳米纤维气溶胶的特性标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanotechnologies—CharacterizationofCarbonNanotubeandCarbonNanofibreAerosolstobeUsedinInhalationToxicityTests摘要随着纳米技术的迅猛发展，碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）与碳纳米纤维（CarbonNanofibres,CNFs）凭借优异的力学、电学和热学性能，已在复合材料、储能器件、生物医药及环境工程等领域获得广泛应用。然而，伴随其产业化进程的加速，该类纤维状纳米材料在生产和处理过程中释放的气溶胶对人体呼吸系统构成的潜在健康风险日益受到国内外学术界和监管机构的高度关注。吸入毒性试验是评价该类材料职业暴露风险的核心手段，其中试验用气溶胶的制备与表征是保证试验结果科学性与可重复性的先决条件。针对这一关键需求，国际标准化组织（ISO）于2022年5月18日正式发布了ISO/TR23463:2022《纳米技术吸入毒性试验中使用的碳纳米管和碳纳米纤维气溶胶的特性》。该技术报告系统规定了碳纳米管与碳纳米纤维气溶胶在粒径分布、形貌特征、比表面积、表面化学及分散状态等关键参数的表征方法与技术要求，填补了国际标准在纳米纤维气溶胶暴露表征领域的空白。本报告围绕该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及行业应用价值进行系统梳理与分析，并就该标准对全球纳米材料安全评估体系建设的深远影响进行了展望。关键词：纳米技术；碳纳米管；碳纳米纤维；气溶胶表征；吸入毒性试验；国际标准化；职业暴露风险评估Keywords:Nanotechnologies;CarbonNanotubes;CarbonNanofibres;AerosolCharacterization;InhalationToxicityTests;InternationalStandardization;OccupationalExposureRiskAssessment一、引言1.1研究背景碳纳米管和碳纳米纤维属于典型的各向异性纤维状纳米材料，其几何特征表现为高长径比（通常大于3:1），在空气中极易形成稳定的气溶胶体系。大量毒理学研究证实，该类材料的生物持久性及纤维状形态特征使其具备类似石棉的潜在致病机制，可能诱导肺部炎症、肉芽肿形成乃至纤维化病变。国际癌症研究机构（IARC）已将以多壁碳纳米管为代表的某些刚性纤维状纳米材料列为2B类致癌物（可能对人致癌）。在此背景下，建立规范化的吸入毒性试验评价体系成为纳米材料安全管理的紧迫需求。吸入毒性试验作为评价纳米材料呼吸系统毒性的金标准方法，其核心环节在于试验系统中气溶胶的稳定发生、均一输送及准确表征。然而，碳纳米管与碳纳米纤维因具有较强的团聚倾向和复杂的物理化学特性，在实际试验中其气溶胶浓度、粒径分布及分散状态的精确控制面临严峻挑战。各国实验室之间因操作方法和表征手段的差异，导致同类材料的毒理学试验结果存在显著偏差，严重制约了数据的横向比较和整合分析。1.2标准的必要性在ISO/TR23463:2022发布之前，国际上尚无专门针对碳纳米管和碳纳米纤维吸入毒性试验用气溶胶表征的统一技术规范。现有的OECD测试指南（如TG412和TG413）虽规定了亚急性和慢性吸入毒性试验的操作框架，但未对纳米纤维气溶胶的特殊表征需求做出具体规定。美国国家标准与技术研究院（NIST）和欧盟联合研究中心（JRC）虽发布过相关推荐性操作指南，但各国方法在采样策略、仪器配置及数据处理等关键环节存在实质性差异，缺乏全球范围内的协调统一。在此背景下，国际标准化组织ISO/TC229（纳米技术委员会）联合各国专家，历经多年研讨和比对验证，最终形成了ISO/TR23463:2022技术报告。该文件的出台对于统一全球范围内碳纳米管和碳纳米纤维吸入毒性试验的操作规范、提高试验结果的可比性与可信度、支撑纳米材料职业暴露限值的制定具有里程碑式的重要意义。1.3编制过程ISO/TR23463:2022由ISO/TC229纳米技术委员会下属的WG3“健康、安全与环境”工作组牵头制定。该工作组的秘书处由英国标准协会（BSI）承担。标准起草工作汇聚了来自中国、美国、德国、日本、法国、韩国等二十余个成员体的毒理学、气溶胶科学、纳米材料表征及职业卫生领域的资深专家。标准编制历时约四年，期间经历了系统性的国际比对研究。起草组先后组织了针对多种典型碳纳米管和碳纳米纤维样品（涵盖单壁、多壁、不同长度和直径范围）的气溶胶发生与表征方法联合试验，收集了大量实验数据作为技术支撑。2020年底形成委员会草案（CD）并进入征求意见阶段，2021年形成最终技术报告草案（DTR），经ISO中央秘书处最终审核后于2022年5月正式发布。二、标准主要内容2.1范围界定与适用对象ISO/TR23463:2022明确规定了吸入毒性试验中所用碳纳米管和碳纳米纤维气溶胶表征的一般原则和具体技术方法。该技术报告适用于在受控实验室条件下开展的大鼠等啮齿类动物亚急性、亚慢性和慢性吸入毒性试验，涵盖气溶胶的发生、稀释、输送、采样及在线/离线表征等全部环节。标准同时兼顾了职业暴露场景评估的参考需要，其推荐的表征指标体系亦适用于工作场所空气中碳纳米材料监测的方法学参考。2.2核心技术要求该标准围绕气溶胶表征建立了系统的技术框架，主要包括以下核心维度：（1）质量浓度表征：规定了气溶胶采样滤膜的选型要求、采样流量校准方法及称量分析的天平精度控制标准。强调应采用微量天平（精度不低于1μg）配合恒定温湿度环境进行称量，以减少静电和水分吸附对质量测定结果的影响。（2）粒径分布与数浓度表征：推荐使用扫描移动粒径分析仪（SMPS）结合凝聚粒子计数器（CPC）对纳米级气溶胶粒径分布进行实时测量；同时，推荐采用气溶胶粒径谱仪（APS）或八级级联撞击器（MOUDI）测定微米级的团聚体尺寸分布。技术报告特别指出，由于碳纳米管气溶胶常呈现高度非球形形态，应更为关注气溶胶的等效迁移直径，而非单纯依赖几何直径进行评价。（3）形态学表征：明确提出应使用透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对采样后的纤维状颗粒进行形态学观察。标准规定应至少测量200根纤维的长度和直径，计算其长径比分布、卷曲度及团聚状态，以确保气溶胶中纤维的分散程度符合吸入毒性试验的暴露需求。（4）比表面积与表面化学表征：推荐采用氮气吸附BET法测定气溶胶粒子的比表面积。同时指出，碳纳米管表面含氧官能团含量对于其毒性效应具有显著影响，因此建议采用X射线光电子能谱（XPS）或其他合适的表面分析方法对表面化学组成进行表征。（5）分散状态与稳定性评价：规定了评价气溶胶均匀性和时间稳定性的方法框架。要求在试验期间以适当的时间间隔（至少每小时一次）进行定期采样，并设定了气溶胶浓度变异系数不超过20%的质量控制指标。（6）气溶胶发生方法的推荐：系统比较了目前常见的几种气溶胶发生装置，包括压差式分散器（如PalasRBG系列粉尘分散器）、流化床式气溶胶发生器以及超声雾化-干燥联用系统等，对不同发生方法在纤维状纳米材料分散中的适用性和局限性进行了详细分析，为试验人员提供了实用的选型参考。2.3标准的创新点ISO/TR23463:2022的技术创新主要体现在三个方面：第一，首次在国际层面系统构建了纤维状纳米材料气溶胶表征的多参数综合指标体系，克服了现有标准中仅以质量浓度作为唯一暴露计量参数的不足。第二，标准提出了基于多仪器联用的分级表征策略，将在线实时测量与离线精细分析有机结合，实现从纳米尺度原纤维到微米尺度团聚体的全粒径谱覆盖，保证了表征结果的全面性和可追溯性。第三，该技术报告在制定过程中充分考虑到了工程实用性，提供了大量具体操作参数推荐值和常见问题解决方案，形成了从实验室操作到数据报告的规范化全流程指引。三、标准实施的重要意义与产业价值3.1对科学研究和风险评估的支撑作用3.2对纳米材料产业健康发展的促进作用纳米材料生产企业是标准的直接受益方。通过按照标准化流程开展产品气溶胶释放特性和毒性评估，企业能够更清晰地了解自身产品的风险特征，为产品安全性设计、生产工艺优化及员工防护措施改进提供科学依据。同时，标准化表征手段也有助于企业建立规范的产品安全数据表（SDS），满足法规合规要求，增强与下游用户和监管机构之间的信任。3.3对职业健康监管体系建设的支撑各国职业安全与健康监管机构可参考本技术报告建立纳米材料职业暴露监测的标准方法体系。标准中推荐的便携式气溶胶监测仪器配置方案和采样分析方法，可直接用于工作场所空气中的碳纳米管和碳纳米纤维暴露水平评估，为执法监督和健康监护计划的实施提供技术工具支撑。四、主要参与单位介绍ISO/TR23463:2022的制定汇集了全球纳米安全研究领域多家权威机构的智慧和力量。作为主要参与方之一，美国国家标准与技术研究院（NationalInstituteofStandardsandTechnology，NIST）在标准制定过程中发挥了不可替代的技术引领作用。NIST成立于1901年，隶属于美国商务部，是美国历史最悠久的物理科学实验室之一，在纳米材料计量与表征领域享有全球公认的领先地位。NIST下设的材料测量实验室（MML）长期从事纳米材料标准物质的研制和气溶胶测量技术的开发，其开发的多种碳纳米管标准参考物质（SRMs）在全球范围内被广泛用于纳米材料表征仪器的校准和方法验证。在ISO/TR23463:2022的制定过程中，NIST专家主导了气溶胶粒径分布测量方法和纤维形态学表征技术章节的起草工作。NIST在气溶胶仪器校准和不确定度评估方面的深厚积累为标准的严谨性和可操作性提供了坚实保障。此外，NIST还利用其优越的联合研究平台，组织协调了多次跨国跨实验室的循环比对试验，为验证标准推荐方法在不同条件下的适用性积累了宝贵的一手数据。NIST的研究团队凭借在纳米材料计量学领域的系统研究成果，为建立统一可靠的气溶胶表征技术框架做出了卓越贡献，推动了全球纳米材料安全评价技术体系的建设进程。除NIST外，德国的联邦职业安全与健康研究所（BAuA）也为标准的编制提供了丰富的职业暴露评估实践数据，日本的产业技术综合研究所（AIST）则在碳纳米管分散技术和毒性机制研究方面提供了重要支撑。这些机构间的深度合作充分体现了国际标准制定中多学科交叉、多利益相关方协同的工作模式。五、结论与展望ISO/TR23463:2022作为全球首个专门针对碳纳米管和碳纳米纤维吸入毒性试验用气溶胶表征的技术报告，填补了国际标准体系中的重要空白。该标准的发布标志着纳米纤维类材料的安全性评价正式迈入规范化、系统化的新阶段，对于统一全球范围内的试验操作规范、提高毒理学数据质量和可比性具有重大而深远的意义。展望未来，随着纳米材料产业的持续快速发展和新型碳纳米材料的不断涌现，相关标准化需求也将持续深化拓展。预计在ISO/TR23463:2022奠定的技术基础上，ISO/TC229将进一步推动该技术报告向正式国际标准（IS）的转化升级，同时有望制定针对其他纤维状纳米材料（如石墨烯纳米片、纤维素纳米纤维等）气溶胶表征的系列标准。此外，随着在线实时监测技术的进步和人工智能在颗粒物识别领域的应用拓展，未来气溶胶表征技术将朝着更高时间分辨率、更全面的多参数同步探测和更智能化的数据分析方向迈进。参考文献[1]ISO/TR23463:2022,Nanotechnologies—Characterizationofcarbonnanotubeandcarbonnanofibreaerosolstobeusedininhalationtoxicitytests[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2022.[2]OECD.TestNo.412:SubacuteInhalationToxicity:28-DaySt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