纳米材料的安全性

纳米材料的安全性

摘 要 近年来，随着现代纳米技术在环境领域中的广泛应用,各种不同形式的纳米尺度物质对人类环境可能带来的潜在影响,逐渐引起相关领域研究工作者广泛关注。本文分析了纳米材料的暴露途径和对生物体及环境的潜在威胁，以及纳米材料的几种毒性；并探讨了纳米材料产生毒性效应的几种可能机制；介绍了国内外几种典型的纳米材料毒性研究情况；并提出了一些建议。

关键词 纳米材料 毒性 安全性

引 言：

广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1～100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。具体的说主要有以下特性[1]：(1)表面与界面效应：这是指纳米晶体表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。(2)小尺寸效应：当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出“新奇”的现象。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。(3)量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。(4)宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

近年来，随着纳米科技的迅猛发展，各种人造纳米材料已经在医药、化妆品和电子等产品中广泛使用[2]。纳米材料既可以造福人类，也可能给环境和人体健康带来影响。然而，纳米材料的生物安全性现在还是未知数，关于它对健康的影响也还没有成熟的分析方法。据美国纽约罗切斯特大学研究人员的实验显示[3]，实验白鼠吸入纳米材料可能对多个脏器和中枢神经系统产生不良影响。虽然现在人们还不知道纳米粒子进入大脑并堆积起来会产生何种影响，但是纳米物质应用的安全性早就被那些对纳米研究持谨慎态度的学者所重视。有些科学家[3]甚至提出，为保证人类健康和环境安全，应暂停纳米材料研究。美国、英国和日本等国多年前就已致力于富勒烯、单壁和多壁碳纳米管以及氧化铈纳米材料的安全性评估。进入21世纪，我国开始高度关注纳米生物效应与安全性的研究。目前，中国科学院高能物理所以大科学平台为中心，结合核分析重点实验室长期开展的稀土和重金属生物效应、有机卤素毒理及环境毒理学研究的丰富经验，已从生物整体水平、细胞水平、分子水平和环境等几个层面开展纳米生物效应的研究工作。预计在未来的研究中会有更多的人员加入这一行列，这预示着纳米技术研究和材料应用即将进人一个新时代。

1、 纳米材料的暴露途径及其潜在威胁

纳米材料主要通过呼吸系统、皮肤接触、食用和注射及在生产、使用、处置过程中向环境释放等途径向生物体和环境暴露而产生威胁。

首先，纳米颗粒通过呼吸系统被生物体吸收。如研究人员和工厂的工人容易暴露在纳米颗粒浓度高的空气中，主要以被动扩散方式通过细胞膜吸收，由于其粒径非常小(1～100nm)，所以其布朗运动速度很快，主要附着于肺泡和较大的支气管内。附着在肺泡表面的难溶颗粒，有的被滞留，以致引起病变；有的可到达淋巴腺或随淋巴液到达血液，可能具有较高毒性。近来多项研究[4]发现，纳米材料可以在动物的呼吸道各段和肺泡内沉积，并且可以致明显的肺泡巨噬细胞(AM)损伤。其次，皮肤是人类阻挡外源污染物质的重要屏障系统，污染物主要通过表皮脂质屏障经皮肤吸收。如皮肤吸收通常发生于使用含二氧化钛或氧化锌纳米颗粒的化妆品。再次，食用和注射难溶性药物的消化道吸收率和药效与药物的粒径呈负相关关系也人所共知。然而，科学家们发现药物制剂的粒径变小而其毒副作用却得到不同程度的增大。常规药物被纳米颗粒物装载后，急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性明显增强。最后，针对在生产、使用、处置过程中向环境释放，有研究者提出，纳米颗粒难溶于水，故不必担心其会污染地下水环境。但有研究[4]发现，由于纳米碳管具有相当大的表面积，所以其他种类的分子能够吸附在碳管上，并通过地下水作用将污染物大面积传播，导致环境恶化。也有研究[5]表明。一种亲水的纳米材料，可以在没有任何表面处理的情况下于水中形成胶体样物质，其溶解度是多环芳烃(PAHs)在水中溶解度的100余倍，而水中很低浓度的PAHs也会对环境产生影响，因此推测C50可能具有相似的属性，因此有必要评价水环境中可能存在的纳米颗粒的理化特性 。

除了暴露途径，暴露剂量是另一个重要的问题。纳米尺寸是决定纳米颗粒毒性的一个因素，但是纳米颗粒的总表面积(由尺寸和总剂量决定)也非常重要。表面反应活性低的纳米颗粒对人类和其他动物的潜在毒性与暴露的剂量和途径有关。因此，尽量减少以及准确确定暴露的剂量十分关键。但是，由于纳米颗粒的团聚特性，目前还很难准确测定人或生物在某一环境中对某一尺寸的暴露剂量。

从长远看，随着纳米材料的广泛应用，通过大气、水和土壤等途径将不可避免地造成对整个生态系统的暴露。因此有必要对纳米材料的生物效应进行研究，建立纳米材料安全性研究体系，以评价其环境和健康风险。

2、纳米材料的毒性

（1）纳米材料的吸入毒性

近来多项研究发现，纳米材料可以在动物的呼吸道各段和肺泡内沉积，并且可以致明显的肺泡巨噬细胞损伤。如图1，Lam[6]等采用支气管注入法分别给小鼠注入0、0.1、0.5 mg/kg的单壁碳纳米管7 d和90d后，出现了上皮样肉芽肿，并呈剂量依赖性增加。他们认为，在其实验条件下，一旦单壁碳纳米管(SWNT)到达肺脏，则其毒性比炭黑和石英都高。Warheit[7]等也采用支气管注入法研究了单壁碳纳米管(SWNT)对大鼠的影响，染毒剂量分别为1和5mg/kg，在24h、1周、1个月和3个月后进行组织病理学评估，结果也观察到了肺损伤和肉芽肿的形成，但是，单壁碳纳米管(SWNT)暴露所导致的是多病灶肉芽肿，且没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现。这种肉芽肿损伤更像免疫反应或是肺对外来物质的清除反应，这预示着单壁碳纳米管(SWNT)具有新的致肺损伤机制。Dick[7]等比较了纳米炭黑、纳米钻、纳米镍和纳米二氧化钛，发现它们致肺部损伤的程度与产生自由基并且引发氧化损伤有关。他们认为，这是纳米材料表面可以与组织发生反应产生自由基的缘故。

(2) 纳米材料的接触毒性 　　 　　 　　 　　

有学者[8]发现，人工培养的人表皮角质细胞暴露于单壁碳纳米管（SWNT）后出现自由基形成、过氧化物积聚以及抗氧化物质减少，暴露18 h后细胞活力下降等，同时还发现细胞形态和细胞的超微结构发生改变，如图2。Menzel[8]等用粒径为45～150nm长、17～35nm宽的纳米二氧化钛覆盖与人体皮肤最为相似的猪皮，8h后通过粒子诱发X射线荧光分析观察纳米二氧化钛在皮肤结构中的分布情况，实验结果证实纳米二氧化钛可以通过角质层进入到表皮下的颗粒层，尤其是在表皮生发层。

图2纳米二氧化钛在皮肤结构中的分布情况

美国环境保护署毒害神经学家贝利纳维罗内齐博士及其同事查明，二氧化钛(TiO2)纳米颗粒能损害大脑细胞。

（3）纳米材料透过血脑屏障 　　 　　

研究表明[8]，纳米粒子是通过被动转运、载体介导或者吞噬作用跨越血脑屏障的。但是，纳米粒子究竟是怎样突破血脑屏障的，对内皮细胞间紧密连接是否有损伤，还有待于进一步确定。能够跨越血脑屏障的纳米药物固然受到欢迎，但是意味着毒性物质也有可能通过这种途径进入大脑，所以需要对纳米载药材料进行全面的安全性评价。

（4）纳米材料对微生物的影响 　

现已有多项研究[9]表明纳米材料具有抗菌作用。另外，纳米二氧化钛包被的中空玻璃球可以抑制蓝藻和硅藻的光合作用，显示纳米材料在抑制海藻过度生长方面的应用潜力。由于微生物在维持土壤及水生态平衡中发挥着重要作用，纳米材料对生态平衡的破坏应引起注意。一旦具有抗菌作用的纳米材料进入生态环境(如纳米废弃物或环境治理投放)，是否会破坏正常微生物种群的生长而影响到整个生态环境的平衡，应进行更加深入的研究。

3 、纳米材料产生毒性效应的机制

纳米材料产生毒性效应的可能机制有自由基机制、分子机制和免疫机制等。

3.1 产生毒性效应的自由基机制

有关纳米材料的各种体内和体外化学试验都表明可以产生活性氧自由基，如量子点、单壁碳纳米管、富勒烯、超细颗粒物等，暴露于光、紫外线、过渡金属的条件下均可生成活性氧簇。粒径和化学组分不同的各种纳米颗粒物也会影响线粒体的代谢，因为线粒体是自由基活化组织，因此可能改变活性氧簇的产生，负载或干扰

机体抗氧化防御机制。如富勒烯作为产生超氧自由基的

标准纳米颗粒物，其确切的发生机制可能包括：纳米颗

粒物产生的光激发促使系统内自由电子的产生；纳米颗

粒物的代谢产生自由基活化介质，特别是这种代谢是经

细胞色素(P450)诱导的；体内炎症反应可能导致巨噬细

胞释放氧自由基。国际毒理学等权威杂志报道，过剩自

由基可引发100多种疾病，包括各种癌症、心脑血管疾病、动脉硬化、衰老、糖尿病等。

3.2 产生毒性效应的分子机制

纳米颗粒沉积在肺部后，可能破坏细胞膜或直接通过细胞膜进入细胞内部，并与细胞内的脂质、蛋白和核酸等生物大分子相互作用，改变生物大分子的构型和构象，从而改变生物大分子的相应功能。Christie[9]等研究了水溶性富勒烯衍生物对细胞膜的损伤作用，发现富勒烯衍生物能产生超氧阴离子。这些自由基通过脂质过氧化破坏细胞膜，使细胞丧失正常的功能，但DNA的质量浓度和线粒体的活力没有受到多大影响。细胞骨架由蛋白纤维组成，具有支撑细胞、物质转运、信息传递、细胞增殖和辅助基因表达等功能。Moller[9]等研究了几种纳米颗粒对巨噬细胞骨架的影响，发现高质量浓度的纳米颗粒会使细胞骨架的正常功能丧失，表现为阻止细胞间的物质转运，增加细胞的硬度，破坏巨噬细胞的吞噬能力，妨碍细胞增殖，导致肺部慢性炎症。

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 。

4、国内外纳米材料毒性研究概况

近年来，纳米技术和纳米材料所带来的经济收益和技术进步相当的可观，这种新材料和新技术可能带来的生物安全性方面的影响和相关的研究也逐渐被认识和重视。美国环境保护机构(us environmental protection agency)已确认了一些关于纳米颗粒安全性评价的课题，如人造纳米颗粒的毒理学，使用已知颗粒和纤维的毒理数据外推人造纳米颗粒毒性的可能性，人造纳米颗粒对环境和生物的传送、持续和转化等。英国政府也要求皇家学会和皇家工程院研究纳米技术可能造成的伦理和社会问题，在一定期限内发布研究报告。国内也有一些研究人员较早地认识到这一方面研究的重要性，并开展了一些初步的研究与探讨。

4.1我国纳米材料毒性研究

我国关于纳米材料毒性相关研究还很缺乏，尽管已经取得了一些初步的研究成果，但与纳米材料研究相比尚处于起步阶段。纳米材料的生物安全性研究不仅对人体健康具有重要意义，而且还牵涉到劳动保护、资源利用等许多方面，所以应该引起我国政府的高度重视。

首先是纳米磁性材料的研究，由于纳米磁性材料是一种磁性强、制备相对简单、生物相容性较好的材料，因此在生物医学领域有着广泛应用。东南大学医学院[10]新药临床前药理基地口副对由表面包覆谷氨酸分子的球形y-Fe203和Fe304磁性纳米颗粒制成的抗癌材料进行了毒性检测，未见三氧化二铁磁性纳米材料对哺乳动物体细胞及生殖细胞有遗传毒性作用，在连续给药l4天后，该材料无毒性反应剂量是人体推荐注射量(国内：0．56～0．84mg／(kg·次))的10倍以上；而四氧化三铁磁性纳米颗粒无体细胞致突变作用，但经口染毒可能会对雄性生殖细胞有致突变作用。湖南大学的李杜[11]等对无机硅壳类纳米颗粒进行了细胞毒性的研究，利用无机二氧化硅纳米颗粒(SiNP)、二氧化硅壳荧光纳米颗粒(FSiNP)以及二氧化硅磁性纳米颗粒(MSiNP)对美洲绿猴肾细胞、鼻咽癌细胞系和乳腺癌细胞系进行了毒性研究。结果表明，在有效浓度范围内，无机硅壳类纳米颗粒具有很好的生物相容性，对细胞的生长和代谢没有明显影响，从而为无机二氧化硅纳米颗粒在生物医学中的应用提供了一定的理论依据。贾元宏[12]等对一种以纳米硅基氧化物(SiO2-x )、纳米载银抗菌粉、纳米载锌抗菌粉为主要成分的复方抑菌剂进行了抑菌效果和毒性试验。结果表明，该抑菌剂对雌、雄小白鼠口服半数致死量（LD50）均大于5000mg／kg，按急性经口毒性评价标准，属实际无毒物质；在家兔急性皮肤刺激试验中，未见红斑、水肿和其他异常现象；而对大白兔进行眼刺激试验后，3只出现轻度分泌物，且角膜、虹膜均正常，48h后恢复正常，属无急性刺激性物质；小白鼠蓄积系数k大于5，属弱蓄积性物质。

此外，国内外学者还对固体脂质纳米颗粒、纳米聚四氟乙烯和碳颗粒用纳米SiO2／ Gf／EAM 复合材料等的生物安全性问题进行了初步研究，取得了一些成果，但这些研究仅仅是纳米材料中的很少一部分，而且研究中仍存在一些不足。纳米材料生物安全性研究是一个典型的综合性强的交叉学科领域，需要综合利用各种研究方法和手段，才能有效地完成纳米生物环境效应的研究。作为“科学技术的眼睛”的分析科学，在这项研究中有着极其重要的作用。传统用于研究纳米生物环境效应的方法，如MTT(一种黄颜色的染料)法(一种检测细胞存活和生长的方法)适合常规物质(如重金属离子、有机污染物)的检测，但不一定适合具有特殊性质的纳米尺度物质的检测。此外，这些传统的检测方法灵敏度不够高，而且费时、复杂，不利于掌握和操作。近年来，光传感器为生命科学、环境科学、材料科学的研究提供了许多新的、高灵敏度的分析手段，推动了这些学科理论和高新技术的发展。如用发光细菌的发光体系来研究存在于水体中的纳米材料的生物效应；用绿色植物叶子的延迟化学发光来研究存在于大气中的纳米粉末对光合作用过程的影响等；并进一步研究纳米材料的粒径、浓度、形貌等对其生物环境效应的影响，从而建立起简单、快速、灵敏地研究纳米材料生物环境安全性的新方法和新技术。

4.2 国外纳米材料毒性相关研究情况

首先是碳纳米管的毒性研究，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碳纳米管非常轻，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NSA Johnson[13]空间中心的Chiu Wing Lain[13]等和美国杜邦公司的David B．warheit[13]等已经做出了相关的研究。其次，纳米量子点是研究重点，它的特征是材料的尺寸在三维方向上均小于电子的自由程，因此在这种材料中电子在空间的运动受到限制，在不同方向上的电子能级都是离散的，从而表现出一些独特的性质，如电子隧道效应、单色光发射等。量子点由于具有独特的荧光效应，广泛用于生物学标记，因此，量子点的毒性问题也随之产生。量子点的毒性主要取决于量子点的材料组成、量子点的大小和表面修饰情况等。美国加州大学San Diego分校的Austin M．Derfus[14]等发现，以CdSe为核心的半导体量子点在某些情况下有很强的毒性。当合成半导体量子点的时候改变参数，暴露在紫外线下和表面修饰后，量子点的细胞毒性会有所变化。进一步研究揭示了细胞毒性与自由Cd的释放有关。当经过合适的修饰，以CdSe为核心的半导体量子点可变得无毒并且可在体外进行细胞移植和重组。美国Case Western Reaserve大学的研究人员[15]对包含DNA 的纳米颗粒进行了毒性研究，将DNA压缩在多聚一赖氨酸内，然后包在纳米颗粒中，用聚乙烯乙二醇将这种纳米颗粒修饰在半胱氨酸的N端，这样做可以有效地通过某种途径转染上皮细胞。在10g的剂量下，DNA纳米颗粒没有出现可察觉到的毒性，并且在这个剂量上有最高的基因表达。这个比较好的毒性测试结果有助于控制稳定的压缩DNA的发展。

5、一些建议

著名学者方舟子博士也认为，“ 科学界在展望新技术的前景时，不要过分乐观，设想得过于美好，要让公众了解到可能的障碍和问题”。树立这样的观念是应该的, 及早关注纳米材料的环境影响, 将对人类更加有利。目前, 社会对纳米技术的负面效应认识不够，只有对纳米技术实施有效的社会控制, 才能引导它向健康方向发展，应当开始如下的工作：

（1）成立跨学科的科技中心研究纳米微粒与纳米管毒性、流行病学、暴露路径, 以发展一套可以用来监控人造与自然环境中纳米微粒与纳米管的方法与仪器。

（2）由于纳米微粒与纳米管对环境的影响目前尚未完全清楚, 所以要尽可能避免将纳米微粒释放到环境中 要规范工作环境中纳米微粒的可存在量规范, 并在生产纳米微粒的过程中采取较低的暴露量标准。

（3）对于消费性产品, 如含有纳米微粒成分, 在获准上市以前, 质量环境监管机构应该对所使用的纳米微粒进行完整的安全评估同时建议制造商公布评估其纳米方法细节国家应针对纳米产品的性质重新反思目前的监管机制。

（4） 建议检讨现行法律关于工作环境内意外事故发生时的管理方法, 研究制定对于在有纳米微粒存在的工作环境的管制和人员保护措施。

总而言之, 我们要用理性的眼光去看待纳米技术的发展在研究、开发时既不要忽视它的潜在危险而贸然发展, 也不要夸大它的可能危险而阻止它的发展。而应该在技术自身尚未发展到充分成熟, 达到完全可以影响和驾驭自然和社会协调发展阶段之前, 拿出真正的决心和有力措施来促进技术的全面健康发展, 从源头上控制、阻止对其不适当的使用所引起的灾难性负效应。

6、结束语

目前，纳米科技应用开发的研究力度远远大于对科技本身潜在风险研究的力度，国内纳米材料的研究开发已经进入国际领先行列，市场上也出现了如纳米碳管、纳米二氧化钛和纳米氧化锌等多种产品，这些产品没有经过严格的人体危害研究之前马上投放市场是不恰当的；另外，纳米材料在生产和运输的过程中是否会对生产运输者的健康造成危害，是否会因泄漏扩散到环境中而造成污染；纳米材料在使用过程中要遵从什么样的技术规范等等问题目前都不清楚，含有纳米颗粒和纳米纤维的纺织品和生活用品会随时间推移而脱落、分解进入环境中，特别是水环境。这些材料的生物可降解性，是否会对水生生物及整个水生态系统产生不良影响，是否会通过食物链最终在人体富集积累而危害公众健康等问题目前也不清楚。鉴于双对氯苯基三氯乙烷（DDT）、多氯联苯（PCB）和二恶英（Dioxin）的惨痛教训，纳米材料对人类健康、环境和社会的影响是一个亟待解决的问题，需要建立纳米材料的研究、生产和使用的安全规范，以及环境系统评估和监测的方法和制度，并将“纳米污染”列入国家战略研究规划。

专家们认为，未来纳米环境安全问题的研究必须重视以下几个方面的工作：

(1)纳米颗粒毒性与粒径大小有着重要的关系，需要比较不同粒径的同种纳米材料的毒性。

(2)纳米材料在不同外部条件下毒性发生怎样的改变，如何通过改变外部条件和修饰方法来改变毒性是一项具有重要应用价值的研究。

(3)纳米材料如何穿越生物屏障、作用于哪些靶标及引起怎样的代谢改变。

(4)纳米材料对机体及其器官、组织、细胞、分子、基因等均有影响，在哪个层面上的影响最值得注意。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/efa1d880bceb19e8b8f6ba7b.html