納米材料有毒嗎

1、納米材料有毒嗎    摘要 介紹了納米材料的一些應(yīng)用和幾種主要納米材料（如納米TiO2、碳納米管、納米鐵粉等）目前已取得的部分生物效應(yīng)及毒理學(xué)的研究結(jié)果；討論了納米材料對(duì)人體和環(huán)境帶來(lái)的潛在影響，及納米顆粒材料未來(lái)的毒性研究重點(diǎn)，并對(duì)納米材料安全性進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞 納米材料 毒性 安全性納米是一種尺度，和米、毫米、微米一樣，都是長(zhǎng)度的計(jì)量單位。1納米是10-9米，相當(dāng)于人頭發(fā)絲直徑的萬(wàn)分之一。納米技術(shù)是通過(guò)操縱原子、分子、原子團(tuán)或分子團(tuán)使其重新排列組合成新物質(zhì)的技術(shù)，其研究范圍在1100 nm之間的物質(zhì)組成。應(yīng)用納米技術(shù)研制出來(lái)的物質(zhì)稱納米材料。直徑小

2、于100 nm的顆粒物質(zhì)稱為納米顆粒。1 納米材料的應(yīng)用及其毒性問(wèn)題的提出20世紀(jì)80年代末誕生并急劇發(fā)展的納米材料，我們并不陌生，其應(yīng)用古今有之。古代字畫所用的墨是由納米級(jí)的碳墨組成；銅鏡表面的防繡層是由納米氧化錫顆粒組成?，F(xiàn)代的手機(jī)涂層中有納米顆粒，防曬霜中有納米二氧化鈦顆粒，口紅中有氧化鐵納米顆粒；納米材料也廣泛應(yīng)用于工業(yè)催化、工程材料、生物和醫(yī)學(xué)等方面。但就在科學(xué)家肯定納米材料對(duì)社會(huì)做出貢獻(xiàn)的同時(shí)，一個(gè)新的科學(xué)問(wèn)題納米生物效應(yīng)與安全性，引起了人們的廣泛關(guān)注。這些新型的、高科技的納米產(chǎn)品對(duì)我們的生存環(huán)境、人體健康會(huì)帶來(lái)負(fù)面影響嗎？神奇的納米材料有毒嗎？2003年在美國(guó)召開(kāi)的第25屆全美化

3、學(xué)年會(huì)上，科學(xué)家們就提出了金屬、陶瓷和有機(jī)納米薄片很可能具有毒性。歐洲和美國(guó)的科學(xué)家發(fā)表的一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)20多年的與大氣顆粒物有關(guān)的長(zhǎng)期流行病學(xué)研究結(jié)果顯示1：人的發(fā)病率與他們所生活環(huán)境空氣中大氣顆粒濃度和顆粒尺寸密切相關(guān)；死亡率增加是由劑量非常低的相對(duì)較小的顆粒物引起的；倫敦大霧事件中，有4000多人突然死亡；2004年北京連續(xù)3天被濃霧籠罩之后，呼吸道病人增加了兩成?？茖W(xué)家分析，這主要是空氣中納米顆粒大量增加造成的?？梢?jiàn)，納米材料、納米顆粒的毒性已成為專家的共識(shí)。納米材料和納米顆粒是不同的實(shí)體，下面所指的毒性研究主要是針對(duì)納米顆粒而言的。2 納米材料毒性研究的現(xiàn)狀近年來(lái)，許多國(guó)家都對(duì)納米材料的生

4、物效應(yīng)與毒性進(jìn)行了研究，研究范圍主要集中在納米TiO2、SiO2、碳納米管、富勒烯和納米鐵粉等少數(shù)幾種物質(zhì)，并取得了一些初步成果，某些負(fù)面影響已被證實(shí)。21 納米TiO2的毒性研究納米TiO2有抗菌、光催化、抗紫外線等特性，在涂料、化妝品和醫(yī)藥等方面有廣泛應(yīng)用。但Ferin等2人研究發(fā)現(xiàn)在相同空氣質(zhì)量濃度下，超細(xì)TiO2引起的大鼠肺部炎癥比微米級(jí)細(xì)TiO2更為嚴(yán)重。這一研究說(shuō)明即使化學(xué)組成相同的納米物質(zhì)，無(wú)毒或低毒的細(xì)顆粒材料，其超微顆粒也可能會(huì)變的有毒。Afaq等3用支氣管注入法研究超細(xì)TiO2顆粒對(duì)老鼠的毒性時(shí)，發(fā)現(xiàn)肺泡巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加，同時(shí)細(xì)胞內(nèi)的多種酶的活性均升高。而且，酶活性升高并

5、沒(méi)有阻止脂質(zhì)過(guò)氧化和過(guò)氧化氫的生成。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)TiO2顆粒引起了肺部組織間質(zhì)化，并誘發(fā)了炎癥，使上皮組織的滲透性增加。Rahman4等用20 nm的超細(xì)TiO2納米顆粒作用于纖維細(xì)胞，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后的細(xì)胞，細(xì)胞核核仁消失，細(xì)胞膜起泡，形成小體，DNA出現(xiàn)梯狀的隨機(jī)斷裂，證實(shí)了納米TiO2引起了細(xì)胞凋亡。對(duì)納米TiO2引起細(xì)胞凋亡的機(jī)理還不清楚，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，可能是由于反應(yīng)活性氧化物質(zhì)，產(chǎn)生的氧化應(yīng)激引起細(xì)胞膜質(zhì)層的破裂，細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失去平衡，導(dǎo)致依賴于鈣離子濃度的核酸內(nèi)切酶的活化，引起了細(xì)胞凋亡5。22 碳納米管的毒性研究碳納米管具有強(qiáng)度高，吸收能力強(qiáng)，電磁學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)，有著廣

6、泛的應(yīng)用和商業(yè)價(jià)值。但碳納米管質(zhì)量輕，可在空氣中漂浮，尤其可以在肺部沉積，由此引起人們對(duì)其安全性的研究6。Jia等7研究了碳納米管對(duì)巨噬細(xì)胞的影響，發(fā)現(xiàn)暴露于5 g/mL單壁碳納米管的巨噬細(xì)胞出現(xiàn)皺折，暴露于5 g/mL多壁碳納米管的細(xì)胞核變性，核基質(zhì)減少。當(dāng)劑量升高到20 g/mL時(shí)，單壁碳納米管組中巨噬細(xì)胞腫脹，并出現(xiàn)空泡和吞噬小體；多壁碳納米管組中染色質(zhì)濃縮，出現(xiàn)月牙樣邊集，細(xì)胞漿中出現(xiàn)空泡，這些都是細(xì)胞凋亡的癥狀。Warheit8研究組將碳納米管粉通過(guò)氣管注入老鼠體內(nèi)，24 h后發(fā)現(xiàn)，注入5 mg/kg碳納米管造成老鼠的死亡率為15%。注入1 mg/kg的碳納米管在肺部引起多處肉芽腫，

7、這些肉芽腫由類似巨噬細(xì)胞的多核大細(xì)胞組成，圍繞在碳納米管團(tuán)聚體周圍將其阻隔，30天至90天后逐漸減少。這些研究結(jié)果表明，碳納米管具有一定的毒性，很容易進(jìn)入肺部并嚴(yán)重?fù)p害細(xì)胞，導(dǎo)致肺巨噬細(xì)胞的吞噬能力急速下降。另外，這些納米纖維引起的肉芽腫與粉塵如石棉致肺損傷不同，沒(méi)有肺部炎癥和細(xì)胞增生的表現(xiàn)。這預(yù)示著碳納米管有新的致肺損傷機(jī)制。23 納米鐵粉的毒性研究鐵是人體必需元素，是大氣顆粒物的主要成分，因此在研究大氣污染對(duì)人體的健康影響時(shí)，有必要研究納米鐵粉的毒負(fù)作用。Zhou等9研究了大鼠吸入濃度為57 g/m3和90 g/m3的納米鐵粉顆粒物對(duì)健康的影響，發(fā)現(xiàn)吸入57 g/m3的納米鐵粉顆粒沒(méi)有引起

8、大鼠明顯的生物學(xué)效應(yīng)，而吸入90 g/m3的鐵粉顆粒引起了肺泡灌洗液內(nèi)蛋白質(zhì)總量明顯升高等輕微的呼吸道反應(yīng)。可見(jiàn)隨著暴露劑量的升高，納米鐵粉已經(jīng)表現(xiàn)出了輕微的毒負(fù)作用。陳國(guó)民等10人對(duì)包埋的Fe3O4納米顆粒進(jìn)行了小鼠經(jīng)口最大耐受量、骨髓細(xì)胞微核和精子畸形試驗(yàn)，初步了解了其毒性和致突變性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各試驗(yàn)組小鼠在經(jīng)口染毒后出現(xiàn)了行動(dòng)遲緩、厭食現(xiàn)象，體重增加緩慢，解剖發(fā)現(xiàn)肝細(xì)胞有不同程度的水腫。由實(shí)驗(yàn)推論，納米鐵粉的毒性是由于宏觀的化學(xué)物質(zhì)粒徑減小到納米級(jí)后，會(huì)通過(guò)細(xì)胞或細(xì)胞間隙進(jìn)入血液，引起器官的損傷；另外，納米顆粒的生物學(xué)行為可能與表面性質(zhì)有關(guān)。一般而言，表面帶負(fù)電荷的微粒易被肝臟攝取，帶正

9、電荷的微粒易被肺臟攝取11。3 對(duì)納米材料毒負(fù)效應(yīng)的冷思考納米技術(shù)是把雙刃劍，我們?cè)谙硎芷鋷?lái)的正面效應(yīng)的同時(shí)，要時(shí)刻關(guān)注和研究它可能帶來(lái)的負(fù)面危害性。美國(guó)納米化學(xué)家Vicki Colvin說(shuō)：“當(dāng)這一領(lǐng)域處于早期階段，并且人類受納米材料的影響比較有限時(shí)，一定要對(duì)納米材料的生物毒性給予關(guān)注。我們必須現(xiàn)在，而不是在納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用之后，才來(lái)面對(duì)這個(gè)問(wèn)題?！眹?guó)內(nèi)外對(duì)納米材料毒性的研究都還處于起步階段，盡管知道了其對(duì)人和動(dòng)物作用的主要和直接靶子是血液、肺、皮膚和一些器官12，但各種納米顆粒對(duì)細(xì)胞分裂、增殖、凋亡等基本生命過(guò)程的影響和相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的調(diào)控，以及在細(xì)胞水平上產(chǎn)生的生物效應(yīng)等，目前還不

10、清楚13。4 未來(lái)的毒性研究重點(diǎn)及安全性展望41 未來(lái)的毒性研究重點(diǎn)納米材料的廣泛使用使人們對(duì)其安全性的研究越來(lái)越關(guān)注。納米生物效應(yīng)的研究是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的交叉學(xué)科領(lǐng)域，其研究工作主要是從生物整體水平、細(xì)胞水平、分子水平和環(huán)境等方面展開(kāi)14。具體的研究重點(diǎn)包括5：（1）根據(jù)急性毒性實(shí)驗(yàn)獲得的基本數(shù)據(jù)對(duì)納米顆粒進(jìn)行吸入毒理學(xué)方面的研究；（2）研究納米顆粒在體內(nèi)的吸收、分布和排泄的生物轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程和代謝過(guò)程；（3）采用不同暴露途徑研究不同的工業(yè)納米材料的一般毒性和特殊毒性；（4）研究混合納米顆粒及納米顆粒與大氣污染物混合的毒性；（5）從分子水平闡釋納米顆粒和納米材料的毒性機(jī)理。42 安全性展望我們要致

11、力于通過(guò)一定的化學(xué)修飾或物理處理來(lái)減小某些納米材料的毒負(fù)效應(yīng)的研究，并保持其有益的納米特性5。生物毒性的研究結(jié)果給化學(xué)領(lǐng)域提出了新的研究方向，對(duì)有生物毒性的納米分子進(jìn)行化學(xué)修飾，保持功能特性的同時(shí)消除其毒性，這方面的研究已經(jīng)展開(kāi)15。納米材料安全性評(píng)價(jià)的研究也開(kāi)始受到人們的廣泛關(guān)注。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局已撥款400萬(wàn)美元，開(kāi)展納米材料對(duì)環(huán)境和人可能造成危害的研究，研究重點(diǎn)包括：皮膚對(duì)納米材料的吸附和納米材料對(duì)皮膚的毒性；納米顆粒進(jìn)入飲用水時(shí)的后果；納米顆粒對(duì)操作者肺部組織影響的研究和在通風(fēng)道中納米顆粒對(duì)動(dòng)物的影響；已變成海洋或淡水水域沉積物的納米顆粒對(duì)環(huán)境的影響；在什么條件下，納米顆粒可能吸收或

12、以后釋放到環(huán)境中成為污染物。專家認(rèn)為，這標(biāo)志著美國(guó)政府正努力評(píng)估納米技術(shù)的生物和醫(yī)學(xué)影響16。納米材料是很特殊的一類物質(zhì)，粒徑大小、形狀、表面積、化學(xué)組成等不同則毒性也可能不同。每年都有大量新型納米材料涌現(xiàn)，很有必要對(duì)每種類型的納米材料進(jìn)行健康和環(huán)境安全性評(píng)價(jià)。我們需用各種動(dòng)物試驗(yàn)、臨床試驗(yàn)及流行病學(xué)研究對(duì)各種超細(xì)顆粒與微粒的毒性進(jìn)行比較，以明確它們的毒性情況，同時(shí)積極探索合理、高效的評(píng)價(jià)方法17。參考文獻(xiàn)1 趙宇亮，白春禮.第243次香山科學(xué)會(huì)議：納米尺度的生物效應(yīng)（納米安全性）論文集.北京，2004：3-72 Ferin J，Oberdorster G，Penney D PAm J Res

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