纳米材料有毒吗

纳米材料有毒吗

摘要介绍了纳米材料的一些应用和几种主要纳米材料（如纳米TiO2、碳纳米管、纳米铁粉等）目前已取得的部分生物效应及毒理学的研究结果；讨论了纳米材料对人体和环境带来的潜在影响，及纳米颗粒材料未来的毒性研究重点，并对纳米材料安全性进行了展望。

关键词纳米材料毒性安全性

纳米是一种尺度，和米、毫米、微米一样，都是长度的计量单位。1纳米是10-9米，相当于人头发丝直径的万分之一。纳米技术是通过操纵原子、分子、原子团或分子团使其重新排列组合成新物质的技术，其研究范围在1～100 nm之间的物质组成。应用纳米技术研制出来的物质称纳米材料。直径小于100 nm的颗粒物质称为纳米颗粒。

1 纳米材料的应用及其毒性问题的提出

20世纪80年代末诞生并急剧发展的纳米材料，我们并不陌生，其应用古今有之。古代字画所用的墨是由纳米级的碳墨组成；铜镜表面的防绣层是由纳米氧化锡颗粒组成。现代的手机涂层中有纳米颗粒，防晒霜中有纳米二氧化钛颗粒，口红中有氧化铁纳米颗粒；纳米材料也广泛应用于工业催化、工程材料、生物和医学等方面。但就在科学家肯定纳米材料对社会做出贡献的同时，一个新的科学问题——纳米生物效应与安全性，引起了人们的广泛关注。这些新型的、高科技的纳米产品对我们的生存环境、人体健康会带来负面影响吗？神奇的纳米材料有毒吗？

2003年在美国召开的第25届全美化学年会上，科学家们就提出了金属、陶瓷和有机纳米薄片很可能具有毒性。欧洲和美国的科学家发表的一项长达20多年的与大气颗粒物有关的长期流行病学研究结果显示［1］：人的发病率与他们所生活环境空气中大气颗粒浓度和颗粒尺寸密切相关；死亡率增加是由剂量非常低的相对较小的颗粒物引起的；伦敦大雾事件中，有4000多人突然死亡；2004年北京连续3天被浓雾笼罩之后，呼吸道病人增加了两成。科学家分析，这主要是空气中纳米颗粒大量增加造成的。可见，纳米材料、纳米颗粒的毒性已成为专家的共识。纳米材料和纳米颗粒是不同的实体，下面所指的毒性研究主要是针对纳米颗粒而言的。

2 纳米材料毒性研究的现状

近年来，许多国家都对纳米材料的生物效应与毒性进行了研究，研究范围主要集中在纳米TiO2、SiO2、碳纳米管、富勒烯和纳米铁粉等少数几种物质，并取得了一些初步成果，某些负面影响已被证实。

2．1 纳米TiO2的毒性研究

纳米TiO2有抗菌、光催化、抗紫外线等特性，在涂料、化妆品和医药等方面有广泛应用。但Ferin等［2］人研究发现在相同空气质量浓度下，超细TiO2引起的大鼠肺部炎症比微米级细TiO2更为严重。这一研究说明即使化学组成相同的纳米物质，无毒或低毒的细颗粒材料，其超微颗粒也可能会变的有毒。

Afaq等［3］用支气管注入法研究超细TiO2颗粒对老鼠的毒性时，发现肺泡巨噬细胞的数量增加，同时细胞内的多种酶的活性均升高。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。进一步的研究发现TiO2颗粒引起了

肺部组织间质化，并诱发了炎症，使上皮组织的渗透性增加。Rahman［4］等

用20 nm的超细TiO2纳米颗粒作用于纤维细胞，研究发现经处理后的细胞，细胞核核仁消失，细胞膜起泡，形成小体，DNA出现梯状的随机断裂，证实了纳米TiO2引起了细胞凋亡。

对纳米TiO2引起细胞凋亡的机理还不清楚，但根据实验结果推测，可能是由于反应活性氧化物质，产生的氧化应激引起细胞膜质层的破裂，细胞内钙稳态失去平衡，导致依赖于钙离子浓度的核酸内切酶的活化，引起了细胞凋亡［5］。

2．2 碳纳米管的毒性研究

碳纳米管具有强度高，吸收能力强，电磁学性能好等优点，有着广泛的应用和商业价值。但碳纳米管质量轻，可在空气中漂浮，尤其可以在肺部沉积，由此引起人们对其安全性的研究［6］。

Jia等［7］研究了碳纳米管对巨噬细胞的影响，发现暴露于5 μg/mL单壁碳纳米管的巨噬细胞出现皱折，暴露于5 μg/mL多壁碳纳米管的细胞核变性，核基质减少。当剂量升高到20 μg/mL时，单壁碳纳米管组中巨噬细胞肿胀，并出现空泡和吞噬小体；多壁碳纳米管组中染色质浓缩，出现月牙样边集，细胞浆中出现空泡，这些都是细胞凋亡的症状。Warheit［8］研究组将碳纳米管粉通过气管注入老鼠体内，24 h后发现，注入5 mg/kg碳纳米管造成老鼠的死亡率为15%。注入1 mg/kg的碳纳米管在肺部引起多处肉芽肿，这些肉芽肿由类似巨噬细胞的多核大细胞组成，围绕在碳纳米管团聚体周围将其阻隔，30天至90天后逐渐减少。

这些研究结果表明，碳纳米管具有一定的毒性，很容易进入肺部并严重损害细胞，导致肺巨噬细胞的吞噬能力急速下降。另外，这些纳米纤维引起的肉芽肿与粉尘如石棉致肺损伤不同，没有肺部炎症和细胞增生的表现。这预示着碳纳米管有新的致肺损伤机制。

2．3 纳米铁粉的毒性研究

铁是人体必需元素，是大气颗粒物的主要成分，因此在研究大气污染对人体的健康影响时，有必要研究纳米铁粉的毒负作用。

Zhou等［9］研究了大鼠吸入浓度为57 μg/m3和90 μg/m3的纳米铁粉颗粒物对健康的影响，发现吸入57 μg/m3的纳米铁粉颗粒没有引起大鼠明显的生物学效应，而吸入90 μg/m3的铁粉颗粒引起了肺泡灌洗液内蛋白质总量明显升高等轻微的呼吸道反应。可见随着暴露剂量的升高，纳米铁粉已经表现出了轻微的毒负作用。陈国民等［10］人对包埋的Fe3O4纳米颗粒进行了小鼠经口最大耐受量、骨髓细胞微核和精子畸形试验，初步了解了其毒性和致突变性。结果发现，各试验组小鼠在经口染毒后出现了行动迟缓、厌食现象，体重增加缓慢，解剖发现肝细胞有不同程度的水肿。

由实验推论，纳米铁粉的毒性是由于宏观的化学物质粒径减小到纳米级后，会通过细胞或细胞间隙进入血液，引起器官的损伤；另外，纳米颗粒的生物学行为可能与表面性质有关。一般而言，表面带负电荷的微粒易被肝脏摄取，带正电荷的微粒易被肺脏摄取［11］。

3 对纳米材料毒负效应的冷思考

纳米技术是把双刃剑，我们在享受其带来的正面效应的同时，要时刻关注和研究它可能带来的负面危害性。美国纳米化学家Vicki Colvin说：“当这一领域处于早期阶段，并且人类受纳米材料的影响比较有限时，一定要对纳米材料的生物毒性给予关注。我们必须现在，而不是在纳米技术被广泛应用之后，才来面对这个问题。”

国内外对纳米材料毒性的研究都还处于起步阶段，尽管知道了其对人和动物作用的主要和直接靶子是血液、肺、皮肤和一些器官［12］，但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，目前还不清楚［13］。