纳米材料的毒性研究

纳米材料的应用及毒性研究必要性

纳米材料是指三维结构中至少有一维大小在纳米（10-9米）尺度上的材料。由于纳米材料具有特殊的物理化学特性，使其在很多领域具有广泛的应用，比如：化工、陶瓷、微电子学、计量学、电学、光学以及信息通讯等领域[1]。近期研究发现纳米技术在生物、医药上也具有巨大的应用潜力，包括疾病诊断、分子成像、生物传感器荧光生物标记，药物和基因传输，蛋白质的检测，DNA结构探讨，组织工程学等[2]。目前市场上基于纳米技术的产品有很多，包括涂料，化妆品，个人护理品和食品增补剂[3]。因此人类暴露于纳米颗粒的途径多种多样，吸入，摄取以及皮肤途径。而且，出于医学的目的，这些颗粒有可能直接被注射进入人体内[4]。一旦被人体吸收，各种类型的纳米颗粒就会分布到人体的大部分器官，甚至可以通过生物屏障，比如血脑屏障和血睾屏障[5,6]。

2003年，Science和Nature相继发表文章，探讨纳米材料的生物效应、对环境和健康的影响问题[7,8]。很多研究工作已经证明，纳米材料对生物体会造成

负面的影响。目前为止, 科学家们只对纳米TiO

2、SiO

2

、碳纳米管、富勒烯和纳

米铁粉等少数几个纳米物质的生物效应进行了初步的研究[9]。Vicki Colvin[7]强调："当这一领域尚处于早期阶段, 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"。因此对纳米材料毒性的研究，不仅具有必要性而且具有紧迫性，是保证纳米科技顺利发展的前提，可以减少新兴科学对人类及自然界不必要的破坏。

纳米材料毒性研究现状

纳米材料具有粒径小、比表面积大的特点，量子效应在纳米尺度上开始支配物质的物理化学性质。这些特有的性质使得纳米材料的应用领域十分广泛[1]。然而，纳米材料对生物系统的不利影响引起了越来越多的关注。已经有很多研究证实，纳米材料并非有益而无害的，它们在细胞、亚细胞以及蛋白质水平上都影响着生物体[10]。纳米材料的粒径很小，因此它们和生物组织接触及作用的机会大大增加，正常尺寸下对生物体并无影响的物质在纳米尺寸下可能会对生物体产生毒副作用[10]。

✓SiO

2

纳米颗粒

Lin[11]等将人支气管癌原性细胞暴露于15nm和38nm的SiO

纳米颗粒，发

2

现细胞的发育能力呈剂量依赖性丧失。并且，细胞的发育能力随着纳米颗粒的剂量和暴露时间的增加而降低。研究发现，这种影响是和氧化应激水平的增加紧密

纳米颗粒的一级尺寸为10nm和30nm时，对相关的。另外有研究显示，当SiO

2

胚胎干细胞分化为心肌细胞的过程有抑制作用[4]。然而，也有体内实验表明SiO

2

纳米颗粒对人类的毒性危害，仍需进一纳米颗粒并没有毒性[12]，因此对于SiO

2

步的研究。

✓TiO2纳米颗粒

根据体内和体外的实验研究结果，纳米TiO2对肺部的损伤程度要明显高于微米尺度的TiO2颗粒[9]。Afaq等[13]用支气管注入法研究超细TiO2(<30 nm，用量2 mg)对大鼠的毒性时，发现肺泡巨噬细胞的数量增加。研究表明，纳米TiO2颗粒的尺寸越小越难被巨噬细胞清除[14]，因此，纳米颗粒的粒径和数目是造成肺部损伤的主要原因。Rahman[15]等人发现20nm的TiO2颗粒会引起细胞内微核数目的显著升高，并引起细胞凋亡。

✓其他纳米材料

据报道，把大鼠暴露在含有聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒的空气中15分钟，当PTFE粒径为20nm时，大多数老鼠在4小时之内死亡，而PTFE达到130nm时，大鼠没有收到任何伤害[7]。研究发现纳米银粒子对哺乳动物的细胞具有很高的毒性。在没有光活化的条件下，将大鼠神经元细胞暴露于纳米银颗粒中，出现了细胞个体缩小、形态不规则以及线粒体功能显著地呈剂量依赖性丧失[16]。此外研究还发现碳纳米管对肺泡巨噬细胞有影响[9]。

鉴于对纳米材料毒性研究的领域越来越热，2005年，一本专门为研究纳米材料的毒性而设立的专业杂志《纳米毒理学》（Nanotoxicology）在英国出版。2006年开始，一些权威期刊《Environmental Science&Technology》、《Environmental Health Perspectives》、《Carbon》、《Journal of Nnoparticle Research》等纷纷开辟专栏或出版专刊，探讨纳米颗粒的应用与生物和环境的安全问题[17]。纳米技术的潜在问题已引起发达国家的高度重视，并纷纷投入巨资设立和支持纳米生物环境效应与安全性的研究计划，为纳米科技的健康可持续发展，为与纳米相关的社会

经济的发展提供安全保障。

待解决问题

1. 虽然有数据表明纳米材料对人体健康存在着潜在的威胁，但是目前所进行的研究只局限于众多纳米材料中的少数几种，而且研究数据不全面，并且不同的研究结果还存在不一致性。对纳米材料的生物效应，尤其是毒理学与安全性问题，目前还不能给出明确的结论。

2. 此外，在研究纳米材料的生物效应或毒性时，对纳米材料的形态、尺寸的表征使得研究的工作量和复杂性大大增加。纳米材料的毒性作用机制和作用模式也是人们关心的问题。关于和其他环境中的污染物的联合毒性的研究领域，也都是一片空白。因此，在纳米材料的毒理学研究领域，我们要走的路还很长。

3.鉴于日益突出的纳米材料毒性问题，化学领域出现了一个新的研究方向，即纳米毒性的修饰化学。该领域的目标在于降低或消除纳米材料的毒性。另外，如何利用纳米材料的生物效应，也是科研工作者需要面对的问题。

研究目标、内容

1.研究工业纳米颗粒物对于水生生物的毒性效应

选取几种已经商品化的纳米材料，比如纳米TiO

、纳米SiO2、富勒烯C60

2

等作为研究对象。选取处于水生生态系统初级营养级的藻类（如斜生栅藻）

和滤食性浮游动物（如大型蚤）为实验生物，根据标准方法进行短期（48-h、72-h 或96-h）暴露实验。

2.探讨纳米材料的毒性和其物理特性的关系

在第一部分的实验基础上，选取毒性较明显的纳米材料，分别在粒径、形状、组成、表面特征等不同的情况下，测定纳米材料毒性的变化。

3.研究工业纳米材料对于水生生物的毒性作用机理

根据第一部分实验的结果，选取毒性效应比较明显的，具有代表性的纳米材料作为研究对象，考察其对受试生物生长发育和体内酶活性的影响，探讨可能的毒性作用机制。

4.研究低浓度纳米材料长期暴露下对水生生物的生物效应

根据第一部分实验的结果，设定低浓度长期暴露时所需的剂量。实际环境中的暴露水平通常比较低，因此低剂量、长期暴露的实验更能反映生物暴露的真实