纳米金属材料的毒理学研究进展杨双立

材料化学论文环境与化学工程学院应用化学二班杨双立40904010216纳米金属材料的毒理学研究进展杨双立（西安工程大学，环境与化学工程学院，陕西，西安 710000）[摘要]纳米金属材料是利用纳米技术制造的具有纳米尺寸的金属材料。

本文综述了纳米金属材料毒理学方面的研究进展；通过分析纳米金属材料的特性，阐述纳米金属材料对肺、神经、皮肤等的毒性作用，表明纳米金属材料可引起细胞线粒体功能损害、膜渗透性增加及细胞形态的凋亡样变化，并影响机体多个器官的功能；指出应加强纳米金属材料毒理学的研究，建立评价纳米产品生物安全性的标准方法及评价体系，为纳米金属材料的推广应用提供保障。

[关键词] 纳米金属材料；毒理学；细胞毒性；文献综述在现代工业社会，新兴技术对提高社会经济地位和人类健康有很大的作用空间。

这些技术既带来极大的经济利益，也带来了很多社会风险⋯。

在充满活力的21世纪，信息、生物技术、能源环境、先进制造技术和国防的高速发展必然会对材料提出更高的要求，纳米材料无疑是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。

纳米材料是指至少一维空间的粒径≤100 nm的材料，纳米金属是利用纳米技术制造的具有纳米级尺寸的金属材料。

在金属材料生产中利用纳米技术，可以将材料成分和组织控制得极其精密和细小，从而使金属的力学性能和功能特性得到飞跃的提高。

近年来，随着纳米技术的发展和纳米材料的广泛应用，它对环境以及生物体可能产生的影响越来越受到人们的关注。

2004年7月，英国皇家学会发布了“纳米科学与纳米技术：机遇与不确定因素”的报告，评估了纳米技术对健康和环境的影响[1]。

同时，欧美日等也提出了关于纳米材料风险评估的基本框架[2—5]，大量关于纳米材料生物效应的实验研究也正在大规模地展开，以推进纳米技术的健康快速发展。

纳米金属材料不仅具有金属材料本身的特性，同时具有纳米材料的独特性能，其在现代科学技术领域显示巨大应用前景的同时，也增加了对环境和生物体产生影响的安全隐患。

现对近期有关纳米金属材料毒性作用的研究作以综述。

1 纳米金属材料的特性及应用纳米金属材料具有纳米材料的一般特性——表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

同时纳米金属材料还具有奇异的磁特性，主要表现为超磁性或高的矫顽力，利用纳米金属材料的这一特性可制备磁性液体[6]。

纳米氧化铁因为所具有的超顺磁性，可以被用于高性能的储磁材料、医用核磁共振成像、生物磁靶向药物载体等方面。

纳米金属材料还由于其表面效应被用于高效工业催化剂。

金属材料结合纳米技术使得金属材料的应用更广泛。

纳米二氧化钛基于其电磁和半导体性能，在电子工业中有广泛应用；基于其介电性制造温度补偿陶瓷电容器以及热敏、光敏、压敏、气敏、湿敏等敏感元件；同时基于纳米二氧化钛的紫外屏蔽性和可见光透明性，被用于性能优越的新型防晒剂中。

纳米技术与传统抗菌剂银结合产生的纳米银由于其纳米特性以及抗菌性，广泛用于纺织品的消毒、洗衣机的消毒和抗菌敷料等。

越来越多的纳米金属材料应用于各个领域，人类接触的机会也随之增加，因此，它的生物安全性值得我们去关注。

有研究表明，纳米金属材料的化学稳定性与毒性有关，稳定的纳米金属材料无明显的毒性，而易氧化、还原或溶解的纳米粒子具有细胞毒性甚至基因毒性[7]。

2纳米金属材料毒性作用纳米金属材料的广泛应用使得人们接触纳米材料的机会大大增加，虽然机体与外界相通的部位均有相应的防御机制，但是由于纳米材料的特殊性质，这些防御机制对其的防御效力有限，所以纳米材料在使用过程中存在很大的安全隐患。

2．1 纳米金属材料的肺毒性人类接触周围环境或空气中颗粒物的浓度及尺寸与疾病的发生有密切联系，颗粒物粒径越小危害越大，主要引起心血管和肺部疾病。

纳米材料的尺寸小，可以在呼吸道和肺泡中沉积，颗粒越小沉积越多，呼吸越快沉积也越多。

对慢性阻塞性肺疾病患者，沉积尤为显著。

纳米材料经呼吸道进入人体，主要影响心血管系统和肺。

Oberdorster等用粒径为20和200 nm 的二氧化钛做了大鼠慢性(12周)吸入实验，发现两组大鼠的下呼吸道均出现了二氧化钛颗粒的沉积，20 nm组颗粒在肺部滞留时间显著较长，并有肺泡型细胞增生、间质纤维化病灶以及肺泡巨噬细胞清除能力显著降低。

另外，20 nm的二氧化钛颗粒向肺间质组织和周围淋巴结侵袭的程度更严重。

这显示纳米尺寸的二氧化钛对肺不仅有很强的生物学效应而且显现出不同的动力学曲线，能使肺在低于颗粒容积负荷的情况下出现清除能力下降，并导致炎症反应增强。

Crassian等将小鼠暴露于纳米二氧化钛(4 h•d～10 d)，发现小鼠肺部出现了病理性改变，其肺毒性与颗粒的大小、表面积以及团聚性有关[8]。

Takenaka等使用大鼠进行的纳米银颗粒(14．6±1．0nm)的肺吸人和灌注实验均证明，纳米银颗粒能被肺泡巨噬细胞吞噬，利用ICP—MS检测发现纳米银颗粒可在肺泡区滞留至少7 d，同时在大鼠的其他脏器中也检测到纳米银的存在，说明纳米银可以通过肺部毛细血管到达全身2．2纳米金属材料的神经毒性随着人们对纳米材料毒性研究的发展，发现纳米材料有可能会通过作用于血脑屏障的细胞和紧密连接，导致血脑屏障功能障碍，并最终进入中枢神经系统，引起中枢神经系统的功能性改变。

虽然通过人体血液循环并最终进入中枢神经系统的纳米颗粒数量非常有限，但是由于中枢神经系统内环境对外来物质非常敏感，并且缺乏有效的防御保护措施，因此，极其微量的纳米颗粒进入脑组织，就有可能引起中枢神经系统功能的巨大改变，而这种改变对于整个生物体的影响是十分巨大的。

有数据表明，自制的O一羟甲基壳聚糖纳米磁性颗粒(75 nm)可以穿过血脑屏障，在大脑软组织中滞留，纳米尺寸的碳(36 nm)还能够通过嗅觉神经进入脑组织，引起海马神经元细胞排列混乱。

处于全身性发热状态的小鼠进行金属纳米颗粒(铜、银、铝50～60 nm)染毒，能够表现出比处于正常状态的小鼠更为严重的认知缺陷、血脑屏障功能紊乱、脑水肿及大脑的其它病理性反应。

纳米氧化铝(<100 nm)能降低大鼠的空间学习能力和记忆能力，同时在大鼠海马及皮层组织中可以观察到血管周围区域有大量EDl+细胞，这表明纳米氧化铝可以激活脑组织中小胶质细胞和星型胶质细胞[9]。

这些都支持纳米颗粒能够进人中枢神经系统。

也有体外毒性实验证明纳米金属材料会对神经元细胞产生毒性作用。

但也有研究表明，纳米材料并不会对生物的神经系统产生影响，Muldoon等对超顺磁性氧化铁纳米颗粒(20—50 nm)的效应和毒性进行了研究，未检测到实验大鼠脑部细胞和髓鞘病理改变。

2．3 纳米金属材料的皮肤毒性皮肤是人体阻挡外源性物质进入体内的重要屏障。

纳米颗粒由于其超微性，即脂／水分配系数小，就有可能通过简单扩散或渗透形式穿过皮肤。

很多实验证明纳米金属颗粒可以穿过皮肤进入机体。

Menzel等用与人类皮肤最为相近的猪皮做纳米粒子渗透性实验，并通过粒子诱发x射线荧光分析观察纳米二氧化钛在皮肤结构中的分布，发现粒径为45—150 nm 长、17～35 nm宽的纳米二氧化钛可以透过角质层进入表皮下的颗粒层。

市售含银敷贴释放的纳米银对角化细胞和成纤维细胞有毒性作用。

给烧伤创面外用纳米银敷料后，银颗粒可通过受损皮肤进入血液，并蓄积在体内引起肝肾毒性。

这些实验都表明了纳米粒子可以通过皮肤的防御屏障进入体内产生一定的影响。

也有实验发现二氧化钛颗粒(20—200 nm)可沉积在人皮肤角质层的最外边，角质层的深面和真皮层并没有检测到它的存在[10--11]。

说明纳米二氧化钛粒子无法通过皮肤的屏障进入机体。

3 纳米金属材料毒性研究中发现的问题首先，很多纳米材料确实存在着很大的安全隐患，但是还有部分纳米金属材料对细胞和生物机体是否存在危害还未得到一致的结论，而且关于纳米材料毒理学效应的研究，缺乏统一的实验方法以及技术标准，无法确定相关实验的可比性；其次，大部分实验研究中所用的纳米材料是非商品化的实验材料，未经过表面处理和修饰，在实际的应用中较少出现，这些材料所引起的损伤不能代表商品化纳米材料的危害，因此，应该以商品化产品为染毒材料，评价纳米材料的安全性；最后，在实验中染毒的剂量一般均超过人类生活中实际接触的量，而纳米材料的蓄积毒性还未得到明确的证实。

总之，在一种新事物出现时，总是有质疑存在的，但是正是质疑的存在才促进新生事物的发展。

4展望在纳米材料蓬勃发展的时代，大量的研究资金已经投入到纳米技术的开发和应用中，但是对纳米材料的安全评价却没有跟上其发展的脚步。

而且在目前对纳米材料生物安全性的研究中，并未出现统一的结论，纳米材料进入机体以及对机体产生的危害等各方面的研究还不完整，没有一套完整公认的评价纳米产品生物安全性的标准方法和体系，这将给纳米材料在各领域的开发应用带来潜在风险，所以研究者呼吁政府加大对纳米材料生物安全性研究的投入，建立和完善相关体系和制度，为纳米材料的广泛应用提供可靠的保障。

首先，建立一套关于纳米材料生物效应研究的标准实验方法和有效的评估系统；其次，实验材料应具有广泛性，针对生产生活中接触到的纳米材料，实验过程尽量模拟人群，减少外推中的不确定性，用相对更真实的数据评价其对人类健康和环境的影响；再次，需要有一系列的法律法规约束市场，规范纳米材料的使用。

[1]UK Royal Society and the Royal Academy of Engineering．Nan science and Nanotechnologies[M／OL]．London，England：Opportunities and Uncertainties。

2004．Online：http：／／www．na notec．org．uk／finalreport．htm．[2]THOMAS K，AGUAR P，KAWASAKI H，et a1．Research strate—gies for safety evaluation of nanomaterials．partⅧ：internationalefforts to develop risk-based safety evaluations for nanomaterials[J]．Toxieol Sci，2006，92(1)：23—32．[3]TSUJI J S，MAYNARD A D，HOWARD P C，et a1．Researchstrategies for safety evaluation of nanomaterials，part IV：riskassessment of nanoparticles[J]．Toxicol Sci，2006，89(1)：42-50．[4]OBERDORSTER G，OBERDORSTER E，OBERDORSTER J．Nanotoxicology：all emerging discipline evolving from studiesof ultra_fine particles[J]．Environ Health Perspect，2005，113(7)：823-839．[5]RENN O，ROCO M．White Paper No．2，Nanoteehnology riskgovernance，international risk govemance council，June，Gone—va，Switzedand，2006：36[OL]．Online：http：／／www．irgc．org／irgc／pmjects／a)nanotechnology／一b／contentFiles／IRGC—white—paper_2。