纳米材料安全性的研究进展

纳米材料安全性的研究进展

摘要人们对纳米材料的关注推动了纳米科学和技术的快速发展。随着纳米材料和纳米技术的迅速发展和广泛应用, 人们接触不同种类的纳米材料的机会大大增加. 有超过500种消费品宣称采用了纳米技术,每年市场需求成吨的纳米原材料,包括纳米金属、纳米氧化物和碳纳米管,对纳米医药产品的需求每年以17%速度在增长,到2011 年市场规模估计有530亿美元,其中药物市场最大,在2014年可达到180亿美元。目前至少有12种纳米药物已获得批准。在生产和使用过程中,纳米材料通过多种途径释放到环境、生态系统、水源和食品供应中,并进入人体。纳米材料与人体接触会不会引起不良的后果? 纳米材料对环境是否有危害? 当纳米材料和纳米技术与人类的关系越来越紧密的时候, 其引起的伦理学、社会和法律问题也越来越引起人们的关注. 本文就纳米安全性研究, 结合国内外各研究机构的实验结果和流行病学调查资料, 从纳米材料本身的安全性、纳米材料的生物效应、纳米材料毒性的体外评价3个方面, 简要阐述如何正确认识纳米材料和纳米技术的安全性.

关键词纳米材料安全性毒性生物效应

物质到纳米尺度(0.1~100 nm, 1 nm= 10−9 m)后会出现特殊性能, 这种既不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观物质的材料即为纳米材料. 纳米材料尺寸小, 可轻易进入到生物体内, 这就为构建药物运输系统或者肿瘤的治疗提供了巨大的优势. 但是, 纳米材料作用于人体会不会引起不良的后果? 纳米材料对环境是否有危害? 当纳米材料和纳米技术与人类的关系越来越紧密的时候, 其引起的伦理学、社会和法律问题也越来越引起人们的注意. 随着社会学家对这些问题的理论阐述日益完善, 公众对纳米技术的理解也越来越深入[1]. 本文就

纳米材料和纳米技术安全性研究的发展做一初步的总结与探讨.

1 纳米材料本身的安全性

纳米材料的尺寸大小、化学组成、表面结构、溶解性、形状以及聚集状态等均可以影响其生物学效应. 同时, 纳米材料的暴露途径也是一个重要的影响因素. 这些参数会影响其细胞内吞、细胞内的转运和定位、与蛋白的结合、体内的迁移和蓄积, 从而可能会引起特定的生物学反应. 迄今为止, 许多实验组对多种纳米材料的安全性进行了研究. 但是目前得到的实验结果并不相同甚至相互

矛盾, 纳米材料的安全性还无法得到明确的结论. 而且它们进入到体内后的归宿如何、作用如何等等问题尚待解决. 所以,不能说纳米材料绝对的安全或危险, 要得到确切的结论还需要进行大量的后续研究. Braydich-Stolle 等人[2]利用

小鼠精原干细胞作为模型评价纳米材料的毒性, 发现与相对应的可溶性盐相比, 所有类型的纳米颗粒均表现出显著的毒性,并具有剂量依赖性. 银纳米颗粒毒性最强, 三氧化钼 (MoO3)毒性最低. Goodman 等人[3]对核心为2 nm 的金纳米颗粒研究发现: 带正电荷的金颗粒具有中度毒性, 而带负电荷的金颗粒相对无毒; 高浓度的金颗粒有毒性. 体外肺腺癌上皮细胞的毒性实验[4]表明:多壁碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米颗粒均具有尺寸依赖的细胞毒性, 而其表面经过功能化修饰后, 细胞毒性增强.但是也有研究结果显示纳米材料并无明显的毒性. Derfus 等人[5]发现以CdSe 为核的量子点在某些条件下对原代肝细胞具有急性

毒性, 其毒性可以通过改变合成参数、紫外暴露和表面包被等方法进行调控. 通过适当的表面修饰, 量子点的毒性大大降低,甚至变得无毒, 可广泛应用于细胞迁移的追踪和各种体外识别. 表面包被的量子点会影响人类基因组中很少量的基因, 即使量子点浓度达到超过人体常规剂量1000 倍以上, 也仅仅会影响基因组的0.2%[6].硅、硅/氧化铁和金纳米颗粒对大肠杆菌的生长和活性没有表现出显著的毒性. 尽管体外实验存在一定的局限性, 但也可以说明纳米颗粒在某些条件下是相对安全的[7].

2 纳米生物效应

随着纳米颗粒对人体健康、生存环境和社会安全等方面潜在的负面影响的发现,诸多纳米材料的生物效应研究方面取得了令人瞩目的成果。

2. 1 纳米粒与细胞相互作用纳米颗粒能够进入细胞并与细胞发生作用,主要是对跨膜过程和细胞分裂、增殖、凋亡等基本生命过程的影响和相关信号传导通路的调控,从而在细胞水平上产生生物效应。庞小峰等人发现纳米氧化钛游离于细胞之间,阻碍了胞间通信,降低细胞的生长速度[8 ]。2006年,北卡罗来纳州美国环境保护署神经毒物学家研究发现,纳米TIO2 粒子可被小鼠小神经胶质细胞吸收,在2 h 内释放出大量的活性氧化分子,表明大量的纳米粒子可能对生物

体的神经细胞造成损伤。2006 年11 月美国环保局宣布:严格管理消费产品中使用纳米银粒子技术杀灭细菌,避免产品中包含的纳米银粒子能杀死环境中的有益菌和水中的生物,甚至对人体构成威胁[9~11 ]。

2. 2 纳米粒与生物大分子的相互作用许海燕等人发现纤维蛋白原分子有比较强的吸附作用,吸附上的纤维蛋白原分子构型功能发生了某些改变。纳米结构物质与补体系统和免疫细胞激活作用研究说明,纳米颗粒与蛋白质分子之间存在着较强的相互作用,使补体蛋白分子的酶活性发生改变[12 ]。

2. 3 大气中纳米粒的生物效应临床实验研究发现7～100nm 的粉粒在人体呼吸系统内有很高的沉积率;粉粒越小、越难以被巨噬细胞清除,而容易向肺组织以外的组织器官转运,超细粉粒可穿过血脑屏障[13 ]。

2. 4 单壁纳米碳管(SWNTs) 诱发多发性肉芽瘤2003 年,美国杜邦公司用气管滴注法研究SWNTs 对大鼠肺部的毒

性,发现SWNTs 诱发了多发性肉芽瘤,在美国宇航局太空中心研究中也出现类似的研究结果。

2. 5 对肺细胞有害2006 年,英国爱丁堡大学科研人员在模拟汽车尾气以及涂料、防晒霜、食品、化妆品和服装等日用品中应用的纳米粒子,对人类肺部影响的实验中发现,纳米粒子会通过肺部隔膜进入肺部,并且进入血液中,而血液中的粒子最终会进入肺部和其它器官中。研究发现,纳米粒使肺泡巨噬细胞的趋化能力增高而吞噬能力降低,这样就使肺泡中的纳米颗粒物不能被巨噬细胞清除,而在肺泡中长期存在,从而产生慢性炎症反应。这种巨噬细胞趋化能力的增强加重了肺部炎症[4 ,14]。

2. 6 引起心血管疾病研究发现在生理盐水溶液中的100nm 以下的磁性纳米颗粒,仅仅微克量级进入小鼠血管就能很快导致凝血现象以致堵塞血管,导致小鼠死亡。提示这种纳米粒容易与心血管系统相互作用,可能有导致血管疾病的潜在危险[6] 。纳米粒引起心血管疾病的机制还不是很清楚,但一般认为纳米粒主要通过下列途径引起心血管疾病: (1) 纳米粒引发炎症,改变血液的凝固性,使冠状动脉性心脏病发病率升高。(2) 纳米粒可以从肺部进入到血液循环,与血管内皮相结合,从而形成血栓和动脉硬化斑。(3) 由于纳米粒能够进入中枢神经系