纳米生物效应--纳米尺度物质与生命体相互作用

纳米尺寸 纳米体系
纳米尺寸范围，通常：0.1-100 nm 既不是宏观体系
纳米物质
介观体系 介观体系 也不是微观体系
未知空间 e.g.: Single atom
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
纳米物质与细胞，病毒，蛋白质分子，DNA的尺寸相关性 纳米物质与细胞，病毒，蛋白质分子，DNA的尺寸相关性
由于100 nm以下的物质正好是纳米科技在努力发展的领域，因此，WHO最近呼吁要优先 研究超细颗粒物，尤其是纳米尺度颗粒物的生物机制。目前，这还是一个未知的领域。
随着纳米技术的产业化，各种形式纳米尺度物质（人造 纳米材料以及相关产品）已经以各种不同的途径进入我们的 生活，比如，目前它已经渗透到染料、涂料，医药诊断等传 统产业中；或在生产和使用过程中直接进入人体；或通过环 境，空气，植物链，食物链进入人体。 人们在工作和生活中接触到人造纳米材料的机会越来越多。
+6 +5 化 学 +4 价 态 +3 +2 Th Pa U Am Np Pu 锕 系 元 素 Cm
不仅仅是 尺寸问题
Richard Smalley
Nature, July 17, 2003
•Nanotechnology is not just about the size of very small things. • At the nanoscale, Scientists will be able to write DNA sequence in the same way as they do computer programs.
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
4. 20世纪流行病学研究成果 4. 20世纪流行病学研究成果 —与21世纪纳米科学 的偶然交汇 —与21世纪纳米科学 的偶然交汇
美国欧洲长达20多年的与大气颗粒物有关的长期流行病学研究结果发现： 人的发病率和死亡率与他们所生活周围环境空气中大气颗粒物浓度和颗粒物尺寸 密切相关。死亡率是由剂量非常低的相对较小的颗粒物引起的。 美国：人生活周围空气中2.5µm颗粒每增加10 µg/m3，总死亡率增加7~13%。 世界卫生组织（WHO）组织专家对已有的实验数据进行分析发现： （1）周围空气10µm的颗粒每增加100 µg/m3，死亡率增加6~8%，但是当周围空 气2.5µm的颗粒每增加100 µg/m3，死亡率却增加12~19%； （2）周围空气10µm的颗粒每增加50 µg/m3，住院病人增加了3~6%，周围空气 2.5µm的颗粒每增加50 µg/m3，住院病人增加了25%； （3）周围空气10µm的颗粒每增加25 µg/m3，哮喘病人病情恶化和使用支气管扩 张器的百分比将增加8%，咳嗽病人将增加12%。 （4）“伦敦大雾”是一个众所周知的例子，这场污染造成的大雾之后，两周内在 大雾地区有4000多人死亡。科学家研究分析的结果，认为主要是空气中超细颗粒 （纳米颗粒）大量增加造成的。
生命过程的本质：化学反应; 原子分子自组装 生命过程的本质：化学反应; 原子分子自组装
化学性质发生了巨大变化的纳米物质，进入生命体以后， 是否会引起新的，未知的化学过程？ 这些新的，未知化学过程对生命过程将产生什么样的影响？ 具有自组装能力的纳米体系，进入生命体以后，是否会干 扰生命过程本身的原子分子自组装程序？ 有益的影响：如何利用，医药，... 有害的影响：如何防护，消除，...
• 极高的时空选择性、 • 极高的原子利用率、 • 极高的反应效率、 • 极低的浓度、 • 极低的副反应、 • 极低的能耗、 • 非线性， ......
单原子 我们现有的化学过程，和 研究手段对于研究这样的 化学体系，无能为力。 只有在纳米尺度下的研究 技术才可以实现！
新陈代谢系统
物质 能量 信息
非平衡态系统
M. V. Johnston, Proc. Nanotechnology & the Environment: Application & Implications STAR Progress Review Workshop, P25, Aug. 28-29, 2002.
空气中的颗粒物浓度
时间分布
汽车尾气和燃料燃烧是 <10 nm颗粒物的主要来源。汽车尾气可直接排出超 细颗粒物，在每日早晚的交通流量高峰时达到高潮。 在公路旁4米和下风向25米测得的 <10 nm 纳米颗粒物占总颗粒物浓度的 36—44%。柴油和汽油发动机都可以产生纳米颗粒物。
Nanoscience
Nanosafety
纳米尺度物质与生命体相互作用 所产生的新科学问题 赵宇亮
中国科学院高能物理研究所 纳米生物效应实验室
中国科学院研究生院 2005年6月15日
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
Outline
一 概述 二 纳米物质与生命体的相互作用 的新的科学问题 三 纳米安全性 ——负面纳米生物效应的消除与防护
美国20座城市 欧洲12座城市
10µm 2.5µm 空气颗粒物 10µm 2.5µm
每天死亡率增加 6—8% WHO
12—19% WHO
纳米颗粒物引起疾病的生物机制 纳米颗粒物引起疾病的生物机制
目前，细小颗粒物导致疾病的发病率和死亡率增加的机理还 不清楚。但是科学家们推测，大气颗粒物中小于100 nm超细颗 粒物具有特殊生物机制，并起关键作用： 推测（1）：小于 100 nm的超细颗粒物在肺组织中的沉积效率 很高； 推测（2）：小于 100 nm的超细颗粒物可能直接作用于心脏， 直接导致心血管疾病； 推测（3）：小于 100 nm的超细颗粒物可以增加血粘度或血的 凝固能力，导致心血管疾病。
这就出现另外一个重要问题： 这就出现另外一个重要问题： 工业生产纳米颗粒出现以后，我们周围， 尤其是局部空 工业生产纳米颗粒出现以后，我们周围， 尤其是局部空 或环境中，的纳米颗粒物的浓度增加，对我们的生命，健 或环境中，的纳米颗粒物的浓度增加，对我们的生命，健 康具有什么样的影响？！ 康具有什么样的影响？！
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
纳米尺度物质进入生命体，对生命过程会造成什么影响？
2003年4月《Science》、 2003年7月《Nature》， 2004年6月《Science》， 2004年8月《Nature》， 2004年1月美国化学会的《Environmental Science & Technologies 》 以及欧洲杂志，等相继发表文章...
纳米体系
nm 10 102
病 毒
0.1
O-C 原 C-H C-C 子 N-N
10-4 10-3 10-2
1
分 子
蛋D 生 白N 物 分A 膜 子
1 10
103
104
细 胞
生 物 体 系
细 菌
10-1
102
103
104
105
106
107
108 109 1010(nm)
1022 1021 1020 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 Autoradiography CT/X-ray SPECT / PET Neutrons Bioluminescence Fluorescence
10-3 m — 1
10-4 m — 100 µm 10-5 m — 10 µm 10-6 m — 1 µm 10-7 m — 100 nm 10-8 m — 10 nm 10-9 m — 1 nm
小
10-10 m — 0.1 nm
纳米体系 与 生物体系的尺寸相关性 纳米体系 与 生物体系的尺寸相关性
尺寸大小 对应的同尺寸大小的物体
大
10 1 10-1 10-2
m m — 100 cm m — 10 cm m—1 cm mm
人身高 小动物 萤火虫 细沙子 纸张厚度，卵细胞， 细胞，人毛发 红血球，大肠菌 LSI目前最小加工精度 病毒，纳米碳管 蛋白质分子，DNA螺旋结构的直径 原子的直径 不仅仅是 尺寸问题
科学家对纽约罗切斯特地区的大气中10—500 nm 颗粒物的尺寸分布进行了 测定，发现：70%以上的颗粒物在 11—50 nm范围。 说明大气纳米颗粒物的存在时间较长，团聚能力比我们想象的要低。
人类一直与纳米颗粒共存，这就出现一个重要问题： 人类一直与纳米颗粒共存，这就出现一个重要问题： —— 空气中的这些纳米颗粒对我们的生命， —— 空气中的这些纳米颗粒对我们的生命， 健康产生了什么样的影响？ 健康产生了什么样的影响？
Scientists have to get data on safety issues
2. 生命过程的本质— 化学反应 2. 生命过程的本质— 化学反应
维持我们身体每天的一切活动：吃饭，睡觉，繁殖后代，工作，思考，体育锻炼... 是否健康正常的运行，全在化学反应是否正常...
比如, 发生在细胞中的化学过程是非常复杂。 细胞内外的信号的传递，物质的运输，能量的转换， 细胞的生长，细胞分化，细胞凋亡...... 化学过程
1010 109 105 (Hz)
MRI
Ultrasound
x,β,γ-rays
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纳米特Байду номын сангаас…
由于纳米微粒小尺寸，导致特殊的化学以及物理特性，
如吸附性能； 化学反应性；表面活性； 分散与团聚性能；热学性能；电学性能； 在不同介质中的溶解性能；光催化性能；
与常规物质有很大的差异。因此，它们在生物体内 的毒理和生理行为与常规物质有很大差异，对机体产 生的生物效应和作用可能发生本质性改变。
归纳表 Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
与大气颗粒物有关的长期流行病学研究结果发现 与大气颗粒物有关的长期流行病学研究结果发现
空气颗粒物 增加量 µg/m3 10µm 空气颗粒物 25 µg/m3 增加量 50 µg/m3 50 µg/m3 增加量 100 µg/m3 100 µg/m3 哮喘病人病情恶化 和使用支气管扩张器 8% 住院病人增加 3—~6% 25% WHO WHO 咳嗽病人 增加 12%
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
纳米物质的化学性质发生巨大变化的例子... 纳米物质的化学性质发生巨大变化的例子...
Th@C82 Pa@C82 U @C82 Np@C82 Am@C82
纳米结构导致5f-电子金属的价态改变 纳米结构导致5f-电子金属的价态改变
~ 1 nm
JACS, 123, 181, 2001 etc.
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
Science, April 11, 2003
完全人造物 300 吨/年
Na tu re
,J
uly 1
7,
20
03
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
诺贝尔奖得主 Smalley
Na tu re ,
Ju ly
17 ,2
00 3
•Nanotechnology is not just about the size of very small things. •Scientists will be able to write DNA sequence in the same way as they do computer programs.
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概 述
Zhaoyuliang@ihep.ac.cn
1. 纳米物质的特征： 1. 纳米物质的特征： 小尺寸导致物理化学性质的巨大变化 小尺寸导致物理化学性质的巨大变化
将现有物质加工到纳米尺度 新的性质，新的功能，和工业化；
纳米技术
在原子精度上，分子水平上的操作，分子组装，分子器械制造； 利用纳米尺度物质的特殊性质进行多领域交叉，研究开发新的 功能性材料，新的物质体系，新工业化的综合性技术体系。
新的科学问题！
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3. 天然纳米颗粒物，与人类共存 3. 天然纳米颗粒物，与人类共存
柴油车尾气；电焊产生的气体；工业烟囱排出的浓烟；垃圾燃烧； 大雾；沙尘暴等，大气中含有天然和工业生产所带来的纳米颗粒。
健康成人每日呼吸量20 m3/天 大街6×104个/cm3 6×1010/m3×0.06×20 = 7.2×1010个/天 = 3×109个/h 室内 1×104个/cm3 1×1010/m3×0.06×20 = 1.2×1010个/天 = 5×108个/h 纳米颗粒尺寸分布