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纳米颗粒的毒性问题

发布人:化学化工学院发布时间:2017/8/28浏览次数:221次

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。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。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。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。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。

为什么纳米颗粒的毒性与生物环境安全性问题会引起如此极大关注?

从纳米颗粒比细胞还小几个量级以及与较大的蛋白质的尺寸相当这一事实,我们很容易想到,纳米颗粒很可能侵入人体和其他物种的自然防御系统,进入细胞并破坏细胞的功能。人造纳米材料进入生命体后,是否会导致特殊的生物效应?这些效应对生命过程和人体健康是有益还是有害?人造纳米颗粒进入细胞后是否会产生特殊的细胞毒性?是否容易吸入肺里对呼吸系统产生伤害?具有自组装能力的人工纳米分子体系进入人体后,对生物分子的立体结构进而对生命过程本身的化学反应和自组装过程是否发生干扰?这些不仅是科学家关心的科学前沿问题, 也是公众关心的人类健康的社会问题。

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。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。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。很多研究工作已经证明,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。目前为止,科学家们只对纳米TiO2、SiO2、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。但是这一研究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,必须现在,而不是在纳米技术被广泛应用之后对纳米材料的生物毒性给予关注。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。

1、SiO2纳米颗粒。Lin等将人支气管癌原性细胞暴露于15nm和38nm的SiO2纳米颗粒,发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相关的。另外有研究显示,当SiO2纳米颗粒的一级尺寸为10nm和30nm时,对胚胎干细胞分化为心肌细胞的过程有抑制作用。然而,也有体内实验表明SiO2纳米颗粒并没有毒性,因此对于SiO2纳米颗粒对人类的毒性危害,仍需进一步的研究。

2、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。Afaq等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,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等人发现20nmTiO2颗粒会引起细胞内微核数目的显著升高,并引起细胞凋亡。

3、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。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。此外研究还发现碳纳米管对肺泡巨噬细胞有影响。

科学家们意识到这些科学问题的重要性,是基于已经发表的一些相关科学研究数据,尽管这些依据是间接的。比如,在欧洲和北美,科学家们进行了与大气颗粒物有关的长期流行病学研究。这项长达20 多年的研究,最近得到了一系列结论:人的发病率和死亡率与所生活周围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。在美国进行的这项长期人群调查结果显示,周围空气中2.5μm 颗粒每增加10μg/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,结果发现:

(1) 周围空气10μm 的颗粒每增加100μg /m3, 死亡率增加6%~8%, 但是当周围空气2.5μm 的颗粒每增加100μg /m3,死亡率却增加12%~19%。

(2) 周围空气10μm 的颗粒每增加50μg /m3, 住院病人增加3%~6%, 周围空气2.5μm 的颗粒每增加50μg/m3, 住院病人增加25%。

(3) 周围空气10μm 的颗粒每增加25μg/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%。

目前,细小颗粒物导致疾病的发病率和死亡率增加的机制还不知道。但是科学家们推测,大气颗粒物中小于100nm 超细颗粒物具有特殊生物机制, 并起关键作用( 100nm 以下正好是纳米科学技术的范围) ,它们在肺组织中的沉积效率很高; 另一种推测是,小于100nm 的超细颗粒物可能直接作用于心脏,直接导致心血管疾病;也有人假设是它可以增加血黏度或血的凝固能力,导致心血管疾病。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。人们很可能在不知不觉中暴露于纳米颗粒浓度增高了的空气中。当进行大规模研究和工业生产纳米材料以后,研究人员很容易暴露在局部纳米颗粒浓度较大的实验室的空气里;工厂的工人也容易暴露在纳米颗粒浓度较大的空气环境里;纳米产品应用过程中,纳米颗粒的脱落也会改变空气中纳米颗粒的局部浓度。

目前,国内外纳米材料以及纳米技术对人体健康和社会影响的研究都刚刚开始。纳米生物毒理学是一个刚刚起步的新学科交叉领域, 需要采用纳米科技、生物学、医学、化学和物理学等领域的研究手段和知识进行研究, 任何一个单独的学科都难以胜任这项工作。它既是国际科学前沿,也是与人类健康和生活环境密切相关的重要社会问题,因此是一个典型的在国家需求和科学前沿的交汇点上的新领域,充满了科学创新的机遇。

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