纳米材料及纳米银安全性.ppt

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1、纳米材料及纳米银安全性纳米材料及纳米银安全性 姚宗武姚宗武 随着纳米科技的快速发展，各国对纳米安全性问题的重视不断加强，目前面临的难题是：纳米物质对人体的危害有多大，可以通过何种途径进入人体？纳米颗粒污染在大气污染中占多大比重，是如何产生的，以何种形式存在？如何检测，如何治理等？国际、国内在这方面的研究都刚刚起步，因此，对纳米物质生物毒性的研究更为紧迫纳米颗粒是指含有至少一维尺寸介于1一100nm大小的结构，包括纳米球、纳米线、纳米立方体、纳米棒、纳米盘纳米物质具有不同于传统母体元素化合物的理化特点，显示出小尺度效应(体积效应)、表面与界面效应量子尺度效应 、宏观量子隧道效应、介电限域效应和库

2、仑堵塞和量子遂穿，这些独特效应促进纳米物质的应用和发展，而且改进了现有产品的性能根据登录在案的资料，目前的纳米产品已经超过1000多种，涉及微电子、光学产品、超导体、催化剂、化妆品、滤器、纺织品、消毒剂、污染物清除剂、医药卫生、个人护理产品、体内成像和药物载体等 现有文献资料表明，无论是在生产还是产品应用的过程中，这一大类新型物质都己证明可以进入环境，对人类健康和环境生物造成潜在的不利影响。有关纳米科技的发展和纳米产品对环境负荷及生物安全的评论已经发表在高质量的杂志上,并引起了一些政府和研究团体的重视。例如加拿大政府2009年1月在全球首次提出建立强制性文件，要求纳米科技产业在开发纳米材料时必

3、须提供相关安全性评价资料。针对不同的研究对象，金属纳米颗粒已经在动物模型上证实可以诱导细胞毒性、呼吸系统损伤、皮肤毒性、肾脏毒性、生殖毒性、遗传毒性、发育毒性以及免疫系统损伤效应。相当一部分研究工作表明日益增多的纳米物质/材料可以进入环境，对环境生物或生态系统产生危害，或者对公众健康造成威胁。另外也有从机理角度阐述纳米物质的毒性效应环境中金属纳米颗粒的污染来源环境中金属纳米颗粒的污染来源环境中金属纳米颗粒的来源无外乎两种:天然形成和人类生产。天然来源可以是火山喷发、森林火灾形成高温条件而产生纳米颗粒，也可产生于土壤侵蚀风化、生物合成，或者大气颗粒物的光化学反应。通常来说，地球化学过程产生的主要

4、是无机纳米颗粒，生物源的主要是有机纳米颗粒。人为来源又可分为目的性产物和非目的性产物，前者主要是指目前人类合成及生产的纳米材料，后者则可能是工业生产的副产物，同时也可能来自于烟囱和机动车尾气的排放纳米物质在迁移到环境的过程中可能发生尺寸、界面组成的变化，从而改变纳米颗粒原有的理化性质和生物活性。一旦这些进入环境的金属纳米物质没有得到有效控制，必将对人群健康和环境产生胁迫职业场所来源职业场所来源生产车间或生产场所是各种金属纳米颗粒的重要来源，其中既有目的产物，也有非目的产物，而且职业场所的暴露浓度可以达到几百个ppb金属纳米颗粒的毒性效应和环境影响金属纳米颗粒的毒性效应和环境影响虽然大气环境及职

5、业场所气溶胶与人群呼吸道疾病的研究报道早在上世纪20年代就开始，但是有关金属纳米颗粒对生物、人群健康及环境生态系统影响的研究工作还刚刚起步，针对特定金属纳米颗粒的规范也尚未建立.当纳米科技的快速发展与纳米材料安全性评价之间存在差距的情况下，各国政府及研究机构相继开展了大量工作来探讨不同金属纳米颗粒对小到微生物大到生态系统的影响人群健康危害人群健康危害暴露途径暴露途径对于人类而言，纳米材料的暴露途径与材料的来源和人类接触的机会有关，皮肤、消化道和呼吸道通常是污染物的直接暴露途径。固定污染源、流动污染源及职业场所形成的金属纳米颗粒气溶胶则主要通过呼吸系统和皮肤进入人体 ，纳米金属商品则根据产品类型

6、可以通过呼吸系统(气雾剂)、皮肤(化妆品、防晒剂)和消化道(食品)进入体内 。当人类食用吸附金属纳米颗粒的蔬菜、食物或被污染的饮用水则主要通过消化道。对于某些个人防护用品，如添加纳米银的卫生巾、避孕用具还可以通过女吐生殖道进入体内 。若金属纳米颗粒被用作药物载体、体内成像则可直接通过脉管系统进入体内 从纳米颗粒大小与较大蛋白质的尺寸相当这一事实，我们很容易想到，纳米颗粒可能容易侵入人体和其他物种的自然防御系统，进入细胞并影响细胞的功能。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?纳米量级的微小颗粒，是否会穿越脑屏障，进入大脑而影响大脑功能?很

7、多纳米结构的分子和分子集合体具有自我组装的能力，这些人工纳米分子进入人体后，是否会干扰或破坏生命过程本来的分子组装过程的正常进行?人们对此产生了种种疑问呼吸系统疾病呼吸系统疾病纳米颗粒在呼吸系统的沉积量和清除率影响着呼吸系统损伤的程度。一般而言，颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位越深例如，10微米直径的颗粒物(PM10)通常沉积在上呼吸道，5微米直径的(PM5)可进入呼吸道的深部，2.5微米以下的(PM2.5)可100%深入到细支气管和肺泡。由于金属纳米颗粒体积小，在空气中具有很高的扩散能力，因而很容易沉积到呼吸系统的各个部位(鼻咽部、支气管、肺泡)(图 1.6).另报道超细颗粒物(40一10

8、0nm)在人肺部的总沉积分数(TDF)，结果表明粒径越小TDF越大，当粒径在40nm时TDF可以达到40一50%，并且通过扩散大量沉积在肺泡。由于纳米颗粒在肺内沉积量太大，因而会降低肺泡巨噬细胞的清除能力，进而增加肺泡上皮细胞与纳米颗粒接触时间。小尺寸的纳米颗粒容易躲过肺泡巨噬细胞的监控而避免被清除，可以穿透肺泡上皮细和血气屏障进入血管和淋巴系统，进而迁移到其它脏器。向大鼠气管内注射40nm纳米金颗粒，几个小时之后就可在肺泡毛细管中的血小板内观察到纳米颗粒。纳米银气溶胶对大鼠暴露28天虽然没有产生明显的脏器毒性，但是组织分布显示肺部银含量明显增加，而且在肝脏、脑组织和嗅球中均呈明显的剂量反应性

9、增加不过另有一项研究表明，用溶解度较低的、放射标记的铱纳米颗粒(直径为15nm和80nm)吸入方式暴露大鼠lh，一周后观察到铱颗粒绝大多数贮留在肺泡腔隙或通过消化道排出体外，只有不到1%的铱迁移到其他脏器如肝脏、脾脏、心脏和脑 。这些研究表明，金属纳米颗粒能否迁移出肺组织不仅与颗粒大小有关，还与纳米颗粒的理化性质有关。皮肤毒性皮肤毒性金属纳米颗粒(凝胶)常常作为良好的分散剂、稳定剂、保护剂加入到化妆品中，服装中也会添加具有抗菌活性金属纳米颗粒，同时空气中也会含有大量的纳米金属颗粒，因而占人体面积最大的皮肤会成为金属纳米颗粒的作用器官在组织结构上，皮肤由外至内可以分为三层，即表皮层、真皮层以及皮

10、下组织，表皮层（图1.7）。皮肤的组织结构是皮肤发挥保护功能的重要保障，因此纳米颗粒很难进入完整的皮肤组织。然而皮肤一旦破损，损伤部位就会为颗粒物进入皮肤组织打开方便之门，甚至有报道称，当完整的皮肤被扭曲形成褶皱时也会增加纳米颗粒对皮肤的穿透性纳米银颗粒是目前市场上应用最广泛的纳米消毒产品，常添加到与皮肤密切接触的化妆品、消毒液、卫生用品、纺织品中。随着纳米银或其他金属纳米颗粒添加到纺织品和消毒液中，皮肤接触到这些物质的机会明显增加。最近的一个体外模型实验分析了25nm银颗粒在人皮肤中的穿透性和分布情况，供体相中纳米银颗粒浓度为70ug/cm时，经过24h后在受体相中检测到一定量的纳米银，TE

11、M分析表明这些纳米银颗粒可以穿透完整皮肤进入真皮层，当采用受损皮肤测试，纳米银颗粒的穿透能力提高了近5倍。进入真皮层的这些纳米颗粒可以转移到该区域的淋巴结，最终进入血液循环和其他组织器官 但是，并非所有的金属纳米颗粒都能穿透皮肤组织，比如Tio2和纳米Zno。Tio2可以反射/散射紫外线，起到预防皮肤癌功效，常作为防晒剂添加到化妆品中，常见的尺寸介于60一 120nm.许多关于Tio2的人类皮肤穿透实验提示该类纳米颗粒接触皮肤后只能保留在皮肤最外层-角质层或开放的毛囊中，并不能穿透皮肤到达深层组织 体外实验也证实Tio2纳米颗粒不能穿透上皮组织。同样，氧化锌可以吸收紫外线而常常作为防晒剂中的添

12、加剂，大量体内/体外实验证实绝大多数的Zno吸附在皮肤褶皱处或停留在角质层，难以穿过皮肤形成的屏障。根据细致的实验验证和大量文献的比较，化妆品中的TIO2和ZnO纳米颗粒被认为对使用者的皮肤是非常安全的，特别是较大和水不溶性的颗粒 消化系统毒性消化系统毒性毫无疑问，所有经口给予的金属纳米颗粒都可以与消化系统相互作用，另外一些纳米颗粒还以通过蔬菜、粮食、食品添加剂或餐饮用具进入消化道，或者经吞咽从呼吸道进入消化道 。比如纳米银因其具有抗菌活性，常作为饮用水的消毒剂，而且还可以作为防腐成分合成到餐饮用具表面。空气中分散的纳米铁或Tio2可以沉降到植物表面，人类食用可以造成消化系统暴露。虽然如此，金

13、属纳米颗粒对消化系统影响的研究并不多在理论上，金属纳米颗粒一旦进入消化道粘膜层，这些物质就可以进入淋巴系统和血液循环。进入消化道的药物通常会穿过门脉系统，产生首过效应，对肝脏造成不利影响。正如一项研究表明，肝脏似乎是血液循环中纳米银的主要沉积器官。一个体外实验显示纳米银可以造成大鼠肝脏细胞多种损伤。此外，已经有临床报道指出伤口敷料中的纳米银释放到体内，之后造成了肝脏损伤。虽然如此由于消化道内容物的复杂性以及消化系统皮肤粘膜的机械屏障及较高的再生率，消化道内的纳米颗粒很难穿透消化系统管壁进入体内 神经毒性神经毒性虽然金属纳米颗粒对神经系统损伤的报道并不多，但是已经有证据表明这些小颗粒的纳米物质能

14、够通过皮肤、嗅神经、肌肉等组织的突触间隙进入神经纤维，从而增加了神经细胞的暴露风险。例如纳米银气溶胶经呼吸道暴露大鼠28天，脑组织及嗅球中银含量明显增加 发育毒性发育毒性处于发育期的生物对于物理、化学或生物因素比较敏感，细胞分化、增殖、突变及组织器官一旦发生异常，生物的发育就会受到影响，产生流产、死胎畸形或功能改变。虽然现有的药物暴露剂量处于mg/L级，但是提供了一些证据表明金属纳米颗粒可以造成诸如软体动物、鱼类、哺乳动物发育异常，影响生物种群结构在较早期的研究中，Lee等人(2007)报道了浓度低达0.04一o.7l nM的纳米银颗粒造成胚胎发育早期斑马鱼发育异常，这些畸形主要包括鳍膜异常、

15、尾/脊柱弯曲、眼睛畸形、卵黄囊及脏器水肿等等。将 hPf(Hoursofpostfertilization，hPf)的斑马鱼胚胎暴露于100uM不同尺寸的纳米银(3，10，50和I00nm)，120h后观察到纳米银诱导多种形态发育异常和病理改变，包括卵黄囊浑浊、卵黄囊残留、发育迟滞、小脑、鼻颗畸形、血循环异常(如出血、溶血、凝血等)、脊柱弯曲、心包水肿等等 。纳米银对小型鱼胚胎的毒性作用在medaka模型中也得到验证 (wuetal.2009)。然而，将浓度高达10mg/L的纳米银颗粒暴露给受精鸡胚，实验结果表明这些纳米银既没有影响胚胎的死亡也没有造成形态发育异常血液系统毒性及免疫毒性血液系统

16、毒性及免疫毒性金属纳米颗粒进入脉管系统的方式有许多种，既可以通过静脉注射直接进入，也可以通过皮肤、呼吸系统、消化系统或生殖系统进入血液循环.在烧伤科纳米银常可作为免疫调节剂促进伤口愈合和治疗免疫原性皮肤病，其机制可能是Ag十结合了金属硫蛋白、抑制炎症细胞因子如IL12和TNFa。Gameretal.报道了包覆柠檬酸的纳米银胶体造成红细胞内谷胧甘肤的大量消耗，产生氧化损伤效应。在鸡胚发育不同时期注射 0.2ml 10mg/L纳米银颗粒溶液，病理组织学和激光共聚焦显微技术显示鸡胚法氏囊受到明显破坏，使淋巴滤泡的数量和大小明显减少。法氏囊是淋巴B细胞迁移和增殖的首要场所，纳米银对法氏囊的破坏意味着对

17、免疫系统(功能)的不利影响。细胞毒性细胞毒性在细胞水平，金属纳米颗粒利用体积小的特点被动扩散进入细胞内，粒径较大纳米颗粒则主要是通过吞噬作用在细胞内形成包涵体、溶酶体或滤泡.AshaRani等人(2009)选用人肺成纤维细胞株(IMR一 90)和人成胶质细胞瘤株(U251)分析了纳米银颗粒(6一20nm)的细胞毒性和遗传毒性，透射电镜证实这些纳米颗粒可以通过被动扩散和受体介导的胞吞两种方式进入细胞内，到达线粒体和细胞核，直接造成细胞损伤和遗传毒性哪些人群易暴露在纳米颗粒中哪些人群易暴露在纳米颗粒中 电焊产生的气体、工业烟囱排出的浓烟，以及垃圾燃烧、大雾、沙尘暴等造成大气中含有天然和工业生产所带

18、来的纳米颗粒。但当大规模研究和工业生产纳米材料以后，除空气中已经存在的纳米颗粒污染外，如果不进行适当的防护，首先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；工业纳米颗粒作为活性成分制造的各种产品，如防晒油中的遮光剂、各种涂料、高效发光材料等，这些复合物中的纳米颗粒也可能在纳米产品受到损坏和分解时被释放出来；纳米材料自组装的过程中也会形成大量的纳米颗粒；纳米药物是另一个重要途径，纳米颗粒被用来载带活性成分运送到病变细胞，进行靶向药物输送。尽管这方面的应用只需少量的、可以降解的纳米颗粒。考虑纳米颗粒的尺寸和它们本身的化学性质，这种暴

19、露途径直接把纳米颗粒送到细胞，其危险性的研究不容忽视展望展望纳米尺寸金属颗粒在医疗、光学、电子、纺织、环境修复等领域得到广泛应用，金属纳米颗粒进入环境并产生潜在危害是难以避免的。然而，有关金属纳米颗粒的毒理学效应和环境风险评价的资料还相当匾乏。虽然一系列的毒理学实验和环境风险评估已经开展，但是这些研究多集中在体外实验(细胞毒性评价)而缺乏体内试验，强调急性毒性而缺乏慢性毒性评价资料，缺乏纳米颗粒的暴露途径和生物及环境动力学分析，因此金属纳米颗粒的安全性评价已经到了急需重视的程度 金属纳米颗粒的生物活性、毒性作用及动力学依赖于许多参数，包括尺寸、形状、化学组成、晶体结构、表面特征(面积、电荷、表

20、面修饰及多孔性等)、团聚情况、生物富集和暴露剂量.若研究环境中纳米颗粒对环境生物或人群健康的影响，应当完善纳米材料的表征，以利于不同材料毒性效应或安全性评价的比较，否则会降低该毒性研究的意义金属纳米颗粒进入环境中既可以改变环境系统，而环境系统中的理化条件、生物系统也会改变金属纳米颗粒的理化特征和生物学特性，增加或降低金属纳米颗粒的毒性作用及环境危害.因此，在评价生态毒性时不能忽略金属纳米颗粒与存在环境的相互作用，可以开展联合毒性实验或现场研究，而且评价数据中应当提供环境参数.在某些情况下，一些金属纳米颗粒生物毒性和生态系统毒性评价在实验室数据和现场实验数据之间存在偏差，这种偏差来自于纳米颗粒与

21、环境系统之间的相互作用 。环境中影响金属纳米颗粒生物效应和环境行为的因素及过程很复杂，具体可以体现在纳米颗粒的团聚、吸附、溶解性、表面结构的变化、复合体形成及环境生物对纳米颗粒理化性质和生物活性的影响 。Chi等人(2009)报道结合去污剂嗅代十六烷基毗陡后，纳米银对遗传物质的损伤明显增强。纳米银和纳米金颗粒在天然水中的团聚还受到电解质含量及溶解性总有机碳浓度的影响，通常而言，电解质含量越高越促进团聚发生，而溶解性总有机碳的影响恰恰相反 。实验室模拟的条件可能难以反映金属纳米颗粒在环境系统中的真实情况。另外在实验条件下，研究人员为了保持纳米颗粒的均匀分散，通常会采用分散剂、超声或搅拌方式，而对

22、于排放到环境中的纳米颗粒而言，环境中很难出现实验室条件下毫克级的分散剂或超声。因此，如何使实验过程反映真实的环境也是生物毒性或生态毒理学评价中需要解决的问题 确定一种物质是否具有危险性，不仅在于该物质的毒性大小，还在于该物质暴露于环境生物和人类的可能性大小。苏黎世ETH实验室通过纳米颗粒环境风险评估，计算出纳米TIO2的环境预测浓度（Predietedenvironmentaleoneentrations，PEC)和无毒作用预测浓度(Predietednoeffectconeentrations，PNEC)的比值大于l，表明其环境风险较大。虽然该研究报道了纳米银的PEC/PNEc比值远小于1，表明目前的环境风险很小。但是随着纳米银及其产品的开发应用，它们的生物安全和环境风险评估仍需要继续关注。纳米科技的发展涵盖物理、化学、生物、材料、环境科学、生物、医药卫生和农业等多个学科，解决金属纳米颗粒生物安全及环境安全的“悬疑”也必须是多领域多学科共同合作才能完成的课题。正如Maynaul等人(2006)所言，我们不可能凭自己就能达成国际性研究方案，但是我们可以呼吁建立科学研究共同体，可以包括政府、工业界、学术界及其他利益相关者，以促进问题的正确解决