納米材料毒性與安全性研究報(bào)告

納米材料毒性與安全性研究報(bào)告（中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化工系，長(zhǎng)沙，410000）摘要：隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的納米化技術(shù)被應(yīng)用到生物醫(yī)藥領(lǐng)域，為疾病的診斷和治療提供極大的利益。但是，當(dāng)這些產(chǎn)品最終應(yīng)用到人體的時(shí)候，引發(fā)了一系列的思考，納米材料的毒性不斷被報(bào)道。因此各國(guó)的科學(xué)家都呼吁在納米生物醫(yī)療產(chǎn)品被更廣泛的應(yīng)用之前，應(yīng)該通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)收益比進(jìn)行評(píng)估。關(guān)鍵字：納米材料生物效應(yīng)生物安全性中圖分類號(hào)：TB383Researchonbiologicalsafetyofnanometer-scalematerials(CentralSouthUniversity,Changsha,410000)Abstract:Withthecontinuousdevelopmentofnanotechnology,agrowingnumberofnano-technologyhasbeenappliedtothebiomedicalfield.Itprovidesgreatbenefitsforthediagnosisandtreatmentofdisease.However,whentheseproductsfinallyapplicatedtothehumanbody,triggeringaseriesofthinking,thetoxicityofnanomaterialscontinuetobereported.Soscientistsarecallingforallcountriesbeforethenano-bio-medicalproductsaremorewidelyusedin,itshouldbeevaluatedbyfurtherexperimentsonitsrisk-benefitratio.Keywords:Nano-materialsBiologicalsafetyBiologicaleffects自從1991年Iijiman等人制造成功納米碳管以來(lái)，在國(guó)際上掀起了研究納米材料和納米器件的高潮．各種各樣的納米材料不斷制取出來(lái)，而且生產(chǎn)納米材料的工廠像雨后春筍般地建立起來(lái)．據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，短短幾年內(nèi)僅在我國(guó)每年能生產(chǎn)近千萬(wàn)噸納米材料的工廠就已建立起幾千家．納米科學(xué)技術(shù)的出現(xiàn)被認(rèn)為是繼工業(yè)革命后最大的工程革命，而且被美國(guó)政府描述為未來(lái)10年值得投資萬(wàn)億資金的“下一個(gè)工業(yè)革命”【1】。納米顆粒(微粒)通常是指顆粒尺寸介于原子與物質(zhì)之間的一類粉末，尺寸一般在1～100腳之間。當(dāng)小粒子尺寸進(jìn)入納米量級(jí)(1～100m)時(shí)，其本身具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，在物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生突變的同時(shí)，其機(jī)械性能和生物效應(yīng)也發(fā)生質(zhì)的轉(zhuǎn)變，從而在光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面顯示出許多奇異的特性【2】。納米技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好應(yīng)用，如電子、化妝品和防曬霜、醫(yī)藥學(xué)和金屬切割工具等領(lǐng)域。而且科研人員正在開(kāi)展以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的新型材料、可以自我組裝和復(fù)制的納米機(jī)器人或裝置以及可以殺死特定有機(jī)體甚至可以修復(fù)DNA的生物醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域的研究。1.納米材料安全性評(píng)估的重要性這些效應(yīng)可導(dǎo)致異常的吸附能力，化學(xué)反應(yīng)能力，分散與團(tuán)聚能力，在不同介質(zhì)中的溶解性，熱學(xué)性能，光催化性能和表面活性等．由于它顆粒小，V/S（體積／表面積）之比極小，其特性與大塊的材料有明顯區(qū)別．有些納米材料具有極其奇特性能而廣泛運(yùn)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)研究和食品衛(wèi)生等方面．納米技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好應(yīng)用，如電子、化妝品和防曬霜、醫(yī)藥學(xué)和金屬切割工具等領(lǐng)域。而且科研人員正在開(kāi)展以納米技術(shù)為基礎(chǔ)的新型材料、可以自我組裝和復(fù)制的納米機(jī)器人或裝置以及可以殺死特定有機(jī)體甚至可以修復(fù)DNA的生物醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域的研究【3--5】。但正是因?yàn)樗某叽绫瓤諝庵械幕覊m還小，人們必然想到生活在產(chǎn)地和供用的場(chǎng)所的人每天要吸人大量的納米顆粒，至此人們就自然要問(wèn)吸人人體的納米材料是否對(duì)人的健康會(huì)造成嚴(yán)重影響?這是值得我們深思，而我們的政府必須考慮的問(wèn)題【6】．一項(xiàng)長(zhǎng)期流行病學(xué)研究結(jié)果表明，人的發(fā)病率和死亡率與他們所生活的周圍環(huán)境空氣中大氣顆粒物濃度和顆粒物尺寸密切相關(guān)。死亡率是由劑量非常低的相對(duì)較小的顆粒物引起的，粒徑越小，危害越大，導(dǎo)致發(fā)病率和死亡率顯著增高，所引起的疾病主要是心血管疾病和肺部疾病。在美國(guó)進(jìn)行的這項(xiàng)長(zhǎng)期人群調(diào)查結(jié)果顯示，人生活周圍空氣中2．5斗m顆粒每增加10燦g／m3，總死亡率增加7～13％。世界衛(wèi)生組織(WHO)組織專家對(duì)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：(1)周圍空氣10斗m的顆粒每增加100斗g／m3，死亡率增加6～8％，但是當(dāng)周圍空氣2．5斗m的顆粒每增加100斗g／m3，死亡率卻增加12—19％；(2)周圍空氣10斗m的顆粒每增加50斗g／m3，住院病人增加了3～6％，周圍空氣2．5斗m的顆粒每增加50斗g／m3，住院病人增加了25％；(3)周圍空氣10(m的顆粒每增加25斗g／m3，哮喘病人病情惡化和使用支氣管擴(kuò)張器的百分比將增加8％，咳嗽病人將增加12％。倫敦大霧是一個(gè)眾所周知的例子，這場(chǎng)大霧之后，兩周內(nèi)在倫敦有4000多人突然死亡?？茖W(xué)家分析研究的結(jié)果，認(rèn)為主要是空氣中細(xì)小的納米顆粒大量增加造成的。目前，細(xì)小顆粒物導(dǎo)致疾病的發(fā)病率和死亡率增加的機(jī)理還不清楚，但是科學(xué)家們推測(cè)，大氣顆粒物中小于100nm超細(xì)顆粒物具有特殊生物機(jī)制，并起關(guān)鍵作用：它們?cè)诜谓M織中的沉積效率很高；另一種推測(cè)是，小生物效應(yīng)之間的關(guān)系研究生物細(xì)胞的大小通常在幾個(gè)到幾十個(gè)微米數(shù)量級(jí)相對(duì)之下納米材料的體積要比細(xì)胞小得多容易進(jìn)入生物體并發(fā)生相互作用目前國(guó)內(nèi)外的一些研究表明沒(méi)有毒害作用的微米物質(zhì)當(dāng)被加工成納米級(jí)的超細(xì)微粒時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出一定的毒性而且顆粒尺寸越小單位表面的活性也越大產(chǎn)生的生物效應(yīng)也越大。3.3納米材料與生物體相互作用機(jī)理研究【27】。納米材料與生物組織相互作用機(jī)理，生物組織相互作用與納米材料的組成電子結(jié)構(gòu)表面鍵合物質(zhì)表面覆蓋(活性或惰性)和溶解性等性質(zhì)有關(guān)另外還與其他環(huán)境因素(如UV活化)有關(guān)例如尺寸減小導(dǎo)致納米材料會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的晶面使得結(jié)構(gòu)缺陷增加這些缺陷可能會(huì)提供新的生物作用點(diǎn)大多數(shù)納米材料表現(xiàn)出毒性是由于材料的電子活性點(diǎn)(給電子或受電子基團(tuán))能與氧分子發(fā)生作用形成超氧陰離子(O2ˉ?)通過(guò)歧化反應(yīng)產(chǎn)生額外的ROS導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷。目前建立的毒理學(xué)機(jī)制理論較多，彼此之間存在著一定的矛盾。但一般而言，納米材料的生物效應(yīng)主要與納米顆粒本身性質(zhì)(如質(zhì)量、粒子數(shù)、粒徑、表面積等)及納米粒子表面修飾(吸附、鍵合、載帶等)有關(guān)【28】3.4實(shí)驗(yàn)動(dòng)物間的差異【29】品系間差異超微顆粒在不同品系的嚙齒類動(dòng)物中引起的肺部反應(yīng)不同。同等處理?xiàng)l件下，大鼠比小鼠的肺部反應(yīng)更嚴(yán)重，進(jìn)而發(fā)生進(jìn)展性的上皮改變和纖維增生。吸入10mg／m3超微TiO，可引起大鼠和小鼠肺清除力損害，但倉(cāng)鼠不受影響舊7。。因此，在已報(bào)道的大多數(shù)超微顆粒與細(xì)顆粒毒性比較的研究中，大鼠模型被認(rèn)為是顆粒引起肺部炎癥發(fā)生的最敏感從而運(yùn)用最多的動(dòng)物模型。種屬差異近來(lái)一些報(bào)道指出，顆粒引起狗、靈長(zhǎng)類動(dòng)物及人類的肺部反應(yīng)與嚙齒類動(dòng)物特別是大鼠有所不同心n30。。例如，大鼠慢性吸入顆粒物，顆粒主要沉積于肺泡腔，而人類則主要沉積于肺間質(zhì)區(qū)。沉積的解剖部位不同，引起的反應(yīng)結(jié)果也不一樣。由此可知，納米顆粒的安全性問(wèn)題已經(jīng)El益受到人們的關(guān)注，但研究還處于早期階段。僅根據(jù)當(dāng)前有限的資料得出它們的毒性結(jié)論還為時(shí)過(guò)早。我們期待出現(xiàn)更合理、有效、快速的評(píng)價(jià)方法，以解決納米技術(shù)快速發(fā)展所帶來(lái)的安全性評(píng)價(jià)的問(wèn)題。4.另外最后列舉一些國(guó)際際納米立法規(guī)定和國(guó)際納米標(biāo)準(zhǔn)2006年9月，聯(lián)合國(guó)環(huán)境與發(fā)展署在巴黎召開(kāi)專家會(huì)議，專門起草了“納米技術(shù)與環(huán)境安全”報(bào)告，提交聯(lián)合國(guó)有關(guān)部門，納米技術(shù)安全性問(wèn)題已成為各國(guó)政府和公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的相關(guān)法規(guī)可能不適用于所有納米產(chǎn)品的監(jiān)管。2006年5月，英國(guó)食物安全法規(guī)制定人員發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)監(jiān)管存在漏洞，為盡快建立納米材料安全性評(píng)估體系奠定了基礎(chǔ)。2008年1月，英國(guó)主要有機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)?英國(guó)土壤協(xié)會(huì)宣布禁止在有機(jī)食品中使用納米材料，成為世界上第一個(gè)反對(duì)納米技術(shù)應(yīng)用的機(jī)構(gòu)。1）美國(guó)2003年11月，美國(guó)參議院形成了《21世紀(jì)納米技術(shù)研發(fā)法案》。2003年，美國(guó)眾議院為納米技術(shù)立法，代號(hào)HR766，HR766將通過(guò)政府機(jī)關(guān)來(lái)協(xié)調(diào)納米技術(shù)的研發(fā)。2）國(guó)際電工委員會(huì)納米標(biāo)準(zhǔn)化組織2005年，國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化管理局(IEC／SMB)開(kāi)始籌備成立納米相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。2005年9月，IEC成立了納米技術(shù)咨詢平臺(tái)，制定IEC領(lǐng)域的有關(guān)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并與ISO／TC229配合與協(xié)調(diào)，避免重復(fù)制定標(biāo)準(zhǔn)。2007年3月，國(guó)際電工委員會(huì)納米標(biāo)準(zhǔn)化組織(IEC／TCll3)在德國(guó)召開(kāi)了成立大會(huì)，秘書處設(shè)在德國(guó)。3）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織納米技術(shù)委員會(huì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織納米技術(shù)委員會(huì)(ISO／TC229)【31]的秘書處由英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(BSI)承擔(dān)，其主要工作范圍包括：①理解和控制的物質(zhì)或過(guò)程應(yīng)在納米尺度范圍，即指典型的、但并不完全要求至少在有一維的方向上在lOOnm以下開(kāi)始具有尺度依存關(guān)系的新穎功能，并可以應(yīng)用的材料；②可利用的納米尺度材料與單個(gè)的原子、分子以及大塊物質(zhì)的性質(zhì)有區(qū)別3）其他組織和國(guó)家的納米標(biāo)準(zhǔn)化工作2004年3月，歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)下設(shè)的技術(shù)管理局組建了一個(gè)與納米技術(shù)相關(guān)的臨時(shí)工作組(CEN／BT／WG166)，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)是該組織的秘書處。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2004年6月成立了，納米技術(shù)委員會(huì)(TheUKnationalcommitteefornanotechnologies)，并于2005年制定了國(guó)際第一份以英文形式發(fā)布的納米術(shù)語(yǔ)規(guī)范。4）我國(guó)納米標(biāo)準(zhǔn)化研究現(xiàn)狀2001年，科技部將“納米材料標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)庫(kù)”列入基礎(chǔ)性重大研究項(xiàng)目，2003年12月經(jīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)成立了全國(guó)納米材料標(biāo)準(zhǔn)化聯(lián)合工作組。2005年6月，我國(guó)成立了全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。2005年，國(guó)家質(zhì)檢總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合發(fā)布了7項(xiàng)納米材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這是世界上首次以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)形式發(fā)布的納米材料標(biāo)準(zhǔn)，并已于2005年4月1日起實(shí)施。這7項(xiàng)納米材料標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和實(shí)施成為我國(guó)納米產(chǎn)業(yè)問(wèn)路國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的重要里程碑，其中包括1項(xiàng)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)、2項(xiàng)檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)和4項(xiàng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。2009年3月，全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)2008年度會(huì)議在北京召開(kāi)，介紹了國(guó)際納米標(biāo)準(zhǔn)最新進(jìn)展和參加ISO／TC229與IEC／’fCll3會(huì)議的相關(guān)情況[32]。參考文獻(xiàn)：VincentWH;EileenMNanotechnology[外文期刊]2008(02）張梅.陳煥春.楊緒杰納米材料的研究現(xiàn)狀及展望[期刊論文]-導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)2000(03)LordPG;PapoianTGenomicsanddrugtoxicity[外文期刊]2004(5696）MichaletXQuantumdotsforlivecells,invivoimaging,anddiagnostics[外文期刊]2005(5709）NelA;XiaT;MaedlerLToxicpotentialofmaterialsattheNanolevel[外文期刊]2006(5761)6.龐小峰,張懷武,鄧波等納米尺度物質(zhì)的生物效應(yīng)和安全性[期刊論文]-物理,PHYSICS2006,35(4)7.趙宇亮,白春禮納米安全性:納米材料的生物效應(yīng)[期刊論文]-世界科學(xué)技術(shù)-中醫(yī)藥現(xiàn)代化8.Chiu-WingLam.JohnTJames.RichardMcCluskeyPulmonarytoxicityofsingle-wallcarbonnanotubesinmice7and90daysafterintratrachealinstallation20049.ServiceRF.Nanomaterialsshowsignsoftoxicity.Science,2003,300(11):243BrumfielG.Alittleknowledge.Nature,2003,424(17):246ZhangWei-xian.Environmentaltechnologiesatthenanoscale.EnvironSciTechnol,2003,37(5):103~108KellyKL.Nanotechnologygrowsup.Science,2004,304:1732~1734DowlingA,CliftR,GrobertN,etal.Nanoscienceandnanotech-nologies:Opportunitiesanduncertainties.London:TheRoyalSo-ciety&TheRoyalAcademyofEngineeringReport,Jul200414孫曉寧,孫康寧,朱廣楠等納米顆粒材料的毒性研究與安全性展望[期刊論文]-材料導(dǎo)報(bào),MATERIALSREVIEW2006,20(5)rdfirsterG，F(xiàn)inkelsteinJN，JohnstonC．[J]．ResRepHealthEftInst．，2000，96：5—74．faqF，AbidiP，MatinR，6ta1．[J]．ApplToxicol，1998，18：307—312．rdlirsterG，F(xiàn)efinJ，GeleinR，eta1．[J]．EnvironHealthPerspect，1992"，97：193—199．OberdorsterG，F(xiàn)efinJ，LehnertBE．【Jj．EnvironHealtllPerspect，1994，102(Suppl5)：173—179．LamCW;JamesJT;McCluskeyRPulmonarytoxicityofsingle-wallcarbonnanotubesinmice7and90daysafterintratrachealinstillation[外文期刊]2004(1)WarheitDB;LaurenceBR;ReedKLPulmonary-toxicity-screeningstudieswithsingle-wallcarbonnanotubes2003ServiceRF.Showsignsoftoxicity［J］.Science，2003，300（11）：243.MiiierRH，MderK，GohiaS.Soiidiipidnanoparticies（SLN）forcontroiieddrugdeiivery—areviewofthestateoftheart［J］.EuropeanJournalofPharmaceuticsandBiopharmaceutics，2000，50：161177SayesCM，GobinAM，WestJLNano-Gocytotoxicityi