1、資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除納米材料的安全性摘要近年來，隨著現代納米技術在環境領域中的廣泛應用，各種不同形式的納米尺度物質對人類環境可能帶來的潛在影響，逐漸引起相關領域研究工作者廣泛關注.本文分析了納米材料的暴露途徑和對生物體及環境的潛在威脅，以及納米材料的幾種毒性；并探討了納米材料產生毒性效應的幾種可能機制；介紹了國內外幾種典型的納米材料毒性研究情況；并提出了一些建議。關鍵詞納米材料毒性安全性引言：廣義地說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1lOOnm）或由它們作為基本單元構成的材料.具體的說主要有以下特性卬：（1）表面與界面效應：這是指納米晶

2、體表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。（2）小尺寸效應：當納米微粒尺寸與光波波長，傳導電子的德布羅意波長及超導態的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當或更小時;它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁、熱力學等性能呈現出“新奇的現象。利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能，此外乂有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等等.（3）量子尺寸效應：當粒子的尺寸達到納米量級時.，費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時.，會出現納米材料的量子效應,從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性

3、能變化。（4）宏觀量子隧道效應:微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統的勢壘而產生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。近年來，隨著納米科技的迅猛發展，各種人造納米材料已經在醫藥、化妝品和電子等產品中廣泛使用。納米材料既可以造福人類，也可能給環境和人體健康帶來影響。然而，納米材料的生物安全性現在還是未知數，關于它對健康的影響也還沒有成熟的分析方法。據美國紐約羅切斯特大學研究人員的實驗顯示,實驗白鼠吸入納米材料可能對多個臟器和中樞神經系統產生不良影響.雖然現在人們還不知道納米粒子進入大腦并堆積起來會產生何種影響，但是納米物質應用的安全

4、性早就被那些對納米研究持謹慎態度的學者所重視。有些科學家瓦甚至提出，為保證人類健康和環境安全，應暫停納米材料研究。美國、英國和日本等國多年前就已致力于富勒烯、單壁和多壁碳納米管以及氧化鈾納米材料的安全性評估。進入21世紀，我國開始高度關注納米生物效應與安全性的研究。目前，中國科學院高能物理所以大科學平臺為中心，結合核分析重點實驗室長期開展的稀士和重金屬生物效應、有機鹵素毒理及環境毒理學研究的豐富經驗，已從生物整體水平、細胞水平、分子水平和環境等幾個層面開展納米生物效應的研究工作。預計在未來的研究中會有更多的人員加入這一行列,這預示著納米技術研究和材料應用即將進人一個新時代。納米材料的暴露途徑及

5、其潛在威脅納米材料主要通過呼吸系統、皮膚接觸、食用和注射及在生產、使用、處置過程中向環境釋放等途徑向生物體和環境暴露而產生威脅。3 / 12資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除首先，納米顆粒通過呼吸系統被生物體吸收。如研究人員和工廠的工人容易暴露在納米顆粒濃度高的空氣中，主要以被動擴散方式通過細胞膜吸收，由于其粒徑非常小(1lOOnm),所以其布朗運動速度很快，主要附著于肺泡和較大的支氣管內.附著在肺泡表面的難溶顆粒，有的被滯留，以致引起病變;有的可到達淋巴腺或隨淋巴液到達血液，可能具有較高毒性。近來多項研究發現，納米材料可以在動物的呼吸道各段和肺泡內沉積,并且可以致明顯的

6、肺泡巨噬細胞(AM)損傷。其次，皮膚是人類阻擋外源污染物質的重要屏障系統，污染物主要通過表皮脂質屏障經皮膚吸收。如皮膚吸收通常發生于使用含二氧化鈦或氧化鋅納米顆粒的化妝品。再次，食用和注射難溶性藥物的消化道吸收率和藥效與藥物的粒徑呈負相關關系也人所共知。然而，科學家們發現藥物制劑的粒徑變小而其毒副作用卻得到不同程度的增大。常規藥物被納米顆粒物裝載后，急性毒性、骨髓毒性、細胞毒性、心臟毒性和腎毒性明顯增強。最后,針對在生產、使用、處置過程中向環境釋放，有研究者提出，納米顆粒難溶于水，故不必擔心其會污染地下水環境。但有研究工發現，由于納米碳管具有相當大的表面積，所以其他種類的分子能夠吸附在碳管上，

7、并通過地下水作用將污染物大面積傳播，導致環境惡化。也有研究表明.一種親水的納米材料，可以在沒有任何表面處理的情況下于水中形成膠體樣物質，其溶解度是多環芳煌(PAHs)在水中溶解度的100余倍，而水中很低濃度的PAHs也會對環境產生影響，因此推測C50可能具有相似的屬性，因此有必要評價水環境中可能存在的納米顆粒的理化特性。除了暴露途徑,暴露劑量是另一個重要的問題。納米尺寸是決定納米顆粒毒性的一個因素，但是納米顆粒的總表面積(由尺寸和總劑量決定)也非常重要。表面反應活性低的納米顆粒對人類和其他動物的潛在毒性與暴露的劑量和途徑有關。因此，盡量減少以及準確確定暴露的劑量十分關鍵。但是，由于納米顆粒的團

8、聚特性，目前還很難準確測定人或生物在某一環境中對某一尺寸的暴露劑量。從長遠看,隨著納米材料的廣泛應用，通過大氣、水和土壤等途徑將不可避免地造成對整個生態系統的暴露。因此有必要對納米材料的生物效應進行研究，建立納米材料安全性研究體系，以評價其環境和健康風險。2、納米材料的毒性（1）納米材料的吸入毒性近來多項研究發現，納米材料可以在動物的呼吸道各段和肺泡內沉積,并且可以致明顯的肺泡巨噬細胞損傷.如圖1,Lam等采用支氣管注入法分別給小鼠注入0、0.1、0.5mg/kg的單壁碳納米管7d和90d后，出現了上皮樣肉芽腫，并呈劑量依賴性增加。他們認為，在其實驗條件下，一旦單壁碳納米管（SWNT）到達肺臟

9、，則其毒性比炭黑和石英都高。Warheit：門等也采用支氣管注入法研究了單壁碳納米管（SWNT）對大鼠的影響，染毒劑量分別為1和5mg/kg,在24h、1周、1個月和3個月后進行組織病理學評估,結果也觀察到了肺損傷和肉芽腫的形成,但是,單壁碳納米管（SWNT）暴露所導致的是多病灶肉芽腫，且沒有進行性肺部炎癥和細胞增生的表現。這種肉芽腫損傷更像免疫反應或是肺對外來物質的清除反應,這預示著單壁碳納米管（SWNT）具有新的致肺損傷機制。Dick：”等比較了納米炭黑、納米鉆、納米銀和納米二氧化鈦，發現它們致肺部損傷的程度與產生自由基并且引發氧化損傷有關。他們認為，這是納米材料表面可以與組織發生反應產生

10、自由基的緣故.”材料的接觸毒性有學者發現，人工培養的人表皮角質細胞暴露于單壁碳納米管（3 / 12資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除SWNT)后出現自由基形成、過氧化物積聚以及抗氧化物質減少，暴露18h后細胞活力下 降等，同時還發現細胞形態和細胞的超微結構發生改變，如圖2。Menze產:等用粒徑為45150nm 長、1735nm寬的納米二氧化鈦覆蓋與人體皮膚最為相似的豬皮，8h后通過粒子誘發X射線熒 光分析觀察納米二氧化鈦在皮膚結構中的分布情況，實驗結果證實納米二氧化鈦可以通過角質層 進入到表皮下的顆粒層，尤其是在表皮生發層。膚結構中的分布情況美國環境保護署毒害神經學家貝

11、利納維羅內齊博士及其同事查明，二氧化鈦(Ti02)納米顆粒能損害大腦細胞。納米材料透過血腦屏障研究表明，納米粒子是通過被動轉運、載體介導或者吞噬作用跨越血腦屏障的。但是,納米粒子究竟是怎樣突破血腦屏障的,對內皮細胞間緊密連接是否有損傷，還有待于進一步確定。能夠跨越血腦屏障的納米藥物固然受到歡迎，但是意味著毒性物質也有可能通過這種途徑進入大腦，所以需要對納米載藥材料進行全面的安全性評價。(4)納米材料對微生物的影響現已有多項研究表明納米材料具有抗菌作用。另外，納米二氧化鈦包被的中空玻璃球可以抑制藍藻和硅藻的光合作用，顯示納米材料在抑制海藻過度生長方面的應用潛力。由于微生物在維持土壤及水生態平衡中

12、發揮著重要作用，納米材料對生態平衡的破壞應引起注意。一旦具有抗菌作用的納米材料進入生態環境(如納米廢棄物或環境治理投放)，是否會破壞正常微生物種群的生長而影響到整個生態環境的平衡，應進行更加深入的研究。3、納米材料產生毒性效應的機制納米材料產生毒性效應的可能機制有自由基機制、分子機制和免疫機制等。3。1產生毒性效應的自由基機制有關納米材料的各種體內和體外化學試驗都表明可以產生活性氧自由基，如量子點、單壁碳納米管、富勒烯、超細顆粒物等，暴露于光、紫外線、過渡金屬的條件下均可生成活性氧簇。粒徑和化學組分不同的各種納米顆粒物也會影響線粒體的代謝，因為線粒體是自由基圖3自由基攻擊細胞膜丹JTVR &#

13、187;'X |-L>' 4 七、17B 小5 -vf活化組織，因此可能改變活性氧簇的產生,負載或干擾機體抗氧化防御機制.如富勒烯作為產生超氧自由基的標準納米顆粒物，其確切的發生機制可能包括：納米顆粒物產生的光激發促使系統內自由電子的產生；納米顆粒物的代謝產生自由基活化介質，特別是這種代謝是經細胞色素(P450)誘導的；體內炎癥反應可能導致巨噬細胞釋放氧自由基。國際毒理學等權威雜志報道，過剩自由基可引發100多種疾病，包括各種癌癥、心腦血管疾病、3.2產生毒性效應的分子機制納米顆粒沉積在肺部后，可能破壞細胞膜或直接通過細胞膜進入細胞內部，并與細胞內的脂質、蛋白和核酸等生物

14、大分子相互作用，改變生物大分子的構型和構象，從而改變生物大分子的相應功能。Christie等研究了水溶性富勒烯衍生物對細胞膜的損傷作用，發現富勒烯衍生物能產生超氧陰離子。這些自由基通過脂質過氧化破壞細胞膜，使細胞喪失正常的功能，但DNA的質量濃度和線粒體的活力沒有受到多大影響.細胞骨架由蛋白纖維組成，具有支撐細胞、物質轉運、信息傳遞、細胞增殖和輔助基因表達等功能。Moller0等研究了幾種納米顆粒對巨噬細胞骨架的影響，發現高質量濃度的納米顆粒會使細胞骨架的正常功能喪失，表現為阻止細胞間的物質轉運，增加細胞的硬度，破壞巨噬細胞的吞噬能力，妨礙細胞增殖,導致肺部慢性炎癥.用1經支管呻浩,縉果SB

15、2蝌厲銀椅亙縉果圖經支氣管肺活檢結果圖胸腔鏡檢查結果目禧嚷®邛瞬醐嬲藕魁蕖此掰服隼漳同檎瞞殖檢售結槃而言，納米材料的生物效應主要與納米顆粒本身性質（如質量、粒子數、粒徑、表而枳等）及納米粒子表面修飾（吸附、鍵合、載帶等）有關。4、國內外納米材料毒性研究概況近年來，納米技術和納米材料所帶來的經濟收益和技術進步相當的可觀,這種新材料和新技術可能帶來的生物安全性方面的影響和相關的研究也逐漸被認識和重視。美國環境保護機構（usenvironmentalprotectionagency）已確認了一些關于納米顆粒安全性評價的課題，如人造納米顆粒的毒理學，使用已知顆粒和纖維的毒理數據外推人造納米顆

16、粒毒性的可能性，人造納米顆粒對環境和生物的傳送、持續和轉化等。英國政府也要求皇家學會和皇家工程院研究納米技術可能造成的倫理和社會問題,在一定期限內發布研究報告。國內也有一些研究人員較早地認識到這一方面研究的重要性，并開展了一些初步的研究與探討.4»1我國納米材料毒性研究我國關于納米材料毒性相關研究還很缺乏,盡管已經取得了一些初步的研究成果，但與納米材料研究相比尚處于起步階段。納米材料的生物安全性研究不僅對人體健康具有重要意義，而且還牽涉到勞動保護、資源利用等許多方而，所以應該引起我國政府的高度重視.首先是納米磁性材料的研究，由于納米磁性材料是一種磁性強、制備相對簡單、生物相容性較好的

17、材料,因此在生物醫學領域有著廣泛應用.東南大學醫學院新藥臨床前藥理基地口副對由表面包覆谷頷酸分子的球形y-Fe念和FeO磁性納米顆粒制成的抗癌材料進行了毒性檢測，未見三氧化二鐵磁性納米材料對哺乳動物體細胞及生殖細胞有遺傳毒性作用,在連續給藥14天后，該材料無毒性反應劑量是人體推薦注射量（國內：0.560.84mg/（kg次）的10倍以上；而四氧化三鐵磁性納米顆粒無體細胞致突變作用，但經口染毒可能會對雄性生殖細胞有致突變作用。湖南大學的李杜:等對無機硅殼類納米顆粒進行了細胞毒性的研究，利用無機二氧化硅納米顆粒（SiNP）、二氧化硅殼熒光納米顆粒（FSiNP）以及二氧化硅磁性納米顆粒（MSiP）對

18、美洲綠猴腎細胞、鼻咽癌細胞系和乳腺癌細胞系進行了毒性研究。結果表明，在有效濃度范闈內，無機硅殼類納米顆粒具有很好的生物相容性，對細胞的生長和代謝沒有明顯影響，從而為無機二氧化硅納米顆粒在生物醫學中的應用提供了一定的理論依據。賈元宏9等對一種以納米硅基氧化物（Si02-x）、納米載銀抗菌粉、納米載鋅抗菌粉為主要成分的復方抑菌劑進行了抑菌效果和毒性試驗。結果表明，該抑菌劑對雌、雄小白鼠口服半數致死量（LD50）均大于5000mg/kg,按急性經口毒性評價標準，屬實際無毒物質：在家兔急性皮膚刺激試驗中，未見紅斑、水腫和其他異常現象;而對大白兔進行眼刺激試驗后，3只出現輕度分泌物，且角膜、虹膜均正常，

19、48h后恢復正常，屬無急性刺激性物質；小白鼠蓄積系數k大于5,屬弱蓄積性物質。此外，國內外學者還對固體脂質納米顆粒、納米聚四氟乙烯和碳顆粒用納米SiCh/Gf/EAM復合材料等的生物安全性問題進行了初步研究，取得了一些成果，但這些研究僅僅是納米材料中的很少一部分，而且研究中仍存在一些不足。納米材料生物安全性研究是一個典型的綜合性強的交叉學科領域，需要綜合利用各種研究方法和手段，才能有效地完成納米生物環境效應的研究。作為“科學技術的眼睛”的分析科學，在這項研究中有著極其重要的作用。傳統用于研究納米生物環境效應的方法，如MTT（一種黃顏色的染料）法（一種檢測細胞存活和生長的方法）適合常規物質（如重

20、金屬離子、有機污染物）的檢測，但不一定適合具有特殊性質的納米尺度物質的檢測。此外，這些傳統的檢測方法靈敏度不夠高，而且費時、復雜，不利于掌握和操作。近年來，光傳感器為生命科學、環境科學、材料科學的研究提供了許多新的、高靈敏度的分析手段，推動了這些學科理論和高新技術的發展.如用發光細菌的發光體系來研究存在于水體中的納米材料的生物效應:用綠色植物葉子的延遲化學發光來研究存在于大氣中的納米粉末對光合作用過程的影響等:并進一步研究納米材料的粒徑、濃度、形貌等對其生物環境效應的影響，從而建立起簡單、快速、靈敏地研究納米材料生物環境安全性的新方法和新技術。4o2國外納米材料毒性相關研究情況首先是碳納米管的

21、毒性研究，由于單壁碳納米管在機械和電子磁性方面有優越的性質，因此有著廣泛的應用和商業價值未被處理過的碳納米管非常輕，有可能通過空氣到達人的肺部.因此，單壁碳納米管對于環境和生物的安全性也最先被人們注意.在單壁碳納米管肺部毒性研究方面，美國NSAJohnson空間中心的ChiuWingLain1等和美國杜邦公司的DavidB.warheit等已經做出了相關的研究。其次，納米量子點是研究重點，它的特征是材料的尺寸在三維方向上均小于電子的自由程，因此在這種材料中電子在空間的運動受到限制，在不同方向上的電子能級都是離散的，從而表現出一些獨特的性質，如電子隧道效應、單色光發射等.量子點由于具有獨特的熒光

22、效應，廣泛用于生物學標記，因此，量子點的毒性問題也隨之產生.量子點的毒性主要取決于量子點的材料組成、量子點的大小和表而修飾情況等.美國加州大學SanDiego分校的AustinM.Derfus川等發現，以cdSe為核心的半導體量子點在某些情況下有很強的毒性。當合成半導體量子點的時候改變參數，暴露在紫外線下和表面修飾后，量子點的細胞毒性會有所變化。進一步研究揭示了細胞毒性與自由Cd的釋放有關.當經過合適的修飾，以CdSe為核心的半導體量子點可變得無毒并且可在體外進行細胞移植和重組。美國CaseWesternRcaserve大學的研究人員對包含DNA的納米顆粒進行了毒性研究，將DNA壓縮在多聚一賴

23、頷酸內，然后包在納米顆粒中，用聚乙烯乙二醇將5 / 12資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除這種納米顆粒修飾在半胱氨酸的N端,這樣做可以有效地通過某種途徑轉染上皮細胞。在10# / 12資料內容僅供您學習參考，如有不當之處，請聯系改正或者刪除g的劑量下.DNA納米顆粒沒有出現可察覺到的毒性，并且在這個劑量上有最高的基因表達。這個比較好的毒性測試結果有助于控制穩定的壓縮DNA的發展。5、一些建議著名學者方舟子博士也認為，“科學界在展望新技術的前景時，不要過分樂觀，設想得過于美好，要讓公眾了解到可能的障礙和問題”.樹立這樣的觀念是應該的,及早關注納米材料的環境影響，將對人類更加

24、有利。目前，社會對納米技術的負面效應認識不夠，只有對納米技術實施有效的社會控制,才能引導它向健康方向發展,應當開始如下的工作：（1）成立跨學科的科技中心研究納米微粒與納米管毒性、流行病學、暴露路徑，以發展一套可以用來監控人造與自然環境中納米微粒與納米管的方法與儀器。（2）由于納米微粒與納米管對環境的影響目前尚未完全清楚，所以要盡可能避免將納米微粒釋放到環境中要規范工作環境中納米微粒的可存在量規范,并在生產納米微粒的過程中采取較低的暴露量標準。（3）對于消費性產品，如含有納米微粒成分，在獲準上市以前，質量環境監管機構應該對所使用的納米微粒進行完整的安全評估同時建議制造商公布評估其納米方法細方國家

25、應針對納米產品的性質重新反思目前的監管機制。（4）建議檢討現行法律關于工作環境內意外事故發生時的管理方法，研究制定對于在有納米微粒存在的工作環境的管制和人員保護措施。總而言之,我們要用理性的眼光去看待納米技術的發展在研究、開發時既不要忽視它的潛在危險而貿然發展，也不要夸大它的可能危險而阻止它的發展.而應該在技術自身尚未發展到充分成熟，達到完全可以影響和駕馭自然和社會協調發展階段之前,拿出真正的決心和有力措施來促進技術的全面健康發展，從源頭上控制、阻止對其不適當的使用所引起的災難性負效應。6、結束語目前,納米科技應用開發的研究力度遠遠大于對科技本身潛在風險研究的力度，國內納米材料的研究開發已經進

26、入國際領先行列，市.場上也出現了如納米碳管、納米二氧化鈦和納米氧化鋅等多種產品，這些產品沒有經過嚴格的人體危害研究之前馬上投放市場是不恰當的；另外,納米材料在生產和運輸的過程中是否會對生產運輸者的健康造成危害，是否會因泄漏擴散到環境中而造成污染:納米材料在使用過程中要遵從什么樣的技術規范等等問題目前都不清楚，含有納米顆粒和納米纖維的紡織品和生活用品會隨時間推移而脫落、分解進入環境中,特別是水環境。這些材料的生物可降解性，是否會對水生生物及整個水生態系統產生不良影響,是否會通過食物鏈最終在人體富集枳累而危害公眾健康等問題目前也不清楚。鑒于雙對氯苯基三氯乙烷（DDT）、多氯聯苯（PCB）和二惡英（

27、Dioxin）的慘痛教訓，納米材料對人類健康、環境和社會的影響是一個亟待解決的問題，需要建立納米材料的研究、生產和使用的安全規范，以及環境系統評估和監測的方法和制度，并將“納米污染”列入國家戰略研究規劃.專家們認為,未來納米環境安全問題的研究必須重視以下幾個方面的工作：（1）納米顆粒毒性與粒徑大小有著重要的關系，需要比較不同粒徑的同種納米材料的毒性。（2）納米材料在不同外部條件下毒性發生怎樣的改變，如何通過改變外部條件和修飾方法來改變毒性是一項具有重要應用價值的研究。（3）納米材料如何穿越生物屏障、作用于哪些靶標及引起怎樣的代謝改變.(4)納米材料對機體及其器官、組織、細胞、分子、基因等均有影響，在哪個層面上的影響最值得注意.參考文獻：1施利毅。