1、納米材料生物安全性評價的研究進展體育學院 孫金月 納米技術的定義納米技術的定義 納米技術（納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術，研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。納米技術是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術上的次級分類。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學和現代技術結合的產物。納米科技的神奇之處在于物質在納米尺度下所擁有的量子和表面現象，因此可能可以有許多重要的應用，也可以制造許多有趣的材質。1993年 ，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字、1990年美國國際商用機器公司

2、在鎳表面用36個氙原子排出“”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。1997年 ，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年 ，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。 近年 ，近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地。日本設立納米材料研

3、究中心，把納米技術列入新年科技基本計劃的研發重點；德國專門建立納米技術研究網；美國將納米計劃視為下一次工業革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。技術分類 1993年，第一屆國際納米技術大會(INTC)在美國召開，將納米技術劃分為6大分支：納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學，促進了納米技術的發展。由于該技術的特殊性，神奇性和廣泛性，吸引了世界各國的許多優秀科學家紛紛為之努力研究。 納米技術一般指納米級(0.1一100nm)的材料、設計、制造，測量、控制和產品的技術。納米技術主要包括：納

4、米級測量技術：納米級表層物理力學性能的檢測技術：納米級加工技術；納米粒子的制備技術；納米材料；納米生物學技術；納米組裝技術等。關鍵突破關鍵突破 19901990年，年，IBMIBM公司阿爾馬登研究中心的科學家成功地對單公司阿爾馬登研究中心的科學家成功地對單個的原子進行了重排，納米技術取得一項關鍵突破。他們使個的原子進行了重排，納米技術取得一項關鍵突破。他們使用一種稱為掃描探針的設備慢慢地把用一種稱為掃描探針的設備慢慢地把3535個原子移動到各自的個原子移動到各自的位置，組成了位置，組成了IBMIBM三個字母。這證明費曼是正確的，二個字母三個字母。這證明費曼是正確的，二個字母加起來還沒有加起來還

5、沒有3 3個納米長。不久，科學家不僅能夠操縱單個的個納米長。不久，科學家不僅能夠操縱單個的原子，而且還能夠原子，而且還能夠“噴涂原子噴涂原子”。使用分子束外延長生長技使用分子束外延長生長技術，科學家們學會了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次術，科學家們學會了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次只造出一層分子?，F代制造計算機硬盤讀寫頭使用的就是這只造出一層分子。現代制造計算機硬盤讀寫頭使用的就是這項技術。著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德項技術。著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德 費曼預言，費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據人類人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根

6、據人類意愿，逐個地排列原子，制造產品，這是關于納米技術最早意愿，逐個地排列原子，制造產品，這是關于納米技術最早的夢想。的夢想。研究應用 當前納米技術的研究和應用主要在材料和制備、微電子和計算機技術、醫學與健康、航天和航空、環境和能源、生物技術和農產品等方面。用納米材料制作的器材重量更輕、硬度更強、壽命更長、維修費更低、設計更方便。利用納米材料還可以制作出特定性質的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。1、納米是一種幾何尺寸的度量單位，1納米=百萬分之一毫米。2、納米技術帶動了技術革命。3、利用納米技術制作的藥物可以阻斷毛細血管，“餓死”癌細胞。4、如果在衛星上用納米集成器件，衛星

7、將更小，更容易發射。5、納米技術是多科學綜合，有些目標需要長時間的努力才會實現。6、納米技術和信息科學技術、生命科學技術是當前的科學發展主流，它們的發展將使人類社會、生存環境和科學技術本身變得更美好。7、納米技術可以觀察病人身體中的癌細胞病變及情況，可讓醫生對癥下藥。納米技術包含下列四個主要方面：1、納米材料： 當物質到納米尺度以后，大約是在0.1100納米這個范圍空間，物質的性能就會發生突變，出現特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。 納米技術不同于微米技術。后者是利

8、用光刻及腐蝕等技術，從宏觀尺度自上而下地進行材料的制造，集中表現在集成電路的生產等方面。而納米技術則相反，其突出特點是基于自組裝這種自下而上的方式制造納米材料。 第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發法制備超微離子，并通過研究它的性能發現：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約2030納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。納米動力學 主要是微機械和微電機，或總稱為微型電動機械系統（MEMS

9、),用于有傳動機械的微型傳感器和執行器、光纖通訊系統，特種電子設備、醫療和診斷儀器等.用的是一種類似于集成電器設計和制造的新工藝。特點是部件很小，刻蝕的深度往往要求數十至數百微米，而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動機，用于超快速離心機或陀螺儀等。在研究方面還要相應地檢測準原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進入納米尺度，但有很大的潛在科學價值和經濟價值。納米生物學和納米藥物學 如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，dna的精細結構等。有了納米技術，還可用自組裝方法在細胞內放入零件或

10、組件使構成新的材料。新的藥物，即使是微米粒子的細粉，也大約有半數不溶于水；但如粒子為納米尺度（即超微粒子），則可溶于水。納米電子學 包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷,更小,是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。 納米技術是建設者的最后疆界，它的影響將是巨大的。 納米技術是近年來出現的一門高新技術 ，目前已成功用于許多領域，現在主要講下面幾個方面： 1 、納米技術在生物、醫藥學中的應用 醫藥使用納米技術能使藥品生產過程越來越精細，并在納米材料的尺度上直

11、接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便，用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病。 2、納米技術在家用中的應用 家電用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調外殼里的抗菌除味塑料。 3、納米技術在電子計算機和電子工業中的應用 可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產。計算機在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

12、5、納米技術在環境保護中的應用 環境科學領域將出現功能獨特的納米膜。這種膜能夠探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能夠對這些制劑進行過濾，從而消除污染。 6、納米技術在紡織工業領域的應用 在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復配粉體材料，經抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內衣和服裝，可用于制造抗菌內衣、用品，可制得滿足國防工業要求的抗紫外線輻射的功能纖維。 7、納米技術在機械工業中的應用 采用納米材料技術對機械關鍵零部件進行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機械設備的耐磨性、硬度和使用壽命。 目前，納米材料生物安全性評價體系的建立還處在探索階段，對納米材料

13、生物安全性評價還主要集中于對其健康效應的毒理學研究，而針對納米材料的系統人群流行病學研究開展較少。 隨著納米技術的飛速發展，各種納米材料大量涌現，其優良特性及新奇功能使其具有廣泛的應用前景，人們接觸納米材料的機會也隨之迅速增多。對納米材料的生物安全性進行評價成為迫在眉睫的問題。然而，現有的環境與職業衛生接觸標準及安全性評價標準及方法能否直接適用于納米材料還未能確定，納米材料生物安全性評價體系的建立還處在探索階段。目前，對納米材料生物安全性評價還主要集中在對其健康效應的毒理學研究。本文從人群流行病學和實驗室研究兩個方面分析納米材料生物安全性的研究進展。 美國和歐洲的科學家針對大氣污染物中納米顆粒

14、成分進行了一項長達20年的流行病學研究，結果發現：人群發病率和死亡率與他們所處生活環境空氣中大氣顆粒物濃度和顆粒物大小密切相關，死亡率增加是由濃度非常低的相對較小的顆粒物的增加引起的2。世界衛生組織（WHO）2對已有的實驗數據進行分析發現：周圍空氣10 m的顆粒每增加100 g/m3，死亡率增加6%8%，周圍空氣2.5 m的顆粒每增加100 g/m3，死亡率增加12%19%；周圍空氣10 m的顆粒每增加50 g/m3，住院病人增加3%6%，周圍空氣2.5 m的顆粒每增加50 g/m3，住院病人增加25%；周圍空氣10 m的顆粒每增加50 g/m3，哮喘病人病情惡化和使用支氣管擴張器增加8%，咳

15、嗽病人增加12%。 大氣納米顆粒的流行病學研究結果為納米材料的生物安全性評價提供了參考，但是，納米材料特殊的理化性質對其粒徑、組成和在媒介中分布情況的影響是否與人們所熟悉的總懸浮顆粒物（TSP）、PM10和超細顆粒物（UFPs）等具有相似性，目前還沒有科學定論；能否將大氣納米顆粒的流行病學研究結果簡單地外推到納米材料上，也還有待研究證實。 隨著越來越多的納米材料、納米產品進入人們的日常生活，它究竟會對環境及健康引起什么樣的生物效應，我們知之甚少。到目前為止，仍未見專門針對納米材料的系統人群流行病學研究報道，更無納米材料全面的生物安全性評價資料。 近幾年，納米毒理學研究成為納米材料生物安全性評價

16、研究的一個熱點，從傳統對呼吸系統、消化系統和皮膚功能的影響研究擴展到當前流行的生物學終點研究，例如納米材料引發的呼吸道和心血管系統炎癥反應的氧化應激、細胞信號傳導的改變以及炎癥介子的激活和釋放情況；從研究納米材料對生物體局部影響的觀察到對各種納米材料在體內的吸收、分布、代謝和清除，以及生物靶器官相互作用規律的系統研究。納米毒理學的快速發展，為納米材料生物安全性評價體系的建立積累了重要的數據資料，同時，為探索納米材料生物安全性評價方法以及納米材料安全性標準及安全防護提供了科學線索。 納米材料進入機體后，可以向全身組織彌散。WANG等3用放射性125I標記的單壁碳納米管（Single-walled

17、 carbon nanotube，SWCNT）經灌胃、腹腔注射和靜脈等不同途徑給藥后，相對分子質量超過60萬的SWCNT可以像小分子一樣在身體各部分間自由穿梭，迅速分布于小鼠身體各器官組織中（除大腦），這一點與常規物質截然不同。 一般而言，納米材料在體內組織間的彌散主要有以下3種途徑：由呼吸道表面向黏膜下組織彌散：OBERDORSTER等4發現，大鼠暴露于20 nm多聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）4 h 后，PTFE已經進入呼吸道黏膜下及肺泡間質區。LAM5和WARHEIT6也觀察到了SWCNT向動物肺間質組織彌散的情況。通過循環系統彌散：OBERDOR

18、STER等7給大鼠吸入13C顆粒（30 nm），24 h后在肝臟中發現了聚集的13C。穿透血腦屏障：KREUTER等。8發現，靜脈注射聚山梨酯-80包裹的阿霉素納米顆粒，可被大腦毛細血管內皮細胞吞噬后穿透大鼠血腦屏障。OBERDORSTER等。9還發現了另一種進入中樞神經系統的可能通路嗅神經通路。所有這些說明，納米材料進入機體后可以在體內彌散，因此有必要對其毒代動力學進行深入研究。 初步研究結果顯示，不同的納米材料會出現不一樣的毒作用表現；同一種材料納米級和微米級可能出現不同的生物毒性。ZHAO等10發現在生理鹽水溶液中100 nm的磁性納米微粒，僅僅微克量級進入小鼠血管就能很快導致凝血現象以

19、致堵塞血管，導致小鼠死亡。說明這種納米材料進入生物體容易與心血管系統相互作用，可能有導致心血管疾病的潛在危險。進一步研究發現，對這種納米材料表面進行化學修飾，可以極大地改變它的生物效應。研究發現，納米Cu粉對小鼠的脾、腎、胃均能造成嚴重損傷，而相同劑量的微米Cu粉卻未發現損傷。 同樣的情況出現在對二氧化鈦（TiO2）顆粒的研究中，FERIN等11研究發現納米TiO2（平均直徑為20 nm）引起的大鼠肺部炎癥比相同空氣質量濃度的微米級TiO2（平均直徑為250 nm）更為嚴重。 但是，也不是所有的納米材料都如此。比如，研究12發現納米ZnO與通常的微米ZnO都幾乎沒有生物毒性。這些研究結果改變了

20、人們對顆粒毒性問題的認識：即使是無毒或低毒的細顆粒材料，其納米顆粒也可能會變得有毒。因此，此類曾被認為無毒或極低毒物質的納米級顆粒以及其他納米顆粒成了毒理學研究的熱點。2.3.1 在呼吸系統內的沉積國際放射線防護委員會（ICRP）1994年的研究指出13，納米材料可以在人類呼吸道及肺泡中沉積。 粒徑為1 nm的顆粒，90%左右沉積在鼻咽部，其余10%沉積在氣管、支氣管區，肺泡中幾乎不沉積；粒徑為510 nm的成分，沉積在上述3個區域均為20%30%；粒徑為20 nm的成分，有50%左右沉積在肺泡內。這說明納米材料在人呼吸道內的沉積部位與粒徑有關。近來的多項研究也發現納米材料可以在動物的呼吸道各

21、段和肺泡內沉積。雖然被吸入體內的納米材料質量濃度并不高，但由于粒徑極小，數量是極大的，所有這些都為納米材料致肺臟損傷提供了可能。2.3.2 對肺的炎性刺激 AFAQ 等14用支氣管注入法研究超細TiO2（30 nm，用量2 mg）對大鼠的毒性時，發現肺泡巨噬細胞的數量增加，同時細胞內的谷胱甘肽過氧化酶、谷胱甘肽還原酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶、谷胱甘肽硫轉移酶的活性均升高，而且，酶活性升高并沒有阻止脂質過氧化和過氧化氫的生成，這表明受到納米TiO2作用時，盡管細胞啟動自我保護機制誘導了抗氧化酶的生成，卻未能消除其產生的毒副作用。進一步的研究觀察發現納米TiO2引起了支氣管肺泡灌洗液內蛋白質總量乳酸

22、脫氫酶及b-葡萄糖苷酸酶的活性普遍升高，而且比表面積效應曲線與實際的炎癥情況有很好的相關性。 OBERDORSTER等15用粒徑為20 nm和200 nm的TiO2做了大鼠亞慢性吸人實驗，發現20 nm TiO2不僅有很強的生物效應，而且也顯現出不同的毒代動力學表現，使肺在低于顆粒容積負荷的情況下出現清除能力顯著下降，并導致炎癥反應增強的現象。WARHEIT等16研究了SWCNT對大鼠的影響，結果也觀察到了肺損傷和肉芽腫的形成，但是，SWCNT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SWCNT具有新的致肺損

23、傷機制。 2.3.3 致肺巨噬細胞（AM）損傷納米材料可引起暴露動物肺的清除能力下降，并導致明顯的AM損傷17，18。RENWICK19 等發現，小鼠AM在含有納米炭黑（14.3 nm）及納米TiO2（29.0 nm）的培養基中培養8 h后，其吞噬能力受到了明顯的抑制。RENWICK等20用健康志愿者的AM暴露于0.033 g/106的納米碳微粒中發現，AM對SiO2微粒的貼附和吞噬功能都受到了抑制。ZHANG等21發現納米材料可以對AM細胞膜造成損傷。MOELER等22發現了納米材料對AM骨架的影響。 2.3.4 致肺部氧化損傷 納米材料致肺部炎癥和損傷與其小粒徑和大表面積的特性有關，同時也

24、與納米材料刺激機體產生自由基繼而引發氧化損傷有關。DICK等23比較了納米炭黑、納米鈷、納米鎳和納米TiO2，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自由基的緣故。吸收進入消化道黏膜下層組織的納米微?？梢赃M入毛細淋巴管，從而引起淋巴細胞的免疫應答反應，有研究24顯示，Crohns病（節段性回腸炎）與腸道微粒對腸道壁刺激有關。通過黏膜下層進入毛細血管的納米微?？傻竭_全身各組織器官，JANI 等25分別用50、100 nm尺寸的聚苯乙烯微粒按照1.25 mg/kg劑量喂食雌性SD大鼠，10 d后在大鼠體內檢測到34%的50 nm聚苯

25、乙烯微粒和26%的100 nm聚苯乙烯微粒。 SZENTKUTI26對納米材料在消化系統中的毒物動力學研究顯示：納米材料的表面荷電性以及粒徑大小對其進入腸道有重要影響，粒徑越小，腸道對其的吸收速度越快，吸收的數量也越多。 納米材料可以滲透皮膚引起皮膚的炎癥反應。MENZEL等27 用粒徑為45150 nm長、1735 nm寬的納米TiO2覆蓋與人體皮膚最為相似的豬皮，8 h后通過粒子誘發X射線熒光分析（PIXE）觀察納米TiO2在皮膚結構中的分布情況，實驗結果證實納米TiO2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。OBERDORSTER28和 SAUNDERS29也在毛囊角質層

26、和毛乳頭處發現了防曬霜中的超細TiO2 顆粒的沉積。從目前的研究結果顯示：納米材料對皮膚滲透作用的特點主要是：與納米材料粒徑有關，粒徑越小越易滲透進入皮膚；進入真皮的納米材料性質決定了其對皮膚的刺激作用；可以溶解的物質、金屬等的浸提液、納米顆粒較易滲透入皮膚。 納米材料能夠進入細胞并與細胞發生作用，主要是對跨膜過程和細胞分裂、增殖、凋亡等基本生命過程的影響和相關信號傳導通路的調控，從而在細胞水平上產生一定的生物效應。研究12發現，材料的拓撲結構和化學特性是決定細胞與其相互作用的重要因素，某些納米拓撲結構會促進細胞的粘附、鋪展和細胞骨架的形成，但是在某些情況下，納米拓撲結構會對細胞骨架分布和張力

27、纖維的取向產生負面影響。趙宇亮等12發現碳納米管容易進入細胞，并影響細胞結構，在低劑量下可以刺激肺巨噬細胞的吞噬能力，但在高劑量下，則嚴重降低肺巨噬細胞對外源性毒物的吞噬功能。 對納米TiO2的一系列研究結果揭示了納米材料可能的細胞毒作用機制：攻擊細胞膜，使其破裂，使細胞壞死。LIPPMANN等30發現，納米TiO2處理的細胞，可以檢測出大量的鈣離子，說明細胞膜的破裂，鈣離子的滲出。利用納米TiO2超微性進入細胞質，高化學活性又使其具備氧化損傷細胞遺傳物質的能力。WAMER等31的實驗證明，納米TiO2損傷人體纖維原細胞的核酸，將納米TiO2作用后的細胞分離出RNA和DNA，在RNA中可以檢測到8-羥基鳥苷的生成。由于RNA負責遺傳信息從DNA到蛋白質的傳遞，納米TiO2對RNA的損傷間接影響了細胞遺傳信息的表達。抑