納米二氧化鈦的毒性研究與安全性展望

劉曉閏，唐萌

(環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實驗室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210009)

近年來，隨著納米技術(shù)的興起和快速發(fā)展，納米材料越來越廣泛地應(yīng)用于機(jī)械化工、信息技術(shù)、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)等社會生活的各個領(lǐng)域，環(huán)境中天然存在的納米顆粒和人造的納米顆粒污染也越來越多，由圖1［1］可以看出，從原料開采、產(chǎn)品的生產(chǎn)到使用中的磨損和消耗，都會造成納米顆粒在環(huán)境中的釋放，引起職業(yè)人群、普通人群乃至整個生態(tài)系統(tǒng)的暴露。眾所周知，在納米尺度下，由于納米材料尺寸在1～100 nm之間，它具有特有的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，從而呈現(xiàn)出既不同于其分子形式、也不同于其宏觀大塊材料的物理化學(xué)性質(zhì)［2］。這些小尺寸的納米材料與生物體中的細(xì)胞或蛋白質(zhì)分子尺寸相當(dāng)，甚至更小，但它們所產(chǎn)生的化學(xué)和生物效應(yīng)與其化學(xué)成分相同的常規(guī)材料會有很大不同。所以，人們普遍擔(dān)心納米顆粒進(jìn)入生物體后，可表現(xiàn)出特殊的生物學(xué)性質(zhì)，產(chǎn)生某些特殊的毒性［3］。在應(yīng)用納米材料的同時，人們也在更多地關(guān)注納米材料對人類健康和環(huán)境可能產(chǎn)生的影響［4-5］。目前，已經(jīng)有一大批科學(xué)家把納米材料的生物安全性問題研究提上了日程［6］。

納米TiO2由于具有良好的熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性和光學(xué)催化特性等，目前已被大力地開發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用，是目前國內(nèi)產(chǎn)量最高、需求最大、應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的納米材料之一。納米TiO2廣泛用于涂料(48%)、塑料(19%)、樹脂(10%)、造紙(8%)、纖維(3%)、橡膠(2%)、其他(10%)如廢水處理、殺菌［7］、醫(yī)藥［8］、日化、食品、陶瓷、化妝品［9］等與人們的日常生活息息相關(guān)的行業(yè)［10］，納米TiO2的大量生產(chǎn)及其在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得我們不可避免地大量接觸納米TiO2，因此其毒性也得到越來越廣泛的關(guān)注。雖然到目前為止有關(guān)其毒性研究的相關(guān)資料已經(jīng)有很多，但還沒有關(guān)于納米TiO2流行病學(xué)方面的研究，而且大多研究只側(cè)重某一種暴露途徑或?qū)δ硞€特定部位產(chǎn)生的影響，缺乏各種不同暴露途徑的體內(nèi)外毒性研究的對比數(shù)據(jù)，對其生物安全性尚未進(jìn)行較為全面系統(tǒng)的評價。本文分別從體內(nèi)、體外多種暴露途徑對納米TiO2的生物毒性進(jìn)行綜述，為綜合開發(fā)利用納米TiO2提供有價值的參考。

圖1 納米材料潛在的釋放和暴露［1］

1 納米二氧化鈦的表征

納米材料的純度、物理化學(xué)性能、表面性能及其微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)在研究納米材料與生物體的相互作用中有著非常重要的作用。這些特征參數(shù)與材料的組成和性能之間的關(guān)系為預(yù)測材料在生物體內(nèi)的行為及判斷其與生物環(huán)境的相互作用、作用方式提供了依據(jù)。因此，研究納米材料表征對認(rèn)識納米材料的特性、推動納米材料的應(yīng)用有著重要的意義［11］。

1． 1 納米材料的粒度分析

近年來發(fā)展的粒度的分析方法有激光散射法、光子相干光譜法、激光衍射法、電子顯微鏡圖像分析法、基于布朗運(yùn)動的粒度測量法和質(zhì)譜法等。其中激光散射法和光子相干光譜法由于具有測量范圍廣、數(shù)據(jù)可靠、速度快、重現(xiàn)性好、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［12］。

1． 2 納米材料的形貌分析

納米材料常用的形貌分析方法主要有掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy，TEM)、掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscopy，STM)、原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)法。SEM可以提供從數(shù)納米到毫米范圍內(nèi)的形貌圖像。TEM具有很高的空間分辨能力，特別適合粉體材料的分析。STM主要用于一些特殊導(dǎo)電固體樣品的形貌分析，可以達(dá)到原子量級的分辨率，僅適合具有導(dǎo)電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結(jié)構(gòu)分布分析，對納米粉體材料不能分析。AFM可以對納米薄膜進(jìn)行形貌分析，分辨率可以達(dá)到幾十納米，比STM差，但適合導(dǎo)體和非導(dǎo)體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。

1． 3 納米材料的成分分析

納米材料的成分分析方法按照分析目的不同又分為體相元素成分分析、表面成分分析等方法。納米材料的體相元素組成及其雜質(zhì)成分的分析方法包括原子吸收、原子發(fā)射、X射線熒光與衍射分析方法。納米材料的表面分析方法目前最常用的有X射線光電子能譜法(X-ray photelectron spectroscopy，XPS)、俄歇電子能譜法(Auger electron spectroscopy，AES)、電子衍射分析方法和二次離子質(zhì)譜法(secondary ion mass spectroscopy，SIMS)等。

1． 4 納米材料的結(jié)構(gòu)分析

隨著分析儀器和技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料結(jié)構(gòu)研究所能夠采用的實驗儀器越來越多，包括高分辨電子顯微鏡(high-resolution transmission electron microscopy，HRTEM)、掃描探針顯微鏡(scanning probe microscopy，SPM)、STM、AFM、場離子顯微鏡(field ion microscopy，F(xiàn)IM)、X 射線衍射儀(X-ray diffraction，XRD)、擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)測定儀(extended X-ray absorption fine structure，EXAFS)、穆斯堡爾譜儀、拉曼散射儀等?？梢哉J(rèn)為，納米結(jié)構(gòu)的研究方法幾乎已經(jīng)涉及全部物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析測試的儀器。

1． 5 納米材料表面與界面分析

目前，常用的表面和界面分析方法有:X射線光電子能譜法(XPS)、AES、靜態(tài) SIMS和離子散射譜(ISS)。在這些表面與界面分析方法中，XPS的應(yīng)用范圍最廣，可以適合各種材料的分析，尤其適合材料化學(xué)狀態(tài)的分析，更適合涉及到化學(xué)信息領(lǐng)域的研究。

2 納米二氧化鈦的化學(xué)修飾

納米材料的生物學(xué)效應(yīng)受其粒徑、晶型、表面化學(xué)特性(如極性等)、組成及表面反應(yīng)活性等因素的影響［13］(圖2)，如納米材料物質(zhì)表面的親水性質(zhì)及表面修飾將影響其與細(xì)胞膜的作用和細(xì)胞對顆粒物質(zhì)的攝入從而影響其對機(jī)體的生物學(xué)作用。納米生物效應(yīng)的研究結(jié)果給化學(xué)領(lǐng)域提出了新的研究方向——降低乃至消除納米毒性的化學(xué)修飾。對毒性較高的納米分子進(jìn)行化學(xué)修飾，在保持其功能特性的同時消除其毒性，目前，已經(jīng)開始這方面的相關(guān)研究。

TiO2表面修飾分有機(jī)修飾和無機(jī)修飾兩種，有機(jī)修飾包括偶聯(lián)劑法、表面活性劑法和聚合物包覆法等，無機(jī)修飾包括 SiO2、Al2O3、Fe(OH)3、ZnO 包覆和復(fù)合包覆(硅鋁復(fù)合包膜)法等。Warheit等［14］利用Al2O3、SiO2等對納米TiO2顆粒進(jìn)行表面修飾，發(fā)現(xiàn)可以提高顆粒的分散度、減小紫外線對顆粒的損害作用，而且表面修飾會影響TiO2顆粒所致肺毒性，TiO2表面修飾物的濃度也會對毒效應(yīng)產(chǎn)生影響。

吳佐全［15］將納米TiO2薄膜表面修飾聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)人工晶狀體(IOL)植入兔眼，研究其對兔晶狀體后囊膜混濁抑制作用的有效性，發(fā)現(xiàn)TiO2薄膜表面修飾的PMMA IOL能減少術(shù)后前房滲出等炎癥反應(yīng)，且減輕后囊膜混濁的程度，對后發(fā)性白內(nèi)障起到防治作用，無眼內(nèi)毒性且對眼內(nèi)組織無損傷。因此，對納米TiO2的有效修飾可以在降低其毒性的同時發(fā)揮它特有的作用。

圖2 納米材料與生物體的可能作用機(jī)制［13］

3 納米二氧化鈦的毒性研究

3． 1 納米二氧化鈦的體內(nèi)毒性研究

納米材料可通過多種方式進(jìn)入人體［16］(圖3)，TiO2納米材料主要通過呼吸道、消化道、皮膚和注射等方式進(jìn)入人體，從而對機(jī)體的組織器官發(fā)生作用。因此，本研究選取了四種典型的暴露途徑進(jìn)行納米TiO2的體內(nèi)毒性研究。

圖3 納米物質(zhì)進(jìn)入人體的主要途徑［16］

3．1．1 吸入暴露途徑 納米TiO2粒子粒徑極小，可通過簡單擴(kuò)散或滲透等形式經(jīng)過肺泡和皮膚進(jìn)入體內(nèi)。Oberdorster等［17］用粒徑為20和200 nm 的 TiO2顆粒進(jìn)行了為期12周的大鼠亞慢性吸入實驗，發(fā)現(xiàn)兩組大鼠的下呼吸道均出現(xiàn)TiO2顆粒沉積，20 nm組TiO2顆粒在肺部滯留時間較長，肺泡Ⅱ型細(xì)胞增生并出現(xiàn)間質(zhì)纖維化病灶，且肺泡巨噬細(xì)胞清除能力顯著低于200 nm組。另外，20 nm組向肺間質(zhì)組織和周圍淋巴結(jié)侵襲的程度也顯著高于200 nm組。這些都顯示20 nm TiO2顆粒不僅有很強(qiáng)的生物效應(yīng)而且也顯現(xiàn)出不同的動力學(xué)曲線，能使肺在低于顆粒容積負(fù)荷的情況下出現(xiàn)清除能力下降，并導(dǎo)致炎癥反應(yīng)增強(qiáng)。Chen等［18］在發(fā)現(xiàn)肺部炎癥的同時，還觀察到小鼠肺部氣腫的發(fā)生，Borm等［19］的研究也發(fā)現(xiàn)，灌注0.1 mg的納米TiO2能引起小鼠嚴(yán)重的肺部炎癥反應(yīng)。

Bermudez等［20］將大鼠、小鼠和地鼠暴露于超細(xì)TiO2(21 nm)顆粒中進(jìn)行90 d吸入實驗，在暴露剛結(jié)束時三種動物肺中的納米TiO2顆粒含量最多，且隨著劑量增加而增加，暴露后隨著時間的延長肺中納米TiO2顆粒含量逐漸下降，在恢復(fù)期結(jié)束時，發(fā)現(xiàn)高劑量組在大鼠、小鼠和地鼠肺內(nèi)的沉積率分別為57%、45%和3%，中、低劑量組在小鼠和地鼠中沒有沉積現(xiàn)象，在大鼠肺內(nèi)的沉積率分別為25% 和10%。Crassian 等［21］將 C57B1/6 小鼠暴露于納米 TiO2(4 h·d－1，10 d)，發(fā)現(xiàn)小鼠肺部產(chǎn)生病理性變化，肺毒性的產(chǎn)生與納米顆粒的表面積、大小以及團(tuán)聚性有關(guān)［22］。

范軼歐等［23］比較研究了吸入納米級［(15±5)nm］和微米級［(3±1)μm］TiO2對雄性大鼠精子及其功能的影響。觀察到nm-TiO2致大鼠精子數(shù)量下降、LDH-C4活力下降和8-OHdG水平增加程度顯著高于同劑量μm-TiO2組(P＜0.05);結(jié)果表明nm-TiO2和μm-TiO2對雄性大鼠生精功能影響存在較大差異，nm-TiO2致生殖損傷能力高于同劑量水平的 μm-TiO2。Zhu等［24］的研究也發(fā)現(xiàn)水蚤暴露于納米TiO2(21 nm，50 g·m－2)環(huán)境中21 d后，出現(xiàn)發(fā)育遲緩和生殖障礙。

Wang等［25］進(jìn)行了納米TiO2氣管注入染毒大鼠血漿代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)肝臟、腎臟和心臟是納米TiO2氣管注入染毒的潛在靶器官，其損傷可能與能量代謝紊亂有關(guān)，乳酸、丙胺酸、丙酮酸、葡萄糖、檸檬酸、膽堿、肌酸是機(jī)體損傷的生物標(biāo)志物，核磁共振譜與模式識別技術(shù)結(jié)合的代謝組學(xué)技術(shù)能揭示氣管注入納米TiO2后大鼠血漿的代謝變化。張婷等［26］探討了雄性大鼠吸入納米TiO2對其肝臟和肺臟的氧化損傷。發(fā)現(xiàn)納米TiO2致氧化損傷作用在肝、肺組織有不同表現(xiàn)，使肝臟清除氧自由基的能力減弱，使大鼠肺組織內(nèi)脂質(zhì)過氧化作用增強(qiáng)，并且使肺組織出現(xiàn)了早期纖維化的表現(xiàn)。

3．1．2 經(jīng)口暴露途徑 人體吸入納米顆粒有好幾種不同的途徑，對于大多數(shù)人來說經(jīng)口攝入也是一個潛在的暴露途徑。Wang等［27］將25、80和155 nm TiO2顆粒以5 g·kg－1劑量對小鼠進(jìn)行口服給藥兩周后發(fā)現(xiàn)25和80 nm TiO2顆粒組雌性小鼠的肝臟系數(shù)明顯高于對照組，組織病理學(xué)檢查觀察到明顯的肝損傷(圍繞中央靜脈的水樣變性和肝細(xì)胞點(diǎn)狀壞死)，與對照組相比25和80 nm TiO2組血清中LDH和alpha-HBDH的變化顯示心肌有損害。除此之外，實驗組還觀察到腎毒性像血尿素氮水平增加和腎臟病理學(xué)變化，說明納米TiO2對腎臟有毒性，在心臟、肺、卵巢和脾臟中并未觀察到異常的病理學(xué)變化。

3．1．3 皮膚暴露途徑 目前TiO2被廣泛應(yīng)用于各類防曬化妝品中，其是否能經(jīng)皮膚滲透進(jìn)入人體內(nèi)部已引起了人們的廣泛關(guān)注。關(guān)于納米TiO2的皮膚滲透可能性研究者們已經(jīng)進(jìn)行了若干研究，Lademann等［28］曾報道在毛囊角質(zhì)層和毛乳頭處發(fā)現(xiàn)了防曬霜中的超細(xì)TiO2顆粒的存在，但是這不足以說明TiO2顆粒能穿透活皮膚組織。

一些實驗研究則發(fā)現(xiàn)TiO2顆粒(20～200 nm)可沉積于人皮膚角質(zhì)層的最外層，角質(zhì)層的深面、真皮層及皮下組織并未檢測到其存在［29-30］，相似的實驗結(jié)果在豬皮上也得到了驗證［31］，說明納米TiO2無法通過皮膚的屏障進(jìn)入機(jī)體。但也有少數(shù)研究認(rèn)為納米TiO2可滲入皮膚深層，Bennat等［32］將油狀和水狀的TiO2用于評價其皮膚滲透性，研究結(jié)果表明油狀的TiO2較水狀的TiO2皮膚滲透現(xiàn)象顯著。Menzel等［33］利用與人體皮膚最為相似的豬背部皮膚做納米TiO2的皮膚滲透性實驗，通過粒子誘發(fā)X射線熒光分析技術(shù)(PIXE)、盧瑟福背散射(RBS)技術(shù)觀察納米TiO2在皮膚中的分布情況，發(fā)現(xiàn)涂抹8 h后，粒徑為45～150 nm長、17～35 nm寬的納米TiO2可以穿過皮膚的角質(zhì)層進(jìn)入到表皮下的顆粒層。并且通過掃描透射顯微鏡(STIM)和二次電子成像(SEI)技術(shù)觀察到TiO2納米顆粒是通過皮膚角質(zhì)層的細(xì)胞間隙進(jìn)入皮下的顆粒層。

Brand等［34］以大鼠皮膚為模型研究了含TiO2納米材料的防曬劑在皮膚涂抹和酒精飲用對除草劑2，4-二氯苯氧乙酸經(jīng)皮膚吸收的影響，發(fā)現(xiàn)含TiO2納米材料的防曬劑和酒精單獨(dú)使用，均可提高2，4-二氯苯氧乙酸經(jīng)皮膚吸收的量，而當(dāng)酒精和TiO2納米材料一起使用時，皮膚會產(chǎn)生賓主共生吸收效應(yīng)。換言之，在攝取酒精之后，再使用含有TiO2納米材料的防曬劑會進(jìn)一步增加皮膚的通透性。

納米TiO2是否可經(jīng)皮滲透對人體產(chǎn)生毒性影響還不是很確定，因此專家們認(rèn)為關(guān)于皮膚滲透需要加強(qiáng)如下幾方面的研究:納米TiO2對皮膚細(xì)胞的毒性作用機(jī)制，長期暴露于納米TiO2后對皮膚的蓄積毒性，納米TiO2在體內(nèi)是否會代謝成更小的粒子而增加其潛在的毒性等［35］。納米TiO2在人體皮膚表面的滲透方式見圖4［36］。

圖4 TiO2納米材料在人體皮膚表層的滲透示意圖［36］

3．1．4 腹腔注射暴露途徑 腹腔注射是一種常用的給藥方法，它操作方便，任何動物不論大小都可以腹腔注射。腹膜面積大，密布血管和淋巴管，吸收能力特強(qiáng)，每小時可吸收占動物體重3% ～8%的液體。Chen等［37］給小鼠注射不同劑量的納米 TiO2(0、324、648、972、1 296、1 944、2 592 mg·kg－1)，觀察不同時間點(diǎn)(24 h、48 h、7 d和14 d)對血清生化指標(biāo)的影響，觀察發(fā)現(xiàn)試驗組表現(xiàn)出相應(yīng)的急性毒性如無精打采、厭食、抽搐和嗜睡等癥狀，血清生化試驗發(fā)現(xiàn)天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶和丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶活性上升，組織病理學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)納米TiO2在肝臟、腎臟和肺中都有沉積，而在脾臟中的含量最高，對脾臟的損傷最嚴(yán)重，同時也引起肝細(xì)胞壞疽凋亡和肝纖維化、腎小球腫脹等，表明對肝臟和腎臟也產(chǎn)生毒性。Olmedo等［38］給大鼠腹腔注射TiO2懸液(1.60 g TiO2每100 g體重)，18個月后將受試鼠處死，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiO2在軟組織中均有分布，但未引起組織損傷。

劉青等［39］給小鼠一次性腹腔注射不同劑量的納米TiO2顆粒溶液，14 d后觀察到給予納米TiO2后，小鼠肺及臟腑組織中的抗氧化酶SOD、CAT和GPX的活性及MDA濃度都呈現(xiàn)出一定的變化，肝臟中的GPT、GOT活性顯著增高。結(jié)果表明納米TiO2顆粒對肝臟有一定程度的損害作用，并能造成肺、腦組織的氧化防御體系失衡，造成抗氧化酶活性失調(diào)，氧化損傷程度則因組織器官的不同而有差異。

3． 2 納米二氧化鈦的細(xì)胞毒性研究

由于納米TiO2的尺寸極小，使得它可以輕易地穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。納米TiO2的高化學(xué)活性，又使其可以對細(xì)胞產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響到細(xì)胞的生長、增殖及凋亡等。

3．2．1 納米二氧化鈦跨膜 細(xì)胞膜是細(xì)胞與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的通透性屏障，納米TiO2對細(xì)胞的損傷首先體現(xiàn)在它對細(xì)胞膜的破壞，細(xì)胞膜是納米TiO2對細(xì)胞攻擊的第一個目標(biāo)。Long等［40］采用TEM觀察發(fā)現(xiàn)納米TiO2能夠穿過神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞(BV2)的細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，聚集在線粒體中。研究者 Lu等［41］借助AFM發(fā)現(xiàn)近紫外光照射時，用TiO2薄膜培養(yǎng)的大腸桿菌細(xì)胞壁首先降解，接著出現(xiàn)細(xì)胞膜損傷和細(xì)胞的通透性受到破壞，引起細(xì)胞內(nèi)容物外流，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。Sunada等［42］研究發(fā)現(xiàn)TiO2能降解E．coli內(nèi)毒素，內(nèi)毒素存在于細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，內(nèi)毒素降解和細(xì)菌崩解死亡的相關(guān)性說明TiO2對細(xì)菌細(xì)胞的外膜有一定的催化氧化作用。Maness等［43］的研究認(rèn)為TiO2表面產(chǎn)生的活性氧，如羥基自由基、超氧陰離子和過氧化氫，能夠介導(dǎo)細(xì)胞膜的脂質(zhì)過氧化過程，隨即使細(xì)胞膜發(fā)生降解，之后TiO2顆粒則順利進(jìn)入胞內(nèi)并對細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生光催化氧化作用。雖然目前已證實納米TiO2能夠穿過細(xì)胞膜進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)部，但對其跨膜機(jī)制還不是很清楚。

3．2．2 抑制細(xì)胞生長 納米TiO2可以抑制細(xì)胞生長，Amezaga-Madrid等［44］以假單胞菌屬為對象，在納米TiO2存在條件下，紫外線照射40 min后用透射電子顯微鏡(TEM)和X射線衍射儀(XRD)觀測，發(fā)現(xiàn)納米TiO2對細(xì)胞生長的抑制率達(dá)到60% ～72%。熊先立等［45］用47 nm粒徑的TiO2培養(yǎng)人肝癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期G1期細(xì)胞數(shù)顯著增加，S期數(shù)量開始減少，表明納米TiO2可將細(xì)胞周期阻滯在G1期，使其不能進(jìn)入S期，從而導(dǎo)致細(xì)胞生長抑制。

朱融融等［46］以人腎上皮細(xì)胞293T和中國倉鼠卵巢腫瘤細(xì)胞CHO為研究對象，通過MTT法酶標(biāo)儀檢測、倒置顯微鏡觀察和DNA ladder實驗等方法，研究了銳鈦型TiO2對它們的選擇性凋亡誘導(dǎo)作用。實驗結(jié)果表明，納米TiO2對腫瘤細(xì)胞具有非常顯著的毒性作用，可侵入細(xì)胞內(nèi)部，誘導(dǎo)CHO細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞凋亡;而對293T細(xì)胞雖然會抑制其增殖，但不能夠進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)，沒有產(chǎn)生細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。

3．2．3 損傷DNA 納米TiO2具有遺傳毒性，可以影響細(xì)胞遺傳物質(zhì)DNA的表達(dá)。Nakagawa等［47］的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用波長小于400 nm的紫外線照射納米TiO2時，會產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的自由基攻擊DNA鏈上的鳥嘌呤堿基，納米TiO2(21 nm)在有光照條件下會對小鼠淋巴瘤細(xì)胞的DNA產(chǎn)生損傷，在無光照條件下則對DNA無損傷。Hirakawa等［48］的實驗也證實了納米TiO2引起的DNA斷鏈大多發(fā)生在鳥嘌呤殘基上。Wamera等［49］研究也發(fā)現(xiàn)用320～400 nm的紫外線照射含有 TiO2的小牛胸腺 DNA，經(jīng)高效液相色譜(HPLC)分析發(fā)現(xiàn)有8-OHdG生成，說明DNA發(fā)生了氧化損傷。

3．2．4 引起細(xì)胞凋亡 納米TiO2可以引發(fā)細(xì)胞的凋亡和壞死。Rahman等［50］發(fā)現(xiàn)20 nm的TiO2超細(xì)顆粒處理過的細(xì)胞，其微核數(shù)目顯著升高，引起細(xì)胞凋亡。Gurr等［51］研究證實，納米 TiO2(10 ～20 nm)在缺乏光照的情況下，也可以引起人類的支氣管上皮細(xì)胞系(BEAS-2B)的DNA氧化損傷、脂質(zhì)過氧化、微核效應(yīng)，并導(dǎo)致過氧化氫和氧化亞氮的出現(xiàn)，進(jìn)而對細(xì)胞產(chǎn)生影響。Wang等［52］研究發(fā)現(xiàn)納米TiO2顆粒對離體人體淋巴細(xì)胞有顯著的細(xì)胞毒性。

4 納米二氧化鈦的安全性展望

本文得出的主要結(jié)論是:(1)納米TiO2粒徑尺寸越小，越容易進(jìn)入細(xì)胞，對細(xì)胞的毒性越大，顆粒數(shù)目超出一定的范圍也能引起毒性。(2)納米TiO2經(jīng)不同的暴露途徑作用于生物體對機(jī)體的影響不同，毒作用的主要器官及損傷程度存在較大差異。(3)納米TiO2在較低濃度范圍內(nèi)體內(nèi)體外毒性均較低。因此，將納米TiO2顆粒應(yīng)用于體內(nèi)時，應(yīng)將其控制在有效濃度范圍內(nèi)使用。(4)納米TiO2的體內(nèi)毒性研究結(jié)果與體外細(xì)胞毒性研究結(jié)果不太一致，因此體外的研究結(jié)果不能完全代表其體內(nèi)毒性。

納米TiO2由于具有超微性 (ultrafine property)、高效光催化活性 (highly efficient photocatalysis)及紫外吸收性(UV absorbance)等諸多特性，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。雖然到目前為止還未出現(xiàn)納米TiO2對人體產(chǎn)生毒效應(yīng)的報道，但納米TiO2的毒理安全性問題已引起世界各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者們的廣泛關(guān)注［53-54］。未來對納米TiO2的研究，應(yīng)主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)納米TiO2的尺寸和結(jié)構(gòu)與其毒性之間的關(guān)系，改變納米TiO2表面的電荷性質(zhì)、親水/疏水性、粒徑、表面修飾等，相同的納米TiO2可能會表現(xiàn)出不同的毒性，甚至可消除其毒性。所以應(yīng)致力于通過一定的化學(xué)修飾或物理處理來降低和消除納米TiO2對生物體的負(fù)面生物效應(yīng)，同時保持其有益的納米特性。(2)納米TiO2目前的研究多集中在整體水平和細(xì)胞水平上，而分子和基因水平上關(guān)于納米TiO2與生物分子的相互作用及其對生物分子結(jié)構(gòu)和功能影響的研究還很少，應(yīng)加強(qiáng)分子和基因水平上納米TiO2毒性效應(yīng)的研究。(3)納米TiO2對環(huán)境［55］的影響:對納米TiO2進(jìn)行生態(tài)毒理學(xué)(包括魚類、水藻、植物等)研究，包括納米物質(zhì)在大氣、水、土壤中的轉(zhuǎn)移、遷移及相互作用，處理和消除的方法等。(4)制定納米TiO2安全性評估方法和評估標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)其安全生產(chǎn)和合理使用。相對統(tǒng)一的納米TiO2安全標(biāo)準(zhǔn)的制定與實施，將為相關(guān)納米TiO2技術(shù)設(shè)備、產(chǎn)品的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及銷售提供科學(xué)的保障。(5)納米TiO2毒性作用機(jī)制目前仍不清楚［56］，因此納米TiO2材料的毒性效應(yīng)機(jī)制仍是今后研究的重點(diǎn)。建立納米TiO2的健康安全暴露評價體系，包括暴露途徑和安全暴露劑量等。(6)構(gòu)建預(yù)測納米TiO2潛在影響的理論模型。應(yīng)建立有效的表征納米TiO2在環(huán)境中釋放、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)化、累積、吸收過程的數(shù)據(jù)模型。此模型能正確揭示生物體內(nèi)納米TiO2的劑量、運(yùn)輸、清除、累積、轉(zhuǎn)化與反應(yīng)行為，并與其物理、化學(xué)特性有機(jī)的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)納米TiO2的安全設(shè)計，發(fā)揮納米TiO2的潛能，提供抑制納米TiO2風(fēng)險的有效途徑以及實現(xiàn)對納米TiO2安全處置的機(jī)制［57］。

目前，世界各國都已經(jīng)開始了納米TiO2毒性和安全性等方面的相關(guān)研究工作，但國內(nèi)對納米TiO2這方面的研究還比較薄弱，還只限于動物體內(nèi)或體外等方面的研究，對于納米TiO2宏觀層面以及更深層次的生物效應(yīng)機(jī)制的研究，目前的報道還較少，這些都值得我們深入探討。開展這方面的研究關(guān)系到人類的生存健康，需要科研工作者的共同努力，它充滿了科學(xué)創(chuàng)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

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