納米材料的生物效應(yīng)

李福林，寧月輝，王佳祥

（黑龍江省質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，黑龍江 哈爾濱 150001）

納米技術(shù)（Nanotechnology）[1]是指在納米尺度上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。納米科技已在生物、醫(yī)學(xué)、電子、化工、航天航空等諸多方面取得進展，也是物理、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及信息科學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)地。諾貝爾獎獲得者H.Rohrer說過：“70年代重視微米研究的國家如今都成為發(fā)達國家，未來將屬于那些明智地接受納米技術(shù)，并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家”[1]。

1 納米材料及其安全性

1.1 納米材料介紹

廣義的納米材料是指3維尺寸中至少有1維處于納米尺寸，即1～100nm的范圍。納米材料大致可分為納米粉末（零維）、納米纖維（1維）、納米膜（2維）、納米塊體（3維）、納米復(fù)合材料等[2]。

納米粒子由于其尺度在1nm到100nm之間范圍內(nèi)，正處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動空間為代表的宏觀世界中間地帶，物理化學(xué)性質(zhì)不同于微觀原子、分子，也不同于宏觀物體，特殊類型結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它具有體積效應(yīng)，表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，而納米材料具有特殊的性能等[3]。

1.2 納米安全性問題的提出

納米科技預(yù)計也將給人類生活帶來巨大的變化，因而成為發(fā)展最快的研究和技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域之一。人們在逐漸認(rèn)識納米科學(xué)技術(shù)的優(yōu)點和其潛在的巨大市場的同時，一個新的科學(xué)問題及社會問題——納米效應(yīng)與安全性，引起人們廣泛關(guān)注。

首先，2003年的美國化學(xué)會年會上報告了納米顆粒對生物可能的危害。2003年4月Science[4]、7月Nature[5]相繼發(fā)表編者文章，開始討論納米尺度物質(zhì)的生物效應(yīng)以及對環(huán)境和健康的影響問題。

2004年3月在布魯塞爾舉行的有17位專家組成的歐盟納米科技風(fēng)險會議則標(biāo)志納米科技的風(fēng)險與危害已經(jīng)引起了科技界的關(guān)注[6]。2004年4月，中國科學(xué)院副院長白春禮院士對高能所提出的《關(guān)于加強納米物質(zhì)生物環(huán)境毒理學(xué)（安全性）研究的報告》做了重要書面批示：“納米物質(zhì)生物環(huán)境毒理學(xué)，或納米物質(zhì)的安全性問題必須十分重視。”

2005年5月，歐盟出資支持成立歐洲理論光譜中心旨在推動整個歐洲大陸在納米技術(shù)領(lǐng)域的合作，尤其是在納米制藥領(lǐng)域，加強納米藥物安全性的研究。9月，第二屆歐洲納米論壇和展覽中聚焦于“納米技術(shù)和2020年歐盟公民的健康”。

1.3 接觸納米材料的可能性

人們在工作和生活中接觸到納米材料的機會越來越多。圖1描述了納米材料在自然界中存在的可能傳播途徑[7]。由圖1可知納米材料不僅通過接觸直接進入人體而且還可能以多種方式在環(huán)境中傳播進入大氣水或土壤，或通過環(huán)境、食物鏈進入人體，或通過其它生物（如細(xì)菌和原生生物）可能通過細(xì)胞膜吸收納米顆粒，從而使其進入食物鏈，最后進入人體?？傊藗冊谌粘Ｉ钪薪佑|納米材料可以有3條途徑：呼吸系統(tǒng)，皮膚或其他方式（如食用，注射等），納米材料能過上述途徑進入人體后，在人體組織內(nèi)將會引起發(fā)炎、病變等癥狀。

圖1 納米材料在現(xiàn)在和未來的使用中可能存在的傳播途徑Fig.1 Route of transmission in current and future use for nano materials

1.4 人們的憂慮

由于納米物質(zhì)可能對人體以及生存環(huán)境造成污染，影響人類健康，納米技術(shù)的生物安全性受到人們的關(guān)注。因此，當(dāng)納米顆粒侵入人體時，有可能越過甚至破壞人體的正常防御機制。納米微粒與以前接觸到的微粒很大的差異，有較高的表面活性，易透過血腦屏障、皮膚進入體內(nèi)，通過血液循環(huán)到達人體其他器官和部位，更易于轉(zhuǎn)移。動物體內(nèi)試驗也表明，吸入顆粒產(chǎn)生的毒性大小與吸入顆粒的總表面積大小成正比。同時生物細(xì)胞的大小通常在幾個到幾十個微米數(shù)量級，相對之下納米材料的體積要比細(xì)胞小得多[8]（圖2），因此，納米材料容易進入生物體并發(fā)生相互作用。而目前納米科學(xué)的基礎(chǔ)研究和納米產(chǎn)品的開發(fā)的研究力度遠遠大于對科技本身潛在風(fēng)險研究的力度，有文章報道當(dāng)TiO2的顆粒尺寸大于40 nm時皮膚對TiO2的吸收是可以忽略的[9,10]但也有文章報道在日光中紫外光線的照射下，由于納米級尺寸的TiO2粒具有較強的光催化作用，使得防曬品中的有機成分發(fā)生降解產(chǎn)生毒害皮膚的物質(zhì)[11-13]，在這種情況下納米材料對生物體的負(fù)面效應(yīng)是通過間接的途徑起作用。這些產(chǎn)品沒有經(jīng)過嚴(yán)格的人體無害研究之前馬上投放市場是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

圖2 納米粒子與老鼠巨噬細(xì)胞尺寸對比，而人的巨噬細(xì)胞尺寸是老鼠巨噬細(xì)胞的二倍多Fig.2 Comparison of nano particle and macrophage of mice,macrophage of human is twice larger than mice

2 納米生物安全研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

目前，對納米材料毒理學(xué)的研究尚處于起步階段，但正如化學(xué)家Vicki Colvin所強調(diào)的那樣：“當(dāng)這一領(lǐng)域尚處于早期階段，并且人類受納米材料的影響比較有限時，一定要對納米材料的生物毒性給予關(guān)注。我們必須現(xiàn)在，而不是在納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用之后，才來面對這個問題?！蹦壳盀橹?，僅對納米TiO2、SiO2、碳納米管、富勒烯和納米鐵粉等少數(shù)幾個納米物質(zhì)的生物效應(yīng)進行了初步的研究，因而應(yīng)進行大量的動物實驗，積累大量的實驗數(shù)據(jù)，分析歸納、發(fā)現(xiàn)和揭示納米生物效應(yīng)的一般規(guī)律性，并建立相應(yīng)的理論預(yù)測體系。

2.1 國外納米材料安全性研究情況

2.1.1 碳納米管 單壁碳納米管肺部毒性研究方面，美國宇航局太空中心的Chiu Wing Lam等人[14]等研究表明，如果碳納米管到達肺部，將比碳黑和石英更具毒性，長期吸入碳納米管對健康極其不利。美國杜邦公司的David B.Warheit等人[15]做出了相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)石英（粉）具有最強的毒性，并且造成最嚴(yán)重的肺部感染，而碳納米管只造成短暫的毒性并且介于羰基鐵和石英（粉）之間。對中期實驗結(jié)果的分析表明碳納米管不像石英那樣會帶來持續(xù)的肺部炎癥。

2.1.2 富勒烯 Foley等[16]發(fā)現(xiàn)富勒烯的衍生物C61（COOH）2能夠穿透細(xì)胞膜與線粒體結(jié)合，由于細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基來自線粒體內(nèi)電子傳遞鏈，富勒烯清除細(xì)胞內(nèi)自由基可能與這種結(jié)合有關(guān)。

Kamat等[17]C60和C60（OH）18都可以損傷肝臟細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的微粒體膜，而C60和C60（OH）18的光敏感性可以引發(fā)脂質(zhì)過氧化，這一過程對于正常細(xì)胞是有害的，對于腫瘤細(xì)胞也同樣有害。

2.1.3 納米TiO2顆粒的毒性研究 納米TiO2由于其應(yīng)用廣泛，產(chǎn)量較高，對其毒性研究也較多。表1總結(jié)了現(xiàn)有的研究結(jié)果[18]。在體內(nèi)和體外的實驗研究中，納米尺度的TiO2顆粒均比微米尺度的TiO2顆粒對肺部的損傷程度大，這與納米顆粒小的粒徑和大的比表面積有直接關(guān)系。方法包括：用支氣管吸入法或支氣管注入法將TiO2顆粒導(dǎo)入動物體內(nèi)。吸入法更接近人類真實的暴露情況。研究結(jié)果來看，即使是無毒（TiO2）或低毒的材料，其納米顆?？赡軙兊糜卸尽＜{米TiO2有很大比表面積，表面原子數(shù)，表面能和表面張力隨著粒徑下降急劇增加，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)等導(dǎo)致納米微粒不同于常規(guī)粒子，目前根據(jù)研究結(jié)果，納米TiO2的3大特性，即超微性，紫外吸收性，以及高效光催化活性與其生物效應(yīng)有比較密切的關(guān)系，而TiO2制造商所生產(chǎn)品尺寸僅僅在10nm左右，粒徑如此之小的納米粒子，既是宏觀狀態(tài)時脂/水分配系數(shù)小，也完全有可能通過簡單擴散或滲透形式通過皮膚進入體內(nèi)，對人體可能造成損傷。

表1 納米TiO2的生物效應(yīng)研究結(jié)果Tab.1 Study results of biological effect of nano TiO2

2.1.4 日常生活中接觸的納米粒子 2006年4月，愛丁堡大學(xué)科研人員在模擬汽車尾氣以及涂料、防曬霜、食品、化妝品和服裝等日用品中應(yīng)用的納米粒子，對人類肺部影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，納米粒子會通過肺部隔膜進入肺部，并且進入血液中去，而血液中的粒子最終會進入肺部和其它器官中。因此，汽車尾氣排放到空氣中的納米粒子進入人體的肺部，可能將對人體肺細(xì)胞健康造成影響。

2.2 國內(nèi)納米材料安全性研究情況

2001年11月，中國科學(xué)院高能物理研究所就提出了“開展納米生物效應(yīng)、毒性與安全性研究”的建議，該建議引起了高度重視和支持。于2004年正式成立了我國第一個“納米效應(yīng)實驗室”，系統(tǒng)開展納米生物效應(yīng)的研究，已取得了一批研究成果。

2.2.1 碳納米管 北京大學(xué)劉元方的研究小組將一種水溶性的納米碳管（直徑約1.4 nm，長約400 nm）導(dǎo)入小鼠體內(nèi)，用放射性125I標(biāo)記的SWNT經(jīng)灌胃、腹腔注射和靜脈等不同途徑給藥后，均可迅速分布于小鼠身體各器官組織中（除大腦），并且可以在骨骼、腎臟和胃中穩(wěn)定沉積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表觀分子量高達60萬的這種羥基化的水溶性納米碳管可以在小鼠的不同器官之間自由穿梭，通過尿液排泄，而60萬分子量的常規(guī)物質(zhì)是不可能出現(xiàn)如此奇特的現(xiàn)象的，以現(xiàn)有的生物學(xué)和生理學(xué)的知識無法解釋這種現(xiàn)象。北京大學(xué)最近比較了114nm直徑的SWNT、10～20 nm直徑的多壁碳納米管和0.7nm直徑C60對豚鼠AM的毒性[26]。其細(xì)胞毒性順序為：SWNT＞MWNT10＞SiO2＞C60，說明同等質(zhì)量濃度的SWNT和MWNT10比SiO2的細(xì)胞毒性要大。這3種碳納米材料是碳的同素異形體，只是空間構(gòu)形不同，因此，今后對不同尺寸的納米材料，即使同素異形體也需要分別進行其生物學(xué)活性的研究。

2.2.2 磁性納米材料 中國科學(xué)院高能物理研究所的納米材料生物效應(yīng)實驗室與中國科學(xué)院武漢物理數(shù)學(xué)研究所合作，研究發(fā)現(xiàn)在生理鹽水溶液中尺寸小于只有約20nm的磁性納米顆粒，在進入動物體內(nèi)很快就導(dǎo)致凝血現(xiàn)象，聚集形成小鼠血管大小的顆粒，堵塞小鼠血管。這暗示這種納米顆粒進入人體可能會導(dǎo)致心血管疾病。

3 研究的意義

任何一項新的技術(shù)，都會帶有“雙刃劍”的兩面性，納米科學(xué)技術(shù)可能也不例外。因此，在發(fā)展納米技術(shù)的同時，同步開展其安全性的研究，使納米技術(shù)有可能成為第一個在其可能產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)之前就已經(jīng)過認(rèn)真研究、引起廣泛重視、并最終能安全造福人類的新技術(shù)。

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