納米材料對(duì)健康的影響

沈臻霖

職業(yè)安全健康北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

納米材料是指物質(zhì)結(jié)構(gòu)在三維空間中至少有一維處于納米尺度（1nm～100nm，1nm=10-9m）或由具有納米尺度結(jié)構(gòu)特征的物質(zhì)單元（包括穩(wěn)定的團(tuán)簇或人造原子團(tuán)簇、納米晶、納米顆粒、納米管、納米棒、納米線、納米單層膜及納米孔等）構(gòu)成的且具有特殊性質(zhì)的材料。納米顆粒由于粒徑小、比表面積大等獨(dú)特性質(zhì)，使該類材料往往表現(xiàn)出與常規(guī)尺寸材料不同的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等性質(zhì)（GB/T 19619-2004，納米材料術(shù)語）。然而，隨著各種各樣的納米材料的出現(xiàn)，其可能存在的健康危害也越來越引起人們的關(guān)注。

納米尺度顆粒物的物理和化學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生很大變化，并有可能自由穿過細(xì)胞膜，進(jìn)入生物體內(nèi)。大量研究文獻(xiàn)表明，納米材料的潛在風(fēng)險(xiǎn)是確實(shí)存在的，需要密切關(guān)注，但在效應(yīng)實(shí)證、方法規(guī)范、控制體制等諸多方面都處于初期階段，趕不上納米技術(shù)生產(chǎn)和應(yīng)用本身的迅速進(jìn)展。

納米粒子在進(jìn)入生命體后，它們與生命體相互作用所產(chǎn)生的化學(xué)特性和生物活性，與化學(xué)成分相同的常規(guī)物質(zhì)有很大不同。前期研究表明，一些人造納米顆粒在很小劑量下容易引起靶器官炎癥；容易導(dǎo)致大腦損傷；容易使機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激；容易進(jìn)入細(xì)胞甚至細(xì)胞核內(nèi)；表面吸附力很強(qiáng)，容易把其他物質(zhì)帶入細(xì)胞內(nèi)；有隨納米尺寸減小生物毒性增大的趨勢；表面的輕微改變導(dǎo)致生物效應(yīng)發(fā)生巨變等。目前研究相對(duì)較多的是納米材料對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)的影響。

1 納米材料對(duì)呼吸系統(tǒng)的不良影響

（1）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。

納米材料進(jìn)入生物體后往往表現(xiàn)出獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)，如比微米材料更為嚴(yán)重的肺部炎癥、DNA損傷等。以往一直認(rèn)為二氧化鈦是低毒粉塵，在許多粉塵的毒理學(xué)研究中，TiO2往往被用作無毒的對(duì)照粉塵。但是研究發(fā)現(xiàn)，納米二氧化鈦比相同空氣質(zhì)量濃度的微米二氧化鈦引起大鼠更為嚴(yán)重的肺部炎癥反應(yīng)。再比如，超細(xì)顆粒硅膠（14nm）比細(xì)顆粒（230nm）硅膠引起小鼠更嚴(yán)重的肺部炎癥和組織損傷。

對(duì)單壁碳納米管、炭黑和石英的毒性進(jìn)行比較，在對(duì)小鼠氣管滴注不同劑量的物質(zhì)后，結(jié)果顯示碳納米管可引起劑量依賴性的上皮樣肉芽腫，個(gè)別小鼠出現(xiàn)間質(zhì)炎癥，個(gè)別動(dòng)物出現(xiàn)支氣管炎癥和壞死，延伸至肺泡隔。炭黑組正常，高劑量石英組出現(xiàn)輕中度炎癥反應(yīng)。結(jié)果表明碳納米管對(duì)肺部的毒性作用可能比石英更強(qiáng)。

同樣用單壁碳納米管對(duì)大鼠進(jìn)行氣管滴注染毒，發(fā)現(xiàn)相比于石英，能夠引起較顯著的炎癥反應(yīng)、細(xì)胞毒性以及肺實(shí)質(zhì)細(xì)胞增殖指數(shù)增加。石英引起的炎癥反應(yīng)呈劑量依賴方式，伴隨空泡肺泡巨噬細(xì)胞聚集和在正常顆粒沉積處的肺組織增厚。而碳納米管則可引起非劑量依賴的多灶肉芽腫，分布不均，且一月后無進(jìn)行性發(fā)展。

碳納米管，乃至納米尺度顆?？梢鸱尾咳庋磕[病變的現(xiàn)象應(yīng)引起我們的關(guān)注。顆粒物（如石棉纖維或二氧化硅）進(jìn)入肺泡后，被肺泡巨噬細(xì)胞吞噬。肺泡巨噬細(xì)胞對(duì)肺泡顆粒物的清除起著重要作用。如果巨噬細(xì)胞因顆粒物數(shù)量巨大等原因致使移動(dòng)性和吞噬功能下降而不能有效地清除顆粒，肺部就會(huì)出現(xiàn)“灰塵負(fù)載”現(xiàn)象。因攝取顆粒而腫脹的巨噬細(xì)胞數(shù)目增加，引起肺部慢性炎癥、肺泡上皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞過度增生，最后導(dǎo)致肺泡炎、肉芽腫、肺纖維化等病理改變。在吸入同等質(zhì)量的顆粒物后，納米顆粒較常規(guī)尺度顆粒更易因巨大的數(shù)量負(fù)載而引起上述病變。

（2）人群流行病學(xué)研究結(jié)果。

到目前為止，國內(nèi)外關(guān)于納米顆粒的流行病學(xué)研究甚少，所以納米顆粒對(duì)于人類健康的影響尚無統(tǒng)一結(jié)論。但是一些報(bào)道也指出納米顆?？赡軐?duì)人類健康造成有害效應(yīng)。曾有報(bào)道7名曾在同一間印刷廠工作，暴露于含有納米顆粒的聚丙烯酸酯5～13個(gè)月的年輕女工（18～47歲），出現(xiàn)了氣短、胸腔積液、心包積液等臨床癥狀，并有2名女工在兩年內(nèi)死亡。病理檢查結(jié)果同樣為非特異性肺炎、炎癥浸潤、肺纖維化和胸腔外源性肉芽腫。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，在這些女工的工作場所、支氣管肺泡灌洗液、胸水和肺活檢組織中均找到直徑為30nm的顆粒。

2 納米材料對(duì)心血管系統(tǒng)的不良影響

眾多研究結(jié)果顯示，由于納米顆粒微小的尺寸，極易在吸入肺部后轉(zhuǎn)移至血液循環(huán)，轉(zhuǎn)運(yùn)到全身其他器官。超細(xì)顆粒物到達(dá)肺間質(zhì)后，會(huì)穿過肺泡上皮細(xì)胞進(jìn)入間質(zhì)組織，進(jìn)而直接進(jìn)入血液循環(huán)，或通過淋巴循環(huán)再轉(zhuǎn)移到血液，最后分布到全身。

納米顆?？赏ㄟ^血液循環(huán)重新分布到心、腎、脾、骨髓等器官組織。大量研究顯示，心血管疾病住院率和死亡率與室外空氣污染，特別是PM2.5或PM10的質(zhì)量濃度有關(guān)。高濃度的超細(xì)顆粒物暴露可因?qū)钚匝醯难趸瘧?yīng)激反應(yīng)引起系統(tǒng)性的炎癥，進(jìn)而促使動(dòng)脈粥樣硬化的形成，引起血壓升高乃至心肌梗死等急性心血管反應(yīng)?？諝庵谐?xì)顆粒物的數(shù)量濃度與冠心病患者心電圖的異常高相關(guān)，這種相關(guān)性是獨(dú)立于PM2.5的。這種特殊的心電圖變化提示心肌缺血的可能性升高。從而使心臟功能發(fā)生改變。

研究發(fā)現(xiàn)納米碳黑顆粒可直接影響內(nèi)皮細(xì)胞，引起細(xì)胞毒性損傷、炎性反應(yīng)，抑制細(xì)胞生長。內(nèi)皮細(xì)胞損傷與動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生相關(guān)，而內(nèi)皮一氧化氮具有抗動(dòng)脈粥樣硬化和抗血栓形成的作用。同時(shí)，碳黑顆粒抑制內(nèi)皮細(xì)胞生長，可能影響組織缺血時(shí)新血管的重建，這可能與其促進(jìn)心肌缺血有關(guān)。這些研究結(jié)果提示，納米碳黑顆?？赡芡ㄟ^直接影響內(nèi)皮細(xì)胞而促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化和心肌缺血的發(fā)展。

納米顆粒能從肺部轉(zhuǎn)移到血液中，并在血小板中聚集。血小板在血栓形成過程中具有很重要的作用。納米顆粒與血小板接觸，可能誘導(dǎo)血小板的激活，激活的血小板與受損或激活的內(nèi)皮細(xì)胞作用而凝聚。研究顯示多種碳納米顆粒均可促進(jìn)血小板凝聚，加速大鼠頸動(dòng)脈血栓的形成。血液循環(huán)中納米顆粒的存在可能影響凝血，而顆粒物的表面性質(zhì)可能在這個(gè)過程中起很大作用。

工作場所相對(duì)于室外大氣，顆粒物的濃度可能更高，對(duì)人體造成的影響則可能更大。生產(chǎn)、轉(zhuǎn)移和使用環(huán)節(jié)中引起的飛散使納米顆粒被吸入呼吸道引起疾病的可能性大大增加。

目前對(duì)納米危害的研究，還多是以動(dòng)物為對(duì)象，流行病學(xué)的研究結(jié)果非常少，納米對(duì)人類的危害程度還沒有確切的定論。