纳米材料的毒性研究

纳米材料的应用及毒性研究必要性纳米材料是指三维结构中至少有一维大小在纳米（10-9米）尺度上的材料。由于纳米材料具有特殊的物理化学特性，使其在很多领域具有广泛的应用，比如：化工、陶瓷、微电子学、计量学、电学、光学以及信息通讯等领域[1]。近期研究发现纳米技术在生物、医药上也具有巨大的应用潜力，包括疾病诊断、分子成像、生物传感器荧光生物标记，药物和基因传输，蛋白质的检测，DNA结构探讨，组织工程学等[2]。目前市场上基于纳米技术的产品有很多，包括涂料，化妆品，个人护理品和食品增补剂[3]。因此人类暴露于纳米颗粒的途径多种多样，吸入，摄取以及皮肤途径。而且，出于医学的目的，这些颗粒有可能直接被注射进入人体内[4]。一旦被人体吸收，各种类型的纳米颗粒就会分布到人体的大部分器官，甚至可以通过生物屏障，比如血脑屏障和血睾屏障[5,6]。2003年，Science和Nature相继发表文章，探讨纳米材料的生物效应、对环境和健康的影响问题[7,8]。很多研究工作已经证明，纳米材料对生物体会造成负面的影响。目前为止,科学家们只对纳米TiO2、SiO2、碳纳米管、富勒烯和纳米铁粉等少数几个纳米物质的生物效应进行了初步的研究[9]。VickiColvin[7]强调：当这一领域尚处于早期阶段,并且人类受纳米材料的影响比较有限时,一定要对纳米材料的生物毒性给予关注.我们必须现在,而不是在纳米技术被广泛应用之后,才来面对这个问题。因此对纳米材料毒性的研究，不仅具有必要性而且具有紧迫性，是保证纳米科技顺利发展的前提，可以减少新兴科学对人类及自然界不必要的破坏。纳米材料毒性研究现状纳米材料具有粒径小、比表面积大的特点，量子效应在纳米尺度上开始支配物质的物理化学性质。这些特有的性质使得纳米材料的应用领域十分广泛[1]。然而，纳米材料对生物系统的不利影响引起了越来越多的关注。已经有很多研究证实，纳米材料并非有益而无害的，它们在细胞、亚细胞以及蛋白质水平上都影响着生物体[10]。纳米材料的粒径很小，因此它们和生物组织接触及作用的机会大大增加，正常尺寸下对生物体并无影响的物质在纳米尺寸下可能会对生物体产生毒副作用[10]。SiO2纳米颗粒Lin[11]等将人支气管癌原性细胞暴露于15nm和38nm的SiO2纳米颗粒，发现细胞的发育能力呈剂量依赖性丧失。并且，细胞的发育能力随着纳米颗粒的剂量和暴露时间的增加而降低。研究发现，这种影响是和氧化应激水平的增加紧密相关的。另外有研究显示，当SiO2纳米颗粒的一级尺寸为10nm和30nm时，对胚胎干细胞分化为心肌细胞的过程有抑制作用[4]。然而，也有体内实验表明SiO2纳米颗粒并没有毒性[12]，因此对于SiO2纳米颗粒对人类的毒性危害，仍需进一步的研究。TiO2纳米颗粒根据体内和体外的实验研究结果，纳米TiO2对肺部的损伤程度要明显高于微米尺度的TiO2颗粒[9]。Afaq等[13]用支气管注入法研究超细TiO2(30nm，用量2mg)对大鼠的毒性时，发现肺泡巨噬细胞的数量增加。研究表明，纳米TiO2颗粒的尺寸越小越难被巨噬细胞清除[14]，因此，纳米颗粒的粒径和数目是造成肺部损伤的主要原因。Rahman[15]等人发现20nm的TiO2颗粒会引起细胞内微核数目的显著升高，并引起细胞凋亡。其他纳米材料据报道，把大鼠暴露在含有聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒的空气中15分钟，当PTFE粒径为20nm时，大多数老鼠在4小时之内死亡，而PTFE达到130nm时，大鼠没有收到任何伤害[7]。研究发现纳米银粒子对哺乳动物的细胞具有很高的毒性。在没有光活化的条件下，将大鼠神经元细胞暴露于纳米银颗粒中，出现了细胞个体缩小、形态不规则以及线粒体功能显著地呈剂量依赖性丧失[16]。此外研究还发现碳纳米管对肺泡巨噬细胞有影响[9]。鉴于对纳米材料毒性研究的领域越来越热，2005年，一本专门为研究纳米材料的毒性而设立的专业杂志《纳米毒理学》（Nanotoxicology）在英国出版。2006年开始，一些权威期刊《EnvironmentalScience&Technology》、《EnvironmentalHealthPerspectives》、《Carbon》、《JournalofNnoparticleResearch》等纷纷开辟专栏或出版专刊，探讨纳米颗粒的应用与生物和环境的安全问题[17]。纳米技术的潜在问题已引起发达国家的高度重视，并纷纷投入巨资设立和支持纳米生物环境效应与安全性的研究计划，为纳米科技的健康可持续发展，为与纳米相关的社会经济的发展提供安全保障。待解决问题1.虽然有数据表明纳米材料对人体健康存在着潜在的威胁，但是目前所进行的研究只局限于众多纳米材料中的少数几种，而且研究数据不全面，并且不同的研究结果还存在不一致性。对纳米材料的生物效应，尤其是毒理学与安全性问题，目前还不能给出明确的结论。2.此外，在研究纳米材料的生物效应或毒性时，对纳米材料的形态、尺寸的表征使得研究的工作量和复杂性大大增加。纳米材料的毒性作用机制和作用模式也是人们关心的问题。关于和其他环境中的污染物的联合毒性的研究领域，也都是一片空白。因此，在纳米材料的毒理学研究领域，我们要走的路还很长。3.鉴于日益突出的纳米材料毒性问题，化学领域出现了一个新的研究方向，即纳米毒性的修饰化学。该领域的目标在于降低或消除纳米材料的毒性。另外，如何利用纳米材料的生物效应，也是科研工作者需要面对的问题。研究目标、内容1.研究工业纳米颗粒物对于水生生物的毒性效应选取几种已经商品化的纳米材料，比如纳米TiO2、纳米SiO2、富勒烯C60等作为研究对象。选取处于水生生态系统初级营养级的藻类（如斜生栅藻）和滤食性浮游动物（如大型蚤）为实验生物，根据标准方法进行短期（48-h、72-h或96-h）暴露实验。2.探讨纳米材料的毒性和其物理特性的关系在第一部分的实验基础上，选取毒性较明显的纳米材料，分别在粒径、形状、组成、表面特征等不同的情况下，测定纳米材料毒性的变化。3.研究工业纳米材料对于水生生物的毒性作用机理根据第一部分实验的结果，选取毒性效应比较明显的，具有代表性的纳米材料作为研究对象，考察其对受试生物生长发育和体内酶活性的影响，探讨可能的毒性作用机制。4.研究低浓度纳米材料长期暴露下对水生生物的生物效应根据第一部分实验的结果，设定低浓度长期暴露时所需的剂量。实际环境中的暴露水平通常比较低，因此低剂量、长期暴露的实验更能反映生物暴露的真实情况。拟解决的关键问题水是生命之源，是人类赖以生存的重要因素之一。但是人类社会的发展却给水环境造成了严重的破坏，其中就包括纳米材料对水环境造成的污染。人工纳米材料在其生产、使用和回收的过程中都有可能进入水体，对水体和沉积物造成污染，威胁水生生物的生存。目前，关于纳米材料对水生生物的毒理学数据极为匮乏。本研究的目标就是探讨现存的几种商品化的纳米材料对水生生物会造成怎样的影响，产生怎样的效应，并且期望能够探求可能的作用机制。拟解决的科学问题包括以下几个方面：1.建立起几种典型的纳米材料对水生生物（藻类或大型蚤）的剂量-效应曲线。在此基础上，进一步研究低浓度纳米材料长期暴露条件下水生生物的生物效应。为水环境中纳米材料的生态风险评价提供科学依据。2.找出纳米材料的毒性和其粒径、比表面积等特性的关系。初步探讨纳米材料的毒性作用机制。为纳米材料毒性的深入研究指明方向，促进纳米科技的健康发展。研究方法和技术路线1.研究体系的构建1)典型纳米材料纳米碳粉（Nano-CB）、纳米氧化锌（Nano-ZnO）、纳米二氧化硅（Nano-SiO2）、纳米二氧化钛（Nano-TiO2）、单壁碳纳米管（CNTs）、富勒烯(Nano-C60cluster）、。多壁碳纳米管(MWCNTs）。这几种纳米材料都可以从市场上购买，要求纯度大于95%。为了排除纳米颗粒上面残留的合成时使用的原料的影响，将纳米颗粒用过量的超纯水充分透析[4]。2)受试生物单细胞绿藻斜生栅藻（Scenedesmusoblignus），按照参考OECD201[19]的标准方法进行培养。大型蚤（Daphniamagna）按照OECD202[20]的标准方法进行培养。2.纳米材料物理特性的表征商家标明的纳米材料的尺寸可能不准确[4]，所以采用透射电镜（TEM）表征纳米颗粒的粒径大小，并观察其外貌。采用BET吸附法测定纳米颗粒的比表面积。3.毒性实验1)用培养基将纳米材料配备成一定浓度梯度的储备液。测试时，将纳米材料储备液稀释两倍。①斜生栅藻：染毒后24，48，72和96小时观察其生长情况。观察指标为细胞数。计算各纳米材料悬浮液对藻类生长的EC50。参照OECD标准方法[19]。②大型蚤：染毒后的24，48h观察并记录其生长状况。按照标准规定[20]，计算各种材料的LC50或EC50及其95%置信区间。2）根据之前的毒性实验测试结果，选取合适的纳米材料，设计合适的浓度。进行低浓度长期暴露实验。4.技术路线可行性分析1.本研究中采用的斜生栅藻和大型蚤的培养方法，分别来自OECD201[19]和OECD202[20]的标准方法。这两种方法成熟，在学术届已经得到公认，利用该方法取得的很多科研成果发表在国内外的重要期刊杂志上。低浓度、长期暴露生态安全初步评价纳米材料比表面积粒径大小化学组成物理表征急性毒性实验EC50斜生栅藻大型蚤纳米材料浓度暴露时间2.项目组成员结构合理，优势互补，分别来自环境科学、环境微生物等不同学科，并在各自的学科中取得了一定的成绩。项目依托的实验室，具备完成本项目所需要的所有仪器设备。创新点目前，国内外在人工纳米材料生态毒理效应方面的研究都刚刚起步，相关的毒理学数据却极为缺乏。对纳米材料毒理学研究，评价其环境和健康风险，无论是对人类健康本身，还是对环境保护，以及对纳米科技的可持续发展，都具有极其重要的意义。本研究的创新点体现在：1.首次以生态毒理学理论为基础，较为系统的对人工纳米材料的暴露导致的水生生态系统毒理效应和毒作用机理进行了研究和探索，对于保护环境和人类的健康安全，促进纳米科技的持续、健康发展具有十分重要的意义。2.对典型人工纳米材料导致的水生生物效应进行定量的剂量—效应相关研究，并探索了低剂量长期暴露下水生生物对人工纳米材料的响应。3.对纳米材料的毒性作用机理进行初步研究。纳米材料的毒性作用机制的研究，可以帮助人类更好的减低，消除乃至利用其生物活性。【参考文献】[1]刘伟,几种典型纳米材料毒性和生物活性的探讨,济南:山东大学,2007.[2]SalataO.Applicationsofnano-particlesinbiologyandmedicine.JournalofNanobiotechnology,2004,2:3.[3]WoodrowWilsonInternationalCenterforScholars(2008).Aninventoryofnanotechnologybasedconsumerproductscurrentlyonthemarket.[4]Park,MargrietV.D.Z.,Annemaetal.,Invitrodevelopmentaltoxicitytestdetectsinhibitionofstemcelldifferentiationbysilicananoparticles,Toxicol.Appl.Pharmacol.,2009,240(1):108-116.[5]Semmler,M.,Seitz,J.,Erbe,F.,etal.,Long-termclearancekineticsofinhaledultrafineinsolubleiridiumparticlesfromtheratlung,includingtransienttranslocationintosecondaryorgans.InhalT