納米物質(zhì)安全性的討論

1、納米物質(zhì)安全性的討論     這篇納米物質(zhì)安全性的討論的關(guān)鍵詞是納米物質(zhì),             大腦錐體細(xì)胞間的突觸抑制機(jī)制(米利都7)中國內(nèi)蒙古二連盆地發(fā)現(xiàn)巨型似鳥恐龍化石(徐 星13) 首次制備24面體鉑納米晶體(方德聲17)動(dòng)物最早出現(xiàn)紀(jì)錄提早5000萬年(方德聲20)宇宙開始時(shí)秩序?yàn)楹稳绱酥Z貝爾獎(jiǎng)獲得者羅雷爾(H. Rohrer)說，當(dāng)微米技術(shù)成為工業(yè)革命技術(shù)的基礎(chǔ)，那些最早學(xué)會(huì)，并最早和最好使用微米技術(shù)的國家，都在工業(yè)發(fā)

2、展中占據(jù)了巨大優(yōu)勢，成為了現(xiàn)在的先進(jìn)工業(yè)國家。同樣，21世紀(jì)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。國際純粹與應(yīng)用化學(xué)會(huì)(IUPAC)的官方雜志在2006年12月撰文分析納米技術(shù)：各國政府都在大力加強(qiáng)對(duì)納米科技的投入，人們已經(jīng)意識(shí)到，發(fā)達(dá)國家如果現(xiàn)在不發(fā)展納米科技，必將淪為第三世界國家。納米技術(shù)的發(fā)展作為21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)重要方向之一的納米科學(xué)技術(shù)，將可能導(dǎo)致生產(chǎn)與生活方式的革命，已經(jīng)成為當(dāng)前各發(fā)達(dá)及發(fā)展中國家投入最多、發(fā)展最快的科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域之一，其中納米顆粒的生產(chǎn)和使用將成為基于納米技術(shù)的工業(yè)的重要力量，世界各國紛紛實(shí)施優(yōu)先發(fā)展納米科技的國家戰(zhàn)略。據(jù)專家估計(jì)，納米技術(shù)

3、發(fā)展可能經(jīng)歷五個(gè)階段。第一階段是要準(zhǔn)確控制原子數(shù)量在100以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。這需要使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)或制造技術(shù)和現(xiàn)有工廠設(shè)備、超精密電子裝置。這一階段的市場規(guī)模約為5億美元。第二階段是生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。在這個(gè)階段，納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)和納米復(fù)合材料的制造將達(dá)到實(shí)用化水平。其中包括從有機(jī)碳酸鈣中制取的有機(jī)納米材料，其強(qiáng)度將達(dá)到無機(jī)單晶材料的3000倍。該階段的市場規(guī)模在50億200億美元。第三階段，大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)將成為可能。這要求有高級(jí)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)或制造系統(tǒng)、目標(biāo)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和組裝技術(shù)等。本階段的市場規(guī)模將達(dá)到100億1000億美元。第四階段，納米計(jì)算機(jī)將得以實(shí)現(xiàn)。這一階段的市場規(guī)

4、模將達(dá)到2000億1萬億美元。第五階段，將研制出能夠制造動(dòng)力源與程序自律化的元件和裝置，市場規(guī)模將高達(dá)6萬億美元。到2014年，全球利用納米技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品總價(jià)值預(yù)計(jì)達(dá)到2.6萬億美元，是2004年的200倍。目前，納米材料已滲透于涂料、染料、電子、醫(yī)藥、國防、服裝、化妝品、日用品、生物醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、航天航空等各行各業(yè)中，人們?cè)诠ぷ骱蜕钪薪佑|到納米材料的機(jī)會(huì)也越來越多。生活中的納米顆粒在人們生活的空間里，原來就充滿著各種納米顆粒，包括通過風(fēng)傳播的海鹽、由海洋生物生成的化學(xué)物質(zhì)以及燃燒和其他人類活動(dòng)產(chǎn)生的大量空氣懸浮顆粒物等。一個(gè)普通的房間中，每立方厘米包含大約2萬個(gè)納米顆粒，在樹林里，這個(gè)數(shù)字提

5、高到5萬個(gè)，而在城市的街道上則達(dá)到了每立方厘米10萬個(gè)。由工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的人造納米顆粒也將隨著納米科技的迅速發(fā)展使人類及其生存環(huán)境增加了在其中暴露的可能。當(dāng)物質(zhì)由以前的微米“世界”細(xì)分到納米(十億分之一米)尺度時(shí)，其物理化學(xué)性質(zhì)(如產(chǎn)生尺寸效應(yīng)、巨大的表面效應(yīng)、量子效應(yīng)以及界面效應(yīng)等)將發(fā)生根本的變化。這些變化將使納米物質(zhì)呈現(xiàn)出既不同于宏觀物質(zhì)，也不同于單個(gè)孤立原子的很多奇異的物理化學(xué)性質(zhì)，如吸附、化學(xué)反應(yīng)性、分散與團(tuán)聚性能、在不同介質(zhì)中的溶解性能、熱學(xué)性能、光催化性能、表面活性等等。由于這些不同于常規(guī)物質(zhì)的物理化學(xué)特性，加上納米顆粒比細(xì)胞還小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，與較大的蛋白質(zhì)的尺寸相當(dāng)，納米顆粒很可

6、能侵入人體和其他物種的自然防御系統(tǒng)，進(jìn)入細(xì)胞并影響細(xì)胞的功能。當(dāng)納米材料進(jìn)入生物體后，很有可能導(dǎo)致與常規(guī)物質(zhì)不同的生理行為。這些行為對(duì)生命過程有益還是有害呢?它不僅僅是科學(xué)家們所關(guān)心的前沿科學(xué)問題，同時(shí)也關(guān)系到每一個(gè)人的身體健康和生活質(zhì)量的社會(huì)問題。最近的研究表明，城市空氣中的超細(xì)顆粒物，主要是來自煙囪和柴油車的排放物、垃圾燃燒的煙霧等，對(duì)居民的發(fā)病率和死亡率的影響，比看得見的大顆粒物要嚴(yán)重得多。近十年來城市里大顆粒物濃度在下降，但是超細(xì)顆粒物濃度卻在上升。這與大量使用各種涂料及各種產(chǎn)品的涂層顆粒不斷脫落釋放等有關(guān)。人們還提出了原因不明疾病與空氣里納米顆粒的影響與傳播的關(guān)聯(lián)問題。然而釋放到空氣

7、中的納米顆粒物，其表面吸附物質(zhì)與尺寸大小都隨時(shí)間不斷在動(dòng)態(tài)改變。目前只有從結(jié)構(gòu)明確、成分明確、劑量明確的人造納米顆粒入手研究，首先建立具有共性的納米生物效應(yīng)模型，分析納米顆粒在生物體內(nèi)的行為以及不同成分的協(xié)同效應(yīng)產(chǎn)生的生物安全性問題。 納米物質(zhì)的生物安全性研究狀況2006年，美國政府和私人機(jī)構(gòu)投資約40億美元用于納米技術(shù)，其中有10%用于研究納米物質(zhì)潛在的危害，而這其中的大部分用來研究納米物質(zhì)的一般毒性和對(duì)環(huán)境的影響。為了對(duì)納米顆粒潛在危害進(jìn)行研究，評(píng)估生產(chǎn)者和消費(fèi)者可能遭受的風(fēng)險(xiǎn)，歐盟第五框架協(xié)議就啟動(dòng)“NANOSAFE”(納米安全計(jì)劃)投入了32.3萬歐元，隨后啟動(dòng)“NANOSAFE2”(

8、納米安全計(jì)劃-2)，快速增加到700萬歐元對(duì)相關(guān)方面進(jìn)行研究。在這些研究中，納米干粉顆粒的危害評(píng)估被認(rèn)為是最至關(guān)重要的領(lǐng)域。從2007年啟動(dòng)的歐盟第七框架協(xié)議(20072013年)中，界面和尺寸相關(guān)的現(xiàn)象，包括對(duì)人體的安全性，健康和環(huán)境(以及度量學(xué)、術(shù)語和標(biāo)準(zhǔn))被推薦為最主要的研究課題。2005年下半年，歐美各國除了急劇增加研究經(jīng)費(fèi)以外，在國家層面上，各國對(duì)“納米安全性問題”采取了一系列行動(dòng)，此問題的重要性，可見一斑。中國在這方面的起步比較早，與國際同步。最早關(guān)注并開展納米安全性研究的是中國科學(xué)院高能物理研究所。2001年11月，筆者就提出了“開展納米生物效應(yīng)與安全性研究”計(jì)劃，并開始籌建相關(guān)

9、實(shí)驗(yàn)室。為滿足這一重要前沿交叉領(lǐng)域的需求，在中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程的支持下，高能物理研究所將原有的納米生物、稀土毒理學(xué)、重金屬毒理學(xué)和細(xì)胞分子生物學(xué)等研究組進(jìn)行整合，于2004年6月成立了中國第一個(gè)“納米生物效應(yīng)與納米安全性實(shí)驗(yàn)室”。2004年，國家自然科學(xué)基金委“十五重大項(xiàng)目”設(shè)立了“碳納米材料的細(xì)胞分子毒理學(xué)研究”課題。2006年7月，國家科技部啟動(dòng)973計(jì)劃，支持“人造納米材料的納米安全性與解決方案探索”項(xiàng)目，全國16個(gè)單位共同承擔(dān)這個(gè)為期五年的國家研究計(jì)劃。同時(shí)，為了集中資源，形成交叉互補(bǔ)的優(yōu)勢力量，國家納米科學(xué)中心與中科院高能物理研究所成立了“納米生物效應(yīng)與安全性聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”，在國家

10、的層面上，以健康安全的國家需求為導(dǎo)向，以納米生物效應(yīng)與安全性為核心，開展生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)與納米科學(xué)的交叉研究。納米生物效應(yīng)研究的初步結(jié)果目前，國際上就納米生物效應(yīng)研究已經(jīng)取得了一些初步結(jié)果。例如，科學(xué)家將僅0.1毫克碳納米管通過氣管注入大鼠體內(nèi)，90天后病理學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，這些碳納米纖維均進(jìn)入肺泡，并引起肺部肉芽腫(類似肺結(jié)核前期的病理變化)的形成。更令人擔(dān)心的是，由這些納米纖維引起的肉芽腫，與常規(guī)的粉塵如石棉致肺損傷不同，沒有進(jìn)行性肺部炎癥和細(xì)胞增生的表現(xiàn)。這預(yù)示碳納米管的毒性不同于常規(guī)物質(zhì)，它具有新的致肺損傷機(jī)制。紐約羅切斯特大學(xué)的研究者讓大鼠在含有粒徑為20納米的聚四氟乙烯(即“特

11、氟龍”)顆粒的空氣中待15分鐘，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)大鼠在隨后4小時(shí)內(nèi)死亡，而另一組生活在含120納米顆粒的空氣中的大鼠，則安然無恙。他們還對(duì)氧化鈦、鉑、碳等納米粒子的生物和細(xì)胞毒性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)通過呼吸系統(tǒng)吸入直徑為35納米的碳粒子1天后便出現(xiàn)在其大腦中處理嗅覺的區(qū)域嗅球。同時(shí)，隨時(shí)間增長，納米粒子在嗅覺球中的含量不斷增加。在另一項(xiàng)研究中也發(fā)現(xiàn)吸入的碳13和錳納米粒子可經(jīng)大鼠的嗅球進(jìn)入腦部，并到處遷移?，F(xiàn)在，科學(xué)家還不知道納米粒子進(jìn)入大腦并在其中聚集會(huì)帶來什么樣的影響。用氣溶膠吸入法研究納米氧化鈦對(duì)小鼠、大鼠、豚鼠的肺部毒性，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)炎癥、嚴(yán)重沉積且清除困難。研究還發(fā)現(xiàn)，碳60能使幼大嘴鱸魚的腦細(xì)胞

12、發(fā)生脂質(zhì)過氧化作用;碳納米管和納米鐵能使人角質(zhì)細(xì)胞和支氣管上皮細(xì)胞受損和凋亡。此外，有報(bào)道納米顆?？赡苋菀自诩?xì)胞內(nèi)沉積，且難以清除。同時(shí)，科學(xué)家們推測，納米顆粒進(jìn)入肺的機(jī)制，與心血管系統(tǒng)作用的機(jī)制等與微米顆粒有很大的不同。僅僅尺寸改變，竟導(dǎo)致如此巨大的生物毒性變化。 中國納米安全性的研究國內(nèi)納米安全性的研究工作主要在生物整體水平、細(xì)胞水平、分子水平和環(huán)境等幾個(gè)層面上開展，重點(diǎn)在納米物質(zhì)整體生物學(xué)效應(yīng)以及對(duì)生理功能的影響，納米物質(zhì)的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)及其機(jī)制，以及大氣納米顆粒對(duì)人體作用和影響等領(lǐng)域，目前主要集中在下述幾個(gè)方面。納米顆粒的整體生物效應(yīng)在納米顆粒的整體生物效應(yīng)方面，發(fā)現(xiàn)在生理鹽水溶液中尺

13、寸小于100納米的磁性納米顆粒，僅僅微克量級(jí)進(jìn)入小鼠血管很快就導(dǎo)致凝血現(xiàn)象，堵塞小鼠血管，導(dǎo)致小鼠死亡。說明這種納米顆粒進(jìn)入生物體容易與心血管系統(tǒng)相互作用，可能會(huì)導(dǎo)致心血管疾病的潛在危險(xiǎn)。進(jìn)一步研究表明，對(duì)這種納米顆粒表面進(jìn)行化學(xué)修飾，可以極大地降低它的毒性和副作用。一般的微米銅粉的半致死劑量大于每千克體重5克，所以被認(rèn)為是無毒的。但研究發(fā)現(xiàn)，納米銅粉對(duì)小鼠的脾、腎、胃均造成了嚴(yán)重傷害，而相同劑量的微米銅卻沒有損害。也不是所有的納米顆粒都這樣，比如，筆者的研究小組發(fā)現(xiàn)納米氧化鋅與通常的微米氧化鋅的生物毒性相比，幾乎沒有差別。目前，大部分的納米材料的急性、亞急性、慢性毒性以及它們和相應(yīng)微米材料的

14、差別、對(duì)人體的影響等問題還沒有進(jìn)行過研究。納米顆粒與生物體的相互作用納米顆粒在體內(nèi)的吸收、分布、代謝和清除，各種納米物質(zhì)與生物靶器官相互作用的機(jī)理等，是另一個(gè)重要的研究方向。研究發(fā)現(xiàn)富勒烯在SD大鼠中，90%95%富集于肝臟，48小時(shí)清除。然而，稍做表面修飾以后的金屬富勒烯，如HoC82(OH)x(羥基化鈥內(nèi)包富勒烯)，其生物效應(yīng)就明顯不同，顯出生物分布較廣，在肝、骨骼、脾、腎、肺的含量依次遞減，其他組織分布極低。比如對(duì)GdC82(OH)40(羥基化釓內(nèi)包富勒烯)的生物分布研究結(jié)果表明，它24小時(shí)后主要位于肝和脾，在肺和血液中衰減極快。水溶性富勒烯衍生物C60C(COOH)2可以進(jìn)入細(xì)胞，并達(dá)

15、到不同的細(xì)胞器中，主要定位于線粒體。筆者的研究組與北京大學(xué)的合作研究發(fā)現(xiàn)，分子量高達(dá)60萬的水溶性多羥基單壁碳納米管(SWNTols)能非常容易、迅速地在小鼠的各種組織和臟器之間穿梭，而且通過尿液排泄。如此奇特的現(xiàn)象，現(xiàn)有的生物學(xué)或生理學(xué)知識(shí)無法解釋這種現(xiàn)象。納米顆粒與細(xì)胞的相互作用納米顆粒與細(xì)胞的相互作用的研究剛剛開始，如研究納米顆粒的跨膜過程、對(duì)細(xì)胞分裂、增殖、凋亡等基本生命過程的影響和相關(guān)信號(hào)傳導(dǎo)通路的調(diào)控，從而在細(xì)胞水平上產(chǎn)生的生物效應(yīng)。許多納米顆粒能夠進(jìn)入到細(xì)胞并與細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器發(fā)生作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，納米顆粒的尺寸、表面結(jié)構(gòu)、電性質(zhì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與化學(xué)特性是決定細(xì)胞與其相互作用的重要因

16、素。某些納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)促進(jìn)細(xì)胞的黏附、鋪展和細(xì)胞骨架的形成，但是在某些情況下，納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)細(xì)胞骨架分布和張力纖維的取向產(chǎn)生負(fù)面影響。本實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)碳納米管容易進(jìn)入細(xì)胞，并影響細(xì)胞結(jié)構(gòu)，在低劑量下(2.5微克/毫升)，碳納米管可以刺激肺巨噬細(xì)胞的吞噬能力，但在高劑量下(20微克/毫升)，碳納米管嚴(yán)重降低肺巨噬細(xì)胞對(duì)外源性毒物的吞噬功能。在研究納米氧化鈦對(duì)人肝細(xì)胞(L-02細(xì)胞株)的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)納米氧化鈦游離于細(xì)胞之間，阻礙了胞間通信，降低細(xì)胞的生長速度。另有研究表明，富勒醇能夠吸收紫外輻照產(chǎn)生的自由基，保護(hù)了細(xì)胞膜不被紫外輻照損傷，明顯提高了細(xì)胞存活率。納米顆粒與生物大分子的相互作用研究血

17、漿蛋白分子在碳納米管無紡膜表面的吸附行為，發(fā)現(xiàn)纖維蛋白原分子有比較   這篇納米物質(zhì)安全性的討論的關(guān)鍵詞是納米物質(zhì),             強(qiáng)的吸附作用，并且吸附上的纖維蛋白原分子的構(gòu)型功能發(fā)生了某些改變。納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)與補(bǔ)體系統(tǒng)和免疫細(xì)胞的激活作用研究說明納米顆粒與蛋白質(zhì)分子之間存在比較強(qiáng)烈的相互作用，補(bǔ)體蛋白分子的酶活性發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)聚酰胺胺樹狀大分子(PAMAM dendrimers)可通過靜電作用與DNA形成穩(wěn)定的復(fù)合物，且可保護(hù)與之復(fù)合的DN

18、A分子免受限制性內(nèi)切酶的降解，可以作為DNA運(yùn)送的載體，導(dǎo)入細(xì)胞，實(shí)行外源基因在生物體內(nèi)的表達(dá)。目前，這方面的研究剛剛開始。大氣中納米顆粒的生物效應(yīng)目前，臨床實(shí)驗(yàn)研究已對(duì)大氣中超細(xì)顆粒物的生物毒性得出了初步結(jié)論，發(fā)現(xiàn)尺寸在7100納米的顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)有很高的沉積率;尺寸越小，越難以被巨噬細(xì)胞清除，且容易向肺組織以外的組織器官轉(zhuǎn)移，超細(xì)顆粒物可穿過血腦屏障。由于納米毒理學(xué)剛開始發(fā)展，目前這方面的工作由于工作量和時(shí)間效應(yīng)的問題，這方面的研究和數(shù)據(jù)比較少，研究存在一定的難度，目前缺乏的是準(zhǔn)確的分析測試方法。納米毒性的消除為了使納米技術(shù)能成為真正安全造福人類的新技術(shù)，筆者的研究組在研究納米生物

19、效應(yīng)的同時(shí)，開展了納米毒性消除的化學(xué)與物理研究。通過一定的化學(xué)修飾或物理處理來消除某些納米材料的負(fù)效應(yīng)(毒性)，同時(shí)保持其有益的納米特性。研究發(fā)現(xiàn)，某些碳納米分子的外接修飾基團(tuán)過多，會(huì)導(dǎo)致分子開口，形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，在生物體內(nèi)破裂，產(chǎn)生毒性。通過調(diào)節(jié)外接基團(tuán)的種類和數(shù)量，不僅改變其生物活性，而且增加其生物穩(wěn)定性，消除可能存在的毒性，從而推動(dòng)納米科技健康安全的發(fā)展。美國賴斯大學(xué)也報(bào)道了消除納米材料毒性的一例研究結(jié)果，通過化學(xué)修飾，納米毒性的消除率高達(dá)1000萬倍，效果很好?？傊?，納米安全性一方面是為了保障納米科技能夠順利發(fā)展，另一方面也關(guān)系到國家的利益。由于中國在納米科技方面的發(fā)展速度非?？欤{米

20、產(chǎn)品，尤其是納米材料的制備已經(jīng)有很多生產(chǎn)線和很多企業(yè)，目前統(tǒng)計(jì)與納米相關(guān)的公司在全國已經(jīng)有700多家。如果將來希望成為納米產(chǎn)品的生產(chǎn)大國，需要在納米安全性方面做一些深入的研究，能夠提出和制定各種納米材料的安全指標(biāo)，率先獲得國際認(rèn)可，這也是關(guān)系國家利益的問題。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)就必須有充分的數(shù)據(jù)，與國際接軌。還要建立自己的專業(yè)研究隊(duì)伍，在開展納米材料的生物效應(yīng)研究的同時(shí)，也開展納米生物負(fù)效應(yīng)的反向應(yīng)用研究，把觀察到的負(fù)面生物效應(yīng)應(yīng)用到納米醫(yī)學(xué)診斷和治療技術(shù)上，這已經(jīng)取得多項(xiàng)重要成果。因此，納米生物負(fù)效應(yīng)(毒性)的消除，以及納米毒性的反向應(yīng)用研究，使納米技術(shù)比以往的任何技術(shù)更安全。無論國際或是國內(nèi)，納米

21、生物毒理學(xué)是一個(gè)剛剛起步的新學(xué)科交叉領(lǐng)域，需要納米科技、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)和物理等領(lǐng)域的研究手段和知識(shí)進(jìn)行真正的學(xué)科交叉，任何一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科都難以勝任這項(xiàng)工作。它既是國際科學(xué)前沿，也是與人類健康和生活環(huán)境密切相關(guān)的重要社會(huì)問題，因此是一個(gè)典型的在國家需求和科學(xué)前沿的交匯點(diǎn)上的新領(lǐng)域，充滿了科學(xué)創(chuàng)新的機(jī)遇。 Yuliang Zhao，S H Nalwa，ed. Nanotoxicology. California： American Scientific Publishers，2007. 趙宇亮，白春禮. 納米安全性: 納米材料的生物效應(yīng)/2004科學(xué)發(fā)展報(bào)告.北京：科學(xué)出版社，2005：137.3 Guang Jia，et al. Biological Activities of Water-Soluble Carbon Nanomaterials. Environmental Science && Technology，