納米納米二氧化鈦對人體毒理學(xué)和人群流行病學(xué)研究進展

納米納米二氧化鈦對人體毒理學(xué)和人群流行病學(xué)研究進展

0納米尺度材料的研究和應(yīng)用隨著各國科技的增加，世界新科技革命的發(fā)展趨勢更加激烈，新的取得取得了更高的成就。納米的技術(shù)、信息技術(shù)和生物技術(shù)的突然崛起也被科學(xué)家稱為21世紀科技發(fā)展的三大支柱。所謂納米技術(shù),是指通過研究納米材料所展現(xiàn)的特殊物理、化學(xué)、物質(zhì)特性或現(xiàn)象,并以這些納米結(jié)構(gòu)所具有的新穎物理、化學(xué)或生物特性與現(xiàn)象為基礎(chǔ),設(shè)計、制作或重新組裝新材料、器件或系統(tǒng),產(chǎn)生全新功能、或具備全新功能的物質(zhì)并加以利用的知識和技術(shù)。納米材料由于具有極其微小的尺寸而具有普通粉體材料所不具備的特殊性:如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用日益廣泛,已經(jīng)應(yīng)用到涂料、化妝品、催化劑、食品包裝、紡織、醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域,被科學(xué)家譽為“21世紀最有前途的材料”。根據(jù)美國國家納米計劃(NNI)預(yù)測,2010-2015年,全球納米技術(shù)年產(chǎn)值將達到1萬億美元,全世界從事納米技術(shù)的工作者將達200萬人。隨著規(guī)?；a(chǎn)和納米產(chǎn)品的普及,增加了納米材料的研究者、生產(chǎn)者、消費者以及納米廢物處理者的職業(yè)接觸和環(huán)境暴露機會,人們也逐漸認識到納米材料與納米技術(shù)的發(fā)展可能會對人類的健康、安全、環(huán)境帶來負面影響。2003年4月,一篇在《Science》發(fā)表的文章論述了納米材料與生物環(huán)境相互作用可能產(chǎn)生生物效應(yīng)的問題。隨后一年內(nèi),《Nature》和《Science》雜志先后數(shù)次發(fā)表編者文章,討論納米尺度的生物效應(yīng)、對環(huán)境和健康的影響問題。2004年4月,美國化學(xué)會在一份研究報告中指出,碳60會對魚的大腦產(chǎn)生大范圍的破壞,這是研究人員首次找到納米微?？赡芙o水生物種造成毒副作用的證據(jù)。此后,歐洲許多學(xué)術(shù)雜志也紛紛發(fā)表文章,探討納米生物效應(yīng),尤其是納米材料對人體健康、生存環(huán)境和社會安全等方面是否存在潛在的負面影響。同樣,對于納米材料尤其是可燃性納米材料,由于納米材料有比常規(guī)材料更小的直徑、更大的比表面積、更容易懸浮于空氣中,在遇點火源的情況下,極有可能產(chǎn)生爆炸。因此,近年來,國內(nèi)外也開展了不少針對可燃性納米材料的安全性研究。1針對納米中毒的研究目前,關(guān)于納米材料毒理學(xué)的研究還剛處于起步階段,研究較多的納米材料主要有碳納米管、納米TiO2、納米鐵粉、富勒烯(C60)等。1.1tio1在非人體生物生理和病理生理中的應(yīng)用在動物的毒理學(xué)研究中,周曉蓉通過實驗證實,單壁碳納米管對大鼠的肺臟有損傷作用,可能引起肺組織纖維化。Lam等將0.1-0.5mg/kg碳納米管、碳黑和石英(粉)分別氣管注入大鼠染毒,結(jié)果碳黑組的大鼠正常,石英組的大鼠出現(xiàn)了輕度到中度的炎癥,碳納米管處理組觀察到肺上皮肉芽腫,實驗結(jié)果表明碳納米管比碳黑和石英毒性更強。Warheit等對單壁納米碳管引發(fā)的大鼠肺毒性進行了比較性評價實驗發(fā)現(xiàn),納米碳管可引發(fā)肺肉芽腫。與石英顆粒不同,納米碳管引起多發(fā)性肉芽腫不伴有肺炎癥反應(yīng)或細胞增殖。肉芽腫型肺損傷可能是肺組織為了清除不易降解的異物而產(chǎn)生的免疫反應(yīng)。Warheit認為,納米碳管獨特的理化特性可能導(dǎo)致它們在生物體中的穩(wěn)定性增強,因而可能引發(fā)長期低濃度職業(yè)暴露的更為嚴重的安全性問題。TiO2粉塵通常被看作為低毒的物質(zhì),在許多粉塵的毒理學(xué)研究中,TiO2往往被用作惰性粉塵的對照。但是,Ferin等研究發(fā)現(xiàn)超微TiO2(平均直徑為20nm)引起的大鼠肺部炎癥比相同空氣質(zhì)量濃度的微米級細TiO2(平均直徑為250nm)更為嚴重。Rahman等人在比較20nm的超細TiO2和200nm的細TiO2對原代大鼠胚胎成纖維細胞的影響時發(fā)現(xiàn),20nm的超細TiO2處理后的細胞其微核數(shù)目顯著升高,并引起了細胞的凋亡。大劑量TiO2染毒對小鼠血清生化指標的測試表明,納米TiO2組小鼠血清乳酸脫氫酶(LDH)水平明顯高于對照組和微米TiO2組,表明納米TiO2可能引起組織和細胞的損傷。Oberdorster等人用粒徑為20nm和200nm的納米TiO2做大鼠亞慢性吸入實驗時,發(fā)現(xiàn)2組大鼠都出現(xiàn)呼吸道TiO2沉積的現(xiàn)象,而且20nm組的炎癥反應(yīng)(肺部滯留時間、II型肺泡細胞增生、間質(zhì)纖維化等)明顯強于200nm組。鐵是人體必需的元素之一,但納米鐵粉由于其粒徑的不同可能對人體產(chǎn)生副作用。劉嵐等研究谷氨酸修飾的磁性納米Fe2O3在小鼠體內(nèi)的代謝情況時發(fā)現(xiàn),尾靜脈注射5.12mg/kg的納米Fe2O3-GLU后,該物質(zhì)可在小鼠腦組織、性腺、眼球中檢測到,表明該物質(zhì)可以穿過血腦屏障,血睪屏障和血眼屏障;Zhou等研究大鼠吸入濃度為57和90μg/m3的納米鐵粉(72nm)對健康的影響時發(fā)現(xiàn),吸入57μg/m3的納米鐵粉沒有引起大鼠明顯的生物學(xué)效應(yīng),但吸入90μg/m3納米鐵粉的大鼠卻產(chǎn)生了輕微的呼吸道反應(yīng),然而實驗中的濃度(90μg/m3)還遠遠低于美國職業(yè)安全與健康管理局(OccupationalSafetyandHealthAdministration)制定的可允許暴露的鐵粉最高濃度(15mg/m3)。富勒烯(C60)是一種人工合成的碳分子,主要應(yīng)用于藥物、化妝品、環(huán)保產(chǎn)品等多個領(lǐng)域。一些研究提示C60可以從鼻腔移行至腦,并可以通過肺進入體內(nèi)各器官,單次經(jīng)口給予C60未引起動物死亡,但腹腔給藥后大鼠LD50為600mg/kg,靜脈給予大鼠25mg/kg的C60后,大鼠出現(xiàn)呼吸困難和自發(fā)性運動亢進以至死亡。Oberdorster發(fā)現(xiàn)將大嘴鱸魚暴露于500-1000μg/kg低濃度的C60水溶液后,鱸魚的腦細胞膜會產(chǎn)生損傷,腦中出現(xiàn)氧化物的聚集和炎癥的反應(yīng)。1.2呼吸毒性研究Peter等報道,與哮喘病人呼氣峰值流量(PEF)的降低相關(guān)性最好的是空氣顆粒物中的超細顆粒物的數(shù)量濃度,而非是質(zhì)量濃度,并發(fā)現(xiàn)超細顆粒物的數(shù)目與肺功能呈負相關(guān)。這表明大氣顆粒物中的超細顆粒物成分可能在引起健康負性效應(yīng)方面起較大的作用。作業(yè)環(huán)境相對于室外大氣,粉塵顆粒物的濃度可能更高,對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尺度顆粒被吸入呼吸道引起疾病的可能性大大增加,因此其呼吸系統(tǒng)毒性就首先成為了研究者們感興趣的方向。Maynard等進行了單壁碳納米管粗加工過程中產(chǎn)生的氣溶膠的職業(yè)接觸研究,現(xiàn)場研究評估了工人在單壁碳納米管粗加工過程中經(jīng)呼吸和皮膚接觸的情況,結(jié)果顯示工作場所中可吸入碳納米管的暴露濃度約為53μg/m3,工人手套上約有2-6mg單壁碳納米管的沉積。Song等報道,7名曾在同一間印刷廠工作5-13個月、暴露于含有納米聚丙烯酸酯的年輕女工(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納米鋁粉的燃燒特性近幾年,國內(nèi)外開展的可燃性納米材料的安全性研究主要包括納米鋁粉、納米鐵粉、納米碳粉等。李文霞等以3種不同粒徑的納米鋁粉(35nm、75nm、100nm)與常規(guī)鋁粉75μm為研究對象,采用20L球形爆炸測試裝置對鋁粉的爆炸特性進行了實驗對比研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米鋁粉在爆炸的過程中具有高于相同濃度普通鋁粉的爆炸壓力、最高爆炸壓力和壓力上升速率。盧紅霞通過對100nm的納米鋁粉和20μm-50μm的微米鋁粉在自然流動空氣環(huán)境下DSC/TG實驗作了初步探討,發(fā)現(xiàn)微米鋁粉在900℃之前質(zhì)量沒有明顯的變化,而納米鋁粉在550℃左右有一個強烈的放熱峰,表明納米鋁粉與微米鋁粉有不同的反應(yīng)活性和氧化特性。楊紅琳通過DTA-TG圖譜和X射線分析,表明納米鋁粉的熱行為與普通鋁粉有著明顯的不同,納米鋁粉至少存在二次氧化行為:第一次氧化溫度520℃左右,發(fā)生氧化的是納米鋁粉的外殼;第二次的氧化過程比較緩慢,溫度從700℃到1000℃,主要是納米鋁粉的核心部分進行氧化。樊永平通過TG-DTA曲線對比分析了納米鋁粉的兩次氧化過程,發(fā)現(xiàn)在550℃左右的氧化過程中所對應(yīng)的放熱峰高且尖銳,說明該過程氧化放熱值高,是氧化放熱的主要階段。JacquesBouillard用20L球形爆炸測試裝置對100nm直徑納米鋁粉進行了燃爆性能測試,得出其最小點火能(MIE)小于1mJ,最大爆炸壓力(Pmax)為8.2bar,在特定的條件下很容易被點燃。Kwok測得150nm直徑的納米鋁粉的Pmax為9.4bar,MIE在1-3mJ,該數(shù)值比Glor測得的10μm鋁粉的Pmax低,MIE高。Holbrow對納米和微米鋁粉(100nm,10-100μm)、鐵粉(25nm,12μm)、銅粉(25nm,25μm)和多壁碳納米管(直徑20-30nm長度10-30μm,直徑和長度都小于63μm)的燃爆性能進行了對比測試,發(fā)現(xiàn)納米鋁粉、鐵粉和多壁碳納米管的Pmax(11.2bar,2.9bar,6.4bar)和粉塵爆炸常數(shù)(Kst)(536barm/s,18barm/s,91barm/s)比其相對微米級別的數(shù)值要低(7-12,5.2,8)和(300-700,50,151);而納米銅粉的Pmax為1.2bar,粉Kst為3barm/s,微米銅粉則無法點燃。楊麗通過不同微米、納米尺度金屬鐵粉燃燒過程的熱重試驗發(fā)現(xiàn),隨著粒徑從微米減小到納米尺度,金屬顆粒所對應(yīng)的反應(yīng)溫度和最高燃燒溫度均明顯降低,燃燒著火點溫度明顯降低,表觀活化能迅速減小,因此得出金屬鐵粉的燃燒特性隨粒徑的減小而迅速提高。Bouillard測得直徑為3nm的納米碳的Pmax為7.2bar,略低于Bartknecht測試的直徑小于63μm碳粉末Pmax(8.2bar);Vignes通過比較多壁碳納米管和碳黑粉末的燃爆性能發(fā)現(xiàn),碳納米管的反應(yīng)活性僅略高于碳黑粉末。這些原因可能是因為當(dāng)顆粒的粒徑小到一定的程度(對于非金屬顆粒在50μm以下)時,燃燒的環(huán)境成為主導(dǎo)因素,且以氣相為主,因此其Pmax和壓升速率基本保持不變。劉琴通過快速稀釋納米黑索金(RDX)溶液,使其在非溶劑中快速結(jié)晶的方法制備了RDX粉體(120nm、80nm、60nm及50nm),并對其進行了爆炸性能測試,與工業(yè)RDX進行比較發(fā)現(xiàn),納米RDX的摩擦感度大幅度上升。RitsuDobashi對可燃性微米材料和可燃性氣體的最小點火能和最大升壓速率進行了分析,由于納米材料的粒徑介于二者之間,因此推測可燃性納米材料的燃爆性能也介于二者之間。DKPritchard指出,必須對納米粒徑下的多種金屬、非金屬、金屬氧化物進行多尺寸的實驗研究,才能確定可燃性納米材料的燃爆性能與常規(guī)尺寸顆粒的區(qū)別,因為在納米尺寸下,顆粒的團聚、金屬顆粒的氧化、顆粒的表面積都可能成為主導(dǎo)納米材料性質(zhì)的主要因素,在常規(guī)尺寸下不燃的顆粒在納米尺寸下可能燃燒,反之亦然。以上文獻可以看出,國內(nèi)外針對可燃性納米材料的燃爆性能研究還處于起步階段,目前進行研究的納米材料尺度范圍還較少,對不同粒徑的燃燒特性和趨勢還無法得出較有說服力的結(jié)論。因此,進一步開展可燃性納米材料的燃爆性能研究,將是今后納米材料安全性研究的一個重要方向。3納米材料的安全性評價體系納米材料作為一種新型的材料,正在廣泛應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域,但由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,必須對其毒理學(xué)和安全性進行研究與評估。雖然國內(nèi)外不少學(xué)者對此展開了初步的研究,獲得了一些數(shù)據(jù)和成果,但當(dāng)前納米材料的研發(fā)速度要遠遠快于對納米材料安全性的評價速度,大部分的納米材料由于沒有充足的實驗數(shù)據(jù),無法建立相應(yīng)的理論體系,其毒理學(xué)和安全性也難以開展深入的研究,該領(lǐng)域存在著許多亟待研究和亟需解決的問題。(1)納米材料毒性與粒徑大小有著重要關(guān)聯(lián),需要比較不同粒徑的同種納米材料的毒性,通過研究如何運用現(xiàn)有的超細顆?；蚣毼㈩w粒毒理學(xué)資料數(shù)據(jù)庫外推納米材料的毒性是一個重要研究方向。但由于納米材料具有獨特的理化性質(zhì),其毒性可能與超細顆?；蚣毼㈩w粒毒性迥異,在何種程度上可以進行外推,兩者間是否存在規(guī)律性仍是個有爭議的話題。(2)納米材料對生物及其器官、組織、細胞和分子等會有不同層面的影響,在哪個層面上的影響最值得注意,以及它們相互之間的聯(lián)系都是值得研究的課題。納米材料目前的研究多集中在整體水平和細胞水平上。分子水平上研究納米物質(zhì)與生物分子的相互作用及其對生物分子結(jié)構(gòu)和功能的影響的相關(guān)報道很少,而生物分子水平上的研究卻更能揭示其本質(zhì)。(3)目前作業(yè)場所納米材料暴露評價的理論、技術(shù)不成熟,尤其是作為暴露評價第一步的納米材料采樣系統(tǒng)的缺失和不完善,制約了整個作業(yè)現(xiàn)場納米材料的暴露評價的開展,也就不能在人體和人群中開展納米材料健康危害風(fēng)險研究及流行病學(xué)研究,無法獲得納米材料對人體危害的直接證據(jù)以及風(fēng)險控制所需的職業(yè)暴露限值,無法判斷納米材料的毒理學(xué)和安全性。(4)針對納米材料尤其是可燃性納米材料的燃爆性能的研究文獻多來源于國外,在國內(nèi)開展的較少,而且該方面的研究文獻總體較少,實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)較缺乏,對納米材料的燃爆機理認識不清。(5)納米技術(shù)在健康和安全方面的風(fēng)險尚無統(tǒng)一的評估程序和評估方法,納米材料生產(chǎn)企業(yè)無法建立工業(yè)納米材料的安全暴露評價體系,作業(yè)場所納米材料暴露評價相關(guān)標準和職業(yè)接觸限值缺失,導(dǎo)致目前監(jiān)管部門缺少對作業(yè)場所納米材料暴露風(fēng)險的管理。4關(guān)于納米中毒和安全的研究針對目前納米材料研究的現(xiàn)狀,本文建議相關(guān)研究機構(gòu)和科研院所可在以后幾方面開展該領(lǐng)域的研究工作。(1)納米材料的研究納米科技是一門新生的產(chǎn)業(yè),對納米材料的研究國內(nèi)外也都處于開始階段,各國也都相當(dāng)重視,尤其是國內(nèi),應(yīng)當(dāng)抓住機遇,從國家層面加大對納米材料毒理學(xué)和安全性方面的研究力度。納米材料毒理學(xué)和安全性的研究綜合性非常強,需要形成以毒理學(xué)和環(huán)境科學(xué)為主導(dǎo),建立生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的合作研究網(wǎng)絡(luò)。各大院所、高校應(yīng)當(dāng)增設(shè)相關(guān)的專業(yè),課程,相關(guān)科技管理部門設(shè)立研究課題,培養(yǎng)納米材料毒理學(xué)和安全性方面的研究人才,提高科研能力,使我國納米材料的研究走在世界的前列。(2)加強納米顆粒采樣系統(tǒng)研究Pui等模擬生產(chǎn)納米材料工廠的研究發(fā)現(xiàn),空氣過濾循環(huán)裝置能夠有效降低空氣中的納米顆粒,但相關(guān)的監(jiān)控設(shè)備需要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改進,且需要大量的資金投入。納米顆粒的監(jiān)測和控制方法同樣也是納米材料毒理學(xué)和安全性評價的基礎(chǔ),因此,建議相關(guān)研究機構(gòu)開展納米顆粒采樣系統(tǒng)研究,掌握納米顆粒采樣系統(tǒng)的核心技術(shù),突破西方發(fā)達國家的技術(shù)壁壘,填補我國沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米顆粒采樣器的空白,促進納米顆粒的暴露評價和風(fēng)險管理;通過研究納米顆粒的個體防護技術(shù)和開發(fā)相應(yīng)的個體防護裝備,例如對納米顆粒的呼吸道防護器材進行深入研究,切實保護作業(yè)人員的健康和安全,促進我國納米行業(yè)的