納米材料的毒性效應(yīng)研究

納米材料的毒性效應(yīng)研究

0納米生物效應(yīng)與安全性的研究納米顆粒是指直徑為1.10納米的材料。它在導(dǎo)電、反應(yīng)和光澤方面表現(xiàn)出許多令人難以置信的特性。近年來(lái),隨著納米科技的迅猛發(fā)展,各種人造納米材料已經(jīng)在醫(yī)藥、化妝品和電子等產(chǎn)品中廣泛使用。納米材料既可以造福人類,也可能給環(huán)境和人體健康帶來(lái)影響。然而,納米材料的生物安全性現(xiàn)在還是未知數(shù),關(guān)于它對(duì)健康的影響也還沒(méi)有成熟的分析方法。據(jù)美國(guó)紐約羅切斯特大學(xué)研究人員的實(shí)驗(yàn)顯示,實(shí)驗(yàn)鼠吸入納米材料可能對(duì)多個(gè)臟器和中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。雖然現(xiàn)在人們還不知道納米粒子進(jìn)入大腦并堆積起來(lái)會(huì)產(chǎn)生何種影響,但是納米物質(zhì)應(yīng)用的安全性早就被那些對(duì)納米研究持謹(jǐn)慎態(tài)度的學(xué)者所重視。有些科學(xué)家甚至提出,為保證人類健康和環(huán)境安全,應(yīng)暫停納米材料研究。著手研究納米材料的安全性,并不是因?yàn)榧{米材料已經(jīng)引發(fā)了什么安全問(wèn)題,而是要為這種新材料廣泛應(yīng)用于日常生活作準(zhǔn)備。美國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)多年前就已致力于富勒烯、單壁和多壁碳納米管以及氧化鈰納米材料的安全性評(píng)估。進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)開始高度關(guān)注納米生物效應(yīng)與安全性的研究。目前,中國(guó)科學(xué)院高能物理所以大科學(xué)平臺(tái)為中心,結(jié)合核分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期開展的稀土和重金屬生物效應(yīng)、有機(jī)鹵素毒理及環(huán)境毒理學(xué)研究的豐富經(jīng)驗(yàn),已從生物整體水平、細(xì)胞水平、分子水平和環(huán)境等幾個(gè)層面開展納米生物效應(yīng)的研究工作。預(yù)計(jì)在未來(lái)的研究中會(huì)有更多的人員加入這一行列,這預(yù)示著納米技術(shù)研究和材料應(yīng)用即將進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。1納米材料的毒性研究納米材料主要具有4個(gè)方面的效應(yīng),即小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng),由這些效應(yīng)可導(dǎo)致異常的吸附能力、化學(xué)反應(yīng)能力、分散與團(tuán)聚能力等,其特性與大塊的材料有明顯區(qū)別。例如一般的微米Cu粉被認(rèn)為是無(wú)毒的,但研究發(fā)現(xiàn),納米Cu粉對(duì)小鼠的脾、腎、胃均能造成嚴(yán)重傷害,而相同劑量的微米Cu粉卻沒(méi)有損害。納米材料具有的獨(dú)特理化性質(zhì)決定了其毒理學(xué)研究的特點(diǎn),諸多研究已表明納米物質(zhì)可能具有與常規(guī)尺寸物質(zhì)不同的毒性。首先,納米顆粒結(jié)構(gòu)微小,能夠輕易進(jìn)入機(jī)體,并能穿透細(xì)胞膜,引起類似環(huán)境超微顆粒所致的炎癥反應(yīng)。一般理論認(rèn)為,同一化學(xué)物的納米級(jí)顆粒與微米級(jí)顆粒相比,其致炎性和致腫瘤性等毒性可能更大。其次,納米材料的比表面積巨大,具有高表面活性。該特性一方面有利于將其運(yùn)用于環(huán)境污染物的化學(xué)和(或)生物降解,另一方面可能導(dǎo)致其對(duì)生物體毒效應(yīng)的放大。再次,納米材料的主要暴露途徑是通過(guò)呼吸道或皮膚。最后,通過(guò)對(duì)納米材料的表面進(jìn)行化學(xué)修飾可以降低顆粒的聚集傾向和毒性。把納米材料放在環(huán)境中來(lái)考慮,將發(fā)現(xiàn)它們有許多共同的環(huán)境和生態(tài)特征,歸納為如下幾點(diǎn):生物大分子的強(qiáng)烈結(jié)合性、生態(tài)系統(tǒng)的潛在蓄積毒性、多種污染物的組合復(fù)合性;擴(kuò)散和遷移的傳播廣闊性。影響納米材料毒性的因素很多,如顆粒大小、數(shù)目、濃度、表面積、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)等。由此可見,納米材料的本身特性決定了其會(huì)對(duì)生物體及生態(tài)環(huán)境造成污染,從而危及人類健康。同時(shí),納米材料的生物安全性研究還牽涉到環(huán)境保護(hù)、社會(huì)安全、倫理道德等許多方面。所以,世界衛(wèi)生組織呼吁要優(yōu)先研究納米尺度顆粒物的生物效應(yīng)。2納米顆粒的潛在毒性納米材料主要通過(guò)呼吸系統(tǒng)、皮膚接觸、食用和注射及在生產(chǎn)、使用、處置過(guò)程中向環(huán)境釋放等途徑向生物體和環(huán)境暴露而產(chǎn)生威脅。首先,納米顆粒通過(guò)呼吸系統(tǒng)被生物體吸收。如研究人員和工廠的工人容易暴露在納米顆粒濃度高的空氣中,主要以被動(dòng)擴(kuò)散方式通過(guò)細(xì)胞膜吸收,由于其粒徑非常小(1~100nm),所以其布朗運(yùn)動(dòng)速度很快,主要附著于肺泡和較大的支氣管內(nèi)。附著在肺泡表面的難溶顆粒,有的被滯留,以致引起病變;有的可到達(dá)淋巴腺或隨淋巴液到達(dá)血液,可能具有較高毒性。近來(lái)多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),納米材料可以在動(dòng)物的呼吸道各段和肺泡內(nèi)沉積,并且可以致明顯的肺泡巨噬細(xì)胞(AM)損傷。其次,皮膚是人類阻擋外源污染物質(zhì)的重要屏障系統(tǒng),污染物主要通過(guò)表皮脂質(zhì)屏障經(jīng)皮膚吸收。如皮膚吸收通常發(fā)生于使用含TiO2或ZnO納米顆粒的化妝品。再次,食用和注射難溶性藥物的消化道吸收率和藥效與藥物的粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系也人所共知。然而,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)藥物制劑的粒徑變小而其毒副作用卻得到不同程度的增大。常規(guī)藥物被納米顆粒物裝載后,急性毒性、骨髓毒性、細(xì)胞毒性、心臟毒性和腎毒性明顯增強(qiáng)。最后,針對(duì)在生產(chǎn)、使用、處置過(guò)程中向環(huán)境釋放,有研究者提出,納米顆粒難溶于水,故不必?fù)?dān)心其會(huì)污染地下水環(huán)境。但有研究發(fā)現(xiàn),由于納米碳管具有相當(dāng)大的表面積,所以其他種類的分子能夠吸附在碳管上,并通過(guò)地下水作用將污染物大面積傳播,導(dǎo)致環(huán)境惡化。也有研究表明,C60是一種親水的納米材料,可以在沒(méi)有任何表面處理的情況下于水中形成膠體樣物質(zhì),其溶解度是多環(huán)芳烴(PAHs)在水中溶解度的100余倍,而水中很低濃度的PAHs也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響,因此推測(cè)C60可能具有相似的屬性,因此有必要評(píng)價(jià)水環(huán)境中可能存在的納米顆粒的理化特性。除了暴露途徑,暴露劑量是另一個(gè)重要的問(wèn)題。納米尺寸是決定納米顆粒毒性的一個(gè)因素,但是納米顆粒的總表面積(由尺寸和總劑量決定)也非常重要。表面反應(yīng)活性低的納米顆粒對(duì)人類和其他動(dòng)物的潛在毒性與暴露的劑量和途徑有關(guān)。因此,盡量減少以及準(zhǔn)確確定暴露的劑量十分關(guān)鍵。但是,由于納米顆粒的團(tuán)聚特性,目前還很難準(zhǔn)確測(cè)定人或生物在某一環(huán)境中對(duì)某一尺寸的暴露劑量。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,隨著納米材料的廣泛應(yīng)用,通過(guò)大氣、水和土壤等途徑將不可避免地造成對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的暴露。因此有必要對(duì)納米材料的生物效應(yīng)進(jìn)行研究,建立納米材料安全性研究體系,以評(píng)價(jià)其環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。3納米中毒的機(jī)制納米材料產(chǎn)生毒性效應(yīng)的可能機(jī)制有自由基機(jī)制、分子機(jī)制和免疫機(jī)制等。3.1納米顆粒物代謝有關(guān)納米材料的各種體內(nèi)和體外化學(xué)試驗(yàn)都表明可以產(chǎn)生活性氧自由基,如量子點(diǎn)、單壁碳納米管、C60富勒烯、超細(xì)顆粒物等,暴露于光、紫外線、過(guò)渡金屬的條件下均可生成ROS。粒徑和化學(xué)組分不同的各種納米顆粒物也會(huì)影響線粒體的代謝,因?yàn)榫€粒體是自由基活化組織,因此可能改變ROS的產(chǎn)生,負(fù)載或干擾機(jī)體抗氧化防御機(jī)制。如C60富勒烯作為產(chǎn)生超氧自由基的標(biāo)準(zhǔn)納米顆粒物,其確切的發(fā)生機(jī)制可能包括:納米顆粒物產(chǎn)生的光激發(fā)促使系統(tǒng)內(nèi)自由電子的產(chǎn)生;納米顆粒物的代謝產(chǎn)生自由基活化介質(zhì),特別是這種代謝是經(jīng)細(xì)胞色素P450誘導(dǎo)的;體內(nèi)炎癥反應(yīng)可能導(dǎo)致巨噬細(xì)胞釋放氧自由基。3.2超氧化衍生物及細(xì)胞骨架納米顆粒沉積在肺部后,可能破壞細(xì)胞膜或直接通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,并與細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)、蛋白和核酸等生物大分子相互作用,改變生物大分子的構(gòu)型和構(gòu)象,從而改變生物大分子的相應(yīng)功能。Christie等研究了水溶性富勒烯衍生物對(duì)細(xì)胞膜的損傷作用,發(fā)現(xiàn)富勒烯衍生物能產(chǎn)生超氧陰離子。這些自由基通過(guò)脂質(zhì)過(guò)氧化破壞細(xì)胞膜,使細(xì)胞喪失正常的功能,但DNA的質(zhì)量濃度和線粒體的活力沒(méi)有受到多大影響。細(xì)胞骨架由蛋白纖維組成,具有支撐細(xì)胞、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、信息傳遞、細(xì)胞增殖和輔助基因表達(dá)等功能。Moller等研究了幾種納米顆粒對(duì)巨噬細(xì)胞骨架的影響,發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量濃度的納米顆粒會(huì)使細(xì)胞骨架的正常功能喪失,表現(xiàn)為阻止細(xì)胞間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn),增加細(xì)胞的硬度,破壞巨噬細(xì)胞的吞噬能力,妨礙細(xì)胞增殖,導(dǎo)致肺部慢性炎癥。目前建立的毒理學(xué)機(jī)制理論較多,彼此之間存在著一定的矛盾。但一般而言,納米材料的生物效應(yīng)主要與納米顆粒本身性質(zhì)(如質(zhì)量、粒子數(shù)、粒徑、表面積等)及納米粒子表面修飾(吸附、鍵合、載帶等)有關(guān)(見圖1)。4納米顆粒的安全性評(píng)價(jià)近年來(lái),納米技術(shù)和納米材料所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益和技術(shù)進(jìn)步相當(dāng)?shù)目捎^,這種新材料和新技術(shù)可能帶來(lái)的生物安全性方面的影響和相關(guān)的研究也逐漸被認(rèn)識(shí)和重視。美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)(USenvironmentalprotectionagency)已確認(rèn)了一些關(guān)于納米顆粒安全性評(píng)價(jià)的課題,如人造納米顆粒的毒理學(xué),使用已知顆粒和纖維的毒理數(shù)據(jù)外推人造納米顆粒毒性的可能性,人造納米顆粒對(duì)環(huán)境和生物的傳送、持續(xù)和轉(zhuǎn)化等。英國(guó)政府也要求皇家學(xué)會(huì)和皇家工程院研究納米技術(shù)可能造成的倫理和社會(huì)問(wèn)題,在一定期限內(nèi)發(fā)布研究報(bào)告。國(guó)內(nèi)也有一些研究人員較早地認(rèn)識(shí)到這一方面研究的重要性,并開展了一些初步的研究與探討。4.1cdse法上的量測(cè)首先是碳納米管的毒性研究,由于單壁碳納米管在機(jī)械和電子磁性方面有優(yōu)越的性質(zhì),因此有著廣泛的應(yīng)用和商業(yè)價(jià)值。未被處理過(guò)的碳納米管非常輕,有可能通過(guò)空氣到達(dá)人的肺部。因此,單壁碳納米管對(duì)于環(huán)境和生物的安全性也最先被人們注意。在單壁碳納米管肺部毒性研究方面,美國(guó)NSAJohnson空間中心的ChiuWingLam等和美國(guó)杜邦公司的DavidB.Warheit等已經(jīng)做出了相關(guān)的研究。其次,納米量子點(diǎn)是研究重點(diǎn),它的特征是材料的尺寸在三維方向上均小于電子的自由程,因此在這種材料中電子在空間的運(yùn)動(dòng)受到限制,在不同方向上的電子能級(jí)都是離散的,從而表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì),如電子隧道效應(yīng)、單色光發(fā)射等。量子點(diǎn)由于具有獨(dú)特的熒光效應(yīng),廣泛用于生物學(xué)標(biāo)記,因此,量子點(diǎn)的毒性問(wèn)題也隨之產(chǎn)生。量子點(diǎn)的毒性主要取決于量子點(diǎn)的材料組成、量子點(diǎn)的大小和表面修飾情況等。美國(guó)加州大學(xué)SanDiego分校的AustinM.Derfus等發(fā)現(xiàn),以CdSe為核心的半導(dǎo)體量子點(diǎn)在某些情況下有很強(qiáng)的毒性。當(dāng)合成半導(dǎo)體量子點(diǎn)的時(shí)候改變參數(shù),暴露在紫外線下和表面修飾后,量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性會(huì)有所變化。進(jìn)一步研究揭示了細(xì)胞毒性與自由Cd2+的釋放有關(guān)。當(dāng)經(jīng)過(guò)合適的修飾,以CdSe為核心的半導(dǎo)體量子點(diǎn)可變得無(wú)毒并且可在體外進(jìn)行細(xì)胞移植和重組。美國(guó)CaseWesternReaserve大學(xué)的研究人員對(duì)包含DNA的納米顆粒進(jìn)行了毒性研究,將DNA壓縮在多聚L-賴氨酸內(nèi),然后包在納米顆粒中,用聚乙烯乙二醇將這種納米顆粒修飾在半胱氨酸的N端,這樣做可以有效地通過(guò)某種途徑轉(zhuǎn)染上皮細(xì)胞。在10g的劑量下,DNA納米顆粒沒(méi)有出現(xiàn)可察覺(jué)到的毒性,并且在這個(gè)劑量上有最高的基因表達(dá)。這個(gè)比較好的毒性測(cè)試結(jié)果有助于控制穩(wěn)定的壓縮DNA的發(fā)展。4.2急性經(jīng)口毒性研究我國(guó)關(guān)于納米材料毒性相關(guān)研究還很缺乏,盡管已經(jīng)取得了一些初步的研究結(jié)果,但與納米材料研究相比尚處于起步階段。納米材料的生物安全性研究不僅對(duì)人體健康具有重要意義,而且還牽涉到勞動(dòng)保護(hù)、資源利用等許多方面,所以應(yīng)該引起我國(guó)政府的高度重視。首先是納米磁性材料的研究,由于納米磁性材料是一種磁性強(qiáng)、制備相對(duì)簡(jiǎn)單、生物相容性較好的材料,因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院新藥臨床前藥理基地對(duì)由表面包覆谷氨酸分子的球形γ-Fe2O3和Fe3O4磁性納米顆粒制成的抗癌材料進(jìn)行了毒性檢測(cè),未見Fe2O3磁性納米材料對(duì)哺乳動(dòng)物體細(xì)胞及生殖細(xì)胞有遺傳毒性作用,在連續(xù)給藥14天后,該材料無(wú)毒性反應(yīng)劑量是人體推薦注射量(國(guó)內(nèi):0.56~0.84mg/(kg·次))的10倍以上;而Fe3O4磁性納米顆粒無(wú)體細(xì)胞致突變作用,但經(jīng)口染毒可能會(huì)對(duì)雄性生殖細(xì)胞有致突變作用。湖南大學(xué)的李杜等對(duì)無(wú)機(jī)硅殼類納米顆粒進(jìn)行了細(xì)胞毒性的研究,利用無(wú)機(jī)SiO2納米顆粒(SiNP)、SiO2殼熒光納米顆粒(FSiNP)以及SiO2磁性納米顆粒(MSiNP)對(duì)美洲綠猴腎細(xì)胞、鼻咽癌細(xì)胞系和乳腺癌細(xì)胞系進(jìn)行了毒性研究。結(jié)果表明,在有效濃度范圍內(nèi),無(wú)機(jī)硅殼類納米顆粒具有很好的生物相容性,對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝沒(méi)有明顯影響,從而為無(wú)機(jī)SiO2納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。賈元宏等對(duì)一種以納米硅基氧化物(SiO2-x)、納米載銀抗菌粉、納米載鋅抗菌粉為主要成分的復(fù)方抑菌劑進(jìn)行了抑菌效果和毒性試驗(yàn)。結(jié)果表明,該抑菌劑對(duì)雌、雄小白鼠口服LD50均大于5000mg/kg,按急性經(jīng)口毒性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),屬實(shí)際無(wú)毒物質(zhì);在家兔急性皮膚刺激試驗(yàn)中,未見紅斑、水腫和其他異?，F(xiàn)象;而對(duì)大白兔進(jìn)行眼刺激試驗(yàn)后,3只出現(xiàn)輕度分泌物,且角膜、虹膜均正常,48h后恢復(fù)正常,屬無(wú)急性刺激性物質(zhì);小白鼠蓄積系數(shù)k>5,屬弱蓄積性物質(zhì)。此外,國(guó)內(nèi)外學(xué)者還對(duì)固體脂質(zhì)納米顆粒、納米聚四氟乙烯和碳顆粒、齒科樁釘用納米SiO2/S-Gf/EAM復(fù)合材料等的生物安全性問(wèn)題進(jìn)行了初步研究,取得了一些成果,但這些研究?jī)H僅是納米材料中的很少一部分,而且研究中仍存在一些不足。納米材料生物安全性研究是一個(gè)典型的綜合性強(qiáng)的交叉學(xué)科領(lǐng)域,需要綜合利用各種研究方法和手段,才能有效地完成納米生物環(huán)境效應(yīng)的研究。作為“科學(xué)技術(shù)的眼睛”的分析科學(xué),在這項(xiàng)研究中有著極其重要的作用。傳統(tǒng)用于研究納米生物環(huán)境效應(yīng)的方法,如MTT(一種黃顏色的染料)法(一種檢測(cè)細(xì)胞存活和生長(zhǎng)的方法)適合常規(guī)物質(zhì)(如重金屬離子、有機(jī)污染物)的檢測(cè),但不一定適合具有特殊性質(zhì)的納米尺度物質(zhì)的檢測(cè)。此外,這些傳統(tǒng)的檢測(cè)方法靈敏度不夠高,而且費(fèi)時(shí)、復(fù)雜,不利于掌握和操作。近年來(lái),光傳感器為生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)的研究提供了許多新的、高靈敏度的分析手段,推動(dòng)了這些學(xué)科理論和高新技術(shù)的發(fā)展。如用發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光體系來(lái)研究存在于水體中的納米材料的生物效應(yīng);用綠色植物葉子的延遲化學(xué)發(fā)光來(lái)研究存在于大氣中的納米粉末對(duì)光合作用過(guò)程的影響等;并進(jìn)一步研究納米材料的粒徑、濃度、形貌等對(duì)其生物環(huán)境效應(yīng)的影響,從而建立起簡(jiǎn)單、快速、靈敏地研究納米材料生物環(huán)境安全性的新方法和新技術(shù)。5納米材料的安全性評(píng)價(jià)綜上所述,納米材料已經(jīng)顯示出一些特殊的生物效應(yīng)以及對(duì)人體和環(huán)境健康潛在的影響,但目前對(duì)納米材料的生物效應(yīng),尤其是毒理學(xué)與安全性問(wèn)題,也只是對(duì)眾多納米材料中的少數(shù)幾種有所研究,且研究數(shù)據(jù)也很不全面。更重要的是,當(dāng)我們討論納米材料的生物效應(yīng)或毒性時(shí),不能泛泛而言,必須明確材料的種類、形態(tài)、尺寸(粒徑)以及劑量等參數(shù)的影響。今后具體的研究重點(diǎn)應(yīng)包括如下幾點(diǎn):(1)從納米材料本身的性質(zhì)和包被出發(fā),可以發(fā)現(xiàn)在不同的外部條件下,如改變納米材料表面的電荷性質(zhì),相同的納米材料可能會(huì)出現(xiàn)不同的毒性,因此納米材料在不同的外部條件下發(fā)生怎樣的毒性改變,如何通過(guò)改變外在條