纳米材料生物安全性评价研究进展

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纳米技术的定义

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物。纳米科技的神奇之处在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，因此可能可以有许多重要的应用，也可以制造许多有趣的材质。第二页，共43页。第三页，共43页。·1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“ＩＢＭ”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。·1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。·1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。·近年，近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。第四页，共43页。第五页，共43页。技术分类

1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。第六页，共43页。第七页，共43页。关键突破

1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。第八页，共43页。研究应用

当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。2、纳米技术带动了技术革命。3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，可让医生对症下药。第九页，共43页。第十页，共43页。纳米技术的内容纳米技术包含下列四个主要方面：1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。

纳米技术不同于微米技术。后者是利用光刻及腐蚀等技术，从宏观尺度自上而下地进行材料的制造，集中表现在集成电路的生产等方面。而纳米技术则相反，其突出特点是基于自组装这种自下而上的方式制造纳米材料。

第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

第十一页，共43页。⒉纳米动力学主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

第十二页，共43页。⒊纳米生物学和纳米药物学如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

⒋纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。第十三页，共43页。第十四页，共43页。纳米技术应用

纳米技术是近年来出现的一门高新技术，目前已成功用于许多领域，现在主要讲下面几个方面：1、纳米技术在生物、医药学中的应用

医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。2、纳米技术在家用中的应用家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。

3、纳米技术在电子计算机和电子工业中的应用

可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。第十五页，共43页。5、纳米技术在环境保护中的应用环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。6、纳米技术在纺织工业领域的应用在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。7、纳米技术在机械工业中的应用采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。第十六页，共43页。目前，纳米材料生物安全性评价体系的建立还处在探索阶段，对纳米材料生物安全性评价还主要集中于对其健康效应的毒理学研究，而针对纳米材料的系统人群流行病学研究开展较少。第十七页，共43页。

随着纳米技术的飞速发展，各种纳米材料大量涌现，其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景，人们接触纳米材料的机会也随之迅速增多。对纳米材料的生物安全性进行评价成为迫在眉睫的问题。然而，现有的环境与职业卫生接触标准及安全性评价标准及方法能否直接适用于纳米材料还未能确定，纳米材料生物安全性评价体系的建立还处在探索阶段。目前，对纳米材料生物安全性评价还主要集中在对其健康效应的毒理学研究。本文从人群流行病学和实验室研究两个方面分析纳米材料生物安全性的研究进展。第十八页，共43页。第十九页，共43页。1人群流行病学研究

美国和欧洲的科学家针对大气污染物中纳米颗粒成分进行了一项长达20年的流行病学研究，结果发现：人群发病率和死亡率与他们所处生活环境空气中大气颗粒物浓度和颗粒物大小密切相关，死亡率增加是由浓度非常低的相对较小的颗粒物的增加引起的［2］。世界卫生组织（WHO）［2］对已有的实验数据进行分析发现：①周围空气10μm的颗粒每增加100μg/m3，死亡率增加6%～8%，周围空气2.5μm的颗粒每增加100μg/m3，死亡率增加12%～19%；②周围空气10μm的颗粒每增加50μg/m3，住院病人增加3%～6%，周围空气2.5μm的颗粒每增加50μg/m3，住院病人增加25%；③周围空气10μm的颗粒每增加50μg/m3，哮喘病人病情恶化和使用支气管扩张器增加8%，咳嗽病人增加12%。第二十页，共43页。

大气纳米颗粒的流行病学研究结果为纳米材料的生物安全性评价提供了参考，但是，纳米材料特殊的理化性质对其粒径、组成和在媒介中分布情况的影响是否与人们所熟悉的总悬浮颗粒物（TSP）、PM10和超细颗粒物（UFPs）等具有相似性，目前还没有科学定论；能否将大气纳米颗粒的流行病学研究结果简单地外推到纳米材料上，也还有待研究证实。

随着越来越多的纳米材料、纳米产品进入人们的日常生活，它究竟会对环境及健康引起什么样的生物效应，我们知之甚少。到目前为止，仍未见专门针对纳米材料的系统人群流行病学研究报道，更无纳米材料全面的生物安全性评价资料。第二十一页，共43页。2实验室研究

近几年，纳米毒理学研究成为纳米材料生物安全性评价研究的一个热点，从传统对呼吸系统、消化系统和皮肤功能的影响研究扩展到当前流行的生物学终点研究，例如纳米材料引发的呼吸道和心血管系统炎症反应的氧化应激、细胞信号传导的改变以及炎症介子的激活和释放情况；从研究纳米材料对生物体局部影响的观察到对各种纳米材料在体内的吸收、分布、代谢和清除，以及生物靶器官相互作用规律的系统研究。纳米毒理学的快速发展，为纳米材料生物安全性评价体系的建立积累了重要的数据资料，同时，为探索纳米材料生物安全性评价方法以及纳米材料安全性标准及安全防护提供了科学线索。第二十二页，共43页。第二十三页，共43页。2.1纳米材料的毒代动力学研究

纳米材料进入机体后，可以向全身组织弥散。WANG等［3］用放射性125I标记的单壁碳纳米管（Single-walledcarbonnanotube，SWCNT）经灌胃、腹腔注射和静脉等不同途径给药后，相对分子质量超过60万的SWCNT可以像小分子一样在身体各部分间自由穿梭，迅速分布于小鼠身体各器官组织中（除大脑），这一点与常规物质截然不同。第二十四页，共43页。

一般而言，纳米材料在体内组织间的弥散主要有以下3种途径：①由呼吸道表面向黏膜下组织弥散：OBERDORSTER等［4］发现，大鼠暴露于20nm多聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）4h后，PTFE已经进入呼吸道黏膜下及肺泡间质区。LAM［5］和WARHEIT［6］也观察到了SWCNT向动物肺间质组织弥散的情况。②通过循环系统弥散：OBERDORSTER等［7］给大鼠吸入13C颗粒（30nm），24h后在肝脏中发现了聚集的13C。③穿透血脑屏障：KREUTER等。［8］发现，静脉注射聚山梨酯-80包裹的阿霉素纳米颗粒，可被大脑毛细血管内皮细胞吞噬后穿透大鼠血脑屏障。OBERDORSTER等。［9］还发现了另一种进入中枢神经系统的可能通路——嗅神经通路。所有这些说明，纳米材料进入机体后可以在体内弥散，因此有必要对其毒代动力学进行深入研究。第二十五页，共43页。第二十六页，共43页。2.2纳米材料的整体生物效应初步研究结果显示，不同的纳米材料会出现不一样的毒作用表现；同一种材料纳米级和微米级可能出现不同的生物毒性。ZHAO等［10］发现在生理盐水溶液中<100nm的磁性纳米微粒，仅仅微克量级进入小鼠血管就能很快导致凝血现象以致堵塞血管，导致小鼠死亡。说明这种纳米材料进入生物体容易与心血管系统相互作用，可能有导致心血管疾病的潜在危险。进一步研究发现，对这种纳米材料表面进行化学修饰，可以极大地改变它的生物效应。研究发现，纳米Cu粉对小鼠的脾、肾、胃均能造成严重损伤，而相同剂量的微米Cu粉却未发现损伤。第二十七页，共43页。

同样的情况出现在对二氧化钛（TiO2）颗粒的研究中，FERIN等［11］研究发现纳米TiO2（平均直径为20nm）引起的大鼠肺部炎症比相同空气质量浓度的微米级TiO2（平均直径为250nm）更为严重。

但是，也不是所有的纳米材料都如此。比如，研究［12］发现纳米ZnO与通常的微米ZnO都几乎没有生物毒性。这些研究结果改变了人们对颗粒毒性问题的认识：即使是无毒或低毒的细颗粒材料，其纳米颗粒也可能会变得有毒。因此，此类曾被认为无毒或极低毒物质的纳米级颗粒以及其他纳米颗粒成了毒理学研究的热点。第二十八页，共43页。第二十九页，共43页。2.3纳米材料对呼吸系统的影响2.3.1在呼吸系统内的沉积国际放射线防护委员会（ICRP）1994年的研究指出［13］，纳米材料可以在人类呼吸道及肺泡中沉积。

粒径为1nm的颗粒，90%左右沉积在鼻咽部，其余10%沉积在气管、支气管区，肺泡中几乎不沉积；粒径为5～10nm的成分，沉积在上述3个区域均为20%～30%；粒径为20nm的成分，有50%左右沉积在肺泡内。这说明纳米材料在人呼吸道内的沉积部位与粒径有关。近来的多项研究也发现纳米材料可以在动物的呼吸道各段和肺泡内沉积。虽然被吸入体内的纳米材料质量浓度并不高，但由于粒径极小，数量是极大的，所有这些都为纳米材料致肺脏损伤提供了可能。第三十页，共43页。2.3.2对肺的炎性刺激AFAQ等［14］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，同时细胞内的谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、谷胱甘肽硫转移酶的活性均升高，而且，酶活性升高并没有阻止脂质过氧化和过氧化氢的生成，这表明受到纳米TiO2作用时，尽管细胞启动自我保护机制诱导了抗氧化酶的生成，却未能消除其产生的毒副作用。进一步的研究观察发现纳米TiO2引起了支气管肺泡灌洗液内蛋白质总量乳酸脱氢酶及b-葡萄糖苷酸酶的活性普遍升高，而且比表面积效应曲线与实际的炎症情况有很好的相关性。第三十一页，共43页。OBERDORSTER等［15］用粒径为20nm和200nm的TiO2做了大鼠亚慢性吸人实验，发现20nmTiO2不仅有很强的生物效应，而且也显现出不同的毒代动力学表现，使肺在低于颗粒容积负荷的情况下出现清除能力显著下降，并导致炎症反应增强的现象。WARHEIT等［16］研究了SWCNT对大鼠的影响，结果也观察到了肺损伤和肉芽肿的形成，但是，SWCNT暴露所导致的是多病灶肉芽肿，且没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现，这种肉芽肿损伤更像免疫反应或是肺对外来物质的清除反应，这预示着SWCNT具有新的致肺损伤机制。第三十二页，共43页。2.3.3致肺巨噬细胞（AM）损伤纳米材料可引起暴露动物肺的清除能力下降，并导致明显的AM损伤［17，18］。RENWICK［19］等发现，小鼠AM在含有纳米炭黑（14.3nm）及纳米TiO2（29.0nm）的培养基中培养8h后，其吞噬能力受到了明显的抑制。RENWICK等［20］用健康志愿者的AM暴露于0.03～3μg/106的纳米碳微粒中发现，AM对SiO2微粒的贴附和吞噬功能都受到了抑制。ZHANG等［21］发现纳米材料可以对AM细胞膜造成损伤。MOELER等［22］发现了纳米材料对AM骨架的影响。第三十三页，共43页。2.3.4致肺部氧化损伤纳米材料致肺部炎症和损伤与其小粒径和大表面积的特性有关，同时也与纳米材料刺激机体产生自由基继而引发氧化损伤有关。DICK等［23］比较了纳米炭黑、纳米钴、纳米镍和纳米TiO2，发现它们致肺部损伤的程度与产生自由基并且引发氧化损伤有关。他们认为，这是纳米材料表面可以与组织发生反应产生自由基的缘故。第三十四页，共43页。2.4纳米材料对消化系统的影响吸收进入消化道黏膜下层组织的纳米微粒可以进入毛细淋巴管，从而引起淋巴细胞的免疫应答反应，有研究［24］显示，Crohn's病（节段性回肠炎）与肠道微粒对肠道壁刺激有关。通过黏膜下层进入毛细血管的纳米微粒可到达全身各组织器官，JANI等［25］分别用50、100nm尺寸的聚苯乙烯微粒按照1.25mg/kg剂量喂食雌性SD大鼠，10d后在大鼠体内检测到34%的50nm聚苯乙烯微粒和26%的100nm聚苯乙烯微粒。第三十五页，共43页。SZENTKUTI［26］对纳米材料在消化系统中的毒物动力学研究显示：纳米材料的表面荷电性以及粒径大小对其进入肠道有重要影响，粒径越小，肠道对其的吸收速度越快，吸收的数量也越多。第三十六页，共43页。2.5纳米材料对皮肤的影响

纳米材料可以渗透皮肤引起皮肤的炎症反应。MENZEL等［27］用粒径为45～150nm长、17～35nm宽的纳米TiO2覆盖与人体皮肤最为相似的猪皮，8h后通过粒子诱发X射线荧光分析（PIXE）观察纳米TiO2在皮肤结构中的分布情况，实验结果证实纳米TiO2可以通过角质层进入到表皮下的颗粒层，尤其是在表皮生发层。OBERDORSTER［28］和SAUNDERS［29］也在毛囊角质层和毛乳头处发现了防晒霜中的超细TiO2颗粒的沉积。第三十七页，共43页。从目前的研究结果显示：纳米材料对皮肤渗透作用的特点主要是：①与纳米材料粒径有关，粒径越小越易渗透进入皮肤；②进入真皮的纳米材料性质决定了其对皮肤的刺激作用；③可以溶解的物质、金属等的浸提液、纳米颗粒较易渗透入皮肤。第三十八页，共43页。2.6纳米材料对细胞的作用

纳米材料能够进入细胞并与细胞发生作用，主要是对跨膜过程和细胞分裂、增殖、凋亡等基本生命过程的影响和相关信号传导通路的调控，从而在细胞水平上产生一定的生物效应。研究［12］发现，材料的拓扑结构和化学特性是决定细胞与其相互作用的重要因素，某些纳米拓扑结构会促进细胞的粘附、铺展和细胞骨架的形成，但是在某些情况下，纳米拓扑结构会对细胞骨架分布和张力纤维的取向产生负面影响。赵宇亮等［12］发现碳纳米管容易进入细胞，并影响细胞结构，在低剂量下可以刺激肺巨噬细胞的吞噬能力，但在高剂量下，则严重降低肺巨噬细胞对外源性毒物的吞噬功能。第三十九页，共43页。

对纳米TiO2的一系列研究结果揭示了纳米材料可能的细胞毒作用机制：①攻击细胞膜，使其破裂，使细胞坏死。LIPPMANN等［30］发现，纳米TiO2处理的细胞，可以检测出大量的钙离子，说明细胞膜的破裂，钙离子的渗出。②利用纳米TiO2超微性进入细胞质，高化学活性又使其具备氧化损伤细胞遗传物质的能力。WAMER等［31］的实验证明，纳米TiO2损伤人体纤维原细胞的核酸，将纳米TiO2作用后的细胞分离出RNA和DNA，在RNA中可以检测到8-羟基鸟苷的生成。由于RNA负责遗传信息从DNA到蛋白质的传递，纳米TiO2对RNA的损伤间接影响了细胞遗传信息的表达。③抑制细胞生长和增殖。YEATES等［32］用47nm粒径的纳米TiO