纳米材料的生物效应

李福林，宁月辉，王佳祥

（黑龙江省质量监督检测研究院，黑龙江 哈尔滨 150001）

纳米技术（Nanotechnology）[1]是指在纳米尺度上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科技已在生物、医学、电子、化工、航天航空等诸多方面取得进展，也是物理、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。诺贝尔奖获得者H.Rohrer说过：“70年代重视微米研究的国家如今都成为发达国家，未来将属于那些明智地接受纳米技术，并首先学习和使用它的国家”[1]。

1 纳米材料及其安全性

1.1 纳米材料介绍

广义的纳米材料是指3维尺寸中至少有1维处于纳米尺寸，即1～100nm的范围。纳米材料大致可分为纳米粉末（零维）、纳米纤维（1维）、纳米膜（2维）、纳米块体（3维）、纳米复合材料等[2]。

纳米粒子由于其尺度在1nm到100nm之间范围内，正处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界中间地带，物理化学性质不同于微观原子、分子，也不同于宏观物体，特殊类型结构导致它具有体积效应，表面效应，量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，而纳米材料具有特殊的性能等[3]。

1.2 纳米安全性问题的提出

纳米科技预计也将给人类生活带来巨大的变化，因而成为发展最快的研究和技术开发领域之一。人们在逐渐认识纳米科学技术的优点和其潜在的巨大市场的同时，一个新的科学问题及社会问题——纳米效应与安全性，引起人们广泛关注。

首先，2003年的美国化学会年会上报告了纳米颗粒对生物可能的危害。2003年4月Science[4]、7月Nature[5]相继发表编者文章，开始讨论纳米尺度物质的生物效应以及对环境和健康的影响问题。

2004年3月在布鲁塞尔举行的有17位专家组成的欧盟纳米科技风险会议则标志纳米科技的风险与危害已经引起了科技界的关注[6]。2004年4月，中国科学院副院长白春礼院士对高能所提出的《关于加强纳米物质生物环境毒理学（安全性）研究的报告》做了重要书面批示：“纳米物质生物环境毒理学，或纳米物质的安全性问题必须十分重视。”

2005年5月，欧盟出资支持成立欧洲理论光谱中心旨在推动整个欧洲大陆在纳米技术领域的合作，尤其是在纳米制药领域，加强纳米药物安全性的研究。9月，第二届欧洲纳米论坛和展览中聚焦于“纳米技术和2020年欧盟公民的健康”。

1.3 接触纳米材料的可能性

人们在工作和生活中接触到纳米材料的机会越来越多。图1描述了纳米材料在自然界中存在的可能传播途径[7]。由图1可知纳米材料不仅通过接触直接进入人体而且还可能以多种方式在环境中传播进入大气水或土壤，或通过环境、食物链进入人体，或通过其它生物（如细菌和原生生物）可能通过细胞膜吸收纳米颗粒，从而使其进入食物链，最后进入人体。总之，人们在日常生活中接触纳米材料可以有3条途径：呼吸系统，皮肤或其他方式（如食用，注射等），纳米材料能过上述途径进入人体后，在人体组织内将会引起发炎、病变等症状。

图1 纳米材料在现在和未来的使用中可能存在的传播途径Fig.1 Route of transmission in current and future use for nano materials

1.4 人们的忧虑

由于纳米物质可能对人体以及生存环境造成污染，影响人类健康，纳米技术的生物安全性受到人们的关注。因此，当纳米颗粒侵入人体时，有可能越过甚至破坏人体的正常防御机制。纳米微粒与以前接触到的微粒很大的差异，有较高的表面活性，易透过血脑屏障、皮肤进入体内，通过血液循环到达人体其他器官和部位，更易于转移。动物体内试验也表明，吸入颗粒产生的毒性大小与吸入颗粒的总表面积大小成正比。同时生物细胞的大小通常在几个到几十个微米数量级，相对之下纳米材料的体积要比细胞小得多[8]（图2），因此，纳米材料容易进入生物体并发生相互作用。而目前纳米科学的基础研究和纳米产品的开发的研究力度远远大于对科技本身潜在风险研究的力度，有文章报道当TiO2的颗粒尺寸大于40 nm时皮肤对TiO2的吸收是可以忽略的[9,10]但也有文章报道在日光中紫外光线的照射下，由于纳米级尺寸的TiO2粒具有较强的光催化作用，使得防晒品中的有机成分发生降解产生毒害皮肤的物质[11-13]，在这种情况下纳米材料对生物体的负面效应是通过间接的途径起作用。这些产品没有经过严格的人体无害研究之前马上投放市场是不恰当的。

图2 纳米粒子与老鼠巨噬细胞尺寸对比，而人的巨噬细胞尺寸是老鼠巨噬细胞的二倍多Fig.2 Comparison of nano particle and macrophage of mice,macrophage of human is twice larger than mice

2 纳米生物安全研究现状及发展趋势

目前，对纳米材料毒理学的研究尚处于起步阶段，但正如化学家Vicki Colvin所强调的那样：“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。”目前为止，仅对纳米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，因而应进行大量的动物实验，积累大量的实验数据，分析归纳、发现和揭示纳米生物效应的一般规律性，并建立相应的理论预测体系。

2.1 国外纳米材料安全性研究情况

2.1.1 碳纳米管 单壁碳纳米管肺部毒性研究方面，美国宇航局太空中心的Chiu Wing Lam等人[14]等研究表明，如果碳纳米管到达肺部，将比碳黑和石英更具毒性，长期吸入碳纳米管对健康极其不利。美国杜邦公司的David B.Warheit等人[15]做出了相关的研究，发现石英（粉）具有最强的毒性，并且造成最严重的肺部感染，而碳纳米管只造成短暂的毒性并且介于羰基铁和石英（粉）之间。对中期实验结果的分析表明碳纳米管不像石英那样会带来持续的肺部炎症。

2.1.2 富勒烯 Foley等[16]发现富勒烯的衍生物C61（COOH）2能够穿透细胞膜与线粒体结合，由于细胞内的活性氧自由基来自线粒体内电子传递链，富勒烯清除细胞内自由基可能与这种结合有关。

Kamat等[17]C60和C60（OH）18都可以损伤肝脏细胞和肿瘤细胞的微粒体膜，而C60和C60（OH）18的光敏感性可以引发脂质过氧化，这一过程对于正常细胞是有害的，对于肿瘤细胞也同样有害。

2.1.3 纳米TiO2颗粒的毒性研究 纳米TiO2由于其应用广泛，产量较高，对其毒性研究也较多。表1总结了现有的研究结果[18]。在体内和体外的实验研究中，纳米尺度的TiO2颗粒均比微米尺度的TiO2颗粒对肺部的损伤程度大，这与纳米颗粒小的粒径和大的比表面积有直接关系。方法包括：用支气管吸入法或支气管注入法将TiO2颗粒导入动物体内。吸入法更接近人类真实的暴露情况。研究结果来看，即使是无毒（TiO2）或低毒的材料，其纳米颗粒可能会变得有毒。纳米TiO2有很大比表面积，表面原子数，表面能和表面张力随着粒径下降急剧增加，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒不同于常规粒子，目前根据研究结果，纳米TiO2的3大特性，即超微性，紫外吸收性，以及高效光催化活性与其生物效应有比较密切的关系，而TiO2制造商所生产品尺寸仅仅在10nm左右，粒径如此之小的纳米粒子，既是宏观状态时脂/水分配系数小，也完全有可能通过简单扩散或渗透形式通过皮肤进入体内，对人体可能造成损伤。

表1 纳米TiO2的生物效应研究结果Tab.1 Study results of biological effect of nano TiO2

2.1.4 日常生活中接触的纳米粒子 2006年4月，爱丁堡大学科研人员在模拟汽车尾气以及涂料、防晒霜、食品、化妆品和服装等日用品中应用的纳米粒子，对人类肺部影响的实验中发现，纳米粒子会通过肺部隔膜进入肺部，并且进入血液中去，而血液中的粒子最终会进入肺部和其它器官中。因此，汽车尾气排放到空气中的纳米粒子进入人体的肺部，可能将对人体肺细胞健康造成影响。

2.2 国内纳米材料安全性研究情况

2001年11月，中国科学院高能物理研究所就提出了“开展纳米生物效应、毒性与安全性研究”的建议，该建议引起了高度重视和支持。于2004年正式成立了我国第一个“纳米效应实验室”，系统开展纳米生物效应的研究，已取得了一批研究成果。

2.2.1 碳纳米管 北京大学刘元方的研究小组将一种水溶性的纳米碳管（直径约1.4 nm，长约400 nm）导入小鼠体内，用放射性125I标记的SWNT经灌胃、腹腔注射和静脉等不同途径给药后，均可迅速分布于小鼠身体各器官组织中（除大脑），并且可以在骨骼、肾脏和胃中稳定沉积，结果发现表观分子量高达60万的这种羟基化的水溶性纳米碳管可以在小鼠的不同器官之间自由穿梭，通过尿液排泄，而60万分子量的常规物质是不可能出现如此奇特的现象的，以现有的生物学和生理学的知识无法解释这种现象。北京大学最近比较了114nm直径的SWNT、10～20 nm直径的多壁碳纳米管和0.7nm直径C60对豚鼠AM的毒性[26]。其细胞毒性顺序为：SWNT＞MWNT10＞SiO2＞C60，说明同等质量浓度的SWNT和MWNT10比SiO2的细胞毒性要大。这3种碳纳米材料是碳的同素异形体，只是空间构形不同，因此，今后对不同尺寸的纳米材料，即使同素异形体也需要分别进行其生物学活性的研究。

2.2.2 磁性纳米材料 中国科学院高能物理研究所的纳米材料生物效应实验室与中国科学院武汉物理数学研究所合作，研究发现在生理盐水溶液中尺寸小于只有约20nm的磁性纳米颗粒，在进入动物体内很快就导致凝血现象，聚集形成小鼠血管大小的颗粒，堵塞小鼠血管。这暗示这种纳米颗粒进入人体可能会导致心血管疾病。

3 研究的意义

任何一项新的技术，都会带有“双刃剑”的两面性，纳米科学技术可能也不例外。因此，在发展纳米技术的同时，同步开展其安全性的研究，使纳米技术有可能成为第一个在其可能产生负面效应之前就已经过认真研究、引起广泛重视、并最终能安全造福人类的新技术。

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