纳米二氧化硅自身特性对其安全性评价的影响

潘涛，张芳，高兴春

1西安医学院公共卫生系；2第四军医大学西京医院呼吸科；3西安医学院基础医学部

纳米二氧化硅自身特性对其安全性评价的影响

潘涛1，张芳2，高兴春3

1西安医学院公共卫生系；2第四军医大学西京医院呼吸科；3西安医学院基础医学部

由同样元素组成的纳米二氧化硅，自身特性不同，相应的生物学效应和毒性也会不同，在纳米二氧化硅的安全性评价过程中，充分了解纳米二氧化硅的自身特性对其生物学效应和毒性的影响具有重要的意义。本文就纳米二氧化硅自身特性对其安全性评价的影响进行探讨，旨在为更科学准确地进行纳米二氧化硅安全性评价提供理论基础。

纳米二氧化硅；自身特性；安全性评价

作为纳米材料中的重要一员，纳米二氧化硅因其具有的诸多优良特性（化学纯度高、比表面积大，分散性好）而广泛应用于化工生产的各个领域，近年来，纳米二氧化硅的应用已经扩展到生物领域，其性质稳定，装载量大，生物相容性好，作为药物载体具有良好的开发前景[1]。由于纳米二氧化硅的大量生产和广泛应用，使其极易在环境中存在和蓄积，致使人体接触暴露于纳米二氧化硅的可能性大大增加，因此探究纳米二氧化硅的生物安全性成为必要。与常规物质不同，由同样元素组成的纳米二氧化硅自身特性不同，其生物学效应及毒性会有很大差异，充分了解纳米二氧化硅不同的自身特性对其毒性的影响，对于研究者准确地评价纳米二氧化硅的生物安全性具有重要的意义。

1.尺寸

尺寸是评价纳米二氧化硅生物学效应的重要参数，随着尺寸的减小，纳米二氧化硅的比表面积增大，粒子表面的原子或分子数目增加，同时其表面的不饱和键数量也迅速增多，从而大大增强了粒子的反应活性。目前大多数研究认为，随着纳米二氧化硅尺寸的减小，其生物学效应及毒性增加。蔺新丽等[2]以Wistar大鼠为受试对象，将尺度分别为600nm、90nm、60nm、30nm的纳米及亚微米级二氧化硅通过非暴露式气管内滴注纳米材料悬液的方式染毒大鼠，结果表明，纳米二氧化硅暴露可导致大鼠肺损伤,且尺度越小损伤程度越严重。同时，进入肺部的纳米二氧化硅，其尺寸越小越容易穿过肺泡上皮细胞进入肺间质，并进一步通过血液循环分布于全身。然而纳米二氧化硅的尺寸与其毒性作用的关系并不是绝对的，在安全性评价过程中，不管是体内实验还是体外实验，纳米二氧化硅所处的分散环境都是极其复杂的，与染毒前大不相同，离子强度、pH值等的改变以及与生物大分子的相互作用都会明显改变纳米二氧化硅的分散状态和表面特征。同时粒径越小的纳米二氧化硅越容易团聚，也会影响纳米二氧化硅的生物学效应及毒性。

2.比表面积

比表面积与纳米二氧化硅的尺寸密切相关，尺寸减小，则比表面迅速增加，分布在粒子表面的原子数目急剧增多，而位于粒子内部的原子数减少，因此产生大量结构缺陷的不连续晶面，增加了纳米颗粒表面活性位点，大大增强了纳米二氧化硅的反应活性。一方面，这些具有极高反应活性的纳米二氧化硅进入机体后，很容易与生物大分子（DNA、蛋白质等）发生反应，损伤生物大分子的正常结构；另一方面，在分散介质中，粒子表面增多的电子活性位点容易与介质发生反应生成活性氧，而活性氧的产生以及氧化应激反应是纳米二氧化硅毒性作用的主要机制[3]。

3.形状

工程化的纳米二氧化硅可以制备成多种形状,包括球状、杆状、线状等，形状以及长径比也是影响纳米二氧化硅毒性的关键因素。Huang等[4]用三种不同形状的纳米二氧化硅（球状、短杆状和长杆状）染毒人黑色素瘤细胞（A375），结果表明，相比起球状和短杆状，长杆状纳米二氧化硅更容易进入A375细胞，并且对细胞的损伤作用更明显。不同形状的纳米材料在进入细胞的方式以及生物体内的吸收、分布和排出等过程不同，并最终影响纳米材料的生物学效应及毒性。

4.晶体结构

相同化学组成的纳米材料，晶体结构不同,其生物效应及毒性不同。二氧化硅微粒有晶体和无定形两种类型，二者的理化性质以及进入机体后所引起毒性效应也有所不同，一般认为晶体二氧化硅微粒的毒性大，是确定致癌物[5]。另外，纳米二氧化硅的介孔结构也会对其毒性效应产生影响，孙磊等[6]的研究所用的纳米二氧化硅颗粒就不同于一般的介孔二氧化硅颗粒，其表面几乎没有孔结构，所表现出的毒性效应和毒性作用机制较介孔二氧化硅均有所不同。

[1]LI X L,HAO N,CHEN H Y,et al.Tumor-Marker-Mediated "on-Demand"Drug Release and Real-Time Monitoring System Based on Multifunctional Mesoporous Silica Nanoparticles[J].Analytical chemistry,2014,

[2]蔺新丽.纳米二氧化硅颗粒肺毒性及其相关机制研究[D];吉林大学,2011.

[3]李阳.纳米二氧化硅颗粒致细胞多核作用及其相关机制的研究[D];吉林大学,2013.

[4]Huang X,Teng X,Chen D,et al.The effect of the shape of mesoporous silica nanoparticles on cellular uptake and cell function [J].Biomaterials,2010,31(3)：438-448.

[5]李阳.纳米二氧化硅粒径相关的细胞毒性作用[D];吉林大学,2010.

[6]孙磊.纳米SiO_2颗粒对HepG2细胞的毒性及相关机制研究[D];吉林大学,2011.