纳米物质安全性.doc

关键词： 纳米颗粒　纳米毒理学　纳米生物学
大脑锥体细胞间的突触抑制机制（米利都　7）　中国内蒙古二连盆地发现巨型似鸟恐龙化石（徐 星　13） 首次制备24面体铂纳米晶体（方德声　17）　动物最早出现纪录
   提早5000万年（方德声　20）　宇宙开始时秩序为何如此之诺贝尔奖获得者罗雷尔（H. Rohrer）说，当微米技术成为工业革命技术的基础，那些最早学会，并最早和最好使用微米技术的国家，都在工业发展中占据了巨大优势，成为了现在的先进工业国家。同样，21世纪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。国际纯粹与应用化学会（IUPAC）的官方杂志在2006年12月撰文分析纳米技术：各国政府都在大力加强对纳米科技的投入，人们已经意识到，发达国家如果现在不发展纳米科技，必将沦为第三世界国家。
   纳米技术的发展
   　　作为21世纪科学技术重要方向之一的纳米科学技术，将可能导致生产与生活方式的革命，已经成为当前各发达及发展中国家投入最多、发展最快的科学研究和技术开发领域之一，其中纳米颗粒的生产和使用将成为基于纳米技术的工业的重要力量，世界各国纷纷实施优先发展纳米科技的国家战略。
   　　据专家估计，纳米技术发展可能经历五个阶段。第一阶段是要准确控制原子数量在100以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计或制造技术和现有工厂设备、超精密电子装置。这一阶段的市场规模约为5亿美元。第二阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿～200亿美元。第三阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计或制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。本阶段的市场规模将达到100亿～1000亿美元。第四阶段，纳米计算机将得以实现。这一阶段的市场规模将达到2000亿～1万亿美元。第五阶段，将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
   　　到2014年，全球利用纳米技术生产的产品总价值预计达到2.6万亿美元，是2004年的200倍。目前，纳米材料已渗透于涂料、染料、电子、医药、国防、服装、化妆品、日用品、生物医药、农业、航天航空等各行各业中，人们在工作和生活中接触到纳米材料的机会也越来越多。
   生活中的纳米颗粒
   　　在人们生活的空间里，原来就充满着各种纳米颗粒，包括通过风传播的海盐、由海洋生物生成的化学物质以及燃烧和其他人类活动产生的大量空气悬浮颗粒物等。一个普通的房间中，每立方厘米包含大约2万个纳米颗粒，在树林里，这个数字提高到5万个，而在城市的街道上则达到了每立方厘米10万个。由工业生产所产生的人造纳米颗粒也将随着纳米科技的迅速发展使人类及其生存环境增加了在其中暴露的可能。
   　　当物质由以前的微米“世界”细分到纳米（十亿分之一米）尺度时，其物理化学性质（如产生尺寸效应、巨大的表面效应、量子效应以及界面效应等）将发生根本的变化。这些变化将使纳米物质呈现出既不同于宏观物质，也不同于单个孤立原子的很多奇异的物理化学性质，如吸附、化学反应性、分散与团聚性能、在不同介质中的溶解性能、热学性能、光催化性能、表面活性等等。由于这些不同于常规物质的物理化学特性，加上纳米颗粒比细胞还小几个数量级，与较大的蛋白质的尺寸相当，纳米颗粒很可能侵入人体和其他物种的自然防御系统，进入细胞并影响细胞的功能。当纳米材料进入生物体后，很有可能导致与常规物质不同的生理行为。这些行为对生命过程有益还是有害呢？它不仅仅是科学家们所关心的前沿科学问题，同时也关系到每一个人的身体健康和生活质量的社会问题。
   　　最近的研究表明，城市空气中的超细颗粒物，主要是来自烟囱和柴油车的排放物、垃圾燃烧的烟雾等，对居民的发病率和死亡率的影响，比看得见的大颗粒物要严重得多。近十年来城市里大颗粒物浓度在下降，但是超细颗粒物浓度却在上升。这与大量使用各种涂料及各种产品的涂层颗粒不断脱落释放等有关。人们还提出了原因不明疾病与空气里纳米颗粒的影响与传播的关联问题。然而释放到空气中的纳米颗粒物，其表面吸附物质与尺寸大小都随时间不断在动态改变。目前只有从结构明确、成分明确、剂量明确的人造纳米颗粒入手研究，首先建立具有共性的纳米生物效应模型，分析纳米颗粒在生物体内的行为以及不同成分的协同效应产生的生物安全性问题。
   纳米物质的生物安全性研究状况
   　　2006年，美国政府和私人机构投资约40亿美元用于纳米技术，其中有10％用于研究纳米物质潜在的危害，而这其中的大部分用来研究纳米物质的一般毒性和对环境的影响。为了对纳米颗粒潜在危害进行研究，评估生产者和消费者可能遭受的风险，欧盟第五框架协议就启动“NANOSAFE”（纳米安全计划）投入了32.3万欧元，随后启动“NANOSAFE2”（纳米安全计划-2），快速增加到700万欧元对相关方面进行研究。在这些研究中，纳米干粉颗粒的危害评估被认为是最至关重要的领域。从2007年启动的欧盟第七框架协议（2007—2013年）中，界面和尺寸相关的现象，包括对人体的安全性，健康和环境（以及度量学、术语和标准）被推荐为最主要的研究课题。2005年下半年，欧美各国除了急剧增加研究经费以外，在国家层面上，各国对“纳米安全性问题”采取了一系列行动，此问题的重要性，可见一斑。
   　　中国在这方面的起步比较早，与国际同步。最早关注并开展纳米安全性研究的是中国科学院高能物理研究所。2001年11月，笔者就提出了“开展纳米生物效应与安全性研究”计划，并开始筹建相关实验室。为满足这一重要前沿交叉领域的需求在中国科学院知识创新工程的支持下，高能物理研究所将原有的纳米生物、稀土毒理学、重金属毒理学和细胞分子生物学等研究组进行整合，于2004年6月成立了中国第一个“纳米生物效应与纳米安全性实验室”。2004年，国家自然科学基金委“十五重大项目”设立了“碳纳米材料的细胞分子毒理学研究”课题。2006年7月，国家科技部启动973计划，支持“人造纳米材料的纳米安全性与解决方案探索”项目，全国16个单位共同承担这个为期五年的国家研究计划。同时，为了集中资源，形成交叉互补的优势力量，国家纳米科学中心与中科院高能物理研究所成立了“纳米生物效应与安全性联合实验室”，在国家的层面上，以健康安全的国家需求为导向，以纳米生物效应与安全性为核心，开展生物学、医学、化学、物理学与纳米科学的交叉研究。
   纳米生物效应研究的初步结果
   　　目前，国际上就纳米生物效应研究已经取得了一些初步结果。例如，科学家将仅0.1毫克碳纳米管通过气管注入大鼠体内，90天后病理学检查发现，这些碳纳米纤维均进入肺泡，并引起肺部肉芽肿（类似肺结核前期的病理变化）的形成。更令人担心的是，由这些纳米纤维引起的肉芽肿，与常规的粉尘如石棉致肺损伤不同，没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现。这预示碳纳米管的毒性不同于常规物质，它具有新的致肺损伤机制。
   　　纽约罗切斯特大学的研究者让大鼠在含有粒径为20纳米的聚四氟乙烯（即“特氟龙”）颗粒的空气中待15分钟，大多数实验大鼠在随后4小时内死亡，而另一组生活在含120纳米颗粒的空气中的大鼠，则安然无恙。他们还对氧化钛、铂、碳等纳米粒子的生物和细胞毒性进行了研究，发现通过呼吸系统吸入直径为35纳米的碳粒子1天后便出现在其大脑中处理嗅觉的区域——嗅球。同时，随时间增长，纳米粒子在嗅觉球中的含量不断增加。在另一项研究中也发现吸入的碳13和锰纳米粒子可经大鼠的嗅球进入脑部，并到处迁移。现在，科学家还不知道纳米粒子进入大脑并在其中聚集会带来什么样的影响。用气溶胶吸入法研究纳米氧化钛对小鼠、大鼠、豚鼠的肺部毒性，发现出现炎症、严重沉积且清除困难。研究还发现，碳60能使幼大嘴鲈鱼的脑细胞发生脂质过氧化作用；碳纳米管和纳米铁能使人角质细胞和支气管上皮细胞受损和凋亡。
   　　此外，有报道纳米颗粒可能容易在细胞内沉积，且难以清除。同时，科学家们推测，纳米颗粒进入肺的机制，与心血管系统作用的机制等与微米颗粒有很大的不同。仅仅尺寸改变，竟导致如此巨大的生物毒性变化。
   中国纳米安全性的研究
   　　国内纳米安全性的研究工作主要在生物整体水平、细胞水平、分子水平和环境等几个层面上开展，重点在纳米物质整体生物学效应以及对生理功能的影响，纳米物质的细胞生物学效应及其机制，以及大气纳米颗粒对人体作用和影响等领域，目前主要集中在下述几个方面。
   　　纳米颗粒的整体生物效应
   　　在纳米颗粒的整体生物效应方面，发现在生理盐水溶液中尺寸小于100纳米的磁性纳米颗粒，仅仅微克量级进入小鼠血管很快就导致凝血现象，堵塞小鼠血管，导致小鼠死亡。说明这种纳米颗粒进入生物体容易与心血管系统相互作用，可能会导致心血管疾病的潜在危险。进一步研究表明，对这种纳米颗粒表面进行化学修饰，可以极大地降低它的毒性和副作用。
   　　一般的微米铜粉的半致死剂量大于每千克体重5克，所以被认为是无毒的。但研究发现，纳米铜粉对小鼠的脾、肾、胃均造成了严重伤害，而相同剂量的微米铜却没有损害。也不是所有的纳米颗粒都这样，比如，笔者的研究小组发现纳米氧化锌与通常的微米氧化锌的生物毒性相比，几乎没有差别。目前，大部分的纳米材料的急性、亚急性、慢性毒性以及它们和相应微米材料的差别、对人体的影响等问题还没有进行过研究。
   　　纳米颗粒与生物体的相互作用
   　　纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除，各种纳米物质与生物靶器官相互作用的机理等，是另一个重要的研究方向。研究发现富勒烯在SD大鼠中，90%～95%富集于肝脏，48小时清除。然而，稍做表面修饰以后的金属富勒烯，如Ho@C82（OH）x（羟基化钬内包富勒烯），其生物效应就明显不同，显出生物分布较广，在肝、骨骼、脾、肾、肺的含量依次递减，其他组织分布极低。比如对Gd@C82（OH）40（羟基化钆内包富勒烯）的生物分布研究结果表明，它24小时后主要位于肝和脾，在肺和血液中衰减极快。水溶性富勒烯衍生物C60C（COOH）2可以进入细胞，并达到不同的细胞器中，主要定位于线粒体。笔者的研究组与北京大学的合作研究发现，分子量高达60万的水溶性多羟基单壁碳纳米管（SWNTols）能非常容易、迅速地在小鼠的各种组织和脏器之间穿梭，而且通过尿液排泄。如此奇特的现象，现有的生物学或生理学知识无法解释这种现象。
   　　纳米颗粒与细胞的相互作用
   　　纳米颗粒与细胞的相互作用的研究刚刚开始，如研究纳米颗粒的跨膜过程、对细胞分裂、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的生物效应。许多纳米颗粒能够进入到细胞并与细胞内的细胞器发生作用。研究人员发现，纳米颗粒的尺寸、表面结构、电性质、拓扑结构与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黏附、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。本实验室研究发现碳纳米管容易进入细胞，并影响细胞结构，在低剂量下（2.5微克/毫升），碳纳米管可以刺激肺巨噬细胞的吞噬能力，但在高剂量下（20微克/毫升），碳纳米管严重降低肺巨噬细胞对外源性毒物的吞噬功能。在研究纳米氧化钛对人肝细胞（L-02细胞株）的影响时，发现纳米氧化钛游离于细胞之间，阻碍了胞间通信，降低细胞的生长速度。另有研究表明，富勒醇能够吸收紫外辐照产生的自由基，保护了细胞膜不被紫外辐照损伤，明显提高了细胞存活率。　　
   　　纳米颗粒与生物大分子的相互作用
   　　研究血浆蛋白分子在碳纳米管无纺膜表面的吸附行为，发现纤维蛋白原分子有比较强的吸附作用，并且吸附上的纤维蛋白原分子的构型功能发生了某些改变。纳米结构物质与补体系统和免疫细胞的激活作用研究说明纳米颗粒与蛋白质分子之间存在比较强烈的相互作用，补体蛋白分子的酶活性发生改变。研究发现聚酰胺胺树状大分子（PAMAM dendrimers）可通过静电作用与DNA形成稳定的复合物，且可保护与之复合的DNA分子免受限制性内切酶的降解，可以作为DNA运送的载体，导入细胞，实行外源基因在生物体内的表达。目前，这方面的研究刚刚开始。
   　　大气中纳米颗粒的生物效应
   　　目前，临床实验研究已对大气中超细颗粒物的生物毒性得出了初步结论，发现尺寸在7～100纳米的颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉积率；尺寸越小，越难以被巨噬细胞清除，且容易向肺组织以外的组织器官转移，超细颗粒物可穿过血脑屏障。由于纳米毒理学刚开始发展，目前这方面的工作由于工作量和时间效应的问题，这方面的研究和数据比较少，研究存在一定的难度，目前缺乏的是准确的分析测试方法。
   　　纳米毒性的消除
   　　为了使纳米技术能成为真正安全造福人类的新技术，笔者的研究组在研究纳米生物效应的同时，开展了纳米毒性消除的化学与物理研究。通过一定的化学修饰或物理处理来消除某些纳米材料的负效应（毒性），同时保持其有益的纳米特性。研究发现，某些碳纳米分子的外接修饰基团过多，会导致分子开口，形成不稳定结构，在生物体内破裂，产生毒性。通过调节外接基团的种类和数量，不仅改变其生物活性，而且增加其生物稳定性，消除可能存在的毒性，从而推动纳米科技健康安全的发展。美国赖斯大学也报道了消除纳米材料毒性的一例研究结果，通过化学修饰，纳米毒性的消除率高达1000万倍，效果很好。　
   　　总之，纳米安全性一方面是为了保障纳米科技能够顺利发展，另一方面也关系到国家的利益。由于中国在纳米科技方面的发展速度非常快，纳米产品，尤其是纳米材料的制备已经有很多生产线和很多企业，目前统计与纳米相关的公司在全国已经有700多家。如果将来希望成为纳米产品的生产大国，需要在纳米安全性方面做一些深入的研究，能够提出和制定各种纳米材料的安全指标，率先获得国际认可，这也是关系国家利益的问题。要实现这一点就必须有充分的数据，与国际接轨。还要建立自己的专业研究队伍，在开展纳米材料的生物效应研究的同时，也开展纳米生物负效应的反向应用研究，把观察到的负面生物效应应用到纳米医学诊断和治疗技术上，这已经取得多项重要成果。因此，纳米生物负效应（毒性）的消除，以及纳米毒性的反向应用研究，使纳米技术比以往的任何技术更安全。
   　　无论国际或是国内，纳米生物毒理学是一个刚刚起步的新学科交叉领域，需要纳米科技、生物学、医学、化学和物理等领域的研究手段和知识进行真正的学科交叉，任何一个单独的学科都难以胜任这项工作。它既是国际科学前沿，也是与人类健康和生活环境密切相关的重要社会问题，因此是一个典型的在国家需求和科学前沿的交汇点上的新领域，充满了科学创新的机遇。

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