纳米材料毒理学和安全性研究进展_张杰

纳米材料毒理学和安全性研究进展_张杰
纳米材料毒理学和安全性研究进展_张杰

第9卷第1期2013年1月

中国安全生产科学技术

Journal of Safety Science and Technology

Vol.9No.1

Jan.2013

文章编号:1673-193X(2013)-01-0017-07

纳米材料毒理学和安全性研究进展*

张杰1,2,钱新明1,赵鹏2,许志珍2,3,王煜倩2,唐仕川2

(1.北京理工大学爆炸与科学技术国家重点实验室,北京100081;

2.职业安全健康北京市重点实验室,北京市劳动保护科学研究所,北京100054;

3.北京工业大学生命科学与生物工程学院,北京100124)

摘要:通过文献调研和分析,为深入开展纳米材料毒理学和安全性研究提供基础理论和数据支

持,综述了当前国内外纳米材料,主要包括碳纳米管、纳米TiO2、纳米铁粉、富勒烯(C60)等的生物

体毒理学和人群流行病学研究进展;分析了可燃性纳米材料,主要包括纳米铝粉、铁粉、碳粉的安

全性研究现状及趋势,强调了进一步开展安全性研究的必要性。最后阐述了目前纳米材料研究工

作存在的问题,并建议相关研究机构和科研院所今后可开展的研究工作。

关键词:纳米材料;毒理学;安全性;可燃性纳米材料;流行病学

中图分类号:X965文献标志码:A

Progress on toxicology and safety research of nanomaterials

ZHANG Jie1,2,QIAN Xin-ming1,ZHAO Peng2,XU Zhi-zhen2,3,WANG Yu-qian2,TANG Shi-chuan2

(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China;

2.Beijing Key Laboratory of Occupational Health and Safety,Beijing Municipal Institute of Labor Protection,Beijing100054,China;

3.School of Life Science and Bio-engineering,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)

Abstract:In order to provide the basic theory and data support for carrying out the toxicology and safety research of nanomaterials,the research progress of toxicology and epidemiological studies of populations were summarized through literature investigation and study,including the carbon nanotubes,nano-TiO

2

,nano-iron and fullerenes

(C

60

).The current status and trends of safety research on combustible nanomaterials were analyzed,which empha-sized the necessity for further development of security research.Finally,the problems in the current research of nanomaterials were analyzed and some suggestions were put forward for research institutions and research institutes in the future.

Key words:nanomaterials;toxicology;safety;combustible nanomaterials;epidemiology

收稿日期:2012-03-29

作者简介:唐仕川,通讯作者。

*基金项目:国家自然科学基金项目(81172614);北京市科学技术研究院2012科技创新工程项目

(PXM2012_178304_000007)0引言

进入21世纪,随着各国对科技投入的不断加大,世界新科技革命发展的势头更加迅猛,正孕育着新的重大突破,而纳米技术、信息技术和生物技术的异军突起更是被科学界称为21世纪科技发展的三大支柱。所谓纳米技术,是指通过研究纳米材料所展现的特殊物理、化学、物质特性或现象,并以这些

纳米结构所具有的新颖物理、化学或生物特性与现象为基础,设计、制作或重新组装新材料、器件或系统,产生全新功能、或具备全新功能的物质并加以利用的知识和技术[1]。

纳米材料由于具有极其微小的尺寸而具有普通粉体材料所不具备的特殊性:如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应。纳米材料的研究、开发和应用日益广泛,已经应用到涂料、化妆品、催化剂、食品包装、纺织、医学等许多领域,被科学家誉为“21世纪最有前途的材料”。根据美国国家纳米计划(NNI)预测,2010-2015年,全球纳米技术年产值将达到1万亿美元,全世界从事纳米技术的工作者将达200万人。随着规模化生产和纳米产品的普及,增加了纳米材料的研究者、生产者、消费者以及纳米废物处理者的职业接触和环境暴露机会,人们也逐渐认识到纳米材料与纳米技术的发展可能会对人类的健康、安全、环境带来负面影响。

2003年4月,一篇在《Science》发表的文章论述了纳米材料与生物环境相互作用可能产生生物效应的问题[2]。随后一年内,《Nature》和《Science》杂志先后数次发表编者文章,讨论纳米尺度的生物效应、对环境和健康的影响问题。2004年4月,美国化学会在一份研究报告中指出,碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏[3],这是研究人员首次找到纳米微粒可能给水生物种造成毒副作用的证据。此后,欧洲许多学术杂志也纷纷发表文章,探讨纳米生物效应,尤其是纳米材料对人体健康、生存环境和社会安全等方面是否存在潜在的负面影响。同样,对于纳米材料尤其是可燃性纳米材料,由于纳米材料有比常规材料更小的直径、更大的比表面积、更容易悬浮于空气中,在遇点火源的情况下,极有可能产生爆炸。因此,近年来,国内外也开展了不少针对可燃性纳米材料的安全性研究。

1纳米材料的毒理学研究现状

目前,关于纳米材料毒理学的研究还刚处于起步阶段,研究较多的纳米材料主要有碳纳米管、纳米

TiO

2、纳米铁粉、富勒烯(C

60

)等。

1.1生物体的毒理学研究

在动物的毒理学研究中,周晓蓉通过实验证实,

单壁碳纳米管对大鼠的肺脏有损伤作用,可能引起

肺组织纤维化[4]。Lam等将0.1-0.5mg/kg碳纳

米管、碳黑和石英(粉)分别气管注入大鼠染毒,结

果碳黑组的大鼠正常,石英组的大鼠出现了轻度到

中度的炎症,碳纳米管处理组观察到肺上皮肉芽肿,

实验结果表明碳纳米管比碳黑和石英毒性更强[5]。

Warheit等对单壁纳米碳管引发的大鼠肺毒性进行

了比较性评价实验发现,纳米碳管可引发肺肉芽肿。

与石英颗粒不同,纳米碳管引起多发性肉芽肿不伴

有肺炎症反应或细胞增殖。肉芽肿型肺损伤可能是

肺组织为了清除不易降解的异物而产生的免疫反

应。Warheit认为,纳米碳管独特的理化特性可能导

致它们在生物体中的稳定性增强,因而可能引发长

期低浓度职业暴露的更为严重的安全性问题[6]。

TiO

2

粉尘通常被看作为低毒的物质,在许多粉

尘的毒理学研究中,TiO2往往被用作惰性粉尘的对

照[7]。但是,Ferin等研究发现超微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

的微米级细TiO2(平均直径为250nm)更为严重[8]。

Rahman等人在比较20nm的超细TiO

2

和200nm的

细TiO2对原代大鼠胚胎成纤维细胞的影响时发现,

20nm的超细TiO

2

处理后的细胞其微核数目显著升

高,并引起了细胞的凋亡[9]。大剂量TiO2染毒对小

鼠血清生化指标的测试表明,纳米TiO2组小鼠血清

乳酸脱氢酶(LDH)水平明显高于对照组和微米

TiO

2

组,表明纳米TiO2可能引起组织和细胞的损

伤[10]。Oberdorster等人用粒径为20nm和200nm的

纳米TiO2做大鼠亚慢性吸入实验时,发现2组大鼠

都出现呼吸道TiO2沉积的现象,而且20nm组的炎

症反应(肺部滞留时间、II型肺泡细胞增生、间质纤

维化等)明显强于200nm组[11]。

铁是人体必需的元素之一,但纳米铁粉由于其

粒径的不同可能对人体产生副作用。刘岚等研究谷

氨酸修饰的磁性纳米Fe2O3在小鼠体内的代谢情况

时发现,尾静脉注射5.12mg/kg的纳米Fe2O3-

GLU后,该物质可在小鼠脑组织、性腺、眼球中检测

到,表明该物质可以穿过血脑屏障,血睾屏障和血眼

屏障[12];Zhou等研究大鼠吸入浓度为57和90

μg/m3的纳米铁粉(72nm)对健康的影响时发现,吸·

81

·中国安全生产科学技术第9卷

入57μg/m3的纳米铁粉没有引起大鼠明显的生物学效应,但吸入90μg/m3纳米铁粉的大鼠却产生了轻微的呼吸道反应,然而实验中的浓度(90μg/m3)还远远低于美国职业安全与健康管理局(Occupa-tional Safety and Health Administration)制定的可允许暴露的铁粉最高浓度(15mg/m3)[13]。

富勒烯(C60)是一种人工合成的碳分子,主要应用于药物、化妆品、环保产品等多个领域。一些研究提示C60可以从鼻腔移行至脑,并可以通过肺进入体内各器官,单次经口给予C60未引起动物死亡,但腹腔给药后大鼠LD50为600mg/kg,静脉给予大鼠25mg/kg的C

60

后,大鼠出现呼吸困难和自发性运动亢进以至死亡[14]。Oberdorster发现将大嘴鲈鱼暴露于500-1000μg/kg低浓度的C60水溶液后,鲈鱼的脑细胞膜会产生损伤,脑中出现氧化物的聚集和炎症的反应[15]。

1.2人群的流行病学研究

Peter等报道,与哮喘病人呼气峰值流量(PEF)的降低相关性最好的是空气颗粒物中的超细颗粒物的数量浓度,而非是质量浓度,并发现超细颗粒物的数目与肺功能呈负相关[16]。这表明大气颗粒物中的超细颗粒物成分可能在引起健康负性效应方面起较大的作用。

作业环境相对于室外大气,粉尘颗粒物的浓度可能更高,对人体造成的影响则可能更大。生产、转移和使用环节中引起的飞散使纳米尺度颗粒被吸入呼吸道引起疾病的可能性大大增加,因此其呼吸系统毒性就首先成为了研究者们感兴趣的方向。

Maynard等进行了单壁碳纳米管粗加工过程中产生的气溶胶的职业接触研究,现场研究评估了工人在单壁碳纳米管粗加工过程中经呼吸和皮肤接触的情况,结果显示工作场所中可吸入碳纳米管的暴露浓度约为53μg/m3,工人手套上约有2-6mg单壁碳纳米管的沉积[17]。

Song等报道,7名曾在同一间印刷厂工作5-13个月、暴露于含有纳米聚丙烯酸酯的年轻女工(18-47岁),出现了气短、胸腔积液、心包积液等临床症状,并有2名女工在两年内死亡。病理检查结果同样为非特异性肺炎、炎症浸润、肺纤维化和胸腔外源性肉芽肿。进一步检查发现,在这些女工的工作场所、支气管肺泡灌洗液、胸水和肺活检组织中均找到直径为30nm的颗粒[18]。

2可燃性纳米材料的安全性研究

近几年,国内外开展的可燃性纳米材料的安全性研究主要包括纳米铝粉、纳米铁粉、纳米碳粉等。

李文霞等以3种不同粒径的纳米铝粉(35nm、

75nm、100nm)与常规铝粉75μm为研究对象,采用20L球形爆炸测试装置对铝粉的爆炸特性进行了实验对比研究,结果发现纳米铝粉在爆炸的过程中具有高于相同浓度普通铝粉的爆炸压力、最高爆炸压力和压力上升速率[19]。卢红霞通过对100nm的纳米铝粉和20μm-50μm的微米铝粉在自然流动空气环境下DSC/TG实验作了初步探讨,发现微米铝粉在900?之前质量没有明显的变化,而纳米铝粉在550?左右有一个强烈的放热峰[20],表明纳米铝粉与微米铝粉有不同的反应活性和氧化特性。杨红琳通过DTA-TG图谱和X射线分析,表明纳米铝粉的热行为与普通铝粉有着明显的不同,纳米铝粉至少存在二次氧化行为:第一次氧化温度520?左右,发生氧化的是纳米铝粉的外壳;第二次的氧化过程比较缓慢,温度从700?到1000?,主要是纳米铝粉的核心部分进行氧化[21]。樊永平通过TG-DTA曲线对比分析了纳米铝粉的两次氧化过程,发现在550?左右的氧化过程中所对应的放热峰高且尖锐,说明该过程氧化放热值高,是氧化放热的主要阶段[22]。Jacques Bouillard用20L球形爆炸测试装置对100nm直径纳米铝粉进行了燃爆性能测试,得出其最小点火能(MIE)小于1mJ,最大爆炸压力(P

max

)为8.2bar,在特定的条件下很容易被点燃[23-24]。Kwok测得150nm直径的纳米铝粉的P max 为9.4bar,MIE在1-3mJ[25],该数值比Glor测得的

10μm铝粉的P

max

低,MIE高[26]。

Holbrow对纳米和微米铝粉(100nm,10-100μm)、铁粉(25nm,12μm)、铜粉(25nm,25μm)和多壁碳纳米管(直径20-30nm长度10-30μm,直径和长度都小于63μm)的燃爆性能进行了对比测试,发现纳米铝粉、铁粉和多壁碳纳米管的P max

(11.2bar,2.9bar,6.4bar)和粉尘爆炸常数(K

st

)(536bar m/s,18bar m/s,91bar m/s)比其相对微米

·

91

·

第1期中国安全生产科学技术

级别的数值要低(7-12,5.2,8)和(300-700,50,

151);而纳米铜粉的P

max

为1.2bar,粉K st为3 bar m/s,微米铜粉则无法点燃[27]。

杨丽通过不同微米、纳米尺度金属铁粉燃烧过程的热重试验发现,随着粒径从微米减小到纳米尺度,金属颗粒所对应的反应温度和最高燃烧温度均明显降低,燃烧着火点温度明显降低,表观活化能迅速减小,因此得出金属铁粉的燃烧特性随粒径的减小而迅速提高[28]。

Bouillard测得直径为3nm的纳米碳的P

max

为7.2bar[29],略低于Bartknecht测试的直径小于63μm 碳粉末P max(8.2bar)[30];Vignes通过比较多壁碳纳米管和碳黑粉末的燃爆性能发现,碳纳米管的反应活性仅略高于碳黑粉末[31]。这些原因可能是因为当颗粒的粒径小到一定的程度(对于非金属颗粒在50μm以下)时,燃烧的环境成为主导因素,且以气相为主,因此其P max和压升速率基本保持不变[32]。

刘琴通过快速稀释纳米黑索金(RDX)溶液,使其在非溶剂中快速结晶的方法制备了RDX粉体(120nm、80nm、60nm及50nm),并对其进行了爆炸性能测试,与工业RDX进行比较发现,纳米RDX的摩擦感度大幅度上升[33]。

Ritsu Dobashi对可燃性微米材料和可燃性气体的最小点火能和最大升压速率进行了分析,由于纳米材料的粒径介于二者之间,因此推测可燃性纳米材料的燃爆性能也介于二者之间[34]。D K Pritchard 指出,必须对纳米粒径下的多种金属、非金属、金属氧化物进行多尺寸的实验研究,才能确定可燃性纳米材料的燃爆性能与常规尺寸颗粒的区别,因为在纳米尺寸下,颗粒的团聚、金属颗粒的氧化、颗粒的表面积都可能成为主导纳米材料性质的主要因素,在常规尺寸下不燃的颗粒在纳米尺寸下可能燃烧,反之亦然[35]。

以上文献可以看出,国内外针对可燃性纳米材料的燃爆性能研究还处于起步阶段,目前进行研究的纳米材料尺度范围还较少,对不同粒径的燃烧特性和趋势还无法得出较有说服力的结论。因此,进一步开展可燃性纳米材料的燃爆性能研究,将是今后纳米材料安全性研究的一个重要方向。3纳米材料毒理学和安全性研究中存在的问题

纳米材料作为一种新型的材料,正在广泛应用于社会的各个领域,但由于其结构的特殊性,必须对其毒理学和安全性进行研究与评估。虽然国内外不少学者对此展开了初步的研究,获得了一些数据和成果,但当前纳米材料的研发速度要远远快于对纳米材料安全性的评价速度,大部分的纳米材料由于没有充足的实验数据,无法建立相应的理论体系,其毒理学和安全性也难以开展深入的研究,该领域存在着许多亟待研究和亟需解决的问题。

(1)纳米材料毒性与粒径大小有着重要关联,需要比较不同粒径的同种纳米材料的毒性,通过研究如何运用现有的超细颗粒或细微颗粒毒理学资料数据库外推纳米材料的毒性是一个重要研究方向。但由于纳米材料具有独特的理化性质,其毒性可能与超细颗粒或细微颗粒毒性迥异,在何种程度上可以进行外推,两者间是否存在规律性仍是个有争议的话题。

(2)纳米材料对生物及其器官、组织、细胞和分子等会有不同层面的影响,在哪个层面上的影响最值得注意,以及它们相互之间的联系都是值得研究的课题。纳米材料目前的研究多集中在整体水平和细胞水平上。分子水平上研究纳米物质与生物分子的相互作用及其对生物分子结构和功能的影响的相关报道很少,而生物分子水平上的研究却更能揭示其本质。

(3)目前作业场所纳米材料暴露评价的理论、技术不成熟,尤其是作为暴露评价第一步的纳米材料采样系统的缺失和不完善,制约了整个作业现场纳米材料的暴露评价的开展,也就不能在人体和人群中开展纳米材料健康危害风险研究及流行病学研究,无法获得纳米材料对人体危害的直接证据以及风险控制所需的职业暴露限值,无法判断纳米材料的毒理学和安全性。

(4)针对纳米材料尤其是可燃性纳米材料的燃爆性能的研究文献多来源于国外,在国内开展的较少,而且该方面的研究文献总体较少,实验数据和理论依据较缺乏,对纳米材料的燃爆机理认识不清。

·

02

·中国安全生产科学技术第9卷

(5)纳米技术在健康和安全方面的风险尚无统一的评估程序和评估方法,纳米材料生产企业无法建立工业纳米材料的安全暴露评价体系,作业场所纳米材料暴露评价相关标准和职业接触限值缺失,导致目前监管部门缺少对作业场所纳米材料暴露风险的管理。

4纳米材料毒理学和安全性研究的建议

针对目前纳米材料研究的现状,本文建议相关研究机构和科研院所可在以后几方面开展该领域的研究工作。

(1)国家层面设置专业和课题,培养专业人才

纳米科技是一门新生的产业,对纳米材料的研究国内外也都处于开始阶段,各国也都相当重视,尤其是国内,应当抓住机遇,从国家层面加大对纳米材料毒理学和安全性方面的研究力度。纳米材料毒理学和安全性的研究综合性非常强,需要形成以毒理学和环境科学为主导,建立生物学、物理学、化学和医学等多学科的合作研究网络。各大院所、高校应当增设相关的专业,课程,相关科技管理部门设立研究课题,培养纳米材料毒理学和安全性方面的研究人才,提高科研能力,使我国纳米材料的研究走在世界的前列。

(2)加大采样系统和防护装备研究,填补国内空白

Pui等模拟生产纳米材料工厂的研究发现,空气过滤循环装置能够有效降低空气中的纳米颗粒,但相关的监控设备需要对现有系统进行改进,且需要大量的资金投入[36]。纳米颗粒的监测和控制方法同样也是纳米材料毒理学和安全性评价的基础,因此,建议相关研究机构开展纳米颗粒采样系统研究,掌握纳米颗粒采样系统的核心技术,突破西方发达国家的技术壁垒,填补我国没有自主知识产权的纳米颗粒采样器的空白,促进纳米颗粒的暴露评价和风险管理;通过研究纳米颗粒的个体防护技术和开发相应的个体防护装备,例如对纳米颗粒的呼吸道防护器材进行深入研究[37],切实保护作业人员的健康和安全,促进我国纳米行业的健康发展。

(3)探索职业危害评估方法,确定安全评估模型

由于纳米材料的特性,其评估方法可能不同于常规材料,但仍有学者用常规材料的评估方法分析了作业环境纳米材料的潜在健康危害及影响因素,从危害发生的可能性与严重度两方面进行评价,建立危险度模糊综合评价模型,确定了危险度评价等级。对纳米材料进行评估时,应当把纳米产品生命周期(从产品设计、原料生产、采集加工、储藏运输到最终的产品消费等)的环境与健康危害因素均列入评估内容,并充分考虑纳米技术与纳米材料安全性评估过程中的不确定性、普通人群和特殊人群的暴露量等因素,建立风险评估模型,确定风险评估方法,并最终根据不同的风险等级和危害程度,提出具体的预防和控制措施。

(4)制定纳米行业相关标准,加强职业健康和安全

美环境保护署(EPA)主管政策、规划和评估的前副行政官J.Clarence Davies强调:EPA当前的监控机制不太适合纳米技术,因为当前的法规基于质量和重量。这种方法用在纳米材料上就没什么意义了[38]。缺乏适当的EPA监管,纳米科技带来的利益有可能被环境、健康和安全等系列效应所抵消。一方面,在现有法律法规下,涉及纳米材料的企业仍须严格按照其执行,例如企业废水、废气、废渣的排放必须达标,工作场所的化学品浓度必须符合《工作场所有害因素接触限值》要求,化学品使用及管理必须遵循相关规程;另一方面,有必要从国家层面上对涉及纳米技术安全性的问题进行立法,建立纳米技术在环境保护以及职业健康与安全方面的专门标准、法规,建立纳米材料相关实验室、技术工作场所的规范、或作业操作指导原则,以保障第一线的纳米材料技术研发与应用人员的工作安全。

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第1期中国安全生产科学技术

我国大气环境毒理学研究新进展_李君灵

2012年第7卷 第2期, 133-139生态毒理学报 Asian Journal of Ecotoxicology Vol.7,2012 No.2,133-139 收稿日期:2011-08-12录用日期:2011-10-14作者简介:李君灵(1970-),女,博士,副教授,研究领域:环境毒理学与运动生理学;E-mail :lijunling_ljl@https://www.360docs.net/doc/041328371.html, ;*通讯作者(Corresponding author ),E-mail :zqmeng@sxu.edu.cn 我国大气环境毒理学研究新进展 李君灵1,2,孟紫强 2,* 1.山西财经大学体育学院,太原030006; 2.山西大学环境医学与毒理学研究所,太原030006 摘要:对大气环境中重要污染物的毒理学作用及其机制方面的文献进行综述。首先,总结了细颗粒物(PM 2.5)和纳米颗粒物对呼吸系统和心血管系统毒理学作用及其机理方面的研究;然后,评述了二氧化硫(SO 2)对基因表达的影响及内源性SO 2生理作用方面的研究,提出SO 2既是一种全身性毒物,又是一种新型信号分子的新观点;对大气环境致癌物,特别是有关苯并芘致癌作用分子机制的研究进行讨论;对大气中臭氧和光化学烟雾对健康影响的研究作了评述;最后,对室内空气污染物尤其是甲醛的毒性作用及其机理方面的最新研究进行了评论。关键词:大气环境毒理学;细颗粒物;二氧化硫;致癌物;臭氧;甲醛文章编号:1673-5897(2012)2-133-07中图分类号:X171.5 文献标识码:A Current Progress in Atmospheric Environmental Toxicology in China Li Junling 1,2Meng Ziqiang 2, *1.School of Physical Education ,Shanxi University of Finance and Economics ,Taiyuan 030006,China 2.Institute of Environmental Medicine and Toxicology ,Shanxi University ,Taiyuan 030006,China Received 12August 2011accepted 14October 2011 Abstract :Toxicological effects and mechanisms of important pollutants in the atmospheric environment are re-viewed.Firstly ,the studies on toxicological effects and mechanisms of fine particles (PM 2.5)and nanometer parti-cles on respiratory and cardiovascular systems are summarized.Secondly ,the investigations on effects of sulfur di-oxide (SO 2)on gene expressions and physiological roles of endogenous SO 2are commented.It is proposed that SO 2is a systemic toxin and a new type-gas transmitter.Thirdly ,the molecular carcinogenesis mechanisms of carcino-gens in the atmospheric environment ,especially benzopyrene ,are discussed.Fourthly ,toxic effects of atmospheric ozone and photochemical smog on health are summerized.Finally ,the up to date studies on toxic effects and mech-anisms of indoor air pollutants ,especially formaldehyde ,are commented. Keywords :atmospheric environmental toxicology ;fine particles ;sulfur dioxide ;carcinogen ;ozone ;formaldehyde 大气环境毒理学是研究大气污染物对人体、人群以及与人体健康相关生物的损害效应及其规律的一门科学。第二次世界大战以来,随着世界人口的增加、工业生产和交通运输的发展,以及煤炭、石油等能源利用的增长,各种废气排放量增多,大气受到了严重污染,使人类的健康和物质财富受到了直接 或间接的危害。因此,大气环境毒理学问题一直是 环境科学领域研究的热点之一。本文对有关典型大气污染物如大气悬浮颗粒物、SO 2、大气环境致癌 物、光化学烟雾以及室内空气污染物等的毒性作用及其机理的近期研究进行综述。

纳米材料的毒理学和生物安全性研究进展

生堡亟随匿堂盘壶!Q塑生!月筮塑鲞星!翅£!!!』堕!丛型:&坠磐盟!Q塑:!些塑,盟些兰 纳米材料的毒理学和生物安全性研究进展 刘建军何浩伟龚春梅庄志雄 纳米材料是指物质结构在三维空间内至少有一维处于 纳米尺度…(0.1—100llm,1am=10一m),或由纳米单元构 成的材料,被誉为“21世纪的新材料”,这一概念首先是由美 国国家纳米计划(NNI)提出来的。这些具有独特物理化学 性质的纳米材料,对人体健康以及环境将带来的潜在影响, 目前已经引起公众、科学界以及政府部门的广泛关注。随着 纳米技术的完善和应用规模的扩大,纳米材料将被迅速普及 和广泛应用旧o。 据报道,目前世界范围内市场上有超过400种消费品建 立在纳米材料的基础之上p1,预计到2014年全球市场的纳 米科技产品价值将达2.6兆亿美元MJ。为了了解应用于这 些产品中的纳米材料的潜在影响,就要熟悉和掌握其潜在暴 露风险、材料性质、产品生命周期及其在每一点性质和周期 上的潜在危险”J。自2000以来,国内外对于纳米材料的生 物安全性和毒理学问题展开了日益深入的讨论和研究净“。 一、纳米材料的特殊效应和应用 纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、 化学特性”],如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电, 原来绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始导 电。这是由于纳米材料特有的4大特殊效应所致¨1:即小尺 寸效应(8maLlsizeeffect)、表面效应(¥urfaceeffect)、量子尺 寸效应(quantumsizeeffect)和量子隧道效应(quantum tunneling effect);上述效应可导致纳米材料具有异常的吸附 能力、化学反应能力、分散与团聚能力,上述特性在赋予纳米 材料广泛应用的同时也带来一系列的负面效应。这些已被 证实,以及有待被证实的负面效应给当前迅猛发展的纳米科 技带来了一定的隐患。现将纳米材料理化特性涉及的应用 研究领域归纳如表1[9-103。 二、纳米材料的毒理学研究现状 Donaldson等011]2004年首先提出了“纳米毒理学” (naonotoxicology)这一概念,次年Oberd/Srster等¨21发表文章 支持这一概念并称之为“从超细颗粒物的研究中演变而来 的新学科”。自从Donaldson等发表论文之后,纳米毒理学 的发展步人了新轨道,在世界范围内召开的关于纳米材料毒 理学的会议越来越多,在各大学术网站上搜索到相关文章也 逐年增多。 DOI:10.3760/craa.j.issn.0253-9624.2009.02.016 基金项目:深圳市科技计划(200702159) 作者单位:518020深圳市疾病预防控制中心毒理研究室 通信作者:庄志雄,Enu61:junii8@126.咖 ?159?.综述. 表1纳米材料理化特性涉及的应用研究领域‘9‘10]研究应用领域材料和应用举例 电子学 磁学 光学 生物医药能源化工环保化工建筑、机械电极(纳米碳管)、超导体、导电及绝缘浆料、量子器件、量子计算机等 纳米磁性材料、磁靶向制剂、固定化酶、生物分离提纯、磁记录、纳米微品软磁材料等化妆品(TiO:)、隐身材料、发光材料、光通讯、光储存、光电脑等 纳米,E物医用材料(纳米羟基磷灰石)、生物薄膜、药物载体、蕈冈传送载体、药物输送、控释系统、纳米牛物传感器等 纳米催化、储能(碳纳米管储氢)、蓄热及能源转换、保温节能(纳米Si02)等 抗生素材料(纳米Ag,Ti02)、功能涂料(纳米Zn02,Fe203)有害气体治理、废水处理、阻声降噪等 超硬、高强、岛韧、超塑性材料等 已有研究表明,纳米材料经吸人、皮肤、消化道及注射等 途径与机体接触后能迅速进入体内,并容易通过血脑、睾丸、 胚胎等生物屏障分布到全身各组织。纳米颗粒往往比相同 剂量、相同组分的微米级颗粒物更容易导致肺部炎症和氧化 损伤。现有的细胞水平、动物实验和一些零星的人群研究结 果显示,人造纳米材料可以引起氧化应激、炎症反应、DNA 损伤、细胞凋亡、细胞周期改变、基因表达异常,蛋白质差异 表达,并可引起肺、心血管系统及其他组织器官的损害。我 们从纳米毒理学研究的不同层次分类阐述纳米材料毒理学 研究的概况,并对研究较多的材料(纳米碳管、TiO:等)举例 说明。 (一)纳米材料毒理学分子水平的研究 基因组学、后基因组学、毒物基因组学和蛋白质组学的 研究,都属于分子水平的范畴。迄今为止,国内外对纳米材 料毒性研究,主要还是采用形态学和酶活性等细胞毒性检测 和整体动物水平实验的方法,从分子水平进行机制方面的研 究并不普遍,目前已见纳米碳材料的蛋白质组学研究。 Witzmann和Monteiro-Riviere¨纠研究了多壁纳米碳管 (MWNCT)对角质化细胞蛋白质组表达的影响。用0.4ms/ lTll的MWNCT处理角质化表皮细胞(HEK)24和48h,抽提 蛋白进行双向电泳,并检测IL-1B、IL-6、IL-8、IL-10和TNF.a 等细胞因子的变化。通过PDQuesOD软件分析发现有 152个蛋白发生了显著的差异表达,细胞炎性因子IL-8浓度 在MWNCT处理HEK细胞24和48h后显著增加,IL.1B在 48h时间点浓度显著上升,IL-6浓度则有所降低,TNF-a的 浓度变得极低(<0.01pg/m1)。这螳细胞因子的变化说明 HEK暴露于MWNCT后产生了炎症反应,而蛋白的差异表 达则说明纳米碳材料本身具有损伤性,对HEK细胞蛋白质万方数据

纳米材料的生物安全性

纳米材料的生物安全性 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。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。 由于纳米材料种类繁多,理化性质各不相同,即使同一种纳米材料不同粒径也会出现不同的生物效应。因此,对每年不断涌现的新型纳米材料进行生物安全性评价就显得尤为紧迫和必要,对合适的研究模型和高通量筛选的方法以及系统的人群流行病学调查将成为纳米材料生物安全性评价体系建立的下一步研究重点。 纳米技术已迅速成为全世界关注的热点前沿科技领域,它能使人们能够在原子、分子水平上制造材料和器件。纳米技术与信息、环境、能源、生物、空间等高新技术相结合将形成以纳米技术为主旋律的纳米产业及产业链,成为21世纪新的经济增长点。但由于其独特的理化性质,且不能用常规的方法和手段进行检测,可能会对人体及生态环境造成污染,从而危及人类健康。同时,纳米材料的生物安全性研究还牵涉到环境保护、社会安全、伦理道德等许多方面。因此,科学家们逐渐认识和重视纳米材料可能带来的生物安全性方面的影响以及相关研究。纳米材料生物安全性研究产生背景纳米级颗粒本身和由它构成的纳米固体主要具有4个方面的效应,即小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,当人们将物体细分成超微颗粒( 纳米级) 后, 它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、磁学、力学以及化学方面的性质与大块固体时相比将会有显著的不同。 一、纳米材料的应用现状 1.在工业生产方面的应用 纳米材料的应用在工业生产中显示了独特的魅力。一些纳米材料如纳米二氧化硅用作橡胶、塑料、有机玻璃等材料的填充剂,可以改善材料的强度、韧性等

纳米材料有毒吗

纳米材料有毒吗 摘要介绍了纳米材料的一些应用和几种主要纳米材料(如纳米TiO2、碳纳米管、纳米铁粉等)目前已取得的部分生物效应及毒理学的研究结果;讨论了纳米材料对人体和环境带来的潜在影响,及纳米颗粒材料未来的毒性研究重点,并对纳米材料安全性进行了展望。 关键词纳米材料毒性安全性 纳米是一种尺度,和米、毫米、微米一样,都是长度的计量单位。1纳米是10-9米,相当于人头发丝直径的万分之一。纳米技术是通过操纵原子、分子、原子团或分子团使其重新排列组合成新物质的技术,其研究范围在1~100 nm之间的物质组成。应用纳米技术研制出来的物质称纳米材料。直径小于100 nm的颗粒物质称为纳米颗粒。 1 纳米材料的应用及其毒性问题的提出 20世纪80年代末诞生并急剧发展的纳米材料,我们并不陌生,其应用古今有之。古代字画所用的墨是由纳米级的碳墨组成;铜镜表面的防绣层是由纳米氧化锡颗粒组成。现代的手机涂层中有纳米颗粒,防晒霜中有纳米二氧化钛颗粒,口红中有氧化铁纳米颗粒;纳米材料也广泛应用于工业催化、工程材料、生物和医学等方面。但就在科学家肯定纳米材料对社会做出贡献的同时,一个新的科学问题——纳米生物效应与安全性,引起了人们的广泛关注。这些新型的、高科技的纳米产品对我们的生存环境、人体健康会带来负面影响吗?神奇的纳米材料有毒吗? 2003年在美国召开的第25届全美化学年会上,科学家们就提出了金属、陶瓷和有机纳米薄片很可能具有毒性。欧洲和美国的科学家发表的一项长达20多年的与大气颗粒物有关的长期流行病学研究结果显示[1]:人的发病率与他们所生活环境空气中大气颗粒浓度和颗粒尺寸密切相关;死亡率增加是由剂量非常低的相对较小的颗粒物引起的;伦敦大雾事件中,有4000多人突然死亡;2004年北京连续3天被浓雾笼罩之后,呼吸道病人增加了两成。科学家分析,这主要是空气中纳米颗粒大量增加造成的。可见,纳米材料、纳米颗粒的毒性已成为专家的共识。纳米材料和纳米颗粒是不同的实体,下面所指的毒性研究主要是针对纳米颗粒而言的。

纳米药物的有效性与安全性评价

第14章纳米药物的有效性与安全性评价 14.1概述 大量的研究已证明,纳米粒具有特殊的生物学特性。纳米载药系统能使许多药物的药效学和安全性特征发生较大或根本性变化,从而使其临床使用价值大大提高[1]。近年来,纳米技术正广泛用于改善药物的释药性能和药动学特征、提高治疗药物的靶向性、降低药物的毒性或用作基因治疗的载体等。纳米制剂已成为解决药物制剂难题的一项重要手段。 在纳米药物的研究开发中,纳米制剂的有效性和安全性是倍受关注的问题。近年来,对纳米药物的有效性和安全性研究已取得了一些进展。在有效性研究方面,集中于提高难吸收药物的生物利用度、抗肿瘤药物的组织靶向性、提高药物的脑靶向性分布、作为基因治疗载体的表达效率等研究。安全性评价方面主要研究纳米药物降低药物的全身性毒性、纳米载药系统的细胞毒性评价、纳米脑靶向药物对血脑屏障的影响等。但至今纳米药物在有效性和安全性评价方面的技术性规范尚未建立。 对纳米药物的有效性和安全性评价,应遵循新药药理毒理学研究的一般原则,同时应结合纳米粒的生物学特性,有针对性增加相关性研究,如纳米药物在用药局部的致炎性、纳米药物对机体免疫系统的影响、纳米材料的生物相容性与细胞毒性、吸入性纳米药物在肺部的沉积、纳米粒对血液循环系统的影响、纳米粒对各种屏障系统的损伤等。纳米药物的脑组织分布及对神经系统的损害、纳米药物的致突变性、纳米药物对靶向组织的致癌性也应认真考虑。 14.2纳米药物的药物动力学评价 14.2.1药物动力学评价方法 药物动力学(Pharmacokinetics)是研究机体对药物处置规律的科学。血药浓度经时变化规律的研究是药物动力学的基本内容,由此可得到药物在机体内的动力学参数。系统的药物动力学包括机体对受试物的吸收、分布、代谢及排泄等过程的研究。随着药物动力学学科的发展,形成了一些新的分支,包括疾病状态下的药物动力学、群体药物动力学及药物代谢物的动力学等。内源性药物代谢动力学、生物技术产品药物动力学、中药药动学等也已引起重视。药物动力学研究常用方法是整体动物实验,离体实验方法如透皮吸收、细胞培养方法如结肠腺癌细胞株(Caco-2)单层小肠吸收模型等常用于评价药物的经皮或经肠道吸收情况。 药物动力学研究在新药研制及评价中具有十分重要的意义,是新药和新制剂研制的基本内容。目的在于认识药物进入体内后的转运、药物从体内排出的形式与速度、不同剂量下变

纳米材料的生物安全性

纳米材料的生物安全性研究 田蜜 (湖北的二师范学院化学与生命科学学院,武汉,430205) 摘要 综述了包括富勒烯(C60)、氧化铁、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅等在内的多种典型的碳基纳米材料、金属及其氧化物纳米材料和半导体(绝缘体)纳米材料的生物安全性研究进展。 关键词:纳米材料;纳米生物安全;纳米毒理学:毒性 Abstract Including of fullerenes (C60) are reviewed in this paper, ferric oxide, aluminum oxide, zinc oxide, titanium dioxide, silica, such as a variety of typical carbon nano material and semiconductor, metal and oxide nanomaterials (insulator) biological safety of nanomaterials were reviewed. Key words: nano materials; Nano biological safety; Nanotoxicology: toxicity 引言 纳米粒子尺寸小、比表面积大、表面态丰富、化学活性高,具有许多块体及通粉末所没有的特殊性质,许多在普通条件没有生物毒性的物质,在纳米尺寸下却表现出很强的生物毒性[1]。与此同时,纳米材料可能产生的负面效应特别是对环境和健康的潜在影响,也引起了人们的关注。2003 年4 月,Science 首先发表文章讨论纳米材料可能产生的生物安全性问题[2]。随后,许多学者相继开展了纳米材料的毒理学研究。本文将一些学者的研究进行了综合,希望对各位有所帮助。 一、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—一纳米效应与安全性,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[2]引、7月Nature[3]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。

发现毒理学的研究进展

*基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)基金(2002AA2Z342D 和2004A A2Z3774) 综 述 发现毒理学的研究进展 * 王全军,吴纯启,廖明阳 (军事医学科学院毒物药物研究所,国家北京药物安全评价研究中心,北京100850) [摘要] 发现毒理学又称为开发前毒理学(Predevelopmental Toxicology),是指在创新药物的研发早期,对所合成的系列新化合物实体(New Chemical Entities,NCEs)进行毒性筛选,以发现和淘汰因毒性问题而不适于继续研发的化合物,指导合成更安全的同类化合物。发现毒理学的研究既可加快药物研发进程,提高研发成功率,又减少资源消耗。笔者就发现毒理学研究的定义、必要性、研究内容、研究方法和我国当前的研究现状作一简述。 [关键词] 发现毒理学;新化合物实体(NCEs);毒性筛选 [中图分类号]R994 1;R965 1 [文献标识码]A [文章编号]1003-3734(2005)08-0958-04 Progresses of discovery toxicology research W ANG Quan jun,W U Chun qi,LI AO Ming yang (Institute o f Pharmacology and To xicology ,Academ y o f Military Medical Sciences ,National Beijing Center f o r Drug Sa fety Evaluation and Research ,Beijing 100850,China )[Abstract ] Discovery toxicology,also named predevelopmental toxicology,is to screen toxicities of new che mical entities (NCEs)in the discovery phase of ne w drug research,to discover and eliminate the compounds that are unsuitable for further development due to their toxicity as early as possible,and to optimize the next more safe compounds.Discovery toxicology research can break through the limitation and improve the efficiency of drug research.This article will present the concept of discovery toxicology,the essentiality of discovery toxicology research.The content,methods and current status of discovery toxicology in China are described too. [Key words ] discovery toxicology;new chemical entities(NCEs);toxicity screening 药物研发成功与否部分取决于在研发早期严格淘汰不适合进一步研发的化合物。在药物临床前阶段,毒性问题是研发失败的主要原因。在研发早期尽早发现候选化合物的潜在毒性是毒理学研究的重要问题。 多年来,新药研发越来越多地依赖于生命科学技术的研究进展。在新药设计方面,化学家参考药物作用靶、内源性配体和底物的化学结构特征,应用计算机辅助药物设计手段发现选择性作用于靶位的新药;在新药活性筛选方面,现代药物组合化学与体外高通量筛选的成功结合极大地提高了先导化合物的发现速度;在新药的药动学(ADME)研究方面,多种基于药物代谢酶或转运体的药动学筛选模型已开始应用于新药开发研究。这些新技术的成功运用大 大加快了药物研发早期的药物发现、药物合成、药效筛选的进程,从而产生大量的候选化合物。传统药物毒理学研究在时间、经费、样品消耗量和动物数等方面都花费巨大,在药物毒作用机制研究方面难以阐明一些临床使用药物的毒性机制和理想的应急解毒措施,因此传统药物毒理学无法满足因新的生物技术而产生的海量候选化合物的毒性筛选研究,成为限制整个药物研发的瓶颈。而发现毒理学(Discovery Toxicology)的研究将打破这个瓶颈,既可加快药物研发进程,提高研发成功率,又减少资源消耗。笔者就发现毒理学研究的含义、必要性、研究内容、研究方法和我国当前的研究现状作一简要综述。1 定义、产生背景和产生的必要性 伴随着科学技术的发展,当代毒理学的发展将 958

纳米材料的毒性研究

纳米材料的应用及毒性研究必要性 纳米材料是指三维结构中至少有一维大小在纳米(10-9米)尺度上的材料。由于纳米材料具有特殊的物理化学特性,使其在很多领域具有广泛的应用,比如:化工、陶瓷、微电子学、计量学、电学、光学以及信息通讯等领域[1]。近期研究发现纳米技术在生物、医药上也具有巨大的应用潜力,包括疾病诊断、分子成像、生物传感器荧光生物标记,药物和基因传输,蛋白质的检测,DNA结构探讨,组织工程学等[2]。目前市场上基于纳米技术的产品有很多,包括涂料,化妆品,个人护理品和食品增补剂[3]。因此人类暴露于纳米颗粒的途径多种多样,吸入,摄取以及皮肤途径。而且,出于医学的目的,这些颗粒有可能直接被注射进入人体内[4]。一旦被人体吸收,各种类型的纳米颗粒就会分布到人体的大部分器官,甚至可以通过生物屏障,比如血脑屏障和血睾屏障[5,6]。 2003年,Science和Nature相继发表文章,探讨纳米材料的生物效应、对环境和健康的影响问题[7,8]。很多研究工作已经证明,纳米材料对生物体会造成 负面的影响。目前为止, 科学家们只对纳米TiO 2、SiO 2 、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[9]。Vicki Colvin[7]强调:"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"。因此对纳米材料毒性的研究,不仅具有必要性而且具有紧迫性,是保证纳米科技顺利发展的前提,可以减少新兴科学对人类及自然界不必要的破坏。 纳米材料毒性研究现状 纳米材料具有粒径小、比表面积大的特点,量子效应在纳米尺度上开始支配物质的物理化学性质。这些特有的性质使得纳米材料的应用领域十分广泛[1]。然而,纳米材料对生物系统的不利影响引起了越来越多的关注。已经有很多研究证实,纳米材料并非有益而无害的,它们在细胞、亚细胞以及蛋白质水平上都影响着生物体[10]。纳米材料的粒径很小,因此它们和生物组织接触及作用的机会大大增加,正常尺寸下对生物体并无影响的物质在纳米尺寸下可能会对生物体产生毒副作用[10]。 ?SiO 2 纳米颗粒

纳米材料安全性的研究进展

纳米材料安全性的研究进展 摘要人们对纳米材料的关注推动了纳米科学和技术的快速发展。随着纳米材料和纳米技术的迅速发展和广泛应用, 人们接触不同种类的纳米材料的机会大大增加. 有超过500种消费品宣称采用了纳米技术,每年市场需求成吨的纳米原材料,包括纳米金属、纳米氧化物和碳纳米管,对纳米医药产品的需求每年以17%速度在增长,到2011 年市场规模估计有530亿美元,其中药物市场最大,在2014年可达到180亿美元。目前至少有12种纳米药物已获得批准。在生产和使用过程中,纳米材料通过多种途径释放到环境、生态系统、水源和食品供应中,并进入人体。纳米材料与人体接触会不会引起不良的后果? 纳米材料对环境是否有危害? 当纳米材料和纳米技术与人类的关系越来越紧密的时候, 其引起的伦理学、社会和法律问题也越来越引起人们的关注. 本文就纳米安全性研究, 结合国内外各研究机构的实验结果和流行病学调查资料, 从纳米材料本身的安全性、纳米材料的生物效应、纳米材料毒性的体外评价3个方面, 简要阐述如何正确认识纳米材料和纳米技术的安全性. 关键词纳米材料安全性毒性生物效应 物质到纳米尺度(0.1~100 nm, 1 nm= 10?9 m)后会出现特殊性能, 这种既不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观物质的材料即为纳米材料. 纳米材料尺寸小, 可轻易进入到生物体内, 这就为构建药物运输系统或者肿瘤的治疗提供了巨大的优势. 但是, 纳米材料作用于人体会不会引起不良的后果? 纳米材料对环境是否有危害? 当纳米材料和纳米技术与人类的关系越来越紧密的时候, 其引起的伦理学、社会和法律问题也越来越引起人们的注意. 随着社会学家对这些问题的理论阐述日益完善, 公众对纳米技术的理解也越来越深入[1]. 本文就 纳米材料和纳米技术安全性研究的发展做一初步的总结与探讨. 1 纳米材料本身的安全性 纳米材料的尺寸大小、化学组成、表面结构、溶解性、形状以及聚集状态等均可以影响其生物学效应. 同时, 纳米材料的暴露途径也是一个重要的影响因素. 这些参数会影响其细胞内吞、细胞内的转运和定位、与蛋白的结合、体内的迁移和蓄积, 从而可能会引起特定的生物学反应. 迄今为止, 许多实验组对多种纳米材料的安全性进行了研究. 但是目前得到的实验结果并不相同甚至相互

环境毒理学论文

环境毒理学,是环境科学和毒理学的一个分支。它是从医学及生物学的角度,利用毒理学方法研究环境中有害因素对人体健康影响的学科。其主要任务是研究环境污染物质对机体可能发生的生物效应,作用机理及早期损害的检测指标,为制定环境卫生标准做好环境保护工作提供科学依据。利用毒理学方法研究环境污染物对人体健康的影响及其机理的学科。是环境医学的一个组成部分,也是毒理学的一个分支。它主要通过动物实验来研究环境污染物的毒作用。环境污染物对机体的作用一般具有下列特点:接触剂量较小;长时间内反复接触甚至终生接触;多种环境污染物同时作用于机体;接触的人群既有青少年和成年人,又有老幼病弱,易感性差异极大。 环境毒理学主要通过动物实验来研究环境污染物的毒作用。环境污染物对机体的作用一般有接触剂量较小;长时间内反复接触甚至终生接触;多种环境污染物同时作用于机体;接触的人群既有青少年和成年人,又有老幼病弱,易感性差异极大等特点。 环境毒理学的任务主要有三项:研究环境污染物及其在环境中的降解和转化产物,对机体造成的损害和作用机理;探索环境污染物对人体健康损害的早期观察指标,即用最灵敏的探测手段,找出环境污染物作用于机体后最初出现的生物学变化;定量评定有毒环境污染物对机体的影响,确定其剂量与效应或剂量一反应关系,为制定环境卫生标准提供依据。 环境毒理学主要研究环境污染物及其在环境中的降解和

转化产物在动植物体内的吸收、分布、排泄等生物转运过程,和代谢转化等生物转化过程,阐明环境污染物对人体毒作用的发生、发展和消除的各种条件和机理。 ①研究环境污染物及其在环境中的降解和转化产物对机体造成的损害和作用机理; ②探索环境污染物对人体健康损害的早期观察指标,即用最灵敏的探测手段,找出环境污染物作用于机体后最初出现的生物学变化,以便及早发现并设法排除; ③定量评定有毒环境污染物对机体的影响,确定其剂量与效应或剂量-反应关系,为制定环境卫生标准提供依据。 研究环境污染物及其在环境中的降解和转化产物在体内的吸收、分布、排泄等生物转运过程和代谢转化等生物转化过程,阐明环境污染物对人体毒作用的发生、发展和消除的各种条件和机理。 环境污染物对机体毒作用的评定,主要是通过以下几种动物实验方法进行的: 急性毒性试验 其目的是探明环境污染物与机体作短时间接触后所引起的损害作用,找出污染物的作用途径、剂量与效应的关系,并为进行各种动物实验提供设计依据。一般用半数致死量 (LD50)、半数致死浓度(LC50)或半数有效量(ED50)来表示急性毒作用的程度。 亚急性毒性试验

纳米毒理学预测模型:目前的挑战和未来的机遇

原文:Katherine A. Clark, Ronald H. White, Ellen K. Silbergeld. Predictive models for nanotoxicology: Current challenges and future opportunities. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2011, 59:361–363. 纳米毒理学预测模型:目前的挑战和未来的机遇 摘要:因为纳米材料可以有不同的尺寸,形状,化学组成和表面修饰,所有这些都可影响毒性,所以这些材料带来的风险是非常复杂的。对可以迅速有效地评估纳米材料潜在危险的筛选方法和能告知需要额外毒理试验优先次序的测试策略有迫切需要。毒性预测模型能根据它们的理化的特点预测哪些具有潜在危险性的纳米材料毒性结果。本文综述了预测模型研究策略的走向和有关优点。 评估人造纳米材料(MNMS)潜在风险的最大挑战之一是缺乏一个理性的以证据为基础推断纳米材料的危害的系统。随着越来越多含MNMS的商业产品的出现,这已成为一个突出的问题。小尺寸和高表面积与体积比的功能独特MNMS 可以增加跨膜运输,结合生物大分子,分子运输,杀菌性能,或甚至可能产生尚未预见或认知的生物学特性。根据情况或目的不同,这些性能可能是有益的,例如优化药物输送,但还可能因无意暴露或释放入环境带来健康和/或环境的风险。 在单类的MNMS中(例如,含碳纳米材料,金属氧化物纳米颗粒),可有广泛的尺寸和形状,有不同的化学组成和表面修饰,所有这些都可能影响行为和毒性。当考虑当前或未来生产和使用的各种纳米材料的危险度评价,通过一个个测试所有MNMS特别是通过哺乳动物测试,这显然是不可行的。然而,因为缺乏MNM危险度评价体系,使比较不同的研究结果的机会很少,或分隔了那些可能有助于危险度和风险评价的因素。MNMS风险评估的困难是大家公认的。近年来已发表了几篇文章应用传统和替代风险评估策略评估MNM在人类和环境的风险(Grieger et al., 2010; Johnston et al., 2010; Linkov et al., 2007, 2009; Morgan, 2005; Shatkin et al., 2010; Tervonen et al., 2009)。其中最突出的替代方法是使用多

纳米材料在食品包装中的应用及安全性评价_杨龙平

纳米材料在食品包装中的应用及安全性评价 杨龙平,章建浩,黄明明,严文静 (南京农业大学,南京210095) 摘要:目的阐述几种常用纳米材料在食品包装中的应用,并对其安全性进行研究。方法方法分别阐述Ag ,TiO 2,SiO 2,ZnO ,蒙脱土等纳米材料在食品包装方面的应用。结论结论纳米材料能有效改善包装材料的特性,保持食品的品质和风味,防止微生物滋生,具有显著的意义和广阔的发展前景。关键词:纳米材料;食品包装;应用;安全性中图分类号:TB487;TS206.4 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2015)01-0019-05 Application and Safety Evaluation of Nanomaterial in Food Packaging YANG Long-ping ,ZHANG Jian-hao ,HUANG Ming-ming ,YAN Wen-jing (Nanjing Agricultural University ,Nanjing 210095,China ) ABSTRACT :The applications and safety of several common nanomaterials used in food packaging were reviewed in this paper.The applications of nanomaterials including Ag nanomaterials,TiO 2nanomaterials,SiO 2nanomaterials,ZnO nanomaterials and montmorillonite used for food packaging were illuminated.Nanomaterials can effectively improve the properties of packaging materials,maintain the quality and flavor of food,prevent microbial growth,and have significant meaning and bright prospects. KEY WORDS :nanomaterial ;food packaging ;application ;safety 收稿日期:2014-10-08 基金项目:江苏省国际科技合作计划(BZ2014034);江苏省优势学科人才引进(80900229)作者简介:杨龙平(1991—),女,重庆人,南京农业大学硕士生,主攻纳米抑菌材料的开发。 通讯作者:严文静(1986—),女,陕西咸阳人,博士,南京农业大学讲师,主要研究方向为纳米生物传感检测技术及抑菌纳米保鲜 材料。 纳米技术是在单个原子或分子尺度上准确识别、观测和控制物质的个数、种类和几何构型,据此来制造特定产品或创造纳米级加工工艺的一门新兴学科。其中,纳米材料是纳米技术最重要的基础,是由纳米粒子组成的一种超微颗粒材料,尺寸为1~100nm。在该尺寸范围内的纳米材料由于其独特的尺寸效应,因而会呈现出许多大块材料不具备的特殊性质,如优异的物理化学性能、较好的力学性能、优良的加工性能、较好的生态性[1]。纳米包装材料是一种新型包装材料,通过向原有包装材料中加入纳米材料对其进行改性、复合,从而赋予新材料具有纳米材料的表面等离子体性质,并表现出很好的抑菌性、力学性能和透气性等[2],目前已经广泛应用于食品、环境、医药等领域。 在食品包装领域,目前研究比较多的是以聚合物为基底的纳米复合材料,该材料是通过向柔性较好的高分子聚合物中加入纳米尺寸的分子或纳米颗粒制备而成。纳米复合材料主要包括2种成分:无机纳米材料(如Ag,TiO 2,SiO 2等)和有机聚合物(如聚乙烯、淀粉、聚乳酸、水溶性聚糖或酯类等)。无机纳米粒子使复合包装材料具有传统包装材料所不具备的特殊性质。根据基质材料对生物降解的承受能力可将食品包装材料分为2类:不可降解的纳米复合材料和可生物降解的纳米复合材料。如果使用的基质是水溶性聚糖或酯类材料,还能够制备得到可食性纳米复合材料[3]。目前,各种纳米复合包装材料中应用比较广泛的包括硅酸盐-环氧树脂纳米复合材料、尼龙66-粘土复合材料、纳米蒙脱石粉/PA 类、纳米SiO 2/PP 类等[4]。 包装工程 PACKAGING ENGINEERING 第36卷第1期2015年1月 19

系统毒理学及其研究进展

系统毒理学及其研究进展 在总结国内外相关研究的基础上,综述了系统毒理学的原理、诞生背景、研究策略、研究基础及其主要应用。同时,通过介绍系统毒理学的研究实例来阐述其目前的研究进展情况。希望从分子生物学的发展中汲取足够营养并结合传统毒理学的研究成果发展壮大自己。 【Abstract】Based on the foundation of related research at home and abroad,paper summarizes the principle and research strategy,research background,basis and main application of system toxicology. At the same time,to explain its current status a case study of the system is introduced. And we hope to draw sufficient toxicological nutrition from the development of molecular biology and development itself combined with the research of traditional toxicology . 标签:背景;技术;应用;进展 1 系统毒理学及其诞生背景 系统毒理学是近10年来发展起来的一门新兴学科,代表着后基因组时代毒理学发展的新方向。所谓系统毒理学是指通过了解机体暴露后在不同剂量、不同时点的基因表达谱、蛋白质谱和代谢物谱的改变以及传统毒理学的研究参数,借助生物信息学和计算毒理学技术對其进行整合,从而系统地研究外源性化学物和环境应激等与机体相互作用的一门学科[1]。 近年来,生命科学在新理论和新技术上有了突飞猛进的发展,一系列“组学”(omics)应运而生,如基因组学(genomics)、蛋白质组学(proteomics)、细胞组学(cellomics或cytomics),等新学科不断涌现,使人们对基因和基因组的认识,对生命本质的认识和认识生命、健康的手段取得了重要的进展。 另外,传统的毒理学研究依然存在许多不足,相对于飞速发展的分子生物学技术和越来越多的外源性物质,毒理学的研究方法急待革新。 系统毒理学的发展,既有系统生物学发展的外在刺激,又有传统毒理学在发展中克服自身不足的内在需求。 2 生物学基础 2.1 基因组学 基因组学是研究基因组的结构、功能及表达产物的学科。基因组的产物不仅是蛋白质,还有许多复杂功能的RNA。将基因组学的方法与技术应用于毒理学研究领域,称之为毒物基因组学(toxicogenomics)。毒物基因组学的基本方法是通过观察生物在接触毒物后基因表达谱的变化,筛选毒性相关基因、揭示毒作用

纳米材料与细胞作用的综述

申请学位: 学士学位 院 系: 药学院 姓 名: 孟凡飞 学 号: 122120209 指导老师: 张怀斌(讲师) The Review of The Interaction of Nano Materials and Cells 毕 业 设 计(综 述) 纳米材料与细胞作用的研究综述 二0一四年六月十二日

目录 摘要 (1) Abstract (2) 引言 (3) 1纳米ZnO的制备及性质 (3) 1.1 纳米ZnO的制备 (3) 1.1.1 制备方法的概述 (3) 1.1.2 醋酸锌法制备纳米ZnO (3) 1.2 纳米ZnO的性质 (5) 2纳米ZnO与不同细胞的相互作用 (5) 2.1 纳米ZnO与人支气管上皮细胞(BEAS-2B) (5) 2.2 纳米ZnO黄曲霉细胞的相互作用 (6) 2.3 对白色念珠菌的生物毒性 (6) 2.4 纳米ZnO对人胚肺成纤维细胞(HELF)的生物毒性的剂量效应 (7) 2.5 尺寸效应对ZnO纳米粒子对洋葱表皮细胞作用的影响 (8) 3展望 (9) 3.1 发展与应用 (9) 3.2 缺点与改进 (10) 参考文献 (11) 致谢 (13)

纳米材料与细胞作用的研究综述 孟凡飞 摘要: 从近年来对于纳米材料的安全性评价的工作进展看,人们对于现今应用较广的ZnO纳米材料的生物安全性研究较少。本文将着重阐述ZnO纳米材料在机理、剂量、尺寸方面对不同生物细胞的相互作用,为做好纳米材料使用的安全防护工作、研究纳米材料在生物安全性方面的影响、建立一套研究纳米材料安全性评价的方法提供必要依据。关键词: ZnO纳米材料;机理;剂量;尺寸;生物细胞;相互作用

纳米金属材料的毒理学研究进展杨双立

材 料 化 学 论 文 环境与化学工程学院应用化学二班 杨双立 40904010216

纳米金属材料的毒理学研究进展 杨双立 (西安工程大学,环境与化学工程学院,陕 西,西安 710000) [摘要]纳米金属材料是利用纳米技术制造的具有纳米尺寸的金属材料。本文综述了纳米金属材料毒理学方面的研究进展;通过分析纳米金属材料的特性,阐述纳米金属材料对肺、神经、皮肤等的毒性作用,表明纳米金属材料可引起细胞线粒体功能损害、膜渗透性增加及细胞形态的凋亡样变化,并影响机体多个器官的功能;指出应加强纳米金属材料毒理学的研究,建立评价纳米产品生物安全性的标准方法及评价体系,为纳米金属材料的推广应用提供保障。 [关键词] 纳米金属材料;毒理学;细胞毒性;文献综述 在现代工业社会,新兴技术对提高社会经济地位和人类健康有很大的作用空间。这些技术既带来极大的经济利益,也带来了很多社会风险?。在充满活力的21世纪,信息、生物技术、能源环境、先进制造技术和国防的高速发展必然会对材料提出更高的要求,纳米材料无疑是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。纳米材料是指至少一维空间的粒径≤100 nm的材料,纳米金属是利用纳米技术制造的具有纳米级尺寸的金属材料。在金属材料生产中利用纳米技术,可以将材料成分和组织控制得极其精密和细小,从而使金属的力学性能和功能特性得到飞跃的提高。近年来,随着纳米技术的发展和纳米材料的广泛应用,它对环境以及生物体可能产生的影响越来越受到人们的关注。2004年7月,英国皇家学会发布了“纳米科学与纳米技术:机遇与不确定因素”的报告,评估了纳米技术对健康和环境的影响[1]。同时,欧美日等也提出了关于纳米材料风险评估的基本框架[2—5],大量关于纳米材料生物效应的实验研究也正在大规模地展开,以推进纳米技术的健康快速发展。纳米金属材料不仅具有金属材料本身的特性,同时具有纳米材料的独特性能,其在现代科学技术领域显示巨大应用前景的同时,也增加了对环境和生物体产生影响的安全隐患。现对近期有关纳米金属材料毒性作用的研究作以综述。 1 纳米金属材料的特性及应用 纳米金属材料具有纳米材料的一般特性——表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。同时纳米金属材料还具有奇异的磁特性,主要表现为超磁性或高的矫顽力,利用纳米金属材料的这一特性可制备磁性液体[6]。纳米氧化铁因为所具有的超顺磁性,可以被用于高性能的储磁材料、医用核磁共振成像、生物磁靶向药物载体等方面。纳米金属材料还由于其表面效应被用于高效工业催化剂。金属材料结合纳米技术使得金属材料的应用更广泛。纳米二氧化钛基于其电磁和半导体性能,在电子工业中有广泛应用;基于其介电性制造温度补偿陶瓷电容器以及热敏、光敏、压敏、气敏、湿敏等敏感元件;同时基于纳米二氧化钛的紫外屏蔽性和可见光透明性,被用于性能优越的新型防晒剂中。纳米技术与传统抗菌剂银结合产生的纳米银由于其纳米特性以及抗菌性,广泛用于纺织品的消毒、洗衣机的消毒和抗菌敷料等。越来越多的纳米金属材料应用于各个领域,人类接触的机会也随之增加,因此,它的生物安全性值得我们去关注。有研究表明,纳米金属材料的化学稳定性与毒性有关,稳

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