纳米材料的生物安全性研究进展

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2006年第25卷第9期·1040·化工进展纳米材料的生物安全性研究进展刘红梅，黄开勋，徐辉碧（华中科技大学化学系，湖北武汉 430074）摘要：概述了近年来国内外在纳米材料的生物安全性研究方面的工作，并介绍了4个主要研究方向，包括纳米材料在环境中的传播、纳米材料的尺寸和结构与其生物效应之间的关系研究、纳米材料与生物体相互作用机理研究以及纳米材料生物安全性评价体系的研究。

最后对纳米材料生物安全性研究的发展前景提出了展望。

关键词：纳米材料；生物安全性；传播中图分类号：TB 383；Q 50 文献标识码：A 文章编号：1000–6613（2006）09–1040–05 Recent research on biological safety of nanometer-scale materialsLIU Hongmei，HUANG Kaixun，XU Huibi（Department of Chemistry，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China ）Abstract：Recent research on the biological safety of nano-materials is summarized. Moreover，several research aspects are introduced，including the transport of nano-materials in the environment，the relationship between the size and structure of nano-materials and their biological effects，the possible mechanisms by which nano-materials interact with biological tissue，the criteria of evaluating the biological safety of nano-materials. The prospect of the study on the biological safety of nano-materials is also discussed.Key words：nano-materials；biological safety；transport纳米材料是组成相或晶粒在任一维上尺寸小于100 nm的材料，纳米材料按宏观结构分为由纳米粒子组成的纳米颗粒，纳米膜和纳米纤维等，纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性出现改变而导致新的特性出现的现象，叫纳米材料的小尺寸效应。

由于纳米材料的这些独特的物理和化学性质，因此广泛用于能源、涂料、化妆品、医药和纺织等行业中，故而人们在生活中与纳米材料的接触也日益增多。

在这种情况下，人们对纳米材料的生物安全性提出了疑问，例如现在有的纺织品在加工过程中加入了纳米材料以提高抗污能力，那么纳米材料与人体皮肤经常接触，会不会导致纳米材料渗透皮肤进入人体产生毒副作用是值得思考的问题。

另外，在涂料中大量使用的纳米材料经过长时间的使用也有可能进入空气中，通过呼吸进入人体，那么在这种情况下人体受到的危害到底如何去衡量。

这都是目前发展纳米科技的同时需要考虑的问题，只有对纳米材料的生物效应有了清楚的了解，才能正确地使用而避免它对人体产生毒副作用。

本文概述了近年来国内外在纳米材料生物安全性方面的研究状况，介绍了其中几个主要研究方向，并对今后的研究进行了展望。

1 国内外研究状况概述围绕纳米技术的生物安全性，发达国家正积极展开研究。

2003年4月，Service在Science上发表文章讨论了纳米材料与生物环境相互作用，及可能产生的生物效应问题[1]，并介绍了Lam研究小组的研究结果，该研究小组发现单壁碳纳米管可能会损害老鼠的肺部组织。

2003年10月，美国政府增拨专款600万收稿日期 2006–03–05；修改稿日期 2006–07–12。

基金项目湖北省自然科学基金资助（No.2005ABA183）。

第一作者简介刘红梅（1975—），女，博士，讲师，主要从事硒的生物效应、纳米药物的生物安全性等方面的研究工作。

电话 027–87543532；E–mail hmliu2004@。

第9期刘红梅等：纳米材料的生物生物性研究进展·1041·美元启动了纳米生物效应的研究工作。

2004年12月，欧共体公布了“纳米安全性综合研究计划”，研究内容包括纳米材料的生物、环境和健康效应，支持纳米颗粒与生物体系相互作用过程的基础科学研究，纳米颗粒对人体健康(脑神经系统、心血管系统、呼吸系统、免疫系统等方面)的影响，以及纳米颗粒的防护研究。

针对这个新兴的研究领域，英国在2005年1月正式创立了《纳米毒理学》(Nanotoxicokogy)专业杂志，刊登有关纳米材料的毒理方面的研究论文。

国内以中国科学院高能物理研究所的赵宇亮为代表较早地开展了这方面的工作，并取得了一定的成果。

目前，关于纳米材料的生物效应研究才刚开展，由于生物体的多样性和复杂性，这给研究带来了很大的困难，因此有必要建立一套完善的体系，对纳米材料的生物作用机理、生物效益和安全性展开调查。

同时也应该看到，这个新的交叉学科领域也给广大科研工作者带来了新的研究机遇。

下面介绍近年来国内外在纳米材料的生物安全性研究方面的几个主要研究方向。

2 纳米材料生物安全性研究的几个方向2.1 纳米材料在环境中的传播任何一种材料对生物体产生毒性的前提是它能够以某种途径与生物体接触，途径不一样，作用的生物组织也不一样。

了解纳米材料在环境中的传播途径有助于更好的认识其生物效应。

首先接触到纳米材料的应该是生产这些材料的工作人员，在加工纳米材料的过程中，人体的皮肤可能会接触到材料。

另外，以固体或气溶胶方式存在的纳米材料由于自身的质量很小，很容易漂浮在空气中，因此也有可能通过呼吸进入人体。

例如从事煤矿和硅酸盐行业的职工很容易吸入石英、灰尘颗粒和石棉纤维，从而导致肺部器官的炎症和纤维化[2－5]。

消费者购买含有纳米材料的商品时也会接触到这些材料，如化妆品、色素和颜料等，美国食品和卫生监督局早在1999年就鼓励对用于防晒化妆品中二氧化钛微粒进行毒性研究。

有文章报道当二氧化钛的颗粒尺寸大于40 nm时，皮肤对二氧化钛的吸收是可以忽略的[6－7]。

但同时也有文章报道在日光中紫外光线的照射下，由于纳米级尺寸的二氧化钛颗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[8－10]，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。

图1描述了纳米材料在自然界中存在的可能传播途径[11]。

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。

考察纳米材料的环境效应时一个重要的研究内容就是调查纳米材料在水中的迁移。

虽然一部分纳米材料可能会在水中发生化学反应而降解，但很多不溶于水的物质会随着水的流动在环境中传播[12]，如果具有毒性的纳米材料进入地表水，那么后续的治理工作将很难开展。

随着工业需求的增长，数以吨计的纳米材料被合成出来，在加工和运输的过程中极有可能造成水环境污染[13－14]。

由于纳米材料本身的尺寸非常小，这将给饮用水的生产带来潜在的困难，开发更小孔径的过滤设备也势必会增加饮用水的成本。

另外纳米材料在医学上的应用也在开展，通过体内注射或给药也是纳米材料进入人体的一种途径。

2.2 纳米材料的尺寸和结构与其生物效应之间的关系研究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，容易进入生物体并发生相互作用。

目前国内外的一些研究表明，没有毒害作用的微米物质当被加工成纳米级的超细微粒时，就会表现出一定的毒性，而且颗粒尺寸越小，单位表面的活性也越大，产生的生物效应也越大。

例如Oberdörster等研究发现，多数的大鼠在含有20 nm 粒径的聚四氟乙烯颗粒的空气中呼吸15 min后即在随后4 h内死亡；而相比之下在含120 nm 聚四氟乙烯颗粒的空气中，大鼠则没有表现出任何不适症状[1]。

不过，Oberdörster等并不认为这种结果可以简单地用尺寸来解释，但可以断定颗粒尺寸越小，巨噬细胞越难将其排出体外。

一些临床实验结果表明，纳米颗粒之所以诱发肺部病症，是因为纳米颗粒具有较大的比表面积，能产生活性氧(ROS)[3－5]。

尽管以上有些材料以块状形式存在时是稳定的，但以小尺寸存在时就表现出较强的致病性。

另外一个主要原因就是纳米材料的尺寸越小，就越容易透过人体的皮肤进入身体，从而与体细胞发生作用。

Reinert等[15]利用与人体皮肤接近的猪皮做纳米颗粒的渗透性实验，发现大小在45～150 nm长和17～35 nm宽范围内的纳米二氧化钛很容易通过角质层进入到表皮下的颗粒层，如果接触时间延长，纳米颗粒很有可能进入到真皮层。

纳米二氧化钛材料近年来在工业得到了广泛的应用，而且材料的尺寸也不断减小，但相关的生物毒性研究进展却相对较慢，在国内开展这方面的工作化 工 进 展 2006年第25卷·1042·刻不容缓。

纳米材料的生物效应不仅与其大小有关，还与其结构有关。

例如Ding 等[16]利用基因芯片研究了洋葱状碳纳米材料(MWCNO)和管状结构碳纳米材料(MWCNT)对人体皮肤成纤维细胞的毒性作用，发现这两种结构的碳纳米材料虽然处于同样的尺寸范围，但其表现出的毒性却不完全一样。

其中，MWCNT 诱发细胞产生更多的应激反应，导致细胞坏死。

同时研究也发现，两种材料刺激基因表达的方式不一样，MWCNT 诱导成纤维细胞中与免疫和炎症反应相关的基因表达，而MWCNO 主要是诱导响应外源刺激的基因表达。

国内赵宇亮等比较了单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)对齿槽巨噬细胞的毒性[17]，纳米管的直径在10～20 nm 。

结果表明，SWNT 的细胞毒性高于MWNT ，当加入剂量仅为0.38μg/cm 2时SWNT 就明显地减弱了齿槽巨噬细胞的吞噬作用，而MWNT 的剂量高达3.06 μg/cm 2时才会引发同样的细胞损伤。