纳米材料的危害

纳米材料的危害

“纳米”有哪些潜在的危险？纳米时代即将来临，我们已经做好了知识上和心理上的准备了吗？

一些纳米颗粒对生物体有害

纳米是一个长度单位，是1米的10亿分之一。当物质颗粒小到纳米量级时，这种物质就被称为纳米材料。在一段时间里，我们一直认为纳米科技给社会带来的都是益处，而近年来，不少研究者发现，一些纳米颗粒和碳纳米管对生物体有害。

据《自然》杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学研究人员在实验鼠身上完成的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大脑中处理嗅觉的区域内，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学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，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。这些都说明，纳米材料对人类健康和环境都存在危害。

纳米材料为何会对人体造成影响呢？当一种物质缩小到纳米尺度后，它的性质就会发生显著变化。实验表名，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克纳米二氧化硅，小白鼠就会立即毙命。而且，纳米材料不易降解，穿透性强，人一旦吸入纳米颗粒，其健康就会受到潜在的威胁。

美国加州大学教授陈帆青说：“现在日常生活中，含纳米成分的产品已有不少。拿化妆品来说，一些唇膏的珠光颗粒其实就是纳米颗粒；等离子电视等含有碳纳米材料的电器，长期接触也可能影响健康。对于各种纳米材料的安全性，我们正在建立数据库，以进行系统评估。”

纳米材料可通过三种途径进入人体

人们接触纳米材料污染一般通过下面途径：一、通过呼吸系统；二、通过皮肤接触；三、其他方式，如食用、注射之类。纳米材料污染物通过上述途径进入人体，与体内细胞起反应，会引起发炎、病变等；污染物在人体组织内停留也可能引起病变，如停留在肺部的石棉纤维会导致肺部纤维化。

纳米材料比普通的污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒将比微米颗粒的数量多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。纳米材料很小，可以几乎不受阻碍地进入细胞，从而有可能进入人的神经系统，影响人的大脑，导致一些更严重的疾病和后果。目前，研究人员还不知道如何将纳米材料从人体中清除，也不知道它们会不会在人体中降解。

“纳米”可能潜在的危险

纳米颗粒物并不只是新时代纳米技术的产物，人类其实早与纳米颗粒共存。汽车尾气、各种燃烧过程等，都会产生大量的纳米粒子。据估算，在大街上行走的人，每小时通过呼吸空气吸进的纳米粒子大约有1亿个。

纳米粒子很小，比细胞小上千倍。由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，纳米材料具有特殊的物理化学性质。在进入生命体后，它们与生命体相互作用所产生的化学特性和生物活性，与化学成分相同的常规物质有很大不同。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小剂量下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进入细胞甚至细胞核内；表面吸附力很强，容易把其他物质带入细胞内；有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。

纳米材料还有一个潜在的危险———

易爆炸。纳米材料具有反常特性，原本物质不具有的性能，小颗粒会具有。原本不导电的物质，在颗粒变小后有可能导电，有些原来不易燃的物质在纳米尺

度下也可能导致爆炸。现有纳米技术大多数是安全的，现在纳米材料的工业化生产，主要集中在纳米氧化物颗粒上，包括二氧化钛、氧化锌、氧化铁之类，另外还有一些较老的工业产品，例如碳黑、催化剂。

这些材料主要在如下产品中应用：首先是化妆品和防晒剂。

防晒霜之类的产品一般含有二氧化钛或氧化锌的纳米颗粒；化妆品如口红中含有纳米氧化铁颗粒。化妆品中的纳米颗粒直接和人的皮肤接触，我们需要特别谨慎。现在欧洲和美国的卫生部门已经把二氧化钛当成无毒物质，允许其在防晒品中运用。同时，欧洲规定，口红产品中的氧化铁直径必须大于100纳米。现在已经有报告声明，化妆品中的纳米材料对人体基本没有危害。

其次是复合材料和涂层材料。比如汽车车胎加入了可被看作纳米材料的碳黑、用纳米材料表面处理过的防水抗污布料等。这些材料是否对人体有害，要看其中的纳米材料是否容易逃逸出来。如果纳米材料被固定得很好，还是比较安全的。重要的是，一种新的纳米材料在大规模生产之前，必须进行充分的毒性和环境方面的分析。

我们可以预测到纳米技术的快速发展，它将导致通讯技术的加速和设备的微型化，提高暴破技术的有效性和钢板穿刺技术的优化等许多方面。在纳米领域许多新的技术的运用，可能导致对人体的损害，而且不仅限于以上这些纳米技术。在考虑纳米技术特有的危害时，研究小组更关注纳米颗粒，换句话说正是因为纳米的微粒子性使得这些分散颗粒具有独特性能。我们明白，制造这种微粒的原因，正是因为这样的微粒子特性使得它与众不同。这些特性不仅影响它的理化性质，还会导致它的生物学活性的改变。同样地，我们可以通过了解暴露于类似纳米大小的微粒子找到一些证据。比如，石棉以及燃烧产生的纳米颗粒。

我们能从石棉中汲取什么教训？

石棉的危害众所周知，主要是石棉可以导致很多疾病。在英国，每年就有2，000人死于间皮瘤，曾经就是因为石棉的一些特性，使得它被广泛使用。它有良好的纤维和耐腐蚀性，不易被破坏。现在我们已经知道，它的毒性正与它的纤维直径（因为石棉纤维直径小于3μm，可以被吸入呼吸性细支气管）、长短（长度大于15μm就不能被巨噬细胞吞噬）以及在肺组织中的难溶解性有关。因此，石棉纤维在呼吸道中易进入而难清除的特性将会引发刺激作用导致纤维化和癌变[1]。这些物理特性以及纤维表面的化学活性都是有相当危害的，当然吸入的危险性还与吸收的剂量相关。几乎所有的纤维制品都遵照这些规则，有些也会因为它们的理化性质不同而有所差别。由于温石棉在肺组织中溶解性较闪石类石棉高，因此温石棉较不容易导致间皮瘤。还有，天然的毛沸石因其较高的表面活性而更具危险性，在土耳其一些村民因接触天然毛沸石患上了间皮瘤。

碳和其他纳米管和石棉一样能被生产，但比石棉纤维更精细，并且吸入后比较难清除。它们中有些非常坚硬，并且一旦进入将持续存在于组织中。可以预测，如果吸入足够多的数量，将会导致间皮瘤。正如Paracelsus指出，剂量是关键。死于石棉疾病的人，通常每克干肺组织中就有数百万根纤维，是从空气中每毫升数根纤维吸入（更确切地说是从每次呼吸吸入几百根纤维或者每天吸入数百万根纤维）数月或者数年的结果。因此，一个纳米管生产企业不仅要求生产工人，也包括那些工序中可能接触的所有使用和处理的工人，都要求做好相应的防护，防止职业暴露。目前，新建企业通常规模较小，并且生产出来的纳米管常紧紧地簇拥在一起；可以预测，这些情况今后将会改善。

从空气污染研究中获得的教训

碳的核粒子燃烧后会聚集在一起形成比纳米直径大些的聚合物。目前有两类研究机构在研究这样的粒子产生的毒性。一类研究机构是在美国纽约曼切斯特berd?rster和他的同事们，他们在实验室中研究纳米大小的颗粒在大鼠肺中的

清除和存留[2]。另一类是美国的流行病学家们，他们已经研究出在很低浓度下空气污染和死亡之间的关系[3]。并且，在他们的观察报告中阐明，这些粒子的暴露与心脏病引起的死亡显著相关。这也表明这种微粒能够产生毒效应，当存在较多数量的粒子时它们能引起炎症并对血凝有次生影响，即使吸入的总量较少[4]。但是对于这个复杂的假设，流行病学者提供了很少的支持，而在研究与空气污染暴露相关的炎症标记物和聚集因素的变化中提供了一些证据。到目前为止，由于纳米的微粒子性带来的影响，只能提供较弱的证明。另一方面，现在已经有相当多的实验证据证明同等材料纳米颗粒要比大颗粒的毒性要强的多[5]。这种增强的毒性可以用空气中污染颗粒与表面污染的相关性来解释，例如，被金属离子和有机分子污染后的危害。此外，颗粒的大小也是很重要的一个因素，在40nm以下的颗粒，不仅物理性质不同而且很容易和细胞膜表面结合[6]；目前已有文献报导吸入的纳米颗粒很可能通过中枢神经系统沿着嗅神经和三叉神经进入大脑[7]。

至于肺毒性，对于所有的可吸入颗粒已经有了充分的证据，毒性的主要决定因素是总吸入表面积和附加载体表面的增加或减少，它的独特功能是在与组织的相互作用中释放各种离子[8，9]。这种毒性最明显的病理表现为炎症反应，但也有并不引起炎症的可能，低浓度的纳米颗粒可能只引起肺内表皮细胞的直接刺激作用，在短期和长期接触下均可导致次级血管的改变，导致心脏病发作的危险性增加[10]。

现在这些结论只是基于实验室结果、流行病学假设以及职业病医师对特殊事物的观注。例如，焊接工和许多其他技术工人都暴露在含高浓度的纳米颗粒烟气中，然而他们并不知道他们正处于一个死于心脏病的高风险当中。粉尘颗粒（和二氧化氮）高暴露中常出现在厨房，但是和这些暴露相关的危害很少被提及。现在对纳米颗粒的暴露已经有所了解。然而，我们必须提醒，微小颗粒具有不同活性，并且毒性通常要比大颗粒的同等材料强。这需要特别关注。

我们可以从纳米颗粒中预见到什么？

2006年在日本举行的关于纳米技术商贸科技展览会上，几百家公司展示了他们的产品。这些产品中大部分显而易见地包含许多纳米颗粒，它们很容易进入市场。一位研究学者在非正式的场合报导过，他寄出的一份样品在邮寄过程中发生自燃。尽管感到某些不安，但正如我原先写道：“…据我们所知，仍然没有人因人造的纳米材料而受到伤害。”然而，在2006年4月的一天，德国联邦危险评估协会召回了市场上一种用神奇的纳米材料制成的用作浴室清洁和卫生的气雾剂，因为它在使用过程中至少导致了90位客户出现呼吸系统症状，其中几个人因严重的肺水肿而住院[11]。至于这个产品中包含什么仍然不是很清楚，但在表面上看这个产品的表面涂有硅石纳米层。我们不用花太多的想象去推测气泡上的这样一个纳米层会起到什么效果。

对于职业病医生，他们会非常熟悉评价材料特有危害和人类潜在暴露的危险程序。然而，在特有的危害方面，有一个很好的例子，比如纳米管，我们认为它们是有毒的，但是无法用实验室数据来解释，因为这些管子总是簇拥在一起，在给小鼠做毒性实验时，很难象测试石棉一样控制剂量。因此，到目前为止仍没有可靠的结论[12]。纳米管分离得到单个纤维并不是最主要的问题，最主要的是如何在空气中测量它们[13]。目前认为，如果象现在对待石棉一样去对待它们应该不会产生严重后果。

关于潜在暴露，考虑含纳米管产品的生命周期是很重要的。它们将毫无疑问地被用来给某些原料增强和赋予某些新的特性。这些材料会出现什么情况？它们被加工过吗？它们如何处置？在工艺发展的早期，由于石棉的惨训，这些事情必须考虑。目前，这些潜在暴露主要是在大学实验室和小型实验工场以及许多相关的附加程序中。然而，现在很轻易就可以从实验室工作人员那里拿到一瓶纳米管，它看上去就象烟灰，正如我曾经得到一份青石棉样品一样容易。

在考虑任何新的纳米颗料时都可以使用类似方法。它的毒性怎样？如何生产？将来如何使用？滥用后会怎样？怎么降解或处置？在它生命周期的不同阶段，哪些人可能会暴露，暴露程度如何？假如，用作燃料的催化剂用来增加功效和减少CO2排放，它能增加或减少废气排放的毒性吗？如果它被用在象口红或防晒霜的化妆品中，它能增加或减少紫外线对皮肤的副作用吗？如果它是一个金属粒子被用在医学影像中，包括所有能考虑到的对内皮和心脏的副作用的毒性测试吗？

目前来自纳米颗粒的危险环节主要如下：

来自商品的意外吸入事件；

生产工人中吸入事件；

生产工人吸入纳米管；

化妆品中由于新粒子的不当使用造成皮肤损害；

操作中出现暴炸/火灾；

注射静脉中对纳米药物或者显像剂出现意想不到的反应。