纳米材料毒理效应研究进展

纳米材料的毒理学研究一、引言纳米材料因具有良好的性能优势被广泛运用于各领域，但其毒性也引起了广泛关注。

本文将着重探讨纳米材料的毒理学研究，为纳米材料的安全应用提供依据。

二、纳米材料的定义与特性纳米材料的定义为至少在一维尺寸上具有尺寸小于100纳米的材料。

它具有优异的物理、化学和生物活性的特性，比如高比表面积、易形成氧化物、独特的光学、磁性等性质，这些特性的变化使纳米材料与普通材料不同。

三、纳米材料的毒性纳米材料的毒性依然是一个值得深入研究的问题。

一方面，由于其特殊的结构和化学特性，纳米材料能够穿透细胞膜和进入细胞，导致有害的细胞反应和对组织的损害；另一方面，由于其高比表面积和高表面能量，纳米材料与细胞表面的相互作用容易导致细胞损伤和细胞死亡。

此外，还存在其他毒性现象，如代谢毒性、长期积累毒性、卫生安全风险等。

四、纳米材料的毒理学研究进展在纳米材料毒理学研究方面，国内外学者已经取得了很多的成果。

其中，纳米材料的入体途径、纳米材料在体内的代谢、药效学和毒性学效应、纳米材料对环境的影响、纳米材料的免疫学效应等方面都在进行深入的研究。

五、纳米材料毒理学实验方法毒性测试是评估纳米材料毒性的重要手段。

目前常用的实验方法主要包括细胞实验、动物实验和人体暴露实验。

其中，细胞实验是目前应用最为广泛和有效的方法，它能够快速获取生命体内的重要信息，如细胞生长、复制等，而且具有简单、快速、便宜的优势。

六、纳米材料的安全应用纳米材料的毒性问题是目前行业重点研究的问题。

为了解决这一问题，除了加强纳米材料毒性研究外，还有必要采取一系列措施保证纳米材料的安全应用。

例如，监控纳米材料的生产和使用，制定相关的安全标准和指导规范；建立科学、规范、可持续的回收机制和处理程序；加强食品加工行业的管理和规范；推动公众的科学素质的提升，增强公众的风险意识等。

七、结论纳米材料的毒性问题是目前热点问题之一，需要加强研究和规范，以确保纳米材料的安全应用。

中国科学B辑化学 2005, 35(1): 1~101纳米材料生物效应及其毒理学研究进展*汪冰丰伟悦**赵宇亮**邢更妹柴之芳(中国科学院高能物理研究所纳米材料生物效应实验室, 北京100049)王海芳(北京大学化学与分子工程学院化学生物学系, 北京100871)贾光(北京大学公共卫生学院, 北京100083)摘要纳米科学与信息科学和生命科学并列, 已经成为21世纪的三大支柱科学领域. 由于纳米材料独特的物理化学性质, 纳米尺度及纳米结构的材料乃至器件, 已逐渐走出实验室, 进入人们的生活. 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, 目前已经引起科学界, 乃至政府部门的广泛关注. 文中分析综述了几种纳米材料(纳米TiO2、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管及超细铁粉)目前已取得的部分生物效应及毒理学的研究结果, 包括纳米材料在生物体内的分布、作用的靶器官、纳米材料引起的细胞毒性、细胞凋亡等. 文中还评价了纳米颗粒的生物毒性. 纳米颗粒的尺寸越小, 显示出生物毒性的倾向越大; 尽管碳纳米管是由石墨层卷成的圆筒, 但是根据石墨的安全剂量来外推碳纳米管的安全剂量是不可行的, 碳纳米管的生物毒性远大于石墨粉; 表观分子量高达60万的水溶性纳米碳管, 在小鼠体内却显示出小分子的生理行为; 一种正在研究的磁性纳米颗粒在动物体内显示出迅速团聚、堵塞血管等现象. 纳米材料在生物体内呈现出的这些生理现象, 仅利用现有的知识尚无法解释. 最后还介绍了纳米物质生物效应(包括毒理学, 安全性)研究的部分实验方法; 展望了该新领域今后的发展方向和亟待研究的重要问题.2004-08-13收稿, 2004-12-16收修改稿*国家自然科学基金重大项目(批准号: 10490180)、科技部973预研项目(2001CCA03800)、中国科学院知识创新重大项目(KJCX2-N10)和国家纳米中心以及中国科学院高能物理研究所的支持项目**联系人, E-mail: fengwy@, zhaoyuliang@2中国科学B辑化学第35卷关键词纳米材料生物效应毒理1 概述正如微米技术是20世纪科学技术的象征, 21世纪科学技术的象征是纳米技术. 由于纳米尺度(0.1~ 100纳米, 1纳米等于十亿分之一米)下的物质的特殊性质, 在纳米尺度控制和操纵物质(单原子或原子团簇), 对其进行加工, 制造各种功能性器械, 纳米技术几乎在各个领域具有广阔的应用前景. 正如诺贝尔奖得主Rohrer所说: 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、最好使用微米技术的国家, 都在工业的发展中占据了巨大的优势, 成为了现在的先进工业国家. 同样, 未来技术(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.纳米材料由于其尺寸很小, 结构特殊, 因此具有许多新的物理化学特性, 如小尺寸效应、大的比表面、极高的反应活性、量子效应等. 这些特性使纳米科学已经成为当今世界上三大支柱科学(生命科学、信息科学、纳米科学)之一. 纳米技术的优点在于: 不仅在近期可以改造传统工业技术(如减少原料消耗, 减少污染排放, 降低成本, 提高性能等), 而且在远期有希望给21世纪的科学技术、工业和农业等领域带来革命性的变化. 随着纳米技术的产业化, 各种形式的纳米尺度的物质已经以各种不同的途径进入我们的生活. 比如, 纳米材料目前已经应用于染料、涂料、医药诊断等传统产业中, 或在生产和使用过程中直接进入人体, 或通过环境、食物链进入人体. 总之, 人们在工作和生活中接触到纳米材料的机会越来越多.正因为如此, 2003年4月Science[1]、2003年7月Nature[2], 相继发表编者文章, 开始讨论纳米尺度物质的生物效应、对环境和健康的影响问题. 2004年1月美国化学会的Environmental Science & Tech-nologies[3]杂志、2004年6月Science[4]又再次载文强调, 必须对纳米技术的安全性问题进行研究. 同时, 英国皇家科学院[5]也相继发表文章, 讨论纳米尺度物质对生物、环境、健康等可能带来的潜在影响.纳米技术的生物安全性问题之所以受到科学家们的如此关注, 缘于一种宏观思考, 即, 纳米技术的发展是否也将带来纳米物质对人体以及生态环境的污染, 从而危及人类健康. 同时, 认识和解决这一问题, 也是促进和保障纳米科技健康和可持续发展的必要条件. 我们知道, 当物质细分到纳米尺度时, 其性质会发生很大变化, 从而导致它们在生物体内的生理行为与常规物质可能有很大的不同. 因此, 对宏观物质的安全性评价, 包括对人体健康及生态环境的影响, 也许并不适用于纳米尺度物质. 以最近的研究结果为例[6], 北京大学刘元方研究组将一种水溶性的纳米碳管(直径约1.4 nm, 长约400 nm)导入小鼠体内, 结果发现表观分子量高达60万的这种羟基化的水溶性纳米碳管可以在小鼠的不同器官之间自由穿梭, 通过尿液排泄. 而60万分子量的常规物质是不可能出现如此奇特的现象的, 以现有的生物学和生理学的知识无法解释这种现象. 最近, 中国科学院高能物理研究所的纳米材料生物效应实验室与中国科学院武汉物理数学研究所合作, 在研究磁性纳米颗粒物在动物体内的生理行为时, 发现有的磁性纳米颗粒物在小鼠的血管内会逐渐变大, 将血管堵塞, 最后导致小鼠死亡[7]. 美国宇航局太空中心的一个研究小组将含0.1mg碳纳米管的悬浮液, 通过支气管注入大鼠和小鼠肺部. 7和90d后, 组织病理学检验结果表明, 所有的颗粒都会以一定的方式进入肺泡, 这些颗粒甚至在长达90d的时间里仍停留在肺部. 用于对照的碳黑颗粒只引起了小鼠肺部轻微的炎症, 而单壁碳纳米管甚至在低浓度下都引起了肺部肉芽肿的形成. 令人担心的是, 由碳纳米管引起的肉芽肿的形成并没有伴随在通常情况下由石棉和无机粉尘所引起的肉芽肿所特有的炎性症状[8]. 纽约州罗切斯特大学的一个研究小组让大鼠在含有20 nm聚四氟乙烯颗粒的空气中生活15 min, 就导致大多数大鼠在4 h内死亡[9].严格地说, 这些研究结果还是很初步的. 目前已有的研究数据还很有限. 正因为如此, 很容易使人们误认为所有的纳米材料都有很大毒性. 要消除这种第1期　汪 冰等：　纳米材料生物效应及其毒理学研究进展3误解, 得到准确、客观、负责的科学结论, 可能还需要几年或者更长时间. 由于纳米材料的生物环境效应、毒性、安全性的研究刚刚起步, 不仅实验数据有限, 而且实验方法学也有很大难度. 如何保证所观察现象, 以及由此所得出的结论是来自于物质的纳米尺度特性对生物体的影响, 仅靠单纯的生物学、医学和纳米技术无法满足要求. 因此, 有关纳米尺度材料的生物效应及其毒理的研究在方法学上具有很大的挑战性. 为此, 本文首先综述纳米材料毒理学的研究现状, 介绍已经建立的实验方法, 并结合我们自己的研究结果, 尽量全面地分析现有的文献数据. 最后提出存在的重要问题, 同时展望将来的研究重点.2 纳米材料生物效应及其毒理学研究现状与分析2.1 纳米TiO2的生物效应及其毒理学目前对纳米材料毒理学的研究尚处于起步阶段, 但正如化学家Vicki Colvin[1]所强调的那样: “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”. 目前为止, 科学家们只对纳米TiO2、SiO2、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.纳米TiO2在涂料、抗老化、污水净化、化妆品、抗静电等方面存在广泛应用, 因而产量较高, 对其毒性研究也较多. 表1总结了现有的研究结果. 在体内和体外的实验研究中, 纳米尺度的TiO2颗粒均比微米尺度的TiO2颗粒对肺部的损伤程度大, 这与纳米颗粒小的粒径和大的比表面积有直接关系. 实验方法主要包括: 用支气管吸入法或支气管注入法将TiO2颗粒导入动物体内. 与注入法相比, 吸入法更接近人类真实的暴露情况. 因此应尽量采用吸入法来模拟人类实际的暴露情况, 研究纳米颗粒物的生物学行为. 使用外推法评价纳米颗粒物对人体的生物效应, 对于纳米技术相关政策、法规和防护标准的制订等是很重要的.Afaq等[10]用支气管注入法研究超细TiO2(<30 nm, 用量2 mg)对大鼠的毒性时, 发现肺泡巨噬细胞的数量增加, 同时细胞内的谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、谷胱甘肽硫转移酶的活性均升高. 而且, 酶活性升高并没有阻止脂质过氧化和过氧化氢的生成, 这表明受到TiO2纳米颗粒作用时, 尽管细胞启动自我保护机制诱导了抗氧化酶的生成, 却未能消除TiO2纳米颗粒产生的毒副作用. 进一步的研究观察到了纳米TiO2颗粒引起的一系列生物效应[9,11]. 20 nm的TiO2颗粒引起了肺组织间质化, 并诱发炎症反应, 使上皮组织的渗透性增加, 肺泡灌洗液内生理指标的变化与纳米颗粒的比表面积(尺寸大小)有关[11]. 同时纳米TiO2引起了支气管肺泡灌洗液内蛋白质总量、乳酸脱氢酶及β -葡萄糖苷酸酶的活性普遍升高, 而且比表面积—效应曲线表1 纳米TiO2的生物效应研究尺寸研究方法研究结果文献20和250 nm 支气管注入法与细颗粒(250 nm)相比, 超细颗粒(20 nm)引起的支气管肺泡灌洗液内炎性细胞总数、蛋白质总量、乳酸脱氢酶的活性及β -葡萄糖苷酸酶的活性增加[9]<30 nm 支气管注入法肺泡巨噬细胞的数量升高; 细胞内的谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、谷胱甘肽硫转移酶(谷胱甘肽-S-转移酶)的活性升高[10]20和200 nm 支气管注入法超细颗粒(20 nm)与细颗粒(200 nm)相比, 超细颗粒物(20 nm)引起了肺部组织间质化, 并呈现炎症反应[11]20和250 nm 支气管注入法肺泡对超细TiO2(20 nm)的清除半减期(541d)是细颗粒TiO2(250 nm, 177d)的3倍[12]20 nm 支气管注入法自由基的产生是纳米TiO2产生毒副作用的原因之一[13]体内研究21 nm 支气管吸入法和支气管注入法暴露于等量的超细TiO2颗粒(21 nm), 支气管吸入法与支气管注入法相比, 肺部的炎症效应降低, 并且颗粒在肺部持续的时间较短[14]≤20和>200 nm 原代大鼠胚胎成纤维细胞用超细颗粒(20 nm)处理的细胞, 细胞内微核数目显著升高, 并引起了细胞凋亡.而细颗粒(200 nm)没有引起细胞内微核数目的变化[15]体外研究29和250 nm J774.2巨噬细胞株TiO2超细颗粒(29 nm)与细颗粒(250 nm)相比, 巨噬细胞的吞噬能力降低程度增加, 颗粒物的清除时间延长[16]4中国科学 B 辑 化学第35卷与实际的炎症情况有很好的相关性, 这意味着TiO 2纳米物质的生物效应与尺寸效应有关[9]. 因此, 我们在讨论纳米材料生物效应时, 即使是同一种材料, 也需要注明具体尺寸大小(这和常规物质有很大的不同), 因为纳米尺寸的改变, 会引起其生物效应发生改变.肺是环境有害物质进入机体的主要途径之一. 肺泡巨噬细胞是一多功能的间质细胞, 广泛分布于肺泡内及呼吸道上皮表面, 具有吞噬、清除异物和保护肺的功能, 是呼吸道的第一道防线. 因此, 研究巨噬细胞对纳米颗粒的清除功能, 对预测纳米物质的毒性十分重要. Oberdörster 等[12]比较了大鼠肺泡巨噬细胞对相同质量、不同尺寸的TiO 2(20 和250 nm)粉末的清除机制. 结果肺泡巨噬细胞对250 nm 的TiO 2的清除半减期为177 d; 对20 nm 的TiO 2的清除半减期为541 d. 这表明, 尺寸越小, 越难以被巨噬细胞清除. 巨噬细胞清除外来异物的能力降低, 其吞噬能力也会降低. Renwick 等[16]在研究29 nm 的超细TiO 2和250 nm 的TiO 2颗粒对巨噬细胞株(J774.2 MF)吞噬能力的影响时表明, 29 nm 比250 nm 的TiO 2颗粒对巨噬细胞的吞噬能力降低更明显. 因此, 可以推测, 纳米颗粒的粒径(表面积)和数目是其造成肺损伤的关键因素之一. 事实上, 对于这些纳米颗粒产生毒副作用的机制还不清楚. Zhang 等[13]认为纳米颗粒可以诱导自由基的产生, 导致体内氧化应激, 因此产生了生物毒性作用.纳米颗粒是否对细胞凋亡过程产生特殊的影响, 也是人们关心的重要问题之一. Rahman 等[15]在比较了20 nm 的超细TiO 2颗粒和200 nm 的细TiO 2颗粒对原代大鼠胚胎成纤维细胞的影响时发现, 20 nm 的超细颗粒处理后的细胞, 其微核数目显著升高, 并引起了细胞凋亡. 而200 nm 的细颗粒却没有引起细胞内微核数目的变化. 尽管对纳米颗粒引起的细胞凋亡的机理还不清楚, 但是, 根据上面的一些结果推测, 可能是由于反应活性很大的纳米颗粒和细胞膜相互作用产生了活性氧物质, 产生的氧化应激引起细胞膜脂质层的破裂, 细胞内钙稳态失去平衡, 导致依赖于Ca 2+离子浓度的核酸内切酶的活化, 引起了细胞凋亡.2.2 碳纳米管的生物效应及其毒理学碳纳米管是在1991年由Iijima 发现的, 它是一种完全人造的一维结构材料. 由于具有优越的力学、电子学和化学等性能, 在很多领域显示出广泛的应用前景. 比如作为高灵敏度的化学传感器, 制作超强度的电缆以及扫描探测显微镜的探针, 既可以取代铜作为导体, 也可以取代硅作为半导体. 现在单壁碳纳米管的生产能力有限, 不会对人类造成太大的危害. 但是一旦设计出便宜的大批量生产单壁碳纳米管的方法, 无疑会增大其对人类健康的影响.但是, 如何检测在动物体内的纳米碳管是一个难题. 最近Wang 等[6,17]利用射线探测技术的高灵敏度的优点, 部分地解决了这个问题. Wang 等[6]在直径1.4 nm 、长400 nm(约50000个碳原子组成)的水溶性(羟基化)单壁碳纳米管(SWCNT)的外表面平均标记约1个125I 原子, 然后研究了羟基化单壁碳纳米管在小鼠体内的生物分布以及代谢过程. 为了不影响单壁碳纳米管本身的性质, 只要能够满足测量的要求, 标记的125I 原子越少越好.图1 不同的暴露途径对羟基化单壁碳纳米管在小鼠体内分布的影响[6]实验采用了4种不同的暴露途径: 静脉注射、腹腔注入、灌胃和皮下注射, 将羟基化单壁碳纳米管导入小鼠体内, 计算小鼠每克湿组织的剂量百分比(% ID/g), 结果如图1所示. 从图1中看出, 羟基化碳纳米管主要分布在胃、肾脏和骨骼中, 在其他的脏器中第1期　汪 冰等：　纳米材料生物效应及其毒理学研究进展 5也有分布. 4种不同给药途径对羟基化碳纳米管的生物分布影响很小. 此外, 在11 d 后收集尿液和粪便, 测其放射性计数, 发现仍有大约30%的羟基化单壁碳纳米管蓄积在体内[6]. 因此, 进一步对羟基化单壁碳纳米管的亚慢性毒性进行研究是非常有必要的. 该研究还发现, 表观分子量约60万的羟基化纳米碳管可以在小鼠体内的不同区室之间自由穿梭(扩散), 通过尿液排泄[6]. 60万分子量的常规物质不可能出现如此奇特的行为, 现有的生物学、生理学知识无法解释这种现象. 进一步的深入研究还在继续.用石英(SiO 2)颗粒作为对照物, Jia 等[18,19]用MTT 法进一步研究了单壁碳纳米管对肺泡巨噬细胞的影响. 从图2中可以看出, 单壁碳纳米管和等量的石英相比表现出更显著的细胞毒性. 这与Lam 等[8]的研究结果是一致的. 同时, 单壁碳纳米管与多壁碳纳米管均可以引起细胞结构的改变.图2 单壁碳纳米管和二氧化硅对巨噬细胞毒性的比较[18]图3为暴露于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管(MWCNT)的巨噬细胞结构的变化[18]. 从图3可以看出, 对照组的巨噬细胞结构完整, 呈圆形, 周围有吞噬体和线粒体. 而暴露于5 µg/mL 单壁碳纳米管组, 巨噬细胞出现皱折, 5 µg/mL 多壁碳纳米管组细胞核变性、核基质减少. 当剂量升高到20 µg/mL 时, 单壁碳纳米管组巨噬细胞肿胀, 并出现空泡和吞噬小体; 多壁碳纳米管组染色质浓缩, 出现月牙样边集, 细胞浆中出现空泡, 这些都是细胞凋亡的症状. 因此在一定剂量下单壁和多壁碳纳米管诱导了明显的细胞凋亡. 而且这不同于细胞坏死, 它不会产生炎性反应,这不仅支持了Warheit 等人[20]的研究结果, 同时也对其观察到的现象作出了部分解释.Lam 等[8]采用支气管注入的方式对单壁碳纳米管的毒性进行了研究. 发现注入0.1 mg 单壁碳纳米管的小鼠无明显的可诊断的毒性迹象. 而剂量为0.5 mg 时, 一部分动物死亡, 另一部分出现明显的肺部毒性, 结果如图4, 5所示. Warheit 等[20]也采用支气管注入(剂量为1 mg/kg 体重)法研究了单壁碳纳米管对大鼠的肺部毒性, 同Lam 的发现一样, Warheit 也观察到了多中心肉芽肿的生成, 结果如图6和7所示. 但是Warheit 等[20]发现单壁碳纳米管并未引起持续的肺部炎症、细胞增殖及支气管肺泡灌洗液内乳酸脱氢酶活性的持续升高. 这与由毒性粉尘引起肺部肉芽肿的毒性机制是不一样的.图4的肺部组织病理切片显示吞噬了碳黑颗粒的巨噬细胞分散在肺泡间质中, 而吞噬了不同单壁碳纳米管的巨噬细胞均移向肺泡的中心部位, 通过肺泡膜在肺泡上皮组织产生了肉芽肿. 这表明单壁碳纳米管的毒性不是由所含金属引起的, 而是由单壁碳纳米管本身造成的. 和石英相比, 等量的单壁碳纳米管表现出更大的毒性. 从图5中可以看出纯化的和夹杂有催化金属的碳纳米管颗粒(未经纯化)都会进入肺泡, 90 d 后这些颗粒仍不能被清除. 灌注了碳黑颗粒的肺部组织只出现了轻微的炎症, 而单壁碳纳米管却引起了以肉芽肿为特征的肺部损伤.图6和7分别为用支气管注入的方式给大鼠灌注1 mg/kg 体重单壁碳纳米管一周和一个月后的肺部组织病理切片[20]. 从图6中看出肉芽肿在肺部组织中的分布是不均匀的, 这可能是由于碳纳米管在肺部的不均匀沉积造成的. 从图7中看出, 多中心肉芽肿主要分布在碳纳米管的周围, 将碳纳米管隔离, 这是非同寻常的反应. 由单壁碳纳米管引起的这种损伤可能是由于其独特的物理化学特性使其在生物体内和生态系统中长期存在而引起的. 因此, 低剂量的单壁碳纳米管在体内的滞留性是其长期暴露的关键问题, 然而要想彻底了解其毒性的机制, 需要进一步的研究.假设一只30 g 的小鼠每分钟吸入30 mL 的空气, 可吸入的碳纳米管颗粒假定有40%沉积在肺部, 以6中国科学 B 辑 化学第35卷图3 暴露于不同剂量单壁碳纳米管和多壁碳纳米管下, 巨噬细胞结构的变化[18](a) 对照组; (b) 对照组; (c) 5 µg/mL 的单壁碳纳米管组; (d) 20 µg/mL 的单壁碳纳米管组; (e) 5 µg/mL 的多壁碳纳米管组,(f) 20 µg/mL 的单壁碳纳米管组每天8 h 的暴露时间来计算, 在碳纳米管颗粒浓度为5 mg/m 3(Occupational Safety and Health Administra-tion,OSHA 制定的8 h 允许暴露的石墨最高浓度)的空气中暴露17 d 后, 其肺部的浓度就可达到0.5 mg, Lam 证明在此剂量下碳纳米管已经产生了明显的肺部损伤[8]. 尽管碳纳米管仅仅是石墨层卷成的圆筒, 但是由于几何结构不同, 不能简单根据石墨的安全剂量来外推碳纳米管的安全剂量, 只有通过大量的研究获得充足的毒理学研究数据, 才能得出纳米材料对人类的安全剂量[8].2.3 超细铁粉的生物效应及其毒理学铁在环境中广泛存在, 并且是大气颗粒物中主要成分, 因此在研究由大气污染而带来的健康损伤第1期　汪 冰等：　纳米材料生物效应及其毒理学研究进展7图4 灌注0.5 mg的小鼠, 7 d后肺部组织病理切片[8](a) 血清对照组; (b) 碳黑组; (c) 石英组; (d) 碳纳米管(含镍)组; (e) 未经纯化的碳纳米管(含铁)组; (f) 纯化的碳纳米管组图5 灌注0.5 mg单壁碳纳米管颗粒的小鼠, 90 d后肺部组织病理学观察结果[8](a) 血清对照组; (b) 碳黑; (c) 碳纳米管(含镍)组; (d) 纯化的碳纳米管组; (e) 未经纯化的碳纳米管(含铁)组; (f) 未经纯化的碳纳米管(含铁)组的背面图8中国科学 B 辑 化学第35卷图6 暴露于单壁碳纳米管(1 mg/kg 体重)的大鼠一周后肺部组织病理切片(×100)[20]图7 暴露于单壁碳纳米管(1 mg/kg 体重)1个月后大鼠的肺部组织(×400)病理切片[20]时, 铁扮演了重要的角色. Zhou 等[21]研究了大鼠吸入浓度为57 和90 µg/m 3的超细铁粉颗粒物(72 nm, 3 d) 对健康的影响. 结果发现吸入57 µg/m 3的铁粉颗粒没有引起大鼠明显的生物学效应, 而吸入90 µg/m 3的铁粉颗粒引起了轻微的呼吸道反应, 如铁蛋白和肺泡灌洗液内蛋白质总量的明显升高、乳酸脱氢酶(LDH)水平的轻微变化和细胞核因子(NF?B)与DNA 结合能力的显著升高. 另有报道表明, 呼吸道上皮细胞暴露于含铁的大气颗粒物后, 细胞中铁蛋白的表达量升高[22]. 铁蛋白的升高可能是由于大鼠肺部沉积的铁粉颗粒转化成了生物活性的铁. 但在Zhou 等[21]的实验中铁粉主要是以难溶的三氧化二铁(Fe 2O 3)的形式存在于体内. 因此实验中生物活性铁的产生, 很可能是由于沉积在肺部末端的纳米铁粉颗粒, 容易迁移到细胞表面, 从而通过细胞膜被细胞吸收成为生物活性的铁.可以看出随着暴露剂量的升高, 超细铁粉已经表现出了轻微的毒副作用, 然而实验中的浓度(90 µg/m 3)还远远低于OSHA 制定的可允许暴露的铁粉最高浓度(15mg/m 3), 因此有必要对其生物效应做进一步的研究. 上述实验主要以短期暴露为模型[21], 为了更接近人类实际的暴露情况, 将来可以采用低剂量长期暴露的动物模型, 可能更全面反映纳米铁粉颗粒给人类带来的健康影响.3 将来的研究重点和展望最近, 美国国家科学基金会和美国环保署资助的一个研究小组指出, 对工业纳米颗粒或纳米材料进行风险评价需要解决以下几个关键问题[23]:(1) 研究工业纳米颗粒物的毒理学;(2) 建立工业纳米颗粒物的安全暴露评价体系; (3) 研究使用现有的颗粒和纤维暴露毒理学数据库外推工业纳米颗粒物毒性的可能性;(4) 工业纳米颗粒在环境和生物链中的迁移过程(Transportation)、持续时间(Persistence)及形态转化(Transformation);(5) 工业纳米颗粒在生态环境系统中的再循环能力(Recyclability)和总的持续性(Overall sustainabil-ity).对工业纳米粉体, 如纳米金属粉、纳米氧化物等进行毒性研究时, 可以选取一些免疫细胞如巨噬细胞、淋巴细胞、粒细胞等进行体外研究; 同时在体内可以通过急性毒性实验获得半致死量(LD 50)和最大耐受剂量(MTD)等基本数据, 对其毒性进行分级, 初步了解受试物的毒性强度、性质和可能的靶器官, 获得剂量—反应关系, 为进一步的毒性实验研究提供依据. 具体研究重点包括:(1) 根据急性毒性实验获得的基本数据对纳米颗粒进行吸入毒理学方面的研究, 如肺组织病理变化, 支气管肺泡灌洗液(BAL)内生化指标变化和肺匀浆液中一些酶活性的变化;(2) 研究纳米颗粒在体内的吸收、分布和排泄的。

元 。

纳米材料是指至少一维 空间的粒径 100 nm东 南 大 学 学 报 ( 医学 版 ) JSoutheastUniv ( M ed Sc iEdi )2011, Feb; 30( 1): 151 156综151述纳米金属材料的毒理学研究进展张姗姗, 薛玉英(江 苏省生物材料与器件重点实验室, 环境医学工程教育 部重点实验室, 东南大学公共 卫生学院, 江苏 南京210009)[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。

作者综述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 [中图分类号 ] R114; R318. 08[文献标识码 ] A[文章编号 ] 1671 6264( 2011) 01 0151 06do:i 10. 3969 / .j issn. 1671 6264. 2011. 01. 026在现代工业社会, 新兴技术对提高社会经济地位框架[ 5-8], 大量关于纳米材料生物效应的实 验研究也和人类健康有很大的作用空间。

这些技术既带来极大 正在大规模地展开, 以推进纳米技术的健康快速发展。

的经济利益, 也带来了很多社会风险[ 1]。

在充满活力纳米金属材料不仅具有金属材料本身的特性, 同时具 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。

到 2015年, 纳米技术创造的社会价值将超过 1万亿美 [ 2] 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。

纳米材料的毒理学研究进展及其应用前景分析纳米材料是指其中至少一种尺寸小于100纳米的固体物质，这些小尺寸特性使得纳米材料在许多领域有着独特的应用和潜在的应用前景，如医学、能源、环境、电子等。

但纳米材料也存在着潜在的毒性，这些毒性在前期的研究中就已经被证实。

因此，进行纳米材料毒理学研究是非常必要的。

本文将介绍纳米材料毒理学研究的进展及其应用前景分析。

一、纳米材料毒理学研究进展1.毒性机制研究表明，纳米材料的毒性机制主要包括：（1）氧化应激；（2）炎症反应；（3）细胞死亡；（4）肝脏、肾脏等重要器官的损伤。

2.研究对象在纳米材料的毒理学研究中，常用的研究对象包括：（1）小鼠和大鼠；（2）猴子；（3）人类细胞系；（4）鱼类和其他无脊椎动物等。

其中，小鼠和大鼠是最常用的实验动物。

3.评价方法为了评价纳米材料的毒性，目前主要采用以下几种方法：（1）细胞生存能力测定；（2）动物生存率和体重变化；（3）荧光显微镜观察；（4）电镜观察；（5）生化指标测定等。

4.毒性分析研究表明，纳米材料的毒性与其形态、大小和表面化学性质等因素有关，其中纳米材料的大小是最关键的因素。

同时，纳米材料对于不同种类的细胞和动物也存在特异性毒性。

二、纳米材料的应用前景1.医学领域纳米材料在医学领域的应用前景非常广泛，例如：（1）纳米材料在生物成像方面的应用：包括磁共振成像、X射线成像、CT等；（2）纳米材料在治疗方面的应用：包括药物输送、光动力疗法、热疗法等。

2.环境领域纳米材料在环境领域的应用前景也非常广泛，例如：（1）纳米材料在水处理方面的应用：包括吸附、光催化等；（2）纳米材料在空气治理方面的应用：包括过滤、氧化等。

3.电子领域随着电子领域的发展，纳米材料在该领域也有着巨大的应用前景，例如：（1）纳米材料在电池和太阳能电池方面的应用；（2）纳米材料在储存和传输信息方面的应用等。

三、结论纳米材料作为一种具有广泛应用潜力的新兴材料，其毒理学研究非常必要。

探究纳米材料对生物体的毒性效应近年来，随着纳米技术的快速发展，纳米材料在生物医学、环境保护、食品安全等领域中得到了广泛应用。

然而，随之而来的是对纳米材料对生物体的毒性效应的关注和担忧。

纳米材料因其独特的物理和化学特性，在进入生物体后可能影响细胞生长、基因表达、免疫功能等，从而导致不良影响。

本文将探讨纳米材料对生物体的毒性效应，分析其机制并提出相应的防范措施。

首先，纳米材料的种类和特性对其在生物体中的毒性效应产生重要影响。

不同类型的纳米材料具有不同的化学成分、结构和大小，这些因素决定了纳米材料与生物体相互作用的方式和程度。

例如，金属纳米粒子、碳纳米管、氧化物纳米颗粒等材料在生物体内的行为和毒性效应存在差异。

研究表明，一些纳米材料具有自发性氧化还原反应、离子释放、表面修饰等特性，这些特性可能导致细胞膜的损伤、蛋白质的变性、DNA的损伤等毒性效应。

其次，纳米材料的生物分布和代谢途径也对其毒性效应发挥起着重要作用。

纳米材料进入生物体后，会通过各种途径被吸收、转运和排泄。

一些研究发现，纳米材料在生物体内的生物分布不均匀，可能在某些组织或器官中积累导致毒性效应。

此外，纳米材料可能通过血液循环、淋巴系统等途径被传播到不同的组织和器官，从而影响多个生理过程。

对于纳米材料的代谢途径的研究有助于理解其在生物体内的行为和毒性效应。

再次，纳米材料与生物体的相互作用机制是影响其毒性效应的关键因素。

纳米材料与生物体发生相互作用的途径主要包括吞噬作用、穿膜转运、生物介导等。

研究表明，纳米材料可能通过产生氧化应激、诱导自噬、干扰细胞信号传导等途径对细胞和组织产生毒性效应。

此外，纳米材料可能干扰生物体内的新陈代谢、免疫调节等生理过程，导致免疫毒性、代谢毒性等不良影响。

最后，如何有效评估和防范纳米材料对生物体的毒性效应是当前亟待解决的问题。

有效的毒性评估方法可以帮助准确评估纳米材料的毒性潜力，并为纳米材料的安全应用提供参考。

目前，常用的毒性评估方法包括体内外实验、计算模拟、毒性机制研究等。

环境纳米毒理学的研究进展第一章环境纳米毒理学展望环境纳米毒理学是研究纳米材料对生物体及其环境影响的一门学科，近年来受到越来越多的关注。

纳米材料的应用范围和数量都在不断增加，然而，这些材料对环境与人体的影响却很少被深入研究。

因此，环境纳米毒理学将成为未来研究方向的热点。

第二章纳米材料在环境中的行为纳米材料在环境中的行为受多种因素的影响，包括材料本身的性质、环境的物理和化学性质以及生物和非生物因素。

一些纳米材料在环境中会聚集成针状、簇状或网状，形成颗粒或聚集体，从而影响到它们的运移、沉降和输送。

此外，纳米材料的超表面积使它们比传统材料更容易与其他物质反应，这对环境的污染和生态系统的稳定性都会产生影响。

第三章纳米材料与生物体的相互作用纳米材料与生物体的相互作用也是环境纳米毒理学中的一个关键方面。

一些研究表明，纳米材料可以对细胞质膜、核膜和线粒体等细胞器造成损害，还可以通过影响DNA修复和细胞凋亡的调节发挥毒性作用。

此外，纳米材料的表面配合物和生物体的细胞膜之间的相互作用也可能导致炎症反应和免疫应答的改变，从而对生命体造成影响。

第四章环境纳米毒理学的挑战虽然环境纳米毒理学领域的研究已经取得了一定的进展，但还面临着许多挑战。

其中最主要的挑战之一就是如何评估和管理纳米材料的风险。

目前对于纳米材料的毒性测试还存在诸如良好实验设计、标准化方法和指定实验室等方面的问题，这都对纳米材料的风险评估和管理带来了一定的困难。

第五章结论环境纳米毒理学是一个与发展和环境息息相关的领域，纳米材料的应用已经在许多领域发挥了重要作用。

然而，对于与纳米材料相关的风险评估和安全管理的工作仍存在许多挑战。

为了保护环境和人类健康，我们需要更深入地研究纳米材料的毒性和环境影响，建立指导纳米材料应用的标准和规范。

环境纳米毒理学的研究进展随着 nanotechnology 技术的发展，纳米材料作为一种全新的材料，已经在各个领域得到广泛应用。

虽然纳米材料在应用中能发挥出独特的特性和效果，但是也存在一些未知的风险和潜在的危害。

近年来，环境纳米毒理学的研究引起了越来越多的关注，本文主要探讨环境纳米毒理学的研究进展。

一、纳米材料的毒理学效应纳米材料具有与常规材料不同的尺寸、比表面积和化学反应活性等特征，因此与其相对应的毒理学效应也不同。

当前，研究者已经发现，纳米材料对人体和环境的毒性主要包括生物分子损伤、细胞膜破坏、生理代谢变化、肺功能障碍、免疫系统功能损伤和环境生态方面的生态风险等方面。

二、环境纳米毒理学的研究方法现阶段，环境纳米毒理学的研究方法主要包括生物学、物理化学、生物医学、免疫学、神经科学以及疾病生物学等方面的研究。

其中，物理化学方法主要是通过测定纳米材料在水环境中的粒径、表面质量及表面电荷、增溶性等物理化学参数，并对比测试环境污染物与生物的毒性表现。

免疫学和神经科学主要检测纳米材料在人体内对机体免疫系统和神经系统的影响，以及在生物体内逐渐加深的生物毒性表现和病理变化。

此外，通过使用荧光探针技术等生物技术手段，可以在细胞水平上定位纳米材料，分析其对生物分子、生物代谢及生理功能等方面的影响。

三、环境纳米毒理学的研究进展目前，国际上已有许多研究者对环境纳米毒理学开展了有益的尝试。

比如，美国环境保护署于 2014 年成立的 Nano-Computer-Aided Design (Nano-CAD) 中心，即利用计算机模拟和数值模拟技术，对纳米材料在生物环境中化学反应及其结果进行快速预测。

这种方法可以便于研究人员预测纳米材料的毒性，并提前预测其中的潜在危害，以便立即采取措施预防。

同时，一些国际领先的研究机构也将纳米科技融入纳米毒理学中，例如美国国家食品和药品监管局、欧洲食品安全局和法国医学科学院等都在此领域做出了重要的贡献。

纳米材料的环境毒理学研究近年来，随着纳米材料的广泛应用，对其环境安全性的研究越来越受到关注。

纳米材料不仅具有较大比表面积和活性，而且由于其小尺寸，可以轻易进入生物体内，从而对环境和健康造成潜在危害。

因此，纳米材料的环境毒理学研究日益成为科学家们关注的热点。

一、纳米材料的基本性质及应用纳米材料具有小尺寸、高比表面积及强化的光电响应等独特性质，它们被广泛应用于化妆品、医疗、电子、纺织、陶瓷等领域。

例如，氧化铜纳米颗粒被用于太阳能电池、氧化锌纳米颗粒被用于紫外线吸收剂、氧化钛纳米材料被用于自清洁材料等。

二、纳米材料的环境毒理学研究现状纳米材料的环境毒理学研究主要针对其对生物体、水环境和大气环境的影响展开。

研究结果表明，纳米材料对肺、肝、肾等器官有着不同程度的毒性，随着纳米尺度的变小，其毒性相应增强。

此外，纳米材料进入水环境后，会对水生生物的发育、生长和繁殖等造成不同程度的影响，甚至会导致生态系统的不平衡。

近年来，氧化铜、氧化钛、碳纳米管等纳米材料已成为水环境中的主要污染物之一。

三、纳米材料的毒性机制纳米材料的毒性机制很复杂，主要表现为：对氧自由基的产生、细胞膜的损伤、DNA的损伤、线粒体的损伤等多个方面。

其中，对氧自由基的产生是纳米材料毒性的主要原因之一。

纳米材料进入细胞后，会引起细胞内一系列生物化学反应，从而导致亚细胞水平的破坏。

例如，纳米银颗粒可以通过自氧化反应释放氧自由基，导致细胞凋亡；氧化钛纳米颗粒可以破坏线粒体的结构和功能，导致能量代谢紊乱和氧化应激反应的产生等。

四、纳米材料的环境安全评估为了评价纳米材料对环境和健康的潜在危害，国内外已建立了一系列环境安全评估体系。

其中，美国环境保护署建立的纳米材料环境和健康影响研究计划是较为完善的环境安全评估体系之一，主要涉及纳米材料的特性检测、环境中的释放、数据收集与评价、毒理学研究等方面。

五、纳米材料环境风险管控在纳米材料广泛应用的背景下，如何有效地控制其环境风险成为一项迫切而重要的任务。