纳米毒理学 纳米材料安全应用的基础2版(赵宇亮,柴之芳著)思维导图

纳米材料可分为人工制备与天然
天然：
•天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿
•蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子， 具有“罗盘”的导航作用，并利用这种 “罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里 的图像而判明方向。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
§6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用
一、纳米结构的应用 1、量子磁盘与高密度磁存储 2、高密度记忆存储元件 3、高效能量转化纳米结构 (1) 高效再生锂电池： (2)太阳能电池： (3)热电转化
纳米材料——凝聚态物理 纳米材料——半导体材料 纳米材料——化学 纳米材料——复合材料 纳米材料——医学药物
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
§6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法， 对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进 行了透射电子显微镜研究。
1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体 超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实 现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的 物理效应。
四、光学应用

总结目前的研究，主要实验结果和结论有：(1)活性氧导致蛋白质、DNA 和生物膜损伤；(2)氧化应激反应，炎症；(3)线粒体功能干扰，包括内膜损 伤，膜通透性改变，能量耗竭、凋亡、坏死；(4)炎性反应：组织炎性细胞 浸润，纤维化，肉芽肿，动脉粥样斑块形成，C一反应蛋白表达增加；(5)网 状内皮细胞摄取增加纳米材料在肝、脾、淋巴结等部位聚积，组织肿大或丧 失功能；(6)蛋白变性降解，酶活性丧失，形成新生抗原，免疫耐受功能损 害，自身免疫和抗原佐剂效应；(7)细胞核摄取导致DNA损伤，核蛋白凝集 ，抗原性改变：(8)中枢神经组织摄取纳米材料导致脑和周围神经系统损伤 ；(9)吞噬功能损伤，纤维化，肉芽肿，颗粒物堆积导致对病原体的清除能 力下降；(10)内皮功能损害，凝血功能障碍；动脉粥样斑块形成，血栓形成 ；(11)改变细胞周期调节，细胞增殖改变，衰老效应；(12)DNA损伤，突变 和癌变。但从总体而言，对纳米负面生物效应发表的研究数据还很有限，尚
2.
1. 某研究小组发现吸入的C13和锰纳米粒子可经大鼠的嗅球进入脑 部，并到处迁移。 2. 2003年，美国杜邦公司用气管滴注法研究SWCNTs对大鼠肺部的 毒性，发现了多发性肉芽瘤，类似的研究结果也出现在美国宇航局太空 中心的研究中。纽约罗切斯特大学的研究者让大鼠在含有粒径为20nm 的聚四氟乙烯(“特氟龙’’塑料)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120nm颗粒的空气中的大 鼠，则安然无恙。 3、.豚美鼠国肺三部角的公毒园性研，究发院现用了气炎溶症胶、吸严入重法沉研积究并纳除米困Ti0难2对。小鼠、大鼠
正是由于纳米尺度物质的特殊性质和穿透效应，传统的环境风险评估技术以及 化学品(材料)健康危险度评估技术很难应用，因为作用方式、作用途径、作用机制 发生了很大变化。当这些具有特殊性质的物质进入生态环境和生命体以后，会发生 什么后果，目前还不得而知。正因为如此，它潜在的破坏力也可能很强，它对环境 、人体健康和社会的影响还很难估计。目前，这些问题的研究还刚刚开始，正在形 成一个新的交叉前沿学科一纳米毒理学。

将来随着对纳米材料毒理研究的深入和材料各种标准的建立，
纳米产品的安全性也会越来越高。
纳米器件性能可靠性分析案例
ZnS纳米带：约300nm 宽度
器件构筑过程: (1) 方法: 紫外光刻 蚀和电子束沉积 (2) 超净室完成：没 有污染和破坏
1
320nm
Current (pA)0600nm Nhomakorabea-1
-10
不同的观点：血液蛋白吸附降低碳纳米管的细胞毒性
美国科学院院刊 (PNAS) 在 2011 年底发表了我国纳米科学中心赵 宇亮等人在纳米安全性方面的最新研究成果：“血液蛋白吸附降 低碳纳米管的细胞毒性”。该成果同时被PNAS选为该刊的研究亮 点作重点介绍。 他们在研究碳纳米管与血液相互作用过程与其毒理学效应机制时 发现，当碳纳米管进入含有人血液蛋白的溶液中，人血液中的主 要蛋白（如纤维蛋白原,免疫球蛋白、白蛋白、转铁蛋白）会在碳 纳米管的表面进行竞争性吸附，形成不同外形的所谓“王冠”形 状的蛋白-碳管复合物。
世界科技前沿的热点之一。
5
肿瘤诊断新型纳米材料的研制
中科院生物物理所研究利用无机纳米材料仿生合成了新型纳米肿 瘤诊断试剂——铁蛋白纳米颗粒。这是一种由氧化铁纳米内核及
铁蛋白外壳两部分组成的双功能纳米小体，蛋白壳能够特异识别
肿瘤细胞，氧化铁纳米内核能够催化底物使肿瘤显色，区分正常 细胞和肿瘤细胞。
研制出肿瘤诊断新型纳米材料
纳米材料可能对人体有害？
石棉纤维、商用碳纳米管和金纳米线都有一个圆形的尖头，直 径在 10 纳米到 100 纳米之间，正处于细胞处理范围。细胞上有一
种受体蛋白质会聚集并弯曲细胞膜壁，使细胞卷曲包住纳米管尖
端，反向调整纳米管角度，使纳米管尖端能以 90 度进入，从而 降低细胞吞噬微粒所需的能量。这一行为叫做“尖端识别”。 当细胞的内吞作用开始，就没办法再退回去。细胞觉得无法整 个吞下纳米管，就会求救。但求救信号反而会引发免疫反应，造 成更多炎症反应。

2020/12/20
7
毒性
毒性(toxicity)：物质引起生物体有害作用的固有能力。 • 毒性取决于物质化学结构。 • 毒性较高的物质，只要相对较小的剂量，即可对机体造
成一定的损害;而毒性较低的物质，需要较大的剂量， 才呈现毒性。 毒效应：化学物对生物体健康引起的有害作用。 • 改变条件，就可能影响毒效应。 • 通过毒理学试验观察毒物的毒效应，以达到了解和认识 毒物毒性的目的。
• 分为急性中毒和慢性中毒。
毒性
任何物质达到一定剂量都可能对机体产生有害 作用。毒效应与剂量有关。
LD50半致死剂量：引起一组实验动物半数死亡 的化学物剂量。
NaCl，LD50非常高，很高的剂量接触很长 时间(数年以上)才可能引起高血压病。 KCl，只有一场的接触方式，如静脉短时 间内注射高浓度溶液，才可引起心脏骤停。
❖接触期限：接触时间的长短。 ❖ 接触速率：单位时间内接触的量，高者毒性大。 ❖ 接触频率：单位时间内接触的次数，高者毒性大。 ❖个体的易感性 ❖代谢物的理化性质
毒性
接触期限
急性毒性试验 通常24小时内一次给药，对那些低毒 或实际无毒物质可在24h内多次染毒
重复剂量毒性试验 在≦1个月的重复染毒
瑞士 Paracelsus(1493-1541)
"The dose makes the poison. "
毒性
表1-1
化学物
乙醇 氯化钠 硫酸亚铁 硫酸吗啡 苯巴比托钠盐 DDT 木印防已苦毒素 硫酸士的宁 烟碱 d-筒剑毒碱 河豚毒素 二恶英 肉毒杆菌毒素
某些化学物的半数致死量(LD50)
物种
LD50(mg/kg)
重点
• 1. 机体的正常形态学、生理学、生长发育过程受 到影响，寿命可能缩短；

06
毒理学在环境保护中的应用
环境污染物的检测与监测
总结词
检测与监测是毒理学在环境保护中的重要应 用，通过科学的方法对环境中的污染物进行 定量和定性分析，了解污染物的来源、分布 和浓度，为后续的环境保护工作提供数据支 持。

详细描述
环境污染物的检测与监测是毒理学在环境保 护中的基础应用。通过对环境中的水、土壤 、空气等介质中的有害物质进行检测，可以 了解污染物的种类、浓度和分布情况。这些 数据可以帮助我们评估环境污染的程度和潜 在的健康风险，为制定相应的环境保护措施
表示在一定时间内经口或注射给予实验动物能引起某种可观察到 的生物学效应的最低剂量。LOAEL是评价毒物毒性作用阈值的重
要参数。
最大无作用剂量（NOAEL）
表示在一定时间内经口或注射给予实验动物未见任何可观察到的 生物学效应的最高剂量。NOAEL是评价毒物毒性作用阈值的重要
参数。
03
毒作用机制
毒物的吸收、分布和排泄
水溶性
一些毒物易溶于水，如重金属离子，容易通 过饮水进入人体。
腐蚀性
一些毒物具有强烈的腐蚀性，如酸、碱等， 容易引起皮肤和消化道损伤。
毒物的毒性参数
半数致死量（LD50）
表示在一定时间内经口或注射给予实验动物能引起50%动物死 亡的毒物剂量。LD50是评价毒物毒性强度的重要参数。
最小有作用剂量（LOAEL）
05
毒理学评价与风险管理
毒理学评价的原则和程序
总结词
毒理学评价原则和程序是确保化学品安全性的重要环节。
详细描述
毒理学评价的原则包括科学性、公正性、个案性、前瞻性和公开性，这些原则是确保评 价结果可靠和准确的基础。毒理学评价的程序通常包括危害识别、剂量-反应评估、暴 露评估和风险特征描述等步骤，这些步骤有助于全面了解化学品的潜在危害和风险。

3. 特殊的磁学性质
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显 著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安／ 米，而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下 时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小 其尺寸，大约小于 6×10-3微米时，其矫顽 力反而降低到零，呈现出超顺磁性。
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性， 已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用 于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。
6.2.2小尺寸效应
1. 特殊的光学性质 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为
黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂 （白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由 此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低， 通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完 全消光。
利用这个特性可以作为高效率的光热、 光电等转换材料，可以高效率地将太阳能 转变为热能、电能。
例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体， 比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向 的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。
第六章 纳米材料与纳米技术
6.1 纳米材料与纳米技术的内涵 6.2纳米材料的奇异性质
6.1 纳米材料与纳米技术的内涵
6.1.1纳米科技的发展历史 6.1.2 纳米材料和纳米技术的内涵

6.1 纳米材料与纳米技术的内涵
6.1.1纳米科技的发展历史
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖 获得者理查德•费曼预言，人类可以用小 的机器制作更小的机器，这是关于纳米 技术最早的梦想。
6.2纳米材料的奇异性质
6.2.1 表面效应 6.2.2小尺寸效应
6.2纳米材料的奇异性质
6.2.1 表面效应
超微颗粒的表面与大块物体的表面是 十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金 超微颗粒（直径为 2×10-3微米）进行电视 摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的 形态，随着时间的变化会自动形成各种形 状（如立方八面体，十面体，二十面体多 晶等），它既不同于一般固体，又不同于 液体，是一种准固体。

连续接触较长时间、较大剂量
亚慢性毒性
时间：90d180d
目的：获得LOELNOAEL，为慢性毒性实验和致癌试验设计提供依据
反复长期接触低剂量化学毒物产生的有害效应
慢性毒性
时间：1-2年
目的：获得LOELNOAEL阐明慢性毒作用性质、靶器官、中毒机制，为制定ADIMAC 提供依据
化学物质引起细胞核中遗传物质改变，且这种改变可随细胞分裂传递
最小观察到有害作用剂量LOEL
毒物引起受试对象中的少数个体出现某种最轻微的异常改变所需要的最低剂量 在此剂量下任何剂量都不应产生观察到的损害作用
不发现任何损害作用的最高剂量
最大未观察到有害作用剂量NOAEL
是根据亚慢性毒性或慢性毒性试验结果确定的 评定外来化合物对机体损害的主要依据
以此为基础制定
剂量-效应关系
化学毒物的剂量与个体或群体中发生的量效应强度之间的关系
剂量-反应关系
化学毒物的剂量与某一群体中质效应的发生率之间的关系
直线型
仅在某些体外实验中，在一定计量范围内存在
剂量效应曲线和剂量反应曲线
抛物线型
S形曲线型
吸收 分布
-1-
毒理
外源化合物在体内的转运和转化
分布
概述
代谢
排泄
生物转运和转化
危害特征描述
剂量反应关系
接触评定
人群接触毒物的总量及接触特征
危险性特征分析
综合、分析、判断，估算危害概率的估计值，阐明可能公众健康问题
毒理学安全性评价
安全
一种化学物质在规定的使用方式和用量下，不产生任何危害
安全性
危险度很低，或可接受范围内相对安全
可接受危险水平
接触后发生损害的频率接近或略高于非接触人群

• 相当于头发的直径。
2. 纳米技术(nanotechnology）
• 纳米技术，也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1
至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。
• 是用单个原子、分子制造物质的科学技术。
• 它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、 分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和 扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。 • 纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如 纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。
3. 纳米材料
• 当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米
这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现
特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分
子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，
即为纳米材料。 • 如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材 料，也不能叫纳米材料。
• 4. 纳米药物 • 是指运用纳米技术研究开发的一类新的药物制剂。 • 作为纳米科技与现代制剂技术交叉、融合产生的纳 米制剂技术，其核心是药物的纳米化技术，包括药 物的直接纳米化和纳米载药系统。 • 药物经纳米化后，其物理化学性质如饱和溶解度、 溶出速度、晶型、颗粒表面疏水亲水性，物理响应 性（如光、电、磁场、PH敏感性、温度敏感性）， 以及生物学特性如特定分子亲和力等均发生改变， 从而影响药物的吸收、分布、代谢、排泄，最终实 现增强药物疗效、降低药物不良反应、提高药物治 疗指数、增强制剂顺应性的目的。
进一步认识纳米
• 蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范 围 • 光合作用在“纳米车间” 进行 • 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳 米机械”，细胞象一个“纳米工厂” • 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” • 纳米结构是生命现象中基本的东西

反应机理的学科，其中包括复制，修复和调控等 许多方面的过程。
• 现在将纳米生物学与纳米医学合称为纳米生物医
学。
随着纳米科学技术的进步及其在医学领域 的深化应用，纳米生物医学的研究内容日 益丰富，涉及人类生理，病理和医疗米医用材料的功能性：辅助性材料和功能性 材料
依据纳米材料的属性分：高分子材料，有机分子材 料，矿物材料，邮寄矿物复合材料，混合材料等。
以及重复性方面，都有很大的优势，而且小肽修饰的脂质体对肿瘤有一定的 靶向作用。
生物传感与医学示踪
纳米生物学:研究在纳米尺度上的生物结构与生物反应机理的学科，其中包括复制，修复和调控等许多方面的过程。 现在将纳米生物学与纳米医学合称为纳米生物医学。
PEG－•PE包恶裹阿性霉肿素瘤形成和的心胶血束自管组疾装病分子等在重治大疗肿疾瘤病方严面有重着威很胁好的人效类果的，使健用康后，肿瘤是尺当寸前明显医减学小研。究领域所面临
“生物医学用化磁却性纳还米没材料有及建器件立”，的中所心以议题在报纳告中米介医绍了药生开物医发学的用磁过性程纳米中材不料及可器避件在免生会物学受与到生物制技约术、和医影学以响及。药学等 方面的应用及所发以展；，对于纳米药物学及其药理学研究的基础科学问题和近、中、长期的目 纳米技术在生标物设医学定上非的应常用重要。 例如，肿瘤生长机制及阿霉素胶束自组装分子的抗肿瘤活 （恶 依现3性据在）肿纳 将影瘤 米纳像和 医米对心 用生性静不磁血 材物性研液能管 料学纳疾 的与究压达米病 功纳材。高到等能米料重 性医肿、肿对大 ：学比瘤低瘤疾 辅合剂病 助称的氧细尺严 性为寸微、胞重 材纳和威 料米环低，其胁 和生他境影P人 功物性H类 能医对响质值的 性学的其了健 材。等依康 料生药赖微，程长物是环度当及的；境前对使医使学药用得研物效究药领输果物域运。所分面有P子临E着G的只－一巨能个P大重聚E大包影集挑裹响战在。阿，血霉肿管素瘤细形组胞成织周的内围胶部， 目前癌症病人束和自心血组管装病人分死子亡率在居治高不疗下肿的一瘤个方最主面要有原因着，很是现好有的技术效还果很难，实使现真用正后的疾肿病瘤早期尺检寸测，明所显以生减物小传感。和医学示 踪技术至关重“要用，特于别肿是纳瘤米诊生物断传与感技治术疗和纳的米纳材料米在医分子药影的像技材术料中的发应展用等潜是力当前”的的研究研热究点。指出，纳米生物 （（依55据） ）纳磁磁米性性医纳纳用技饰米米材材材术的料料料的在脂的的功生 生肿质能物物性瘤体安安：全全的纳辅性性助早米、、性生生期复材物物料诊合相相和容容断载功性性能和药等等性。。治体材料疗系中不可仅以可发以挥对很肿大瘤作进用行。靶研向究治结疗果，表结明合，纳抗米体粒修子 PEG－PE包修裹阿饰霉的素形纳成米的胶复束合自组给装药分子体在系治疗还肿可瘤方以面对有着转很移好的的效肿果，瘤使细用后胞肿进瘤尺行寸诊明显断减和小。靶向治疗，而 目前国内外已且开纳发并米上胶市了囊许的多纳尺米寸药物适制中剂，（以5提0高-2原0制0剂n的m口）服时生物效利果用度最、好降低。药“物不脂良质反应分和子提高自治组疗指装数系等，统但及是国际和 国内纳米技术其标作准化为却药还没物有载建立体，的所以应在用纳米”医的药开研发究的过认程为中不，可脂避免质会分受到子制作约和为影生响。物体组成的主要成分 （4）磁性纳具米材有料无在生可物比体内拟的的分散生及物循环相问容题；性，自组装形成的纳米结构无论从均一性、稳定性，