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摘要纳米农药是纳米科技在农业植物保护领域的一项新兴应用，在提高农药生物活性与使用效果、增加农药持效性、减少农药用量等方面具有明显优势。
目前已有文献报道或获得专利的纳米农药主要包括纳米微乳剂、纳米微囊、纳米载药系统（如金属、金属氧化物、黏土等）、纳米生物农药等不同剂型。
随着纳米农药的研发升级及其推向市场的需求增加，纳米农药注册登记与监管过程中的环境安全性评估也成为需要密切关注的问题。
本文综述了纳米农药的研发现状以及纳米材料（MNPs）的毒性作用机制，浅析了纳米材料、环境因素及纳米农药所含农药有效成分对纳米农药生物有效性与生态毒理学效应的影响，以期为纳米农药的环境风险评估与环境管理提供建议和参考。
1 引言纳米科学主要研究三维空间尺寸中至少有一维在1～100 nm之间的极小物体，其作为一个独立的研究领域已经发展成为当今世界上三大支柱科学之一，广泛应用于材料与制造、微电子与计算机信息技术、能源与环境、医疗与健康等领域。
据预计，纳米材料的全球年产量将从2010年的21 000吨上升至2020年的58 000吨。
然而，随着纳米材料的产业化，人造纳米材料通过不同途径进入环境中对人体健康和生态环境造成的负面效应也随之出现。
以纳米尺度的颗粒态物质为研究对象的MNPs生态毒理学研究逐渐成为生态毒理学研究领域一个新的挑战，美国及欧盟国家的政府或科学管理部门近年来纷纷出台科技政策予以支持和推动，未来10年生态毒理学领域将是“生态毒物基因组学”和“纳米生态毒理学”的时代。
近年来，纳米技术在农业中的应用成为一个新的和迅速发展的研究领域。
利用纳米材料与制备技术，将原药、载体与助剂等配制成更为高效的新剂型产品，有利于提高农药有效成分在田间环境下的生物活性与利用率，增强有效成分对昆虫、病菌、杂草等有害生物的渗透性，促进农药有效成分向靶标部位的传输等。
相比常规农药，纳米农药具有这些优势：① MNPs的添加可增加农药有效成分的稳定性（包括贮存期间和施用后）、溶解度等；② 在田间喷施过程中，MNPs的小尺寸效应可以增加农药雾滴的延展性、润湿性、靶标吸附性（如叶面粘附性）等；③ MNPs对有效成分具有可控缓释与保护性能等。
纳米零价铁的生态毒性效应研究进展葛兴彬;王振虹;郭楚奇;孙馨;李铁龙;王薇【摘要】纳米零价铁(nZVI)由于其比表面积大、表面反应活性高以及强还原性,可以作为一种高效的环境修复材料,广泛运用于污染地下水及土壤修复.大量的nZVI 颗粒直接注射到污染位点会增加生态系统的暴露可能性,并且由于nZVI粒径特别小,能穿过细胞膜和生物体的各类天然屏障,对环境及生态系统存在潜在风险,因此科学家们开始更多地关注nZVI的生物安全性研究.鉴于nZVI在环境修复应用中的巨大潜力和可能的毒性效应,对nZVI环境风险的研究也显得尤为重要.综述了近几年国内外关于nZVI生态毒性的研究成果,nZVI对病毒、细菌、微生物群落、以及动植物等都能导致一定的负面效应,尽管其毒性机制尚不明确,但普遍认为nZVI暴露后铁离子的释放和氧化损伤确实可以引起生物效应,部分研究还分析了环境因素和表面改性对其毒性的影响.文章对其未来的发展方向进行了展望,以期为今后纳米零价铁的研究提供参考.【期刊名称】《生态毒理学报》【年(卷),期】2015(010)003【总页数】10页(P28-37)【关键词】纳米零价铁;生态毒性;氧化损伤;毒性机制;影响因素【作者】葛兴彬;王振虹;郭楚奇;孙馨;李铁龙;王薇【作者单位】南开大学环境科学与工程学院/天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,教育部环境污染过程与基准重点实验室/天津市生物质类固废资源化技术工程中心,天津300071;南开大学环境科学与工程学院/天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,教育部环境污染过程与基准重点实验室/天津市生物质类固废资源化技术工程中心,天津300071;天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津300191;南开大学环境科学与工程学院/天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,教育部环境污染过程与基准重点实验室/天津市生物质类固废资源化技术工程中心,天津300071;南开大学环境科学与工程学院/天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,教育部环境污染过程与基准重点实验室/天津市生物质类固废资源化技术工程中心,天津300071;南开大学环境科学与工程学院/天津市城市生态环境修复与污染防治重点实验室,教育部环境污染过程与基准重点实验室/天津市生物质类固废资源化技术工程中心,天津300071【正文语种】中文【中图分类】X171.5纳米零价铁(nanoscale zero-valent iron，nZVI)是指粒径小于100 nm的零价铁的颗粒，由于其较强的反应活性能够快速去除卤代有机物、重金属离子及其他无机阴离子等多种环境污染物[1-7]，对持久性有机污染物也有很好的去除效果[8-12]，并且可以通过直接注射到污染区域实现原位修复，是一种高效、快速、经济的土壤及地下水污染修复材料。
纳米材料的环境行为及生态效应研究一、引言随着纳米材料的广泛应用，环境和生态效应成为了研究的热点问题。
纳米材料具有独特的物理化学性质，那么它们在自然环境中会发生什么样的行为呢？这篇文章将介绍纳米材料的环境行为以及在环境中的生态效应，并探讨现有研究中的问题和挑战。
二、纳米材料的环境行为纳米材料在自然环境中表现出与微米或更大颗粒不同的行为。
由于小尺寸、高比表面积和表面反应等因素的影响，纳米材料对环境的影响可能会更加显著。
因此，了解纳米材料在环境中的行为对于评估其生态效应至关重要。
1.稳定性纳米材料在环境中的行为高度依赖于其物理和化学稳定性。
物理稳定性影响其分散状态和剪切力，能够影响其在环境中的行为。
化学稳定性影响其重组和显露的可溶性，同时 also影响了其在环境中与其他物质的相互作用。
2.吸附和沉积纳米材料在环境中的行为主要是依靠吸附和沉积来体现。
吸附会影响纳米材料的迁移、分布和生态效应。
它受到吸附材料、相对湿度和物理化学性质等因素的影响。
与吸附不同，沉积是纳米材料突破大气边界层并进入土壤、淡水和海水等矿质介质的过程。
沉积速率高度依赖于纳米材料的物理和化学性质以及介质的性质，如pH值、离子强度和类型等。
3.溶解纳米材料与环境中的溶液相互作用时可能会出现溶解现象。
该过程仅限于些溶于水或其他液体中的纳米材料。
纳米颗粒的溶解速率可能会影响其在环境中的行为和人体健康状况。
三、纳米材料的生态效应纳米材料对环境和生态系统有着多种影响。
它们通过改变自然系统中的化学、生物和物理过程影响生态系统的功能，改变整个系统的生物多样性和韧性。
以下是一些典型的生态效应。
1.生物毒性由于纳米材料的高比表面积和大量的表面，它们可能会表现出更强的生物毒性。
孟买大学的研究显示，银纳米颗粒会对某些植物造成不良影响，干扰其生长和发育。
此外，纳米材料可能会通过生物积累引入食物链并影响食物的安全性。
2.影响生态系统纳米材料的作用不仅仅局限于某个层面或单一环境领域，其可能对整个生态系统造成严重影响。
药物分析中的纳米材料的应用研究随着纳米科技的不断发展，纳米材料在各个领域都展现出了广泛的应用前景。
在药物分析领域，纳米材料也开始被广泛应用于药物质量控制、分析和检测等方面。
本文将介绍纳米材料在药物分析中的应用研究，并探讨其在提高药物分析方法的灵敏度、选择性和快速性方面的潜力。
1. 纳米材料在药物分析中的应用概述纳米材料由于其小尺寸效应、表面效应和量子尺度效应等特点，在药物分析中具有独特的优势。
一方面，纳米材料具有较大的比表面积和丰富的活性位点，能够提高药物与分析试剂的接触面积和反应活性，增强分析方法的灵敏度和选择性。
另一方面，纳米材料具有较高的表面能和较短的扩散距离，可以加速反应速率，提高分析方法的快速性和实时性。
2. 纳米材料在药物质量控制中的应用研究药物质量控制是药物生产过程中的关键环节，确保药物的质量符合标准要求。
纳米材料在药物质量控制中的应用研究主要包括以下几个方面。
2.1 纳米材料在药物纯度分析中的应用纳米材料可以作为药物纯度分析的探针，通过与药物分子的相互作用，实现对药物纯度的准确测定。
例如，石墨烯纳米材料可以作为药物分析试剂的载体，通过与药物分子的吸附作用，实现对药物纯度的高效分析和检测。
2.2 纳米材料在药物含量分析中的应用纳米材料可以作为药物含量分析的媒介，实现对药物中有效成分的定量测定。
例如，金纳米颗粒可以作为荧光标记物或增强剂，通过与药物分子的光学或化学反应，实现对药物含量的快速检测和定量分析。
2.3 纳米材料在药物质量评价中的应用纳米材料可以作为药物质量评价的辅助工具，实现对药物中杂质和副产物的快速鉴定和定性分析。
例如，碳纳米管可以通过与药物分子的非共价作用，实现药物中杂质和副产物的富集和分离，从而提高药物质量评价的准确性和可靠性。
3. 纳米材料在药物分析中的应用案例分析为了更加直观地了解纳米材料在药物分析中的应用潜力，我们选取了一些典型的研究案例进行分析和讨论。
3.1 纳米材料在药物控释系统分析中的应用药物控释系统是一种以纳米材料为载体，实现药物缓慢释放和持续作用的技术。
膜仿生纳米载体在肺部疾病靶向治疗中应用研究进展一、研究背景和意义随着人类对肺部疾病的认识不断深入，靶向治疗成为一种有效的治疗方法。
传统的药物递送系统在肺部疾病治疗中存在诸多局限性，如低效、副作用大等。
寻找一种高效、安全的肺部疾病靶向治疗载体显得尤为重要。
膜仿生纳米载体作为一种新型的药物递送系统，因其具有高度的生物相容性、可控的释放特性以及良好的药物载荷性能等特点，逐渐受到研究者的关注。
肺部疾病主要包括肺癌、慢性阻塞性肺病(COPD)等，这些疾病对患者的生活质量和生命安全造成了严重影响。
针对肺部疾病的靶向治疗主要集中在抗肿瘤药物、抗菌药物等方面。
由于肺部组织的特殊结构和生理功能，使得传统药物递送系统在肺部的吸收、分布、代谢和排泄等方面存在很大困难。
开发一种能够有效突破这些屏障的肺部疾病靶向治疗载体具有重要的理论意义和临床价值。
膜仿生纳米载体作为一种新兴的药物递送系统，其优势在于可以与细胞膜融合，从而实现药物的有效递送。
膜仿生纳米载体还具有可调控的药物释放特性，可以通过改变载体表面的修饰基团来实现药物的缓释或控释。
这些特点使得膜仿生纳米载体在肺部疾病靶向治疗中具有广泛的应用前景。
膜仿生纳米载体作为一种新型的药物递送系统，在肺部疾病靶向治疗中具有重要的研究价值和临床应用潜力。
通过对膜仿生纳米载体的研究和优化，有望为肺部疾病的靶向治疗提供更加高效、安全、特异的解决方案。
A. 肺部疾病的概述肺部疾病是指影响肺泡、气道和肺组织的各种疾病，包括但不限于慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘、肺癌、肺纤维化等。
这些疾病在全球范围内造成了严重的健康问题，导致大量患者死亡。
随着科技的进步，研究人员正努力寻找有效的治疗方法来改善患者的生活质量和延长生命。
靶向治疗是一种新型的治疗方法，它通过针对特定分子或细胞进行干预，从而达到治疗疾病的目的。
膜仿生纳米载体在肺部疾病靶向治疗中的应用研究取得了显著进展，为肺部疾病的治疗提供了新的思路和方向。
纳米材料的生物学效应及安全性研究随着纳米技术的不断发展，纳米材料也越来越广泛地应用于生物学领域。
纳米材料在这一领域的应用主要有两个方面：一方面是利用纳米材料的特殊性质来研究生物学问题，如利用金纳米颗粒来开发生物传感器，利用石墨烯来研究生物分子的作用机理等；另一方面则是将纳米材料作为生物学技术的载体，如利用纳米材料来传递药物或基因，开发纳米药物等。
然而，与纳米技术的其他应用领域一样，纳米材料在生物领域中的应用也面临着安全性问题。
纳米材料的特殊性质可能会对生物体产生潜在的不良影响，而科学家们正在努力研究纳米材料的生物学效应及安全性，以便更好地应用这些材料。
纳米材料的生物学效应纳米材料的特殊性质使其可以与生物体的分子、细胞和组织相互作用，从而产生特异性生物学效应。
这些效应的性质与强度取决于纳米材料的大小、形状、表面修饰及其它物理化学性质。
以下是一些已知的纳米材料在生物体中的生物学效应：1.生物体内的分布：纳米材料的大小会影响其在生物体内的分布。
一些研究表明，尺寸小于100纳米的颗粒可以渗透到细胞膜、细胞核和细胞器内，而大于100纳米的颗粒则不能。
这种大小限制对于纳米药物的传递尤为重要，因为药物的分子大小应适当以便将其输送到治疗的组织或细胞中。
2.炎症反应：一些纳米颗粒（如二氧化钛、纳米金等）可能引起炎症反应。
这些反应通常通过细胞内信号通路调节，包括通过核因子κB（NF-κB）和而外信号调节激酶（ERK）等途径。
这些反应可能会导致细胞凋亡、氧化损伤和细胞增殖受限等影响。
3.氧化损伤：纳米金属颗粒可以促进活性氧物种（ROS）的产生，可能会导致细胞色素c的释放、线粒体膜电位的下降和DNA的损伤。
这些 ROS 可能还会导致蛋白质过氧化物化和氧化敏感DNA酶的激活。
4.细胞凋亡：纳米颗粒可能通过细胞凋亡途径引起细胞死亡。
一些纳米颗粒可以通过活化半胱氨酸蛋白酶（caspase）和促进核染色质凝集来诱导细胞凋亡。
这种细胞凋亡可能是通过ROS的产生和细胞内盐度的改变来发生的。
纳米载体的应用一、引言纳米技术在近年来的发展中得到了广泛的应用，其中纳米载体是一个重要的研究方向。
纳米载体是指将药物或其他物质包裹在纳米粒子中，以便于其在体内的输送和释放。
本文将对纳米载体的应用进行全面详细的介绍。
二、纳米载体的种类1. 金属纳米粒子金属纳米粒子是指直径小于100nm的金属颗粒，具有良好的生物相容性和生物可降解性。
金属纳米粒子可以作为药物运输剂或成像剂，在肿瘤治疗等领域有广泛应用。
2. 脂质体脂质体是由磷脂双分子层组成的微小囊泡，可以包含水溶性和脂溶性物质。
脂质体具有良好的生物相容性和稳定性，在药物传递、基因治疗等领域有广泛应用。
3. 聚合物纳米粒子聚合物纳米粒子是由高分子材料制成的微小颗粒，具有良好的稳定性和生物相容性。
聚合物纳米粒子可以包含药物、基因等物质，在药物传递、基因治疗等领域有广泛应用。
三、纳米载体的应用1. 药物传递纳米载体可以将药物包裹在其内部，以便于药物在体内的输送和释放。
例如，脂质体可以包含水溶性和脂溶性药物，以便于其在体内的输送和释放。
聚合物纳米粒子也可以作为药物运输剂，在肿瘤治疗等领域有广泛应用。
2. 基因治疗纳米载体可以将基因包裹在其内部，并将其输送到目标细胞中，以实现基因治疗。
例如，使用聚合物纳米粒子作为基因载体，可以将目标基因输送到肝脏细胞中，从而实现肝细胞功能的修复。
3. 成像诊断金属纳米粒子具有良好的成像效果，在医学成像诊断中得到了广泛应用。
例如，使用金属纳米粒子作为MRI对比剂，可以提高MRI成像的灵敏度和分辨率。
4. 疫苗输送纳米载体可以作为疫苗输送剂，将疫苗输送到目标细胞中，从而实现免疫效果。
例如，使用聚合物纳米粒子作为疫苗输送剂，可以将疫苗输送到树突状细胞中，从而激活免疫反应。
四、纳米载体的优势和挑战1. 优势纳米载体具有良好的生物相容性和生物可降解性，可以减少药物的毒副作用，并提高药物的治疗效果。
另外，纳米载体具有良好的稳定性和可控性，在药物传递、基因治疗等领域有广泛应用。
纳米材料毒性机制及其影响因素何湘伟;隋阳;张雪莹;李漫;何土保【摘要】纳米材料以其独特的物理化学性质被广泛应用到工农业和人们生活的各个领域,随着纳米材料的生产加工和使用,纳米材料可以经过大气循环、水循环、生物循环进入生态环境,进而侵染生物体,影响人类健康.因此,纳米材料的毒性问题日益受到人们的关注,而纳米材料毒性机制和影响因素是纳米材料毒性研究的热点问题之一.目前,氧化应激和炎症反应是解释纳米材料毒性的两种主要机制,此外,越来越多的研究表明自噬也是纳米材料毒性的一种潜在机制,并且自噬可能与氧化应激和炎症反应相互关联.另一方面,纳米材料的物理化学性质如尺寸、形状、表面修饰等对其毒性产生重要影响.本文首先概括了纳米颗粒进入环境及侵染生物体的方式,分析纳米材料引起生物和环境毒性的机制,最后对影响纳米材料毒性的因素进行深入探讨,以期为纳米毒理学研究提供帮助.【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(041)003【总页数】10页(P316-325)【关键词】纳米材料;氧化应激;炎症反应;自噬;物理化学性质【作者】何湘伟;隋阳;张雪莹;李漫;何土保【作者单位】北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】R994.6;TB383(北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)纳米材料是指至少有一个维度在1～100nm范围内的材料[1].纳米技术是在纳米尺度(1～100nm)空间对原子、分子进行操作和加工，产生具有独特性能的纳米材料、产品和器件的技术.在这样一个尺度空间中，纳米材料具有一些独特性质，特别是纳米材料的四大效应，即小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应.这些效应使得纳米材料表现出优越的导电性、传导性、光敏性、反应活性及磁性.纳米技术的飞速发展可能会导致生产方式与生活方式的革命，已经成为当前许多国家投入最多、发展最快的科学研究和技术开发领域之一.经过20多年的基础和应用研究，纳米材料正在投入商业应用.在化学化工、信息技术、医药技术、电子技术等领域均有广泛应用，预计到2015年纳米材料市场将会达到1万亿美元[2].同时在生物医学领域，包括活体成像、诊断治疗、靶向输运等，纳米材料的身影无处不在.发展纳米技术的目的是为社会带来巨大利益.然而随着纳米材料的广泛使用，纳米材料不可避免地会逐渐进入生态系统，并且会随着大气循环、水循环、生物循环进入生物体.政府、企业界、公众和科学家们很快意识到纳米材料的健康效应是不容忽视的问题，并纷纷表示关注.越来越多的研究表明纳米材料具有一定的毒性[3]，2015年3月我们以Nano∗和Toxi∗为主题在Web of Science检索，发现了相关的文献总共达42000多篇，并且每年关于纳米材料毒性研究的相关文献不断上升，特别是近几年来发展非常迅速，其中2012、2013和2014年分别达到了5976篇、7390篇和7890篇.研究人员已经发现纳米颗粒或纳米材料对于整个生态系统的毒性作用，并且在细胞、真菌、细菌、藻类等多个物种中展开了实验，通过对纳米材料毒性研究的探索，在纳米材料的毒性机制及其影响因素方面发表了大量的文章，得到了一些基本结论.本文从纳米颗粒进入环境及侵染生物体的方式切入，总结了最近关于纳米材料毒性机制的主要研究成果，分析了影响纳米材料毒性的主要因素，为纳米材料的毒性研究提供帮助.环境中的纳米颗粒主要有两种来源:人为来源与自然来源.人为来源主要包括纳米材料生产、使用、废弃过程中以各种形式排放到环境中的纳米颗粒，除此之外，煤、石油、天然气的使用以及汽车尾气排放等也会产生一定的纳米颗粒进入大气；自然来源主要是一些自然现象产生的，例如火山爆发、森林火灾、生物合成等.不论是人为来源还是自然来源，进入环境中的纳米颗粒均会随着大气循环、水循环、生物循环参与生物圈循环，进而侵染生物体.图1表示了纳米颗粒进入生态环境及其侵染生物体的方式.如图所示，纳米颗粒经过大气输送进入空气，经过大气-地表交换进入土壤，经过水体土壤间的转化等进入水体，最终通过这些途径进入生态环境的各个部分进而影响生态环境.同时，纳米颗粒在大气循环下，会随着空气经过呼吸道被人类吸入；在水循环下随着饮用水经过消化道被人类吸收；在生物循环下，通过食物链的富集作用，随着动植物等被人类摄入；还可能通过皮肤等直接接触影响人类健康.相比较而言，通过呼吸道进入人体的纳米颗粒较多，可能损伤人类肺部健康.Sandra等[4]通过一种“点”法即在纳米材料的去离子水悬浮液中培养细胞24小时，然后用移液器吸取，在介质中作为一个“点”.在相同实验条件下，对9种单细胞机体，包括7种细菌菌株、酵母菌和一种微藻类在CuO、TiO2、两种不同的银纳米颗粒(Ag NPs)、多壁碳纳米管、AgNO3、CuSO4、3，5-二氯苯酚、三氯生等纳米材料中进行试验.实验结果证明测试的化学物质在9种单细胞机体中具有相似的毒性模式，因此不论当生物体是细菌、酵母菌还是水藻的时候，杀死生物的化学物质的毒性效应是相同的.这说明纳米材料对不同物种的毒性机制相同，毒性效应并不因生物物种的不同而有所差异.细胞的氧化应激以及炎症反应是两种主要的解释纳米材料毒性的机制[5].最新研究结果表明，自噬也是纳米材料产生毒性的重要方面.并且，自噬与氧化应激和炎症反应可能存在一定的联系.下面，我们将先对氧化应激和炎症反应这两种毒性机制进行简述，然后着重对自噬这种潜在的机制进行阐述.2.1 氧化应激氧化应激是迄今为止最为普遍接受的一种纳米材料致毒机制[6].氧化应激产生的原因是体内活性氧(ROS)的产生与抗氧化作用失衡，氧化应激导致中性粒细胞的炎性浸润和蛋白酶分泌水平的增加，从而在细胞内蓄积大量氧化中间产物.把小鼠暴露在各种纳米材料(比如 CNT[7-8]、TiO2NP[9]和铁的氧化物[10])，一些氧化应激反应在支气管肺泡灌洗液(BALF)和小鼠肺中被检测到.这包括肺中血红素加氧酶1(HO-1)的表达，其中HO-1是氧化损伤的标志物；脂质过氧化产物的存在，如4-羟基壬烯醛或8 -异前列腺素以及在BALF中谷胱甘肽的消耗.这些体内实验的结果与体外实验相吻合[11-12].生物体在暴露于纳米材料后，氧化剂的生成对于产生毒性响应非常重要这一事实进一步验证了纳米材料的氧化应激毒性机制.纳米材料能够通过不同的机制产生ROS.一方面，活泼的金属与其释放的组分可以产生属于ROS的自由基.一个典型的代表就是氧化铁，当H2O2与Fe2O3接触时可以发生三步特征反应[13].第一步发生Fenton反应，是H2O2与从Fe2O3释放的Fe2+间的反应；另一方面，对于本身不能诱导自由基产生的惰性纳米材料来说，可以通过与细胞线粒体作用，增加细胞线粒体产生ROS[14]，进而对细胞产生损伤.但是富勒烯衍生物具有清除自由基、保护细胞和器官免受ROS损伤的抗氧化作用[15-16].在研究中发现，过量的ROS会使细胞内外发生一系列的变化，通过影响细胞膜、线粒体等细胞器及DNA对细胞造成损害，从而危害整个生物体.如图2，过量的ROS导致膜蛋白失活、氧化蛋白、破坏蛋白质、破坏细胞膜、抑制呼吸链、破坏线粒体、破坏DNA.2.2 炎症反应炎症反应是纳米材料毒性机制的另一方面，炎症反应是指免疫系统被损伤因子激活并且能够清除引起炎症的损伤因子，如病原体微生物等.鼠体内细胞对纳米材料的炎症反应研究结果表明，刚刚侵染时中性白细胞和巨噬细胞会明显增加[18]，在侵染几周之后，尽管组织浸润会减少，但是炎症反应在一个月之后仍然存在[19-20].同时炎性细胞因子也会产生，如IL1β、IL6、MCP1、MIP2、TNF-α[19，21-22].在进一步的体外实验中发现至少巨噬细胞[23]、纤维细胞[24]、上皮细胞[25]、间皮细胞[26]能产生抵抗纳米材料的炎性细胞因子.马力等[27]用非暴露式气管滴注法探究纳米四氧化三铁、纳米二氧化硅以及单壁碳纳米管对大鼠肺的毒性效应，实验发现三种纳米材料组肺泡灌洗液中IL-6浓度升高，纳米二氧化硅和单壁碳纳米管组中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平升高.并且病理结果显示，纳米材料造成大鼠肺间质性炎症，大鼠肺组织可见不同程度的巨噬细胞浸润，肺泡结构受到破坏并发生纤维组织增生，形成小结节.Shvedova等[8]研究表明，在使用单壁碳纳米管时，小鼠肺纤维化产生，肺功能降低，出现急性炎症反应.此外，纳米材料引起炎症反应与其对Th1/Th2免疫反应类型的调节相关.Th细胞引发的炎症反应能刺激T细胞、B淋巴细胞和巨噬细胞产生炎性细胞因子.Th1/Th2型免疫反应的产生受到纳米材料尺寸的影响，即较大的颗粒(＞1μm)倾向于导致Th1型免疫反应，而较小的颗粒(＜500nm)则更容易导致Th2型免疫反应[28].2.3 自噬自噬是一种常见的抵御和应急调控机制.细胞通过自噬作用可以消除、降解和消化已经受损、变性、衰老或失去功能的细胞、细胞器、以及变性蛋白质与核酸等生物大分子，从而为细胞的修复、重建和再生提供原料，是再循环和再利用的重要途径.自噬在帮助细胞抵御病原体的侵入的同时也能保卫细胞免受细胞内物的损伤.免疫反应[29]、炎症反应[30]、细胞凋亡[31]等都与自噬有关.因此，一般来说，凋亡是程序化细胞死亡，自噬是程序化细胞存活.在大多数细胞中，以一定的频率发生的自噬通过消除错误折叠的蛋白质及损伤的细胞器来维持正常的细胞稳态.然而在某些条件下这个过程可以被诱发，这些条件主要包括代谢压力(氨基酸或生长因子缺乏)、低氧、网状组织的压力.同样地，自噬在多种不同的疾病中也起着重要作用，例如癌症、神经变性疾病、炎症、肺部疾病[30-32].总体而言，自噬是旨在维持细胞体内平衡的一个非常保守的生理过程，它的变化(即异常激活或缺乏活动)与多种疾病有关，并可能与炎症或氧化应激之间产生相互作用.图3表示了自噬与氧化应激和炎症反应两种机制之间可能存在的联系.而目前氧化应激和炎症反应是解释纳米材料毒性的两种主要机制，因此自噬作为纳米材料毒性的一种潜在机制引起了研究人员的广泛关注，下面我们将对它进行阐述.2.3.1 纳米材料自噬扰动的证据许多实验通过自噬体标记物(LC3-II，Atg5等)或透射电镜(TEM)观察发现，为了抵抗纳米材料入侵，自噬小体的数目在增加，比如在金属氧化物纳米颗粒[33-34]、石墨烯[35]、银纳米线[36]均可以观察到(表1).这些数据表明，纳米材料能改变自噬通路，导致自噬小体的积累.一些研究也表明，在这些效应中，蛋白激酶/mTOR 的通路可能会产生影响，Roy和同事就发现将小鼠暴露于ZnO纳米颗粒时，通过抑制蛋白激酶/mTOR的通路使得小鼠腹腔巨噬细胞自噬小体的形成增强[37].表2进一步表明了纳米材料(例如金属氧化物纳米颗粒[41-42]、树状聚合物纳米材料[43]和碳纳米管[44-45])由于自噬通量堵塞可能导致自噬小体数量的增加.事实上，Orecna和同事们[45]的实验结果表明，当HUVEC细胞暴露于多壁碳纳米管羧酸盐时，LC3-Ⅱ蛋白和p62蛋白质表达增加，而Bafilomycin A1没有进一步增强.在这种情况下，自噬小体的积累可以归因于自噬通量的堵塞；LC3水平增加，却没有自噬小体形成(无p62蛋白质退化)证实了自噬小体的积累.有趣的是，Sun和同事们[46]的研究却发现当将肺上皮细胞A549暴露于CuO纳米颗粒时，随着自噬小体的形成，自噬通量反而增加.2.3.2 纳米材料自噬扰动机制纳米材料诱导的自噬扰动机制现在尚不十分明确，但是自噬-溶酶体融合的损害或溶酶体功能的缺陷可能是一种潜在的机制.如上所述，细胞骨架是一个能支持细胞形状的细胞支架，在控制自噬调节中具有非常重要的作用.事实上，一些研究揭示了微管网络的重要性，同时也说明了在自噬与溶酶体形成和融合过程中肌动蛋白细胞骨架的重要性.在小鼠的肝脏细胞中，药剂比如诺考达唑、长春花碱或细胞松弛素B、D对微管和肌动蛋白微丝的破坏致使自噬小体积累，反映出自噬通量受到抑制.最近研究发现，自噬小体一旦形成，就会沿着微管移动，集中在微管组织中心(MTOC)附近的细胞核区域，这个区域中发现了大量的溶酶体在等待与自噬小体融合.此外，在基础自噬而不是在由饥饿诱导自噬中去乙酰化酶-6通过肌动蛋白改造机制来控制自噬小体与溶酶体的融合.纳米材料在经过细胞膜后，可以与细胞骨架蛋白质(特别是肌动蛋白和微管蛋白)相互作用并影响其功能，同时可能导致自噬过程的损伤.例如，在体外可以观察到由金纳米颗粒引起的微管蛋白聚合物的损伤[48].而且富勒烯纳米颗粒和TiO2纳米颗粒可能通过纳米颗粒与微管蛋白异质二聚体之间的氢键来抑制微管蛋白聚合.除此之外，有研究发现单壁碳纳米管能通过疏水作用与肌动蛋白结合，这种疏水作用能够导致肌动蛋白结构的改变[49].金纳米颗粒对人体真皮成纤维细胞中的肌动蛋白应激纤维产生剂量依赖性效应，从而诱导细胞毒性[50].由于溶酶体参与到自噬过程的最后一步反应，溶酶体功能的紊乱也能导致纳米材料诱导的自噬扰动机制.事实上，一些纳米材料被公认为与溶酶体功能紊乱有关.例如，直径小于8 nm的多壁碳纳米管能诱导成纤维细胞3T3溶酶体膜不稳定(LMD)，导致细胞质内溶酶体内容物释放，这一过程与ROS产物增加有关[51].然而，当在直径更大的多壁碳纳米管或是不同种类的纳米颗粒(例如TiO2和SiO2)以及在其他的细胞系(如包含端粒酶的人支气管上皮细胞和巨噬细胞RAW264.7)时，却不能或仅能观察到较小的溶酶体损伤.由上可知，细胞骨架的破坏以及溶酶体功能的缺陷可能是纳米材料诱导的自噬扰动机制.纳米材料毒性与其特殊的物理化学性质有关，这些性质包括尺寸、形状、表面修饰和其他的因素，例如化学成分、电子结构、杂质种类与含量、生物降解性能以及是否形成“蛋白冠”等[14]，如图4所示.3.1 尺寸大多数的研究表明，纳米材料的毒性与其尺寸成反比.一方面，随着纳米材料尺寸的减小，其比表面积增加，使其有更多的机会接触到细胞或机体.为了研究银纳米颗粒对小鼠的毒性、生物分布以及炎症反应，Park等人[52]给小鼠口服不同粒径大小的银纳米颗粒，包括较小的22、42、71 nm以及较大的323 nm银纳米颗粒.进行了连续14天的实验，发现只有粒径较小的纳米颗粒(22、42、71 nm)能够被小肠吸收进入血液循环，这些进入血液循环的纳米颗粒主要分布到脑、肺、肝、肾等脏器.与小颗粒容易被吸收不同，较大的颗粒(323 nm)则不能进入血液循环.进入血液循环并分布到全身的银纳米颗粒引起血清炎性因子水平的上调，并导致肝、肾组织的病理损伤[14].Choi等[53]的研究表明，在紫外光照下不同尺寸的TiO2纳米颗粒均能产生活性氧自由基，但是小尺寸的纳米颗粒对硝化细菌的毒性更显著.推测的机理为小颗粒具有巨大的比表面积，更容易使其表面活性位点与细菌接触[54].一般认为纳米材料的尺寸越小，其导致的ROS越多[14].活泼的金属与其释放的组分可以产生属于ROS的自由基，尺寸减小ROS增多，从而使得活泼金属等能产生ROS的物质毒性增强.Park等人[55]为了研究不同粒径的银纳米颗粒对人巨噬细胞系U937的促炎症以及毒性效应，选取了4、20、70 nm三种银纳米颗粒，发现4 nm的颗粒引起的氧化应激水平最高，并促使炎性因子IL-8分泌.3.2 形状已经合成的纳米材料具有丰富多样的形状，如球状、杆状、纤维状、扁平状等.研究表明形状与纳米材料的毒性有关.细胞主要通过胞吞作用摄入纳米颗粒.胞吞作用是指通过细胞质膜的变形运动将细胞外的物质转运到细胞内.纳米颗粒的形状会影响其与细胞膜的相互作用，从而对细胞膜的变形运动产生影响，导致细胞对不同形状纳米颗粒的吸收产生差异. Champion等人[56]发现球状细胞比杆状和纤维状更易被细胞摄入胞吞.隆异娟等[57]用发光细菌发光抑制法检测了量子点、多臂纳米棒以及米粒状纳米棒的毒性，并通过紫外照射实验和Vc的影响实验的研究，发现米粒状纳米棒和量子点属于低毒性的范围，而多臂状纳米棒毒性较大，证实了纳米材料的毒性与其形状密切相关.Chithrani等人[58]报道细胞对于金纳米棒的吸收速率比球状金纳米颗粒大.Qiu等人[59]研究了乳腺癌细胞MCF-7对不同形状的金纳米颗粒的摄取，结果与Chithrani等的结果相反.Qiu等认为随着金纳米颗粒长径比的增加，金纳米颗粒的细胞摄取降低.3.3 表面修饰表面修饰是通过物理、化学方法调控纳米颗粒表面的结构和状态，改善其粒度、流动性、电气特性等物性，赋予其新的机能.表面修饰可以改变纳米颗粒的表面状态，调控其表面活性，保护纳米颗粒，提高分散性，改善其与分散介质间的相容性，并为自组装奠定基础.Derfus等[60]和He等[61]提出适当的表面修饰是降低纳米毒性的重要途径.Petri-Fink等[62]证明聚乙烯醇(PVA)包覆能显著降低与氧化铁纳米颗粒的毒性.Brown等[63]指出可以通过表面修饰来减小纳米颗粒对细胞的吸附性，达到降低细胞毒性的目的.当然，并非所有表面修饰都必然降低纳米毒性.例如，Magrez等[64]发现在碳纳米颗粒表面修饰羰基、羟基和羧基等含氧基团会引起碳纳米颗粒毒性增加.这可能与表面修饰引起碳纳米颗粒分散性提高有关.3.4 其他因素其他的因素例如化学成分、电子结构、杂质种类与含量、生物降解性能以及是否形成“蛋白冠”等对纳米毒性机制也产生重要影响[14].相对于尺寸和形状，化学组成对于细胞的影响是更本质的.Yen等人[65]对比金纳米颗粒和银纳米颗粒的细胞毒性和促炎症效应，证明金、银纳米颗粒均能够被J774 A1巨噬细胞摄取，对细胞具有显著毒性效应，但是只有金纳米颗粒能够增加巨噬细胞促炎性因子IL-1、IL-6和TNF -α的表达.金属纳米颗粒特殊的电子结构使其具有特殊的光学性质，从而在光照条件下产生不同的生态系统光致毒性效应[66，67].在纳米材料制备的过程中，可能会引入金属杂质.而这些杂质可能会影响细胞毒性.谷胱甘肽是一种有效的抗氧化剂，能保护细胞免受氧化应激带来的伤害.Liu等[68]发现单壁碳纳米管中的杂质氧化镍引起细胞毒性，机理是调节了谷胱甘肽的氧化还原特性.对于可以降解的纳米材料必须要考虑到其降解后的成分对细胞的影响.Zhai等人[69]研究了人脐静脉内皮细胞HUVEC对介孔二氧化硅纳米颗粒的降解作用，发现介孔二氧化硅纳米颗粒能被细胞降解并排出细胞外，引起胞外硅含量上升.纳米材料进入血液后会与血清蛋白质结合形成“蛋白冠”，Ge等人[70]研究发现单壁碳纳米管吸附血浆蛋白质形成“蛋白冠”之后，能够显著降低其细胞毒性.纳米科学作为21世纪新兴科学，具有巨大的应用价值，纳米材料的开发与应用是一个朝阳产业.纳米材料在工业上应用广泛，在信息、能源、生物、航天等高科技领域将产生深远影响.纳米技术及纳米产品将运用到我们日常生活的方方面面.因此，关于纳米材料毒性的问题会一直受到人们的关注，尽管已经做了大量的研究，但目前仍然有许多问题亟待解决.主要有以下几个方面.关于纳米材料毒性机制尚未完全清楚.由于目前的研究大多数在个体及细胞水平，分子水平开展的相对较少，因此，对于纳米材料毒性机制缺乏分子水平的认识，要明确了解纳米材料毒性机制，分子水平的研究是必不可少的，今后的研究主要应在分子水平上开展.纳米材料毒性检测缺乏统一的方法.尽管关于纳米材料毒性的研究已经发表了一些重要的报告，但是评估纳米材料毒性仍然缺乏标准化、系统化的方法.尤其缺乏在相同实验条件下进行的毒理学评估，从而使得产生的结果有较大的差异甚至会产生相反的结果.因此，需要建立标准的方法来检查纳米材料对人类健康和环境的影响.【相关文献】[1]NOGUEIRA DR，MITJANSM，ROLIM CMB，et al.Mechanisms underlying cytotoxicity induced by engineered nanomaterials:a review of in vitro studies[J].Nanomaterials，2014，4(2):454-484.[2]DJURISIC AB，LEUNG YH，NG AMC，et al.Toxicity ofmetal oxidenanoparticles:mechanisms，characterization，and avoiding experimentalartefacts[J].Small，2015，11(1):26-44.[3]林道辉，冀静，田小利，等.纳米材料的环境行为与生物毒性[J].科学通报，2009，54(23):3590-3604.[4]SANDRA KK，IVASK A，NNIS BERES KK，et al.A novel method for comparison of biocidal properties ofnanomaterials to bacteria，yeasts and algae[J].JHazard Mater，2015，286:75-84.[5]COHIGNAC V，LANDRY MJ，BOCZKOWSKI J，et al.Autophagy as a possible underlyingmechanism of nanomaterial toxicity[J].Nanomaterials，2014，4(3):548-582. 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