纳米材料及纳米银安全性
姚宗武
随着纳米科技的快速发展，各国对纳米安全性问 题的重视不断加强，目前面临的难题是：纳米物 质对人体的危害有多大，可以通过何种途径进入 人体？纳米颗粒污染在大气污染中占多大比重， 是如何产生的，以何种形式存在？如何检测，如 何治理等？国际、国内在这方面的研究都刚刚起 步，因此，对纳米物质生物毒性的研究更为紧迫
血液系统毒性及免疫毒性
金属纳米颗粒进入脉管系统的方式有许多种，既可以通过静脉注射直接 进入，也可以通过皮肤、呼吸系统、消化系统或生殖系统进入血液循环. 在烧伤科纳米银常可作为免疫调节剂促进伤口愈合和治疗免疫原性皮肤 病，其机制可能是Ag十结合了金属硫蛋白、抑制炎症细胞因子如IL12和 TNFa。 Gameretal.报道了包覆柠檬酸的纳米银胶体造成红细胞内谷胧
在理论上，金属纳米颗粒一旦进入消化道粘膜层，这些物质就可以进入 淋巴系统和血液循环。进入消化道的药物通常会穿过门脉系统，产生首 过效应，对肝脏造成不利影响。正如一项研究表明，肝脏似乎是血液循 环中纳米银的主要沉积器官。一个体外实验显示纳米银可以造成大鼠肝 脏细胞多种损伤。此外，已经有临床报道指出伤口敷料中的纳米银释放 到体内，之后造成了肝脏损伤 。虽然如此由于消化道内容物的复杂性以 及消化系统皮肤粘膜的机械屏障及较高的再生率，消化道内的纳米颗粒 很难穿透消化系统管壁进入体内
甘肤的大量消耗，产生氧化损伤效应。在鸡胚发育不同时期注射 0.2ml
10mg/L纳米银颗粒溶液，病理组织学和激光共聚焦显微技术显示鸡胚 法氏囊受到明显破坏，使淋巴滤泡的数量和大小明显减少 。法氏囊是
淋巴B细胞迁移和增殖的首要场所，纳米银对法氏囊的破坏意味着对免
疫系统(功能)的不利影响。
细胞毒性
在细胞水平，金属纳米颗粒利用体积小的特点被动扩散进入细胞
金属纳米颗粒的毒性效应和环境影响
虽然大气环境及职业场所气溶胶与人群呼吸道疾病的研究报道早在上世 纪20年代就开始，但是有关金属纳米颗粒对生物、人群健康及环境生 态系统影响的研究工作还刚刚起步，针对特定金属纳米颗粒的规范也尚 未建立.当纳米科技的快速发展与纳米材料安全性评价之间存在差距的 情况下，各国政府及研究机构相继开展了大量工作来探讨不同金属纳米 颗粒对小到微生物大到生态系统的影响
损皮肤测试，纳米银颗粒的穿透能力提高了近5倍。进入真皮层的这
些纳米颗粒可以转移到该区域的淋巴结，最终进入血液循环和其他 组织器官
但是，并非所有的金属纳米颗粒都能穿透皮肤组织，比如Tio2和纳米 Zno。Tio2可以反射/散射紫外线，起到预防皮肤癌功效，常作为防晒
剂添加到化妆品中，常见的尺寸介于60一 120nm.许多关于Tio2的人
由于纳米颗粒在肺内沉积量太大，因而会降低肺泡巨噬细胞的清除 能力，进而增加肺泡上皮细胞与纳米颗粒接触时间。小尺寸的纳米 颗粒容易躲过肺泡巨噬细胞的监控而避免被清除，可以穿透肺泡上 皮细和血气屏障进入血管和淋巴系统，进而迁移到其它脏器。向大 鼠气管内注射40nm纳米金颗粒，几个小时之后就可在肺泡毛细管中 的血小板内观察到纳米颗粒。纳米银气溶胶对大鼠暴露28天虽然没 有产生明显的脏器毒性，但是组织分布显示肺部银含量明显增加， 而且在肝脏、脑组织和嗅球中均呈明显的剂量反应性增加不过另有 一项研究表明，用溶解度较低的、放射标记的铱纳米颗粒(直径为 15nm和80nm)吸入方式暴露大鼠lh，一周后观察到铱颗粒绝大多数 贮留在肺泡腔隙或通过消化道排出体外，只有不到1%的铱迁移到其 他脏器如肝脏、脾脏、心脏和脑 。这些研究表明，金属纳米颗粒能 否迁移出肺组织不仅与颗粒大小有关，还与纳米颗粒的理化性质有 关。
内，粒径较大纳米颗粒则主要是通过吞噬作用在细胞内形成包涵 体、溶酶体或滤泡. AshaRani等人(2009)选用人肺成纤维细胞株(IMR一 90)和人成胶 质细胞瘤株(U251)分析了纳米银颗粒(6一20nm)的细胞毒性和遗传 毒性，透射电镜证实这些纳米颗粒可以通过被动扩散和受体介导 的胞吞两种方式进入细胞内，到达线粒体和细胞核，直接造成细 胞损伤和遗传毒性
纳米物质在迁移到环境的过程中可能发生尺寸、界面组成的变化，从而改 变纳米颗粒原有的理化性质和生物活性。一旦这些进入环境的金属纳米物 质没有得到有效控制，必将对人群健康和环境产生胁迫
职业场所来源
生产车间或生产场所是各种金属纳米颗粒的重要来源，其中既有目的产 物，也有非目的产物，而且职业场所的暴露浓度可以达到几百个ppb
呼吸系统疾病
纳米颗粒在呼吸系统的沉积量和清除率影响着呼吸系统损伤的程度。一 般而言，颗粒物的直径越小，进入呼吸道的部位越深例如，10微米直径 的颗粒物(PM10)通常沉积在上呼吸道，5微米直径的 (PM5)可进入呼吸道 的深部，2.5微米以下的 (PM2.5)可100%深入到细支气管和肺泡。由于金 属纳米颗粒体积小，在空气中具有很高的扩散能力，因而很容易沉积到 呼吸系统的各个部位(鼻咽部、支气管、肺泡)(图 1.6).另报道超细颗粒 物(40一100nm)在人肺部的总沉积分数(TDF)，结果表明粒径越小TDF越 大，当粒径在40nm时TDF可以达到40一50%，并且通过扩散大量沉积在 肺泡。
皮肤毒性
金属纳米颗粒(凝胶)常常作为良好的分散剂、稳定剂、保护剂加入到化 妆品中，服装中也会添加具有抗菌活性金属纳米颗粒，同时空气中也 会含有大量的纳米金属颗粒，因而占人体面积最大的皮肤会成为金属 纳米颗粒的作用器官 在组织结构上，皮肤由外至内 可以分为三层，即表皮层、真 皮层以及皮下组织，表皮层 （图1.7）。皮肤的组织结构是 皮肤发挥保护功能的重要保障， 因此纳米颗粒很难进入完整的 皮肤组织 。然而皮肤一旦破损， 损伤部位就会为颗粒物进入皮 肤组织打开方便之门，甚至有 报道称，当完整的皮肤被扭曲 形成褶皱时也会增加纳米颗粒 对皮肤的穿透性
根据登录在案的资料，目前的纳米产品已经超过1000多种，涉 及微电子、光学产品、超导体、催化剂、化妆品、滤器、纺织 品、消毒剂、污染物清除剂、医药卫生、个人护理产品、体内 成像和药物载体等 现有文献资料表明，无论是在生产还是产品应用的过程中，这一 大类新型物质都己证明可以进入环境，对人类健康和环境生物造 成潜在的不利影响。有关纳米科技的发展和纳米产品对环境负荷 及生物安全的评论已经发表在高质量的杂志上,并引起了一些政府 和研究团体的重视。例如加拿大政府2009年1月在全球首次提出建 立强制性文件，要求纳米科技产业在开发纳米材料时必须提供相 关安全性评价资料。 针对不同的研究对象，金属纳米颗粒已经在动物模型上证实可以 诱导细胞毒性、呼吸系统损伤、皮肤毒性、肾脏毒性、生殖毒性、 遗传毒性、发育毒性以及免疫系统损伤效应 。相当一部分研究工 作表明日益增多的纳米物质/材料可以进入环境，对环境生物或生 态系统产生危害，或者对公众健康造成威胁 。另外也有从机理角 度阐述纳米物质的毒性效应
类皮肤穿透实验提示该类纳米颗粒接触皮肤后只能保留在皮肤最外层 -角质层或开放的毛囊中，并不能穿透皮肤到达深层组织 体外实验也
证实Tio2纳米颗粒不能穿透上皮组织 。同样，氧化锌可以吸收紫外线
而常常作为防晒剂中的添加剂，大量体内/体外实验证实绝大多数的 Zno吸附在皮肤褶皱处或停留在角质层，难以穿过皮肤形成的屏障。
神经毒性
虽然金属纳米颗粒对神经系统损伤的报道并不多，但是已经有证据表 明这些小颗粒的纳米物质能够通过皮肤、嗅神经、肌肉等组织的突触 间隙进入神经纤维，从而增加了神经细胞的暴露风险。例如纳米银气 溶胶经呼吸道暴露大鼠28天，脑组织及嗅球中银含量明显增加
发育毒性
处于发育期的生物对于物理、化学或生物因素比较敏感，细胞分化、 增殖、突变及组织器官一旦发生异常，生物的发育就会受到影响， 产生流产、死胎畸形或功能改变。虽然现有的药物暴露剂量处于 mg/L级，但是提供了一些证据表明金属纳米颗粒可以造成诸如软体 动物、鱼类、哺乳动物发育异常，影响生物种群结构
在较早期的研究中，Lee等人(2007)报道了浓度低达0.04一o.7l nM的纳 米银颗粒造成胚胎发育早期斑马鱼发育异常，这些畸形主要包括鳍膜异 常、尾/脊柱弯曲、眼睛畸形、卵黄囊及脏器水肿等等。将 hPf(Hoursofpostfertilization，hPf)的斑马鱼胚胎暴露于100uM不同尺寸 的纳米银(3，10，50和I00nm)，120h后观察到纳米银诱导多种形态发 育异常和病理改变，包括卵黄囊浑浊、卵黄囊残留、发育迟滞、小脑、 鼻颗畸形、血循环异常(如出血、溶血、凝血等)、脊柱弯曲、心包水肿 等等 。纳米银对小型鱼胚胎的毒性作用在medaka模型中也得到验证 (wuetal.2009)。然而， 将浓度高达10mg/L的纳米银颗粒暴露给受精鸡 胚，实验结果表明这些纳米银既没有影响胚胎的死亡也没有造成形态发 育异常
纳米颗粒是指含有至少一维尺寸介于1一100nm大小的结构，包括纳 米球、纳米线、纳米立方体、纳米棒、纳米盘纳米物质具有不同于传 统母体元素化合物的理化特点，显示出小尺度效应 (体积效应)、表面 与界面效应量子尺度效应 、宏观量子隧道效应、介电限域效应和库 仑堵塞和量子遂穿，这些独特效应促进纳米物质的应用和发展，而且 改进了现有产品的性能
纳米银颗粒是目前市场上应用最广泛的纳米消毒产品，常添加到与
皮肤密切接触的化妆品、消毒液、卫生用品、纺织品中。随着纳米
银或其他金属纳米颗粒添加到纺织品和消毒液中，皮肤接触到这些 物质的机会明显增加。最近的一个体外模型实验分析了25nm银颗粒
在人皮肤中的穿透性和分布情况，供体相中纳米银颗粒浓度为
70ug/cm时，经过24h后在受体相中检测到一定量的纳米银，TEM 分析表明这些纳米银颗粒可以穿透完整皮肤进入真皮层，当采用受
根据细致的实验验证和大量文献的比较，化妆品中的TIO2和ZnO纳米
颗粒被认为对使用者的皮肤是非常安全的，特别是较大和水不溶性的 颗粒
消化系统毒性
毫无疑问，所有经口给予的金属纳米颗粒都可以与消化系统相互作用， 另外一些纳米颗粒还以通过蔬菜、粮食、食品添加剂或餐饮用具进入 消化道，或者经吞咽从呼吸道进入消化道 。比如纳米银因其具有抗 菌活性，常作为饮用水的消毒剂，而且还可以作为防腐成分合成到餐 饮用具表面。空气中分散的纳米铁或Tio2可以沉降到植物表面， 人类食用可以造成消化系统暴露。虽然如此，金属纳米颗粒对消化系 统影响的研究并不多