纳米材料的毒性研究.doc

纳米材料的应用及毒性研究必要性 纳米材料是指三维结构中至少有一维大小在纳米（10-9米）尺度上的材料。由于纳米材料具有特殊的物理化学特性，使其在很多领域具有广泛的应用，比如：化工、陶瓷、微电子学、计量学、电学、光学以及信息通讯等领域[1]。近期研究发现纳米技术在生物、医药上也具有巨大的应用潜力，包括疾病诊断、分子成像、生物传感器荧光生物标记，药物和基因传输，蛋白质的检测，DNA结构探讨，组织工程学等[2]。目前市场上基于纳米技术的产品有很多，包括涂料，化妆品，个人护理品和食品增补剂[3]。因此人类暴露于纳米颗粒的途径多种多样，吸入，摄取以及皮肤途径。而且，出于医学的目的，这些颗粒有可能直接被注射进入人体内[4]。一旦被人体吸收，各种类型的纳米颗粒就会分布到人体的大部分器官，甚至可以通过生物屏障，比如血脑屏障和血睾屏障[5,6]。 2003年，Science和Nature相继发表文章，探讨纳米材料的生物效应、对环境和健康的影响问题[7,8]。很多研究工作已经证明，纳米材料对生物体会造成负面的影响。目前为止, 科学家们只对纳米TiO2、SiO2、SiO2纳米颗粒 Lin[11]等将人支气管癌原性细胞暴露于15nm和38nm的SiO2纳米颗粒，发现细胞的发育能力呈剂量依赖性丧失。并且，细胞的发育能力随着纳米颗粒的剂量和暴露时间的增加而降低。研究发现，这种影响是和氧化应激水平的增加紧密相关的。另外有研究显示，当SiO2纳米颗粒的一级尺寸为10nm和30nm时，对胚胎干细胞分化为心肌细胞的过程有抑制作用[4]。然而，也有体内实验表明SiO2纳米颗粒并没有毒性[12]，因此对于SiO2纳米颗粒对人类的毒性危害，仍需进一步的研究。 TiO2纳米颗粒 根据体内和体外的实验研究结果，纳米TiO2对肺部的损伤程度要明显高于微米尺度的TiO2颗粒[9]。Afaq等[13]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。研究表明，纳米TiO2颗粒的尺寸越小越难被巨噬细胞清除[14]，因此，纳米颗粒的粒径和数目是造成肺部损伤的主要原因。Rahman[15]等人发现20nm的TiO2颗粒会引起细胞内微核数目的显著升高，并引起细胞凋亡。 其他纳米材料 据报道，把大鼠暴露在含有聚四氟乙烯（PTFE）纳米颗粒的空气中15分钟，当PTFE粒径为20nm时，大多数老鼠在4小时之内死亡，而PTFE达到130nm时，大鼠没有收到任何伤害[7]。研究发现纳米银粒子对哺乳动物的细胞具有很高的毒性。在没有光活化的条件下，将大鼠神经元细胞暴露于纳米银颗粒中，出现了细胞个体缩小、形态不规则以及线粒体功能显著地呈剂量依赖性丧失[16]。此外研究还发现碳纳米管对肺泡巨噬细胞有影响[9]。（Nanotoxicology）在O2 、纳米SiO2、富勒烯C60等作为研究对象。选取处于水生生态系统初级营养级的藻类（如斜生栅藻） 和滤食性浮游动物（如大型蚤）为实验生物，根据标准方法进行短期（48-h、72-h 或96-h）暴露实验。 探讨纳米材料的毒性和其物理特性的关系 在第一部分的实验基础上，选取毒性较明显的纳米材料，分别在粒径、形状、组成、表面特征等不同的情况下，测定纳米材料毒性的变化。 研究工业纳米材料对于水生生物的毒性作用机理 根据第一部分实验的结果，选取毒性效应比较明显的，具有代表性的纳米材料作为研究对象，考察其对受试生物生长发育和体内酶活性的影响，探讨可能的毒性作用机制。 研究低浓度纳米材料长期暴露下对水生生物的生物效应 根据第一部分实验的结果，设定低浓度长期暴露时所需的剂量。实际环境中的暴露水平通常比较低，因此低剂量、长期暴露的实验更能反映生物暴露的真实情况。 拟解决的关键问题 水是生命之源，是人类赖以生存的重要因素之一。但是人类社会的发展却给水环境造成了严重的破坏，其中就包括纳米材料对水环境造成的污染。人工纳米材料在其生产、使用和回收的过程中都有可能进入水体，对水体和沉积物造成污染，威胁水生生物的生存。目前，关于纳米材料对水生生物的毒理学数据极为匮乏。本研究的目标就是探讨现存的几种商品化的纳米材料对水生生物会造成怎样的影响，产生怎样的效应，并且期望能够探求可能的作用机制。拟解决的科学问题包括以下几个方面： 建立起几种典型的纳米材料对水生生物（藻类或大型蚤）的剂量-效应曲线。在此基础上，进一步研究低浓度纳米材料长期暴露条件下水生生物的生物效应。为水环境中纳米材料的生态风险评价提供科学依据。 找出纳米材料的毒性和其粒径、比表面积等特性的关系。初步探讨纳米材料的毒性作用机制。为纳米材料毒性的深入研究指明方向，促进纳米科技的健康发展。 研究方法和技术路线 研究体系的构建 典型纳米材料 纳米碳粉（Nano-CB）、纳米氧化锌（Nan