納米材料的應(yīng)用及毒性研究必要性納米材料是指三維結(jié)構(gòu)中至少有一維大小在納米（10-9米）尺度上的材料。由于納米材料具有特殊的物理化學(xué)特性，使其在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，比如：化工、陶瓷、微電子學(xué)、計量學(xué)、電學(xué)、光學(xué)以及信息通訊等領(lǐng)域[1]。近期研究發(fā)現(xiàn)納米技術(shù)在生物、醫(yī)藥上也具有巨大的應(yīng)用潛力，涉及疾病診斷、分子成像、生物傳感器熒光生物標(biāo)記，藥物和基因傳輸，蛋白質(zhì)的檢測，DNA結(jié)構(gòu)探討，組織工程學(xué)等[2]。目前市場上基于納米技術(shù)的產(chǎn)品有很多，涉及涂料，化妝品，個人護理品和食品增補劑[3]。因此人類暴露于納米顆粒的途徑多種多樣，吸入，攝取以及皮膚途徑。并且，出于醫(yī)學(xué)的目的，這些顆粒有也許直接被注射進入人體內(nèi)[4]。一旦被人體吸取，各種類型的納米顆粒就會分布到人體的大部分器官，甚至可以通過生物屏障，比如血腦屏障和血睪屏障[5,6]。2023年，Science和Nature相繼發(fā)表文章，探討納米材料的生物效應(yīng)、對環(huán)境和健康的影響問題[7,8]。很多研究工作已經(jīng)證明，納米材料對生物體會導(dǎo)致負面的影響。目前為止,科學(xué)家們只對納米TiO2、SiO2、碳納米管、富勒烯和納米鐵粉等少數(shù)幾個納米物質(zhì)的生物效應(yīng)進行了初步的研究[9]。VickiColvin[7]強調(diào)："當(dāng)這一領(lǐng)域尚處在初期階段,并且人類受納米材料的影響比較有限時,一定要對納米材料的生物毒性給予關(guān)注.我們必須現(xiàn)在,而不是在納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用之后,才來面對這個問題"。因此對納米材料毒性的研究，不僅具有必要性并且具有緊迫性，是保證納米科技順利發(fā)展的前提，可以減少新興科學(xué)對人類及自然界不必要的破壞。納米材料毒性研究現(xiàn)狀納米材料具有粒徑小、比表面積大的特點，量子效應(yīng)在納米尺度上開始支配物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)。這些特有的性質(zhì)使得納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛[1]。然而，納米材料對生物系統(tǒng)的不利影響引起了越來越多的關(guān)注。已有很多研究證實，納米材料并非有益而無害的，它們在細胞、亞細胞以及蛋白質(zhì)水平上都影響著生物體[10]。納米材料的粒徑很小，因此它們和生物組織接觸及作用的機會大大增長，正常尺寸下對生物體并無影響的物質(zhì)在納米尺寸下也許會對生物體產(chǎn)生毒副作用[10]。SiO2納米顆粒Lin[11]等將人支氣管癌原性細胞暴露于15nm和38nm的SiO2納米顆粒，發(fā)現(xiàn)細胞的發(fā)育能力呈劑量依賴性喪失。并且，細胞的發(fā)育能力隨著納米顆粒的劑量和暴露時間的增長而減少。研究發(fā)現(xiàn)，這種影響是和氧化應(yīng)激水平的增長緊密相關(guān)的。此外有研究顯示，當(dāng)SiO2納米顆粒的一級尺寸為10nm和30nm時，對胚胎干細胞分化為心肌細胞的過程有克制作用[4]。然而，也有體內(nèi)實驗表白SiO2納米顆粒并沒有毒性[12]，因此對于SiO2納米顆粒對人類的毒性危害，仍需進一步的研究。TiO2納米顆粒根據(jù)體內(nèi)和體外的實驗研究結(jié)果，納米TiO2對肺部的損傷限度要明顯高于微米尺度的TiO2顆粒[9]。Afaq等[13]用支氣管注入法研究超細TiO2(<30nm，用量2mg)對大鼠的毒性時，發(fā)現(xiàn)肺泡巨噬細胞的數(shù)量增長。研究表白，納米TiO2顆粒的尺寸越小越難被巨噬細胞清除[14]，因此，納米顆粒的粒徑和數(shù)目是導(dǎo)致肺部損傷的重要因素。Rahman[15]等人發(fā)現(xiàn)20nm的TiO2顆粒會引起細胞內(nèi)微核數(shù)目的顯著升高，并引起細胞凋亡。其他納米材料據(jù)報道，把大鼠暴露在具有聚四氟乙烯（PTFE）納米顆粒的空氣中15分鐘，當(dāng)PTFE粒徑為20nm時，大多數(shù)老鼠在4小時之內(nèi)死亡，而PTFE達成130nm時，大鼠沒有收到任何傷害[7]。研究發(fā)現(xiàn)納米銀粒子對哺乳動物的細胞具有很高的毒性。在沒有光活化的條件下，將大鼠神經(jīng)元細胞暴露于納米銀顆粒中，出現(xiàn)了細胞個體縮小、形態(tài)不規(guī)則以及線粒體功能顯著地呈劑量依賴性喪失[16]。此外研究還發(fā)現(xiàn)碳納米管對肺泡巨噬細胞有影響[9]。鑒于對納米材料毒性研究的領(lǐng)域越來越熱，2023年，一本專門為研究納米材料的毒性而設(shè)立的專業(yè)雜志《納米毒理學(xué)》（Nanotoxicology）在英國出版。2023年開始，一些權(quán)威期刊《EnvironmentalScience&Technology》、《EnvironmentalHealthPerspectives》、《Carbon》、《JournalofNnoparticleResearch》等紛紛開辟專欄或出版?？接懠{米顆粒的應(yīng)用與生物和環(huán)境的安全問題[17]。納米技術(shù)的潛在問題已引起發(fā)達國家的高度重視，并紛紛投入巨資設(shè)立和支持納米生物環(huán)境效應(yīng)與安全性的研究計劃，為納米科技的健康可連續(xù)發(fā)展，為與納米相關(guān)的社會經(jīng)濟的發(fā)展提供安全保障。待解決問題雖然有數(shù)據(jù)表白納米材料對人體健康存在著潛在的威脅，但是目前所進行的研究只局限于眾多納米材料中的少數(shù)幾種，并且研究數(shù)據(jù)不全面，并且不同的研究結(jié)果還存在不一致性。對納米材料的生物效應(yīng)，特別是毒理學(xué)與安全性問題，目前還不能給出明確的結(jié)論。此外，在研究納米材料的生物效應(yīng)或毒性時，對納米材料的形態(tài)、尺寸的表征使得研究的工作量和復(fù)雜性大大增長。納米材料的毒性作用機制和作用模式也是人們關(guān)心的問題。關(guān)于和其他環(huán)境中的污染物的聯(lián)合毒性的研究領(lǐng)域，也都是一片空白。因此，在納米材料的毒理學(xué)研究領(lǐng)域，我們要走的路還很長。鑒于日益突出的納米材料毒性問題，化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一個新的研究方向，即納米毒性的修飾化學(xué)。該領(lǐng)域的目的在于減少或消除納米材料的毒性。此外，如何運用納米材料的生物效應(yīng)，也是科研工作者需要面對的問題。研究目的、內(nèi)容研究工業(yè)納米顆粒物對于水生生物的毒性效應(yīng)選取幾種已經(jīng)商品化的納米材料，比如納米TiO2、納米SiO2、富勒烯C60等作為研究對象。選取處在水生生態(tài)系統(tǒng)初級營養(yǎng)級的藻類（如斜生柵藻）和濾食性浮游動物（如大型蚤）為實驗生物，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法進行短期（48-h、72-h或96-h）暴露實驗。探討納米材料的毒性和其物理特性的關(guān)系在第一部分的實驗基礎(chǔ)上，選取毒性較明顯的納米材料，分別在粒徑、形狀、組成、表面特性等不同的情況下，測定納米材料毒性的變化。研究工業(yè)納米材料對于水生生物的毒性作用機理根據(jù)第一部分實驗的結(jié)果，選取毒性效應(yīng)比較明顯的，具有代表性的納米材料作為研究對象，考察其對受試生物生長發(fā)育和體內(nèi)酶活性的影響，探討也許的毒性作用機制。研究低濃度納米材料長期暴露下對水生生物的生物效應(yīng)根據(jù)第一部分實驗的結(jié)果，設(shè)定低濃度長期暴露時所需的劑量。實際環(huán)境中的暴露水平通常比較低，因此低劑量、長期暴露的實驗更能反映生物暴露的真實情況。擬解決的關(guān)鍵問題水是生命之源，是人類賴以生存的重要因素之一。但是人類社會的發(fā)展卻給水環(huán)境導(dǎo)致了嚴(yán)重的破壞，其中就涉及納米材料對水環(huán)境導(dǎo)致的污染。人工納米材料在其生產(chǎn)、使用和回收的過程中都有也許進入水體，對水體和沉積物導(dǎo)致污染，威脅水生生物的生存。目前，關(guān)于納米材料對水生生物的毒理學(xué)數(shù)據(jù)極為匱乏。本研究的目的就是探討現(xiàn)存的幾種商品化的納米材料對水生生物會導(dǎo)致如何的影響，產(chǎn)生如何的效應(yīng)，并且盼望可以探求也許的作用機制。擬解決的科學(xué)問題涉及以下幾個方面：建立起幾種典型的納米材料對水生生物（藻類或大型蚤）的劑量-效應(yīng)曲線。在此基礎(chǔ)上，進一步研究低濃度納米材料長期暴露條件下水生生物的生物效應(yīng)。為水環(huán)境中納米材料的生態(tài)風(fēng)險評價提供科學(xué)依據(jù)。找出納米材料的毒性和其粒徑、比表面積等特性的關(guān)系。初步探討納米材料的毒性作用機制。為納米材料毒性的進一步研究指明方向，促進納米科技的健康發(fā)展。研究方法和技術(shù)路線研究體系的構(gòu)建典型納米材料納米碳粉（Nano-CB）、納米氧化鋅（Nano-ZnO）、納米二氧化硅（Nano-SiO2）、納米二氧化鈦（Nano-TiO2）、單壁碳納米管（CNTs）、富勒烯(Nano-C60cluster）、。多壁碳納米管(MWCNTs）。這幾種納米材料都可以從市場上購買，規(guī)定純度大于95%。為了排除納米顆粒上面殘留的合成時使用的原料的影響，將納米顆粒用過量的超純水充足透析[4]。受試生物單細胞綠藻斜生柵藻（Scenedesmusoblignus），按照參考OECD201[19]的標(biāo)準(zhǔn)方法進行培養(yǎng)。大型蚤（Daphniamagna）按照OECD202[20]的標(biāo)準(zhǔn)方法進行培養(yǎng)。納米材料物理特性的表征商家標(biāo)明的納米材料的尺寸也許不準(zhǔn)確[4]，所以采用透射電鏡（TEM）表征納米顆粒的粒徑大小，并觀測其外貌。采用BET吸附法測定納米顆粒的比表面積。毒性實驗用培養(yǎng)基將納米材料配備成一定濃度梯度的儲備液。測試時，將納米材料儲備液稀釋兩倍。斜生柵藻：染毒后24，48，72和96小時觀測其生長情況。觀測指標(biāo)為細胞數(shù)。計算各納米材料懸浮液對藻類生長的EC50。參照OECD標(biāo)準(zhǔn)方法[19]。大型蚤：染毒后的24，48h觀測并記錄其生長狀況。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[20]，計算各種材料的LC50或EC50及其95%置信區(qū)間。根據(jù)之前的毒性實驗測試結(jié)果，選取合適的納米材料，設(shè)計合適的濃度。進行低濃度長期暴露實驗。技術(shù)路線低濃度、長期暴露低濃度、長期暴露生態(tài)安全初步評價納米材料比表面積粒徑大小化學(xué)組成物理表征急性毒性實驗EC50斜生柵藻大型蚤納米材料濃度暴露時間可行性分析本研究中采用的斜生柵藻和大型蚤的培養(yǎng)方法，分別來自O(shè)ECD201[19]和OECD202[20]的標(biāo)準(zhǔn)方法。這兩種方法成熟，在學(xué)術(shù)屆已經(jīng)得到公認(rèn)，運用該方法取得的很多科研成果發(fā)表在國內(nèi)外的重要期刊雜志上。項目組成員結(jié)構(gòu)合理，優(yōu)勢互補，分別來自環(huán)境科學(xué)、環(huán)境微生物等不同學(xué)科，并在各自的學(xué)科中取得了一定的成績。項目依托的實驗室，具有完畢本項目所需要的所有儀器設(shè)備。創(chuàng)新點目前，國內(nèi)外在人工納米材料生態(tài)毒理效應(yīng)方面的研究都剛剛起步，相關(guān)的毒理學(xué)數(shù)據(jù)卻極為缺少。對納米材料毒理學(xué)研究，評價其環(huán)境和健康風(fēng)險，無論是對人類健康自身，還是對環(huán)境保護，以及對納米科技的可連續(xù)發(fā)展，都具有極其重要的意義。本研究的創(chuàng)新點體現(xiàn)在：初次以生態(tài)毒理學(xué)理論為基礎(chǔ)，較為系統(tǒng)的對人工納米材料的暴露導(dǎo)致的水生生態(tài)系統(tǒng)毒理效應(yīng)和毒作用機理進行了研究和探索，對于保護環(huán)境和人類的健康安全，促進納米科技的連續(xù)、健康發(fā)展具有十分重要的意義。對典型人工納米材料導(dǎo)致的水生生物效應(yīng)進行定量的劑量—效應(yīng)相關(guān)研究，并探索了低劑量長期暴露下水生生物對人工納米材料的響應(yīng)。對納米材料的毒性作用機理進行初步研究。納米材料的毒性作用機制的研究，可以幫助人類更好的減低，消除乃至運用其生物活性?！緟⒖嘉墨I】[1]劉偉,幾種典型納米材料毒性和生物活性的探討,濟南:山東大學(xué),2023.[2]SalataO.Applicationsofnano-particlesinbiologyandmedicine.JournalofNanobiotechnology,2023,2:3.[3]WoodrowWilsonInternationalCenterforScholars(2023).Aninventoryofnanotechnologybasedconsumerproductscurrentlyonthemarket.[4]Park,MargrietV.D.Z.,Annemaetal.,Invitrodevelopmentaltoxicitytestdetectsinhibitionofstemcelldifferentiationbysilicananoparticles,Toxicol.Appl.Pharmacol.,2023,240(1):108-116.[5]Semmler,M.,Seitz,J.,Erbe,F.,etal.,Long-termclearancekineticsofinhaledultrafineinsolubleiridiumparticlesfromtheratlung,includingtransienttranslocationintosecondaryorgans.InhalToxicol,2023,16:453-459.[6]Kwon,J.T.,Hwang,S.K.,Jin,H.etal.,Bodydistributionofinhaledfluorescentmagneticnanoparticlesinthemice.JOccupHealth,2023,50:1-6.[7]ServiceRF.Naaterialsshowsignsoftoxicity.Science,2023,300(11):243.[8]BrumfielG.Alittleknowledge.Nature,2023,424(17):246.[9]汪冰,豐偉悅,趙宇亮等,納米材料生物效應(yīng)及其毒理學(xué)研究進展,中國科學(xué),B輯,2023,35(1):1－10.[10]AndreNel,etal,ToxicPotentialofMaterialsattheNanolevel,Science,2023311,622.[11]Lin,W.;Huang,Y.W.;Zhou,X.D.;Ma,Y.Invitrotoxicityofsilicananoparticlesinhumanlungcancercells.Toxicol.Appl.Pharmacol.2023,217,252–259.[12]Xue,Z.G.,Zhu,S.H.,Pan,Q.etal.,Biotoxicologyandbiodynamicsofsilicananoparticle.ZhongNanDaXueXueBaoYiXueBan,2023,31,6–8.[13]AfaqF,AbidiP,MatinR,etal.Cytotoxicity,prooxidanteffectsandantioxidantdepletioninratlungalveolarmacrophagesexposedtoultrafinetitaniumdioxide.JApplToxicol,1998,18:307~312[DOI][14]Oberd?rsterG,FerinJ,LehnertBE.Correlationbetweenparticlesize,invivoparticlepersistenceandlunginjury.Environ.HealthPerspect.,1994,102(Suppl.5):173~179.[15]RahmanQ,LohaniM,DoppE,etal.Evidencethatultrafinetitaniumdioxideinducesmicronucleiandapoptosisinsyrianhamsterembryofibroblasts.EnvironHealthPerspect,2023,110:797~800.[16]HussainS，JavorinaA，SehrandAetal.,TheinieractioofmanganesenanopartieleswithPC一12cellsinducesdopaminedepletion.ToxicologicalSciences，2023，92(2):456一463.[17]朱小山,幾種人工納米材料的生態(tài)毒理學(xué)研究,天津:南開大學(xué),2023.[18]DreherKL.Healthandenvironmentalimpactofnanotechnology:toxicologicalassessmentofmanufacturednanoparticles.ToxicolSci,2023,77:3~5.[19]OECD201(