对我国纳米生物效应与安全研究的思考_材料科学论文

对我国纳米生物效应与安全研究的思考_材料科学论文

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我国纳米生物效应与安全性研究现状

进入21世纪,我国开始高度关注纳米生物效应与安全性的研究。2001年11月,中科院高能物理所完成了“关于纳米尺度物质生物毒性的研究报告”。2005年4月,首批《纳米材料技术标准》正式实施,成为促进纳米技术进一步安全发展的关键。2006年6月22日,中国科学院高能物理所正式建立“纳米生物效应与安全性联合实验室”,开展纳米材料的生物负效应以及纳米生物负效应的反向应用研究,标志着我国的纳米生物效应与安全性研究已初步进入系统化规模化的研究阶段。

磁性纳米材料、碳纳米材料、纳米金属粉体等研究取得阶段性进展。

2004年以来,我国纳米生物效应与安全性研究已取得喜人的成果。其中在一种磁性纳米颗粒的动态生理行为研究时,中科学院高能物理所发现:生理盐水溶液中尺寸小于100nm的磁性纳米颗粒,进入动物体内导致血凝现象,凝聚成小鼠血管大小的颗粒,阻塞小鼠血管导致其死亡。由此表明:磁性纳米颗粒进入人体可能导致心血管疾病的发生。

在研究纳米碳管在实验小鼠体内的分布、代谢及相关的生理行为时,高能物理所与北京大学合作,发现分子量高达60万的纳米碳管可以像小分子一样在不同的生物组织之间和区室之间穿梭。纳米碳管很容易进入巨嗜细胞,在2.5μg/ml的低浓度下,对肺部巨嗜细胞的吞噬起促进作用;但在20μg/ml时,严重损害细胞,导致肺部巨嗜细胞的吞噬能力下降。在研究碳纳米材料安全性时,研究结果显示:碳纳米材料在衣服、皮肤的吸附能力很强。

另外,对于一般微米级Cu粉,被认为是无毒的;而纳米级Cu粉对小鼠的脾、肾、胃均能造成严重伤害,相同剂量的微米级Cu却没有损害。但也不是所有的纳米颗粒都如此,比如:纳米ZnO与通常的微米ZnO的生物毒性几乎没有差别。

整体研究水平与发达国家存在一定的差距。

我国从事纳米生物效应与安全性研究的领域相对有限。截至到目前,主要涉及纳米TiO[,2]、纳米SiO[,2]、碳纳米材料(包括碳纳米管)、纳米金属粉体(纳米Fe粉、纳米Cu粉等)等纳米材料的生物效应与安全性研究,其他大部分纳米材料的生物效应及其相应微米材料的差别等问题还未进行研究。

基础研究平台尚未形成。目前,中国科学院高能物理所以大科学平台为中心,结合核分析重点实验室长期开展的稀土和重金属生物效应、有机卤素毒理及环境毒理学研究的丰富经验,已从生物整体水平、细胞水平、分子水平和环境等几个层面开展纳米生物效应的研究工作。但是立足国家整体研究的视角,支撑我国纳米生物效应与安全性研究的科研仪器、设备、装备还尚未建立平台体系。

研究机构相对较少。目前,与广泛参与纳米技术与纳米材料研究的众多研究院所、院校、企业相比较,我国从事纳米生物效应与安全性研究的仅有中国科学院高能物理所等几个机构,国内还未形成吸引科学认识积极参与纳米安全性研究研究工作的良好氛围,加之国家在此领域研究资金的投入相对薄弱,使得纳米生物效应与安全性的直接的实验数据比较稀少,因此,欲科学地预测和评估纳米颗粒对生命体(主要是人体)可能产生的潜在影响,还需要进行更深入、更系统、更长期的研究工作。

需要重点关注5个方面的重大问题

随着纳米生物效应与安全性研究的不断深入,世界科学界人士普遍认为:由于目前人们对纳米技术与纳米材料的潜在风险性缺乏清晰的认识,造成了对其有效利用方面存在恐惧,使得纳米技术与纳米材料在诸多领域广泛应用的潜能尚未获得充分的发挥。

2006年11月16日,以美国纳米安全首席科学顾问安德鲁·梅纳德为代表的14位世界杰出科学家在《Nature》杂志上发表的“纳米技术的安全处理”论文指出:未来关于纳米技术风险性问题的研究,世界科学界将共同面临5个方面具有挑战性的重大问题。其5个方面的重大问题如下:

研制评估纳米材料环境暴露所需要的科学仪器。

对在空气、水中暴露的纳米材料而言,评价其是否对环境中生命体健康造成潜在影响是人们要解决的首要问题,重点研发“空气通用浮质样品取样器、悬浮水面的纳米材料监测器、表征潜在损伤的痛觉传感器”三方面关键科学仪器。在近4~6年,研制“空气通用浮质样品取样器”,解决悬浮于空气中纳米粒子的取样;研制“悬浮水面的纳米材料监测器”,实现对环境中水体的监测;在未来10年内,研发“表征潜在损伤的痛觉传感器”,突破纳米材料对生命体造成潜在影响的表征手段。

建立评价与验证纳米材料毒性的方法。

此问题涉及在诸多研究方面建立评估与验证纳米材料毒性的方法。其中最初2年内,建立生命体外筛选测试纳米材料对人与环境造成潜在毒性的国际协议,需要通过高通量毒理标准测试实现。为了在政府、产业以及学术实验室间对纳米材料潜在风险评价方法进行类比与优化,必须在全球范围内采用通用的标准纳米粒子样品。

关于不同长径比的纤维型纳米颗粒生命体内(主要指对人体肺部)是否存在潜在毒性,主要依据测试其在吸入时是否存在(如石棉或其他材料导致人体肺部等)促发恶性病变的毒性,此项研究将在未来5年内实现。另外,考虑到经济、道德等因素,未来15年内,尽量减轻从动物试验获取关于纳米材料体内毒性实验数据,利用新型技术(包含纳米技术)模拟、预见纳米材料在生命体内的毒性行为。

构建预测纳米材料潜在影响的理论模型。

为系统地评价成分复杂、多功能的纳米材料的安全,预测纳米材料、设备及产品的潜在影响,必须建立有效的表征纳米材料在环境中释放、运输、转化、累集、吸收过程的数据模型。此模型能够正确揭示生命体内纳米材料的剂量、运输、清除、累集、转化与反应行为,并必须充分与标准纳米材料物理、化学特性的粒度、表面区域、表面化学性质、可溶性和可能形状等因素密切相关联。此外,数据模型能够实现对新型纳米材料的安全设计,发挥纳米材料的潜能,提供抑制纳米材料风险的有效途径,并能促成建立对纳米材料安全处置的机制。

评价超生命周期的纳米材料造成潜在影响的方法。

对于未来纳米材料的发展而言,要具有在超生命周期内掌控其风险与利益的意识。未来的5年内,建立一种有效地综合评价纳米物质在整个超生命周期内(制备——应用——消亡)“优”或“劣”的方法体系,保持科学与政策的延续性,进而促进此新方法论的诞生与应用。

制定纳米技术风险集中研究的可行性战略计划。

通过对纳米技术风险研究重点进行系统分析,作为纳米科技数据用户的决策者、相关行业以及消费者,将对新型纳米技术的开发与应用、潜在风险的不确定性研究作出最佳的科学决策,发展安全的、以产业为主导的纳米技术,加强潜在风险研究的协作、沟通与协调,制定客观的、可行性的纳米技术潜在风险战略研究计划,并实施相关的战略研究项目。

建议

实施纳米技术安全标准战略。

随着纳米技术产品应用领域的逐步拓宽,纳米技术产品标准的研究与制定势在必行。相对统一的纳米技术安全标准的制定与实施,将为相关纳米材料、纳米技术产品、纳米技术装备的研发、产业化生产及销售提供科学的保障;同时为纳米材料、纳米技术产品、纳米技术装备潜在风险的监测以及制定切实可行的规避风险机制提供科学依据。

建立纳米技术风险评价机制。

随着世界各国对纳米技术与纳米材料潜在风险的日益高度关注,其相关评价机制的研究已相继逐步展开。美国国家纳米技术协调办公室(NNCO)已初步创建知识平台和制度机制来评估纳米技术的短期、中期、长期的潜在影响,并建立公众能广泛参与的获得纳米知识和纳米对未来影响的机制。我国应加强纳米技术与纳米材料在其科学研究、技术开发、社会影响、生命周期的潜在影响分析,建立纳米技术风险快速反应、评价机制,为其潜在风险评价提供保障。

构建纳米安全系统研究平台体系。

纳米生物效应与安全性研究自2003年4月至今仅仅4年多的时间内,美国、欧盟、日本等发达国家就已经初步建立了关于纳米生物效应与安全研究的计划体系,并在人体健康、生物医学、细胞生物学、国家安全等方面进行了重点的研究与部署,其相关的研究正在逐步深入的展开。我国应加强对其有效的宏观指导,依托有基础、有能力的科研机构,建立国家层面的研究机构与监测中心,形成国家级的纳米安全研究平台体系,为我国的纳米安全研究提供支撑。

增进国际交流与合作。

纳米生物效应与安全性研究隶属于交叉融合的多学科领域,需要不同领域的科研人员共同参与;同时纳米安全性的研究也是21世纪世界科学界共同面临的重大挑战,应充分利用国际科研资源,联合国际先进的国家与科研机构,积极参与国际关于纳米安全研究的大科学计划,不断汲取国际的先进成果,推进并加速我国纳米生物效应与安全性的研究进程。

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