简介
 

科学家们不断在未知领域进行前沿科学研究，有些时候超出了我们的想象，很多时候要付出代价。

纳米为尺寸 1 到 100 纳米的微观物质，比人类的头发细一百万倍。近十多年来，纳米颗粒是科学研究的前沿领域。

因为纳米颗粒的尺寸小，纳米颗粒具有较大的表面积与体积之比。以上材料具有一系列与同类物质的较大结构不同的特性，通常是增强强度、化学反应性或导电性。可以通过多种方式利用上述特性，人造纳米颗粒可以在多个领域进行实际应用，包括医学、工程、催化、制造和环境修复等。

 

纳米毒理学
 

许多人普遍认为，与较大的颗粒相比，纳米颗粒可能具有更高的毒性风险，因为它具有更高的化学反应性和生物活性。由于尺寸小，纳米级颗粒可以通过吸入、摄入和皮肤渗透等方式进入体内，一旦进入体内，纳米颗粒能够穿过细胞膜，并可能与亚细胞成分相互作用。

贝勒大学环境科学系的副教授 Christie Sayes 博士表示：纳米毒性，或称纳米毒理学，是指与工程纳米材料暴露相关的潜在不利健康影响，她的研究深入探讨了纳米材料对活组织和整个动物系统的影响。

在过去十年对动物的研究表明，部分纳米颗粒可以渗透到细胞和组织中，它们可能会在体内迁移，到达心脏或大脑等重要器官，造成生化损伤，并可能导致疾病。

 

纳米颗粒的优势
 

我们每天都在和纳米颗粒打交道，纳米颗粒的应用范围从增强布料中的纤维到改善计算机硬盘的功耗，纳米技术在众多常用消费品的制造中也发挥着重要作用。

在电子和信息技术应用、医疗和保健应用、能量存储和分配以及环境污染物修复领域可以发挥其优势。

科学家和工程师们在纳米级材料的开发方面取得了巨大成功，与更大尺寸的同类材料相比，纳米材料的强度更高、重量更轻、电导率和生物活性更高。工程纳米颗粒有数百种用途：

• 在医学上可以用作生物标记和协助抗癌药物输送
• 改善药物在体内的吸收
• 分解空气和水中的挥发性有机污染物
• 加强防晒剂来减少紫外线照射
• 降低与燃料电池和半导体电极相关的成本
• 让运动器材更坚固，重量更轻
• 改善纺织品的性能
• 用比金属更轻、更坚固、更耐化学腐蚀的复合材料提高车辆燃油效率和耐腐蚀性
• 降低汽车轮胎的滚动阻力和重量，同时提高拉伸强度和性能

 

晶体管是实现所有现代计算的基本开关，通过纳米技术工艺，晶体管尺寸已经变得更小。这种材料可以用于太阳能电池板，更有效地将阳光转化为电能，从而有望在未来实现廉价的太阳能发电。

 

危险迫在眉睫？

一副光学超光谱图像，覆盖在增强暗场图像上，红色高亮部分为碳纳米管（凝聚），紫色高亮部分为肺组织，蓝色高亮部分为肺细胞核。

工程纳米颗粒比更大的分子能更加自由地运动，可能比更大的颗粒毒性强。人体对外来入侵物的天然防御通常是针对较大的粒子形成的。

 

细胞自杀

A confocal laser scanning micrograph of human gastro-intestinal cells in culture. Green highlight cell surface membrane, Blue highlights cell nuclei, and Red highlight mitochondria.

根据 Sayes 的说法，细胞层面发生毒性是极不寻常的。如果一个细胞了解到它正在经历大量的损害，它有这种控制机制，叫做细胞凋亡，简单地说就是细胞自杀。细胞可能认识到它正在经历一些有毒的事件，并可能选择在毒性可能扩散到周围其他细胞到器官、器官系统或整个身体之前消灭自己。这是动物和植物对污染的一种防御机制，因此，在细胞水平上发生的事情有时可能不会延伸到整个生物体水平。

“了解接触途径和可能暴露的物质浓度非常重要，这样可以对其影响进行表征，”她说道。

 

纳米材料的毒性




Gold nanoparticles that are less than 20 nm in diameter.
 

Sayes 说，毒理学家或环境健康专家所说的纳米毒理学或纳米毒性，大多数时候指的是发生在细胞层的不利健康影响，这是因为纳米材料非常微小，以至于纳米材料在暴露后可能在细胞层面发生第一次相互作用。

“它是无机合成工程纳米材料和有机细胞膜之间的界面，”她说道。“在界面上可能会发生一些化学或生化反应，这是纳米毒理学家可以观察、测量和表征的。”

纳米颗粒已经一次又一次地被证明能够穿透细胞膜，但由于体积小，也能经气道和肺部扩散至较大颗粒通常无法到达的区域。事实上，一些研究表明，纳米颗粒可以从肺部转移到循环系统。

但是，纳米材料可能造成的个体威胁尚未得到证实。

“在过去的 15 年里，有许多假设认为，工程纳米材料暴露可能会引起与其他类型物质不同的威胁，”她说道。“但文献并没有真正揭示纳米材料构成独特威胁。”并不是说纳米材料不构成值得重视的危险。“我们已经看到不同器官系统变得更加脆弱，” Sayes 说道。“例如，纳米颗粒被雾化吸入时，能够到达较大颗粒无法沉积或到达的肺部末端区域，但是，当你接触纳米材料时，其毒性程度或引起不良反应所需的剂量要比接触体积大小或微型颗粒低得多”。

引发反应的纳米颗粒阈值或浓度低于相同材料的浓度，因此，引发与较大颗粒所引发的相同反应需要较少的纳米颗粒。

“由于暴露于雾化纳米粉末，职业工人受到的有害影响更大，雾化纳米粉末在配制成磨液和加入产品前就已存在，” Sayes 说道。这其中包括在部分生产过程中使用纳米材料的生产设施工作人员。但是从长远来看，普通人暴露于难免会和其他材料混合的纳米颗粒，这样会使这些颗粒体积增大。随着纳米颗粒在产品研发管道中变得越来越成熟，其变化也越来越快。

“消费者在可能接触含有纳米颗粒的产品时，接触原始颗粒的可能性非常小，” Sayes 说道。“事实上，消费者会接触可能含有少量纳米颗粒的配方产品。”但这样的产品可能已经失去了纳米特性，或者纳米属性已经被削弱。

 

纳米颗粒的活动过程
 

纳米材料可通过多种途径进入生态系统。一种是用于增强衣物洗涤剂功效的纳米材料，经洗衣机的排水口，再通过废水处理设施进入生态系统。在农业领域，种植者可使用纳米肥料、杀虫剂或除草剂。它们还可以应用于农作物、动物和食品，来自农作物或动物本身的径流可以渗入土壤或水中。

“纳米颗粒或纳米材料不容易降解，” Sayes 说道。“由于稳定性很好，这正是纳米化学家和材料科学家如此热衷的部分原因。在环境中持久存在，这意味着可在土壤、水和空气中长期保持原样，当然，具体持续多长时间取决于大小、电荷和成分，但可以探测到颗粒，我们已在空气、水、土壤和人体组织中探测到颗粒。”

然而，就毒性而言，纳米材料与任何其他类型的材料颗粒或化学物质没有本质区别。

周围毒性
 

单个纳米材料具有各种各样的属性、特征或描述符，或多或少具有毒性。一是化学成分，化学成分是主要的预测因素之一，会有怎样的潜在不良健康后果取决于是否接触化学成分。因此，其毒性与纳米材料没有区别，具体取决于其在原子层面的构成情况，还包括既有的特定元素和结构，可针对毒性进行预判。

例如，含有镉或铅等重金属的纳米材料可能比含有碳、氧或硅等较惰性物质的纳米材料更具细胞毒性，或对活细胞更具毒性。

“我觉得大家应该关注毒性、毒性期限等问题，” Sayes 说道。“所以，正如我们应该关注化学品暴露、环境暴露或药物暴露一样，大家也应该担心工程纳米材料暴露。说到底，暴露危害与剂量或物质的浓度以及暴露物质有关。”

Sayes 认为大家应该担心毒性或一般毒性，无论是药物暴露、化学品暴露、环境因素暴露还是工程纳米材料暴露，工程纳米材料只是我们应当了解的冰山一角。

“我担心我所接触的混合物，”她说道。“我不太担心夏天涂抹在脸上的防晒霜中可能含有纳米材料，但可能会担心同时使用防晒霜和呼吸较差空气的双重暴露，或者是引用受污染的饮用水。真正研究不足的是多重暴露和多种材料的持续暴露和积累，这可能是最大的不确定性所在。”

并不是说科学没有进步。

她说：“毒理学界非常了解暴露于个别物质具有哪些毒性，但我们对同时暴露于多种纳米粒子或纳米材料以及其他类型污染物具有的毒性不太清楚。”

改变态度
 

如果纳米材料本身不会带来任何严重的健康问题，那为什么还要在大众媒体上大肆宣传呢？

“我认为科学界有很多不确定性，” Sayes 说道。“这种可能是过时的观点，因为在 5 年、10 年、15 年前这种观点是正确的。我们开始设计实验来回答这些有关危害的问题。也许公众对纳米危害的认识晚于科学家。这可能是因为相比于大众对这个话题的理解或受到教育的而言，科学可能有点深奥。也许需要更好地协同努力将我们在文献中发现的情况向公众传达。”

 

开创性研究
 

对纳米毒性的研究仍在继续。Sayes 在细胞层面上研究纳米材料和有机组织的相互作用。她使用的是 HORIBA XploRA™ Plus 共聚焦拉曼显微镜，并配有 CytoViva 增强暗场和高光谱成像系统。这是由 HORIBA Scientific 和 CytoViva 合作生产的高度专业化仪器。HORIBA 原子力显微镜-拉曼应用科学家 Maruda Shanmugasundaram 博士说，该设备结合了拉曼显微镜和光学高光谱成像技术。
 

HORIBA XploRA™ Plus Confocal Raman Microscope coupled with the CytoViva Enhanced Darkfield and Hyperspectral Imaging system
 

Shanmugasundaram 说：“这两种技术有各自的工作原理，彼此相似，可以提供互补信息。因此，采用这两种技术从同一样品区域获得的数据可以相互交叉关联。

作为整合的结果，该组合显微镜平台同时提供宽视场成像（反射、透射、明场、暗场、偏振光和外显荧光）和高光谱成像（拉曼、荧光、光致发光、透射和反射）模式。

Sayes 说，它的作用是让研究人员能够以无损方式研究组织和组织本身吸收的纳米材料。它不仅提供视觉和定性信息，还可以对可能发生的反应类型进行量化。在某些情况下，会有强烈的生化反应，在其他情况下，不会有反应。

“对我们来说，理解这种相互作用的性质很重要，这样可以进一步了解可能会诱发什么类型的毒性，”她说道，“可能具有更强的细胞毒性。”

她的研究目标是开发新计量法（测量技术），以便能够在同一平台上以不破坏样品的方式同时获得关于无机纳米材料（在此情形下为碳纳米管）和生物系统（在此情形下为小鼠肺组织）的信息。

Sayes 说她的研究展示了未来研究的模式。她表示：“我与 HORIBA 的合作是学术界研究人员与工业界研究人员合作的范例，不仅为毒理学研究制备样品，而且使用这款专门设计的独特仪器获取毒理学组织样品的定性和定量信息。” “拉曼显微镜可以与高光谱成像相结合，同时提供碳纳米管和肺组织的可测量信息。”

这是一个很适合机构间进行合作的研究课题。

“学术界可以与工业界、政府、研究人员和监管机构在纳米毒理学领域开展合作，以高度配合、跨学科方式进行实验设计、开展研究和解释实验结果，” Sayes 说道。“有关本研究，我们向多个利益相关方征求了看法，得到的结论是本项研究具有经济效益、富有趣味且值得开展。”

尽管纳米毒性研究仍在继续，但毒性可能更多地与材料成分有关而非尺寸。

“纳米材料就像任何其他物质一样，可能引起多种不同疾病或状况，” Sayes 说道。“只是这些（疾病或状况）不是只有纳米材料才会引起。其他材料也能诱发同样的问题。但事实上纳米材料如此微小，它们可能具备不同的化学性质，但并不能改变诱导毒性的类型，但确实会影响毒性强度。”