颗粒可以钻进大脑?纳米安全急待评估

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颗粒可以钻进大脑纳米安全急待评估

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2004-08-01

　　纳米科技被学者称为21世纪经济发展的发动机。有关纳米材料和纳米技术的研究已成为当今科学的前沿热点。2003年，全世界投入用于纳米技术研究和开发的资金超过30亿美元。与此同时，纳米物质也表现出它似乎具有与常规物质完全不同的毒性。我国目前有29种纳米材料在进行工业化生产，还有数种纳米材料可在实验室大规模合成，纳米材料对环境及人民健康的影响已是一个现实问题。纳米技术对人类健康和自然环境的潜在危害成了新的谈论对象。
　　■颗粒可以钻进人的大脑纳米技术安全吗？
　　2003年，美国参众两院起草一系列议案，要求评估纳米技术的实际意义；民间组织NanoBusiness Alliance成立了调查纳米技术对环境影响的协会；英国的绿色和平组织、英国基因观察组织和ETC组织在2003年布鲁塞尔讨论会上，认为“纳米级颗粒是如此微小，它能够穿透皮肤，进入肺部，在人体内自由漫游而不会受到免疫系统的干扰。”
　　事实上，与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在。若非湿法等生产方式，纳米颗粒会在生产过程中飞散在空气中，人长期吸入这些含有粉尘的空气，就会有得矽肺的潜在可能性。同时，纳米技术在医学、药物中存在未知风险。
　　■如果卫生巾中的纳米钻进皮肤……
　　纳米技术在日常生活用品中的潜在风险。添加纳米材料的化妆品、聚酯类啤酒瓶等产品，直接与人体接触，纳米颗粒作用于人体，其长期使用存在的问题是未知的，有待深入的研究。拿防晒霜为例，2003年一项研究表明很多产品中使用的二氧化钛纳米微粒可以进入皮肤甚至细胞，并在细胞内产生自由基，破坏原有的基因，其长期使用的安全性是值得我们进行评估的。又如加入纳米颗粒的妇女卫生巾，具有极强的抗杀细菌作用。但是，这些与人体接触的材料有多少纳米颗粒会脱落，而这些脱落的纳米颗粒的粒径是多少，有多少会进入人体，并且多大的粒径是相对安全的，进入人体的纳米颗粒是如何代谢的，它对人体会产生什么样的作用，所有这一切的答案都需要进行深入的研究来解答。
　　■“特氟龙”也跟纳米有关
　　几组科学家在2003年3月美国化学会举行的年会上报告了纳米颗粒对生物可能存在的作用。其中，纽约罗切斯特大学（Rochester University）医学和牙科学院的毒物学家Oberdorster发现，大多数在含有直径为20纳米的“特氟龙”塑料（聚四氟乙烯）颗粒的空气中生活了15分钟的实验鼠会在随后4小时内死亡；而暴露在含直径120纳米颗粒（相当于细菌的大小）的空气中的对照组则安然无恙，并没有致病效应。在另一项研究中，该研究小组发现用碳13和锰制作的纳米颗粒能够进入大鼠的嗅球，并迁移到大脑。丁堡大学呼吸毒理学教授肯.唐纳德森（Ken Donaldson）的老鼠试验证实，从鼻孔进入的纳米颗粒可以迁移到大脑部位，并能够从肺部进入血液循环。
　　■建立安全性评估体系
　　尽管ETC组织的报告有些过激和离谱，但是因为纳米材料甚小，它们有可能能够进入人体中那些大颗粒材料所不能抵达的区域，如健康细胞。纳米科学只有十几年的历史，人们对其的认识还不完全，过去宏观物质的安全性评价结果有可能不适用纳米材料。目前，我国还没有纳米材料生产的许可证制度和纳米实验室安全问题的规定，纳米毒理方面的研究就显得十分紧迫，开展纳米毒理研究有重大科学意义和社会效益。
　　我国应该如何面对纳米技术的安全性问题？我认为，应该建立相应的研究基金、建立相应的法规、制定相应的技术标准、开展纳米材料的防护研究、应用纳米毒理学的研究成果。

(作者：国家纳米科学中心任红轩) [新华]

相关链接
《呼吁应高度重视纳米技术的安全性评估问题》

　　上世纪90年代，纳米产品进入世人生活。美国学者认为，纳米科技会成为21世纪经济发展的发动机。德国科技部则预期，到2010年纳米技术的市场会达到1.4万亿美元的潜在市场。2003年，全世界投入用于纳米技术研究和开发的资金超过30亿美元。
　　由于纳米结构所具有的特殊物理、化学性质，有关纳米材料和纳米技术的研究已成为当今科学的前沿热点。纳米技术一旦渗入生物学领域将迅速改变农业和医学的面貌，人类生活方式也将在纳米技术与信息技术、认知科学和生物技术的结合中迅速出现革命性的变革，同时，种种迹象已经表明纳米物质具有与常规物质完全不同的毒性，在人类健康、社会伦理、生态环境、可持续发展等方面将会引发诸多问题，纳米技术必将会取代基因技术成为最受争议的应用技术，影响遍及农业发展、计算机、医疗、制药、国防、服装等很多方面。我国目前有29种纳米材料在进行工业化生产，还有数种纳米材料可在实验室大规模合成，纳米材料对环境及人民健康的影响已是一个现实问题。
　　近一段时期以来，一些国家政府或科学管理部门对纳米技术的安全问题表示关注，纳米技术对人类健康和自然环境的潜在危害成了新的谈论对象和研究课题，英美两国都对此做出反应，开展相应的研究。
　　■ 国外对纳米技术安全性的看法
　　1、美国政府要求评估纳米技术的实际意义。作为大量资金投入的一个新兴领域，美国参众两院在2003年起草一系列议案，要求政府提供资金就民用纳米技术对社会、经济以及环境造成的影响展开研究，即要求政府对纳米技术的实际意义进行评估，并在为纳米技术研究投资之前加以审核。众议院的议案要求政府对于“安全纳米技术的发展”做出报告，其中包括有关自我复制机器人、人工智能以及“人类大脑补充剂”的研究。这一议案在2003年6月得到了参议院商业委员会的通过，进而将批准1年拨款500万美元，用于一个专门的美国纳米技术预备中心对与纳米技术相关联的伦理问题展开调查。参议院的全体议员希望通过这项法案能够化解对纳米技术持不同意见的双方分歧。美国国家自然科学基金会已拨出200万美元资助社会学家对纳米技术的社会后果进行研究；美国环保署也得到了专项经费，用以研究纳米材料对环境的影响。
　　2、美国非政府组织做出响应。美国NanoBusiness Alliance成立了调查纳米技术对环境影响的“Health and Environmental Issues Task Force”协会。其目的是消除政府及消费者担心纳米技术会对环境产生不良影响的担心。该联盟执行董事Mark Modzelewski表示，“我们的目的是掌握宣传拥有科学根据信息的手段，以及向业界提供交换信息和讨论问题的场所”。新成立的协会将首先开展环境问题调查，并会将调查结果公布，之后将计划制订有关制造和废弃纳米材料的行业标准等。
　　3、英国的非营利组织积极关注。2003年，绿色和平组织、英国基因观察组织和ETC组织在布鲁塞尔召开讨论会，旨在唤醒公众重视纳米技术的潜在危害。该组织认为“纳米级颗粒是如此微小，它能够穿透皮肤，进入肺部，在人体内自由漫游而不会受到免疫系统的干扰。”人们应当将纳米技术对社会、民主、文化和环境的影响都加入到考虑的范畴内。
　　4、英国政府考察探索纳米技术的优点与风险。环境团体的影响力已经开始促使英国政府留意纳米技术的潜在威胁，已经开始着手探索纳米技术的希望与风险。据英国媒体报道，由于ETC集团发布的信息，就连查尔斯王子也开始对纳米技术感到担心。2003年6月份英国政府已经指示英国的科学技术机构——皇家学会和皇家工程院对纳米技术的伦理以及社会意义进行审查。目前，英国政府正在加紧考察纳米技术的优点和潜在的危险，目标在于“确定我们在哪里需要这些技术，我们想从中得到些什么，以及我们需要何种保护”。
　　5、加拿大环保组织ETC召开关注纳米技术安全性的会议。2003年6月，ETC在布鲁塞尔发起一次关注纳米技术安全问题的会议，与会者包括各国环保人士和政客，但没有邀请任何纳米科学家前往发言。ETC声称，纳米技术和生物技术结合而成的纳米机器人可能会失控，或胡乱大量制造某种物质——比如土豆泥，或自我复制，成为“绿色粘质”，对自然环境和人类健康形成威胁。因此，ETC呼吁全世界暂停纳米研究。
　　6、绿色和平组织密切关注，并推出相关报告。目前，影响最大的呼声当属绿色和平组织委托英国帝国理工学院所作的报告《未来的技术，今天的选择》，该报告长达72页，发表在著名科学杂志《新科学家》2003年8月号上。报告归纳了近期一些科学家和环保主义者、伦理学家、社会学家对纳米技术可能危害的分析，指出纳米粒子及纳米产品可能包含科学家还未充分了解的全新污染物，由于不可生物降解或错误使用可能造成灾难。该报告强调，目前对纳米技术的社会和环境后果研究严重滞后，因而呼吁政府和纳米产业界对该技术带来的环境、医学和伦理挑战给予足够重视，投入更多的研究经费。报告警告说，尽管一些组织要求全面禁止纳米技术的研究并不现实，但如果纳米产业界不严肃对待公众关注的负面问题，他们最终将自我导致全面被禁的命运。
　　■ 纳米技术存在的安全性评估问题
　　1、与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在。大气可吸入颗粒物污染已成为大气环境污染的突出问题，并日益引起各国高度重视。从在五、六十年代伦敦和洛杉矶烟雾事件中，人们逐渐认识到气溶胶污染与死亡率、发病率的统计关系及颗粒的特性和致毒机理。上世纪90年代后期，研究已侧重于PM2.5（≤2.5μm）甚至超细颗粒（纳米）对环境的危害。除大气环境污染外，局部的工作环境内也存在纳米颗粒污染，如由于吸收了电焊过程中产生的含金属纳米颗粒的废气，电焊工人患帕金森症的几率大大高于普通人。由吸入长时间吸入粉尘而造成的矽肺早已存在，是矿工、石工、磨石粉工和开遂道工等的一种职业病。矽肺的发生与吸入的粉末颗粒的大小、空气中粉末的浓度，以及人接触含粉末的空气的时间长短有关。一般在与中等浓度的粉末长期接触１０年以后发病。在纳米粉体的生产和制造过程中，同样存在这样的问题。若非湿法等生产方式，纳米颗粒会在生产过程中飞散在空气中，人长期吸入这些含有粉尘的空气，就会有得矽肺的潜在可能性。
　　2、纳米技术在医学中存在未知风险。科学家正努力将纳米技术运用到仿生学，设想研制出仅由数千个原子组成、微小得几乎看不见的纳米机器人，它们可以非常灵活地在细胞之间工作，能捡起和移动肉眼看不见的颗粒。科学家希望纳米机器人能在血液、尿液和细胞介质中工作，不仅可以捕捉和移动单个细胞，而且能够移动和重新安排人体细胞中的原子排列顺序，使其按照新的指令发挥功能。纳米技术甚至可能仿照生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，比如让它们在血管中负责清除血管壁上沉积物，进入组织间隙清除癌细胞等。但是，由此是否会引发相应的负反应至今尚没有任何机构开展研究，存在诸多未知的风险。
　　3、纳米技术在药物中存在未知风险。近年来，出现了药物纳米化的趋势，当药物到达纳米级的时候，性质会发生什么样的变化，这是未知的。只是有报道说药效提高了多少，吸收率有多好，但是大多没有针对纳米材料的特性深入开展安全性方面的研究，并提到可能的毒性有多少。药物的吸收率高只是尺寸效应，不是药物的纳米颗粒，恐怕也会有很好的吸收率，因为细胞膜可能对纳米颗粒不构成障碍。另外，某些药物纳米化技术也可能存在潜在问题，如植物类药物采用激光法粉碎，会把化学键打断，然后生成自由基，下一步自由基重新组合，又生成其它的物质，这种新生成的物质是原本在药物中不存在的，也许会是有毒的，需要我们通过大量的实验，考察该方法是否会产生有毒的物质，是否对人体有潜在的危害性。但是这种方法对矿物性药物的制备也许不存在这样的问题。
　　4、纳米技术在日常生活用品中的潜在风险。添加纳米材料的化妆品、聚酯类啤酒瓶等产品，直接与人体接触，纳米颗粒作用于人体，其长期使用存在的问题是未知的，有待深入的研究。拿防晒霜为例，2003年一项研究表明很多产品中使用的二氧化钛纳米微粒可以进入皮肤甚至细胞，并在细胞内产生自由基，破坏原有的基因，其长期使用的安全性是值得我们进行评估的。又如加入纳米颗粒的妇女卫生巾，具有极强的抗杀细菌作用。但是，这些与人体接触的材料有多少纳米颗粒会脱落，而这些脱落的纳米颗粒的粒径是多少，有多少会进入人体，并且多大的粒径是相对安全的，进入人体的纳米颗粒是如何代谢的，它对人体会产生什么样的作用，所有这一切的答案都需要进行深入的研究来解答。
　　对于这样的问题解答，已经有人先行一步，几组科学家在2003年3月美国化学会举行的年会上报告了纳米颗粒对生物可能存在的作用。其中，纽约罗切斯特大学（Rochester University）医学和牙科学院的毒物学家Oberdorster发现，大多数在含有直径为20纳米的“特氟龙”塑料（聚四氟乙烯）颗粒的空气中生活了15分钟的实验鼠会在随后4小时内死亡；而暴露在含直径120纳米颗粒（相当于细菌的大小）的空气中的对照组则安然无恙，并没有致病效应。在另一项研究中，该研究小组发现用碳13和锰制作的纳米颗粒能够进入大鼠的嗅球，并迁移到大脑。丁堡大学呼吸毒理学教授肯?唐纳德森（Ken Donaldson）的老鼠试验证实，从鼻孔进入的纳米颗粒可以迁移到大脑部位，并能够从肺部进入血液循环。
　　位于休斯顿的美国宇航局太空中心的Lam研究组将老鼠分别与下述4种物质接触；单壁碳纳米管与用于制造纳米管的金属催化剂微小粒子的混合物，除去了金属后的单壁碳纳米管，碳黑和所有形状像非晶态微小粒子的碳物质，以及纳米石英粒子。发现都明显地显示出毒性。
　　他们用含有适中浓度的这种纳米物质的溶液喷到老鼠的腿部，让它们呆上7到90天，看其结果。生理组织学检测表明，所有粒子都进到老鼠的肺泡中，肺中的细小空气液囊和存留在那里的绝大多数粒子甚至于在90天之后也相互作用。碳黑粒子则诱发小的炎病。但就是在低浓度下，含有或不含金属的碳纳米管诱发肉牙肿。Lam说，这是一种围绕着纳米粒子的坏死的和活的细胞组织联合体，表示有明显的毒性。杜邦公司的Warheit研究小组也发现了类似的结果，但是他研究组发现炎症在3个月之后减轻了。
　　由此可见，不同直径的纳米颗粒和不同种类的纳米材料对生物的作用是不同的，我们需要通过大量的研究来确定不同尺度下的纳米颗粒对生物和环境有什么作用。
　　■ 如何建立安全性评估体系建立纳米技术的安全性评估，要分为两个层次去考虑，一个层次是考察不同纳米材料对生物体的作用，另一个层次是考察不同纳米材料对环境的影响。研究比较充分的纳米材料，集中于亚细胞—分子水平的研究，从纳米物质的输运、分布、与生物靶器官、细胞、细胞器直至生物分子的结合及对其生物功能的影响来研究其毒理，确定其作用的机制，对生物体和环境作用的考察主要应该包括如下内容：一是考察不同类型的纳米材料在表层细胞的代谢情况，建立纳米材料在表层细胞的代谢过程的模型；二是不同类型的纳米材料在深层细胞组织内的代谢情况，并建立相应的模型；三是不同类型纳米材料在免疫系统内的代谢过程，如巨嗜细胞、白血球等的代谢过程，建立相应的模型；四是不同类型的纳米材料在脏器内的代谢过程，如人体的重要器官肝、心、肺、肾等，建立相应的模型；五是不同类型的纳米材料的靶向模型，不同粒径、不同材料的靶向作用，是主动靶向还是被动靶向，为疾病的治疗提供相应的依据；六是不同类型的纳米材料在细胞内对细胞器的作用模型，重点考察纳米材料是否会影响DNA、RNA等遗传物质的表达，蛋白质等物质的合成过程等；七是考察不同类型的纳米材料是否可以突破血脑屏障的，是否可以进入脊髓，寻求可以利用的纳米医疗技术，用于疑难病症的治疗。八是分别对不同维度和不同类型的纳米材料进行考察，重点是0维和1维材料；九是考察不同物质状态和不同类型的纳米材料，除固体之外，还要考察气溶胶和液体等，十是不仅要考察生物，而且要考察不同类型的纳米材料对环境的作用，纳米材料在自然界中是否可以自然降解，自然降解的周期是多少，如果不能降解，我们应该如何处理，通过这些考察建立相应的实验模型和积累相关的数据，为纳米材料的废弃标准提供依据。
　　■ 我国应该如何面对纳米技术的安全性问题
　　尽管ETC组织的报告有些过激和离谱，不乏夸大其词，耸人听闻的内容。但是纳米材料已经开始应用于大众生活的许多方面，显示出巨大的发展潜力，由于纳米结构具有的特殊效应，纳米技术的安全性评估却是不得不引起我们重视和面对的问题。随着纳米材料和技术的广泛应用，使人们今后将有许多机会接触纳米材料，纳米材料的超微性提醒我们关注纳米材料对人体的潜在影响。因为纳米材料甚小，它们有可能能够进入人体中那些大颗粒材料所不能抵达的区域，如健康细胞。并且由于纳米科学只有十几年的历史，人们对其的认识还不完全，尤其纳米材料由于颗粒尺寸达到纳米量级会出现传统材料所不具备的特性如：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、介电限域效应。因此过去宏观物质的安全性评价结果有可能不适用纳米材料。并且我国至今没有纳米材料生产的许可证制度和纳米实验室安全问题的规定，纳米毒理方面的研究就显得十分紧迫，开展纳米毒理研究有重大科学意义和社会效益。现在的检测机构由于没有标准对纳米产品的检测而采用常规的方法，这是不科学的。纳米颗粒是极细小的，能够穿透人体表面的细胞，进入人体组织。因此目前所做的实验很不充分，不足以说明该产品的生物安全性。特别是纳米生物产品，直接应用在人体疾病检测和治疗方面的终端产品，一定要制定相关的生物安全性标准。同样，问题还在于研究人员并不知道如何将纳米材料从人体中清除，也不知道它们会在人体中降解还是沉积。纳米材料对环境的影响有多大，能够降解还是以别的方式长期存在。另外，怎样采取合理的措施确保科学的安全性也值得深思。
　　纳米技术的生物安全性评估是一个全球性的问题，相关的研究不是单一的某个学科可以完成的，应该是多学科交叉，需要几个学科来共同完成。首先，纳米技术涉及很多学科，如电子、生物、物理、化学等等，所以对纳米技术生物安全性的评估研究，需要临床医学、基础医学、毒理学、物理学、分子生物学、化学和环境科学等多学科的融合，应该是多个学科互相协作来完成，并充分利用各种先进的分析技术，包括依托大科学设施开展多学科的综合研究；其次，主要应该有两个学科来主导这项研究，一是生物方面，二是环境方面。这就涉及纳米技术的生物安全性和对环境的作用问题。目前还不能确定纳米产品会从根本上危害人体健康。但是纳米技术就像其他新技术一样，有可能带来安全、伦理、社会诸多问题，对此也不必恐慌，因为纳米技术现在还处于实验室探索阶段，只要我们加强这方面研究，一旦有问题也容易加以控制。总体上说，建议采取以下几条措施应对纳米技术安全性问题：
　　1、建立相应的研究基金。由国家设立专项研究资金，建议由科技部和自然科学基金委联合牵头，组织有关部门，尤其是国家纳米科学中心等公共研究机构进行纳米技术对生物的安全性和对环境的影响研究，建立纳米技术安全性和环境影响的评价体系；
　　2、建立相应的法规。对涉及纳米技术安全性的问题进行立法，建立纳米技术在环保以及劳动保护方面的专门法规，这是由于纳米材料具有一些不寻常的特性，目前有关的法规都不适用于纳米材料。所以我国应考虑制定一些关于纳米技术的、有针对性的法规。通过法律的手段来对相应的行为进行约束，因为只有国家才具有强制力，才可以对纳米技术带来的负面效应进行立法和规范；
　　3、制定相应的技术标准。将纳米技术的安全性和环境影响列入到的有关制造和废弃纳米材料的行业标准中，对使用和废弃纳米材料进行约束，这一点是非常重要的，甚至可以作为将来纳米技术国际竞争的绿色壁垒，具有重要的国家战略意义；
　　4、开展纳米材料的防护研究。对纳米材料造成的潜在危害，我们应该开展怎样防护的研究。如纳米材料可能造成的职业病研究，以及怎样为劳动者提供相应的保障。纳米材料对水和空气造成什么样的污染，以及我们应当如何治理来起到对人类的生态环境保护的作用等。
　　5、应用纳米毒理学的研究成果。进一步拓展纳米毒理学研究的思路，应用某些“毒理”，以产生有益的生物医学效益，例如对病变细胞的控制和病变组织的修复。还可以考虑研究如何利用纳米物质的生物效应来进行某些病变的早期诊断，以及有巨大发展潜力的在农业上的应用。同时建立科学的纳米材料的检测方法。
　　所有这些研究结果的公开，才能保持平衡并取得人们的信任，任何的隐瞒，都会引来恐慌，造成对纳米技术发展不利的影响。如果因为担心负面影响而不敢发展纳米技术或做出过于严格的限制，那当然是愚蠢的；但是不考虑后果地盲目发展纳米技术，也是危险的。开展纳米技术的安全性研究，并不是要限制纳米技术的发展，而是要更科学的发展纳米技术。只有我们认真的对待纳米技术的正反两面，才能真正地推动我国科学技术的进步，促进我国纳米技术产业化的健康、有序的发展。在与发达国家经济和科技竞赛的道路上，抢占经济和科技制高点。因此，加强我国对纳米技术安全性问题的研究已是刻不容缓。[人民]