НАНОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЭКОЛОГИЯ. ТОКСИКОЛОГИЯ

Инженерно-экологический факультет
363
УДК 504.5-022.532
А.В. ВОТИНОВ, студент 3 курса, гр.417/1
Научный руководитель:
А.В. МАНАНКОВ, докт. геол.-мин. наук, профессор
НАНОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЭКОЛОГИЯ.
ТОКСИКОЛОГИЯ
За последние десять лет внимание в научном мире приковано к исследованию наночастиц и развитию нанотехнологий, то есть технологий направленного получения веществ и материалов в диапазоне размеров до 100 нанометров и уникальными свойствами. Использование нанотехнологий и наноматериалов бесспорно является одним из самых перспективных направлений
науки и техники в ХХI в. – веке нанотехнологий. Но вместе с этим, изучение
вопросов экологии и потенциальных рисков использования наноматериалов
представляется первостепенной задачей.
Несмотря на то, что наноматериалы в мире уже используются более
10 лет, ни один вид наноматериалов не был изучен в полном объеме на безопасность ни в одной из стран мира. В настоящее время в мире зарегистрировано и выпускается промышленностью более 1800 наименований наноматериалов. Все наноматериалы, так же как и наночастицы обладают комплексом
физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто
отличаются от свойств этого же вещества в сплошных фазах или макроскопических дисперсиях и могут оказывать крайне негативное воздействие.
Вещества наноразмерного уровня могут попасть в окружающую среду
разными путями – при производстве, хранении, при обработке и перевозке,
использовании, утилизации. Таким образом, помимо положительных и выгодных составляющих нанотехнологий, человек должен задуматься об увеличивающемся количестве поступающих в окружающую среду вредных наночастиц. Механизм поступления, распределения и выведения многообразны для
разных наночастиц и требуют внимания к их изучению и биологическому
воздействию на органы человека (рис. 1).
Наночастицы, обладая более высокой токсичностью по сравнению
с обычными микрочастицами, способны проникать в неизмененном виде через клеточные барьеры, а также через барьер из клеток головного мозга в центральную нервную систему, циркулировать и накапливаться в органах и тканях, вызывая более выраженные патоморфологические поражения внутренних органов, а также имеют длительный период полувыведения. Yamamoto et
al. (2004) в своих исследованиях указывают на то, что токсичность наночастиц определяется не только их размером, но и формой. Наночастицы дендритной и веретенообразной формы обладают более высокой цитотоксичностью нежели частицы сферической формы. Основными органами-мишенями
для наночастиц являются легкие, печень, почки, головной мозг, желудочнокишечный тракт. Прослеживается зависимость органов-мишеней от пути поступления. При воздействии наночастиц на организм человека возможно развитие оксидативного стресса, ингаляционной/трансдермальной ассимиляции,
364
Материалы 56-й научно-технической конференции
астмы, хронических обструктивных болезней легких, злокачественных новообразований, нейродегенеративных заболеваний, нарушений со стороны сердечнососудистой системы и сердечной деятельности, нарушение генома клетки (репликации ДНК).
Рис. 1. Механизм поступления, распределения и выведения наноматериалов в организме
человека1
Ответственность за исследование риска, связанного с воздействием наноматериалов на человека было возложено на новую дисциплину – нанотоксикологию. Самыми важными на сегодня вопросами, которые должна решать
нанотоксикология, следует считать изучение фундаментальных закономерностей проявления биологических и токсических эффектов наночастиц в зависимости от их всевозможных свойств и воздействий.
Многие ученые высказывают опасения по поводу безопасности использования наночастиц. На данный момент можно рассмотреть только уже доказанные воздействия наночастиц и оценить по той малой доли полученной информации об исследованиях токсикологического воздействия наночастиц
и наноматериалов весь возможный спектр их негативного влияниях на живые
организмы, особенно учитывая возрастающее количество внедряемых в обиход человека новых наноматериалов. Ниже приведены примеры доподлинно
доказанных исследованиями негативных воздействий распространенных
в окружающей нас среде наночастиц:
– полупроводниковые нанокристаллы, содержащие CdSe/ZnS, являются
ультратонкими наночастицами, способными проникать при ингаляционном
пути поступления через обонятельный тракт в головной мозг и центральную
нервную систему;
1
Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов от 31 октября 2007 г. № 79.
Инженерно-экологический факультет
365
– большинство животных, получавших наночастицы меди, проявляют
симптомы поражения желудочно-кишечного тракта – снижение аппетита,
диарею, рвоту. У животных, получавших наночастицы меди, наблюдали вялость, дрожь, судороги;
– наночастицы ТiО2, могут стимулировать выработку свободных радикалов и обладают сильным окислительным эффектом. По данным ряда исследователей, ингаляционное поступление приводит к повышению числа клеток
крови отвечающих за воспаление в бронхоальвеолярных смывах и распределению наночастиц в легких;
– наночастицы оксида цинка (71 нм) в лабораторных исследованиях на
культурах клеток рака лёгких человека продемонстрировали снижение жизнеспособности клеток и наличие дозозависимого эффекта, а при проведении
электрофореза одиночных клеток в геле была установлена способность наночастиц оксида цинка вызывать повреждение ДНК;
– изучения наночастиц алюминия (10 нм) установили способность изучаемых наночастиц подавлять синтез м-РНК, вызывать пролиферацию эндотелиальных клеток, выступать в качестве индуктора проатерогенного воспаления и молекулярного модулятора на уровне РНК к ДНК и приводить к болезни Альцгеймера;
– в процессе образования фуллеренов из графита образуются также
структуры, составленные, как и в случае графита, из шестичленных колец углерода. Среди них выделяются наночастицы и нанотрубки. Нанотрубки обладающие высокой биоустойчивостью вызывают воспаление и фиброзные изменения в легочной ткани.
Учитывая вышеизложенные и многие другие факты воздействия наночастиц, актуальность проблемы токсичности наноматериалов и наночастиц
нельзя не принимать во внимание, особенно в век их быстрого развития. Токсичность наночастиц при различных путях поступления в организм, оценка
степени потенциального вреда здоровью населения и персонала, разработка
физико-химических методов анализа наночастиц – представляются важной
сферой научных исследований, нуждающейся в серьёзном финансировании.
Исследования нанотоксикологии и мероприятий по созданию системы безопасности при работе с наноматериалами у нас в стране (по примеру развитых
стран) не должны отставать от широкого внедрения нанотехнологий в производство, а первоочередной задачей должна стать разработка базы стандартов
безопасности наноматериалов и нанопроизводств.