ТОКСИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

Дукач Наталия Александровна
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина
Ю.А.
ВОЗДЕЙСТВИЕ НАНОЧАСТИЦ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ:
ТОКСИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Научный руководитель: Слаповская Юлия Петровна, к.т.н., доцент кафедры ЭПУ
Nanomaterials represent a fundamentally new factor affecting the organism and its habitat. The
article discusses the reasons for the toxicity of nanoparticles, and developed methods for assessing
the risk of possible adverse effects of nanomaterials on living organisms.
Современная тенденция к миниатюризации показала, что вещество может
иметь совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого
вещества. Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов
имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие
материалы показывают удивительные оптические свойства, например,
сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства
солнечных батарей.
К материалам, разработанным на основе наночастиц с уникальными
характеристиками, относятся [1]:

Углеродные нанотрубки — протяжённые цилиндрические структуры
диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до
нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в
трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно
заканчивающиеся полусферической головкой.

Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу
аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и
представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из
чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

Графен — монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в
Манчестерском университете. Носители зарядов в графене обладают высокой
подвижностью при комнатной температуре, благодаря чему графен оказывается
перспективным материалом, заменяющим кремний в интегральных
микросхемах.

Нанокристаллы.

Аэрогель.

Аэрографит.

Наноаккумуляторы — в начале 2005 года компания Altair
Nanotechnologies
(США)
объявила
о
создании
инновационного
нанотехнологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов.
Аккумуляторы с Li4Ti5O12 электродами имеют время зарядки 10-15 минут.

Самоочищающиеся поверхности на основе эффекта лотоса.
Сегодня можно выделить ряд важнейших направлений применения
нанотехнолоний:

Молекулярный дизайн – препарирование имеющихся молекул и синтез
новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

Материаловедение – создание “бездефектных” высокопрочных
материалов, материалов с высокой проводимостью.

Приборостроение – создание сканирующих туннельных микроскопов,
атомно-силовых
микроскопов,
магнитных
силовых
микроскопов,
многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных
сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

Электроника – конструирование нанометровой элементной базы,
нанопроводов, транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

Оптика – создание нанолазеров.

Гетерогенный катализ – разработка катализаторов с наноструктурами для
классов реакций селективного катализа.

Медицина – проектирование наноинструментария для уничтожения
вирусов, локального “ремонта” органов, высокоточной доставки доз лекарств в
определенные места живого организма.

Трибология – определение связи наноструктуры материалов и сил трения.

Управляемые
ядерные
реакции
–
наноускорители
частиц,
нестатистические ядерные реакции.

Нанотехнологии в искусстве – возникновение нового направления
«наноарт» — вида искусства, связанного с созданием художником скульптур
(композиций) микро- и нано-размеров под действием химических или
физических процессов обработки материалов.

Наноматериалы в промышленности – появление множества новых
материалов, которые используются в одежде и интерьере. Так, ученые
Технологического института штата Джорджия представили ткань из
микроволокна, способную генерировать электричество. Нановолокна
вплетаются в обычную ткань, формируя парные структуры в виде щеток.
Половина волокон покрыта золотом и служит электродами, которые,
скручиваясь в паре с нановолокнами без золотого покрытия, преобразуют
механическую энергию в электрическую. Пентагон обнародовал программу
«Армия нового типа». Согласно этому документу, для солдата будущего
готовится уникальное обмундирование. Одежда сама будет реагировать на
травмы солдата (например, переломы будут жестко фиксироваться, а
кровотечения будут останавливаться).
Поскольку вещество в виде наночастиц и наноматериалов обладает свойствами,
часто радикально отличными от их аналогов в форме макроскопических
дисперсий или сплошных фаз, наноматериалы представляют собой
принципиально новый фактор, воздействующий на организм и среду его
обитания. Неизбежно возникновение сложных научных проблем, связанных с
воздействием нанотехнологии на организм человека и окружающую среду и
опасность вмешательства нанофактора в жизненно важные процессы,
протекающие как в живом организме, так и во всей экосистеме.
Первые научные статьи о безопасности наночастиц появились только в 2001 г.
В 2006 году в Германии произошел инцидент, названный «MAGIC NANO».
Изменение рецептуры добавляемых в чистящий порошок для ванн силикатных
наночастиц привело к развитию острой интоксикации у 70 человек,
применявших средство, вследствие чего вся его партия была отозвана с рынка
фирмой производителем.
В 2008 г. была учреждена международная нанотоксикологическая организация
(International Alliance for NanoEHS Harmonization), призванная установить
протоколы для воспроизводимого
токсикологического
тестирования
наноматериалов на клетках и живых организмах.
Можно выделить ряд факторов, определяющих токсичность наноматериалов:
1) наночастицы в силу своих небольших размеров могут объединяться с
белками, нуклеиновыми кислотами, проникать через клеточные мембраны
и, тем самым, изменять их функции;
2) эффект повышения химического потенциала на межфазных границах
высокой кривизны приводит к аномальному увеличению растворимости и
реакционной способности веществ в составе наночастиц и, тем самым,
может приводить к увеличению токсичности;
3) огромная удельная поверхность наноматериалов увеличивает их
каталитические свойства, адсорбционную емкость и химическую
реакционную способность;
4) для наночастиц характерны признаки высокоэффективных адсорбентов,
то есть, они способны поглощать на единицу своей массы во много раз
больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии;
5) высокая способность наночастиц к аккумуляции – из-за своего
небольшого размера наночастицы не распознаются защитными барьерами
живого организма, они не подчиняются биотрансформации и не выводятся
из организма, что служит причиной скопления наноматериалов в
растительных и животных организмах, а также микроорганизмах передачи
по пищевой цепи, тем самым, увеличивая вероятность их попадания в
организм человека. По результатам исследований Центра биотестирования
безопасности нанотехнологий и наноматериалов «Биотест-Нано»
национального
исследовательского
Томского
государственного
университета в некоторых звеньях пищевой цепи концентрация наночастиц
за счет биоаккумуляции повышается до 10 000 раз.
Определяющим моментом в оценке риска является установление возможной
токсичности наноматериалов. Имеющееся в настоящее время незначительное
количество исследований в этом направлении указывает на токсичность
наноматериалов. Известно, что даже однократная ингаляция углеродных
нанотрубок и наночастиц некоторых других типов приводит к воспалительному
процессу в легочной ткани с последующим развитием фиброза и некрозом
клеток. Наноматериалы обладают нейротоксичностью за счет преодоления
гематоэнцефалического барьера, вызывая окислительный стресс в клетках
мозга. Также известно, что наночастицы могут неблагоприятно влиять на
систему свёртываемости крови.
Нанотоксикологией, изучением токсичности наноматериалов, занимаются в
мире всего около 10 лет. В Европе на такие исследования выделяются сотни
миллионов евро. В России лабораторий нанотоксикологии не больше 5 –6.
Специалисты биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова
предложили тест для предварительной оценки токсичности наноматериалов [2].
Ученые выяснили, что углеродные нанотрубки токсичны для кишечной
палочки и предлагают использовать ее в качестве биотестера.
Исследователи использовали штамм кишечной палочки со встроенным геном
из светящихся морских бактерий. Суспензию клеток смешивали с
одностенными углеродными нанотрубками таким образом, чтобы в 1 мл водной
суспензии присутствовали 1 млрд. клеток и 0,2 мг частиц, и выдерживали
разное время при комнатной температуре.
Клетки кишечной палочки, проведшие несколько дней в воде, выглядят как
настоящие палочки. Однако после четырех суток инкубации с углеродными
нанотрубками поверхность бактерий была деформирована. На 7-8-е сутки
содержимое клеток вытекает полностью, и от бактерий остается только
сплющенная клеточная оболочка.
Исследователи отмечают, что бактерицидными свойствами обладают именно
нанотрубки, а не материал, из которого они изготовлены. Через двое суток
инкубации с ними количество живых бактерий в суспензии сократилось вдвое,
через 3 суток – более чем на порядок. Очевидно, эти структуры механически
разрушают бактериальную клеточную стенку и мембрану под ней.
Центр биотестирования безопасности нанотехнологий и наноматериалов
«Биотест-Нано»
национального
исследовательского
Томского
государственного университета сформировали методики оценки экологической
безопасности нанотехнологий и наноматериалов. Методики биотестирования
безопасности наноматериалов базируются на следующем принципе. Ученые
помещают тест-организмы из разных систематических групп, начиная от
бактерий и заканчивая животными, в среду, содержащую наночастицы, и
регистрируют проявляющиеся эффекты: выживаемость, замедление роста и т.д.
По некоторым тестам за короткое время можно определить, опасен ли данный
наноматерил или отходы, содержащие наночастицы [3].
Согласно результатам исследований ученых из Университета штата Мичиган и
Университета Индианы, употребление типичных количеств наночастиц вряд ли
нанесет ущерб здоровью человека. Американские ученые сравнили
существующие лабораторные и экспериментальные исследования токсичности
наночастиц, проведенные на животных. В этих исследованиях моделировались
ситуации, когда наночастицы намеренно или случайно проглатывались,
вдыхались или любым другим способом попадали в желудочно-кишечный
тракт. В итоге, по результатам анализа исследований данной проблемы, ученые
пришли к выводу, что, по крайней мере, одноразовый прием доступной
(содержащейся в бытовых предметах) дозы наночастиц не приведет к развитию
острого отравления.
Ученые Австралийского национального университета представили результаты
исследований солнцезащитных кремов, содержащих наночастицы. Согласно
опубликованным данным нет никаких существенных неблагоприятных
последствий для здоровья от солнцезащитных препаратов с наночастицами
(например, оксид цинка (ZnO) и диоксид титана (TiO2)), несмотря на
образование свободных радикалов в присутствии света [4].
В настоящее время интенсивно исследуется вопрос о возможных путях
поступлении наночастиц различной природы в организм, их прохождения через
биологические барьеры, распределения и накопления в различных органах
и тканях.
В современном мире «нанотехнологичные продукты» неотвратимо входят в
быт человека. Производство одежды, бытовой техники, технических
материалов, полимеров, медицинских препаратов, использование в оборонной
промышленности, – это лишь неполный список отраслей, в которых
“зарекомендовали” себя нанотехнологии. Учитывая уникальные свойства
наноматериалов, необходимо разрабатывать методы оценки риска возможного
негативного воздействия материалов на здоровье человека и организацию
контроля над их оборотом. Полная система оценки риска наноматериалов
включает
обширный
комплекс
физико-химических,
биохимических,
молекулярно-биологических,
токсикологических
тестов
и специальных
исследований, позволяющих провести оценку их воздействия на биологические
объекты.
1.
2.
3.
4.
Список литературы
Нанотехнологии. Наука будущего / В. И. Балабанов. — М. : Эксмо, 2009. — 256 с.
Алфимов М. В., Разумов В. Ф., Доклад рабочей группы «Индустрия наносистем
и наноматериалов», Российские нанотехнологии,Т.2, 2007г.
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2012/intervyu-s-yuriem-morgalevym-o-novomnapravlenii-nauki-mirovom-liderstve-bezopasnosti/
Международный журнал биомедицинской нанонауки и нанотехнологий. 2010. - Vol.
1, № 1 С. 87 – 94.