纳米材料对健康的影响

沈臻霖

职业安全健康北京市重点实验室

纳米材料是指物质结构在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（1nm～100nm，1nm=10-9m）或由具有纳米尺度结构特征的物质单元（包括稳定的团簇或人造原子团簇、纳米晶、纳米颗粒、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米单层膜及纳米孔等）构成的且具有特殊性质的材料。纳米颗粒由于粒径小、比表面积大等独特性质，使该类材料往往表现出与常规尺寸材料不同的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等性质（GB/T 19619-2004，纳米材料术语）。然而，随着各种各样的纳米材料的出现，其可能存在的健康危害也越来越引起人们的关注。

纳米尺度颗粒物的物理和化学性质都会发生很大变化，并有可能自由穿过细胞膜，进入生物体内。大量研究文献表明，纳米材料的潜在风险是确实存在的，需要密切关注，但在效应实证、方法规范、控制体制等诸多方面都处于初期阶段，赶不上纳米技术生产和应用本身的迅速进展。

纳米粒子在进入生命体后，它们与生命体相互作用所产生的化学特性和生物活性，与化学成分相同的常规物质有很大不同。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小剂量下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进入细胞甚至细胞核内；表面吸附力很强，容易把其他物质带入细胞内；有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。目前研究相对较多的是纳米材料对呼吸系统和心血管系统的影响。

1 纳米材料对呼吸系统的不良影响

（1）动物实验研究结果。

纳米材料进入生物体后往往表现出独特的生物学效应，如比微米材料更为严重的肺部炎症、DNA损伤等。以往一直认为二氧化钛是低毒粉尘，在许多粉尘的毒理学研究中，TiO2往往被用作无毒的对照粉尘。但是研究发现，纳米二氧化钛比相同空气质量浓度的微米二氧化钛引起大鼠更为严重的肺部炎症反应。再比如，超细颗粒硅胶（14nm）比细颗粒（230nm）硅胶引起小鼠更严重的肺部炎症和组织损伤。

对单壁碳纳米管、炭黑和石英的毒性进行比较，在对小鼠气管滴注不同剂量的物质后，结果显示碳纳米管可引起剂量依赖性的上皮样肉芽肿，个别小鼠出现间质炎症，个别动物出现支气管炎症和坏死，延伸至肺泡隔。炭黑组正常，高剂量石英组出现轻中度炎症反应。结果表明碳纳米管对肺部的毒性作用可能比石英更强。

同样用单壁碳纳米管对大鼠进行气管滴注染毒，发现相比于石英，能够引起较显著的炎症反应、细胞毒性以及肺实质细胞增殖指数增加。石英引起的炎症反应呈剂量依赖方式，伴随空泡肺泡巨噬细胞聚集和在正常颗粒沉积处的肺组织增厚。而碳纳米管则可引起非剂量依赖的多灶肉芽肿，分布不均，且一月后无进行性发展。

碳纳米管，乃至纳米尺度颗粒可引起肺部肉芽肿病变的现象应引起我们的关注。颗粒物（如石棉纤维或二氧化硅）进入肺泡后，被肺泡巨噬细胞吞噬。肺泡巨噬细胞对肺泡颗粒物的清除起着重要作用。如果巨噬细胞因颗粒物数量巨大等原因致使移动性和吞噬功能下降而不能有效地清除颗粒，肺部就会出现“灰尘负载”现象。因摄取颗粒而肿胀的巨噬细胞数目增加，引起肺部慢性炎症、肺泡上皮细胞和成纤维细胞过度增生，最后导致肺泡炎、肉芽肿、肺纤维化等病理改变。在吸入同等质量的颗粒物后，纳米颗粒较常规尺度颗粒更易因巨大的数量负载而引起上述病变。

（2）人群流行病学研究结果。

到目前为止，国内外关于纳米颗粒的流行病学研究甚少，所以纳米颗粒对于人类健康的影响尚无统一结论。但是一些报道也指出纳米颗粒可能对人类健康造成有害效应。曾有报道7名曾在同一间印刷厂工作，暴露于含有纳米颗粒的聚丙烯酸酯5～13个月的年轻女工（18～47岁），出现了气短、胸腔积液、心包积液等临床症状，并有2名女工在两年内死亡。病理检查结果同样为非特异性肺炎、炎症浸润、肺纤维化和胸腔外源性肉芽肿。进一步检查发现，在这些女工的工作场所、支气管肺泡灌洗液、胸水和肺活检组织中均找到直径为30nm的颗粒。

2 纳米材料对心血管系统的不良影响

众多研究结果显示，由于纳米颗粒微小的尺寸，极易在吸入肺部后转移至血液循环，转运到全身其他器官。超细颗粒物到达肺间质后，会穿过肺泡上皮细胞进入间质组织，进而直接进入血液循环，或通过淋巴循环再转移到血液，最后分布到全身。

纳米颗粒可通过血液循环重新分布到心、肾、脾、骨髓等器官组织。大量研究显示，心血管疾病住院率和死亡率与室外空气污染，特别是PM2.5或PM10的质量浓度有关。高浓度的超细颗粒物暴露可因对活性氧的氧化应激反应引起系统性的炎症，进而促使动脉粥样硬化的形成，引起血压升高乃至心肌梗死等急性心血管反应。空气中超细颗粒物的数量浓度与冠心病患者心电图的异常高相关，这种相关性是独立于PM2.5的。这种特殊的心电图变化提示心肌缺血的可能性升高。从而使心脏功能发生改变。

研究发现纳米碳黑颗粒可直接影响内皮细胞，引起细胞毒性损伤、炎性反应，抑制细胞生长。内皮细胞损伤与动脉粥样硬化发生相关，而内皮一氧化氮具有抗动脉粥样硬化和抗血栓形成的作用。同时，碳黑颗粒抑制内皮细胞生长，可能影响组织缺血时新血管的重建，这可能与其促进心肌缺血有关。这些研究结果提示，纳米碳黑颗粒可能通过直接影响内皮细胞而促进动脉粥样硬化和心肌缺血的发展。

纳米颗粒能从肺部转移到血液中，并在血小板中聚集。血小板在血栓形成过程中具有很重要的作用。纳米颗粒与血小板接触，可能诱导血小板的激活，激活的血小板与受损或激活的内皮细胞作用而凝聚。研究显示多种碳纳米颗粒均可促进血小板凝聚，加速大鼠颈动脉血栓的形成。血液循环中纳米颗粒的存在可能影响凝血，而颗粒物的表面性质可能在这个过程中起很大作用。

工作场所相对于室外大气，颗粒物的浓度可能更高，对人体造成的影响则可能更大。生产、转移和使用环节中引起的飞散使纳米颗粒被吸入呼吸道引起疾病的可能性大大增加。

目前对纳米危害的研究，还多是以动物为对象，流行病学的研究结果非常少，纳米对人类的危害程度还没有确切的定论。