纳米TiO2生物效应的研究进展【文献综述】.doc

1、毕业论文文献综述生物技术纳米TIO2生物效应的研究进展摘要介绍了纳米二氧化钛的结构、作用机制及其研究的主要方面。通过对国内外文献的大量阅读与整合，结果表明随着纳米二氧化钛的广泛应用，其引起的生物效应受到我们的关注，目前对纳米二氧化钛的研究作用机理还远远未被充分揭示，研究仅局限于少数生物。关键词纳米TIO2作用机制生物效应前言纳米材料是指具有特殊性能的，并且其几何尺寸达到纳米级水平的材料。1纳米NM是109M。当前对纳米材料的定义是粒径为1100NM的纳米粉、纳米线，以及厚度为1100NM的纳米薄膜，并且会产生纳米效应的材料1。纳米材料由于其在传导性、反应性和光敏性上表现出与众不同的特性，使得纳

2、米科学与信息科学和生物科学并列，成为21世纪的三大支柱学科，纳米技术的发展也被称为“工业革命”2。随着纳米技术的不断发展，纳米材料的种类越来越多，不同的纳米材料已广泛应用于不同的领域，如填料、光电子、酶、半导体、化妆品、催化剂、医学影像及药物载体等3,4。纳米TIO2是纳米材料中应用十分广泛的材料之一，在日用化妆品、涂料等方面具有广阔的应用前景，并且由于其光物理性质而应用于工业添加剂5。本文就常见的纳米二氧化钛的结构、特性及其应用进行了概述，并对其作用特点及生物效应等几个方面进行了详细介绍。1纳米TIO2概述纳米二氧化钛是指特征维度尺寸在纳米数量级的二氧化钛颗粒，它具有比表面积大、磁性强、光吸

3、收性好，热导性好、分散性好等性能，因而备受国内外研究者的关注。纳米TIO2有三种晶体结构，即锐钛矿、金红石及板钛矿，它们组成结构的基本单位是TIO6八面体6。之前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，常常被用作无毒的对照。2002年美国食品与药品管理局FDA认可TIO2为安全物质，对人体并不会造成伤害。在日本，TIO2被厚生省法令指定作为食品添加剂之一。如今，纳米TIO2已经在建筑、环保、化妆品、医学、多功能材料、抗菌剂等诸多方面均有重要用途。但是从今近几年的研究结果来看，即使是无毒或者低毒的材料，其纳米颗粒也可能会变得有毒。纳米二氧化钛毒理作用主要与粒子的尺度有关7。2纳米T

4、IO2作用机制目前对纳米TIO2的生物毒性作用机制尚未完全了解，但其具有的光学催化特性、活性氧簇ROS的产生及体内氧化应激反应的增强可能是其最主要的致毒作用机制8。21自由基机制有关纳米材料的各种体内体外化学试验都表明其可以产生活性氧自由基，纳米TIO2在曝露于光、紫外线、过度金属等条件下均可以生成ROS9,10。因为线粒体是自由基活化组织，因此可能改变ROS的产生，负载或干扰机体抗氧化防御机制。22分子机制纳米TIO2颗粒沉积在肺部后，可能破坏细胞膜或直接通过细胞膜进入细胞内部，并与细胞内的脂质、蛋白和核酸等生物大分子结合，从而改变生物大分子的相应功能。其衍生物能产生超氧自由基，这些自由基通

5、过脂质破坏细胞膜，使细胞失去正常的功能。MOLLER等11研究了几种纳米颗粒对巨噬细胞骨架的影响，发现高质量浓度的纳米颗粒会使细胞骨架的正常功能丧失，表现为增加细胞的硬度，阻止细胞之间的物质转运，破坏巨噬细胞的吞噬能力，导致肺部慢性炎症，干扰细胞增殖。23侵入机体细胞和组织的机制纳米TIO2进出细胞的方式主要有三种一是胞饮作用，表现为存在于液体中被细胞所胞饮；二是胞吞作用，通常为有机体内的纳米颗粒；三是吞噬作用，从而进入细胞内部。对纳米TIO2研究结果表明，纳米材料尺寸效应对于其活性的影响是非常显著的，尺寸越小表面原子活性越高，与细胞接触的区域越多，就越有利于纳米颗粒的吸收和转运，更容易引起细

6、胞膜结构的改变，纳米TIO2的效应也就越强。231呼吸道沉积侵入吸人纳米颗粒与空气分子发生碰撞时产生扩散是主要沉积机制，在正常呼吸情况下，纳米尺寸大小颗粒在肺沉积量基本呈现U字形12。纳米颗粒在呼吸道沉积有2种途径侵入机体一种是经呼吸道上皮细胞进入间质，到血或淋巴分布全身；另一种类似于神经病毒的侵入机制，是通过呼吸道上皮细胞中末端神经摄入，再通过轴索转移到神经节和中枢神经结构13。232表皮和消化道侵入纳米TIO2颗粒越小，侵入越多，150NM500NMTIO2颗粒就可以通过完整表皮和消化道，进入血液和肝脏等器官。与呼吸道上皮细胞中末端神经一样，表皮中感觉神经末梢也可以摄入纳米颗粒14。3纳米

7、TIO2的生物效应纳米TIO2由于其产量高，应用广泛，因而对其毒性的研究也比较多。今年来关于纳米TIO2生物效应的研究主要有以下方面31鼠类实验生物医学领域的感染性实验、药学实验、营养及代谢性疾病实验和肿瘤的研究实验等都需要用到鼠类，许多学者也是以老鼠为实验动物来研究纳米颗粒的生物效应。311TIO2纳米颗粒的吸入实验1994年，OBERDORSTER等15报道了TIO2两种纳米颗粒的亚慢性吸入毒性实验。结果表明，20NM与250NM的TIO2都在大鼠的呼吸道发生了沉积，肺巨噬细胞对250NMTIO2颗粒清除的半衰期为177D，而20NM颗粒，巨噬细胞对其清除的半衰期为541D，在肺部停留的时

8、间较长，并且发生了明显的炎症反应。此次研究结果同时也证明了纳米TIO2的生物活性和尺寸效应相关。312TIO2纳米颗粒的气管染毒实验2004年，RENWICK等16报道经大鼠支气管分别注入29NM和250NM两种TIO2纳米颗粒，发现在24H之后可引起肺液中的谷氨酰基转移酶、乳酸脱氢酶和蛋白质含量明显升高，巨噬细胞的吞噬能力降低。AFAQ等17报道了超细纳米TIO2使得大鼠肺泡巨噬细胞增多，胞内谷胱甘肽转移酶、谷胱甘肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、6磷酸葡萄糖脱氢酶的活性升高，但没有阻止脂质过氧化以及过氧化氢的生成。研究还发现，肺部组织间质化，上皮组织的渗透性增加。结果表明，受纳米TIO2作用时

9、，尽管细胞启动了自我保护机制，却未能消除其产生的毒副作用。313纳米TIO2对小鼠脑毒性实验2007年，王江雪等18用50MG/KG的剂量给CD雌性小鼠隔天鼻腔滴注TIO2水悬浮液，检测TIO2在小脑中的蓄积和对小脑单胺类神经递质的影响，结果表明，TIO2能经鼻粘膜吸收进入小脑并存在于脑组织，影响脑中单胺类神经递质的代谢。李俊纲等19在2008年做实验了解注入到小鼠气管内的纳米TIO2颗粒对脑部的毒性。将纳米TIO2注入到小鼠气管内。结果表明，小鼠大脑匀浆中H2O2的浓度随着纳米TIO2颗粒注入剂量的增加而增加。小鼠大脑的病理学观察表明，TIO2纳米颗粒对大脑造成的损伤主要表现为组织内溢血、血

10、脑屏障的破坏和组织坏死。32DNA及基因体内毒性研究人员给成年年雄性小鼠饮用不同浓度的TIO2纳米微粒溶液5天，而后检测了一系列可能反应其基因毒性的指标。首先，他们检测了小鼠的骨髓细胞，发现DNA双链断裂的细胞数目随着服用剂量的升高而升高。紧接着检测了外周血细胞，发现最高剂量组小鼠的红细胞和白细胞分别出现DSB和染色体损害的比例大大升高。接下来又检测了肝细胞，发现500MGKG剂量组出现氧化性DNA伤害的细胞比例较对照组显著增加。上述结果均说明TIO2纳米微粒能引起DNA损伤。33细菌实验LU等20用纳米TIO2培养大肠杆菌，结果发现大肠杆菌细胞壁被降解，细胞膜出现损伤，细胞的通透性受到破坏，

11、细胞内容物外流，最终导致细胞死亡。34水生生物实验纳米TIO2可以在鱼体内富集。张学治等21发现鲤鱼对纳米TIO2的生物富集主要集中在鱼鳃、内脏等部位，肌肉部分富集相对较少。另外在水藻的培养试验中还发现随着纳米TIO2浓度的增加，细胞的密度减少；尺寸越大，脂质过氧化就越大；叶绿素的变化则不受尺寸的影响；颗粒能吸附在水藻细胞表面上，所能吸附的颗粒重量为自身重量的23倍。4结语目前，国内对纳米TIO2的生物效应研究还处于起步阶段，国外研究的历史也只有20年左右22。根据已有的研究证实1纳米TIO2具有尺寸效应，其粒径越小，对生物的毒性效应越大，浓度超出一定的范围也会引起生物的效应。2目前研究纳米T

12、IO2颗粒对生物的影响及生物效应的受试生物主要为小鼠和细胞，对水生生物及细菌的研究较少。3TIO2的生物效应研究局限于毒性的表征，对其作用机制的研究不够深入，对其分析相对薄弱。纳米技术是把双刃剑，高科技纳米材料生产使用可能给人们带来潜在的健康危害负面影响。就在人们逐渐认识纳米科学技术的优点和其潜在的巨大市场的同时，2003年4月，SERVICE23在SCIENCE上发表文章开始讨论纳米材料的生物效应，及其对环境、健康的影响问题。随着规模化生产和纳米产品的普及，纳米材料将会进入我们的土壤、空气和水环境，进而有可能进入生物体内24，环境中的生物降解纳米粒子可能会导致细胞内细胞器积聚纳米颗粒，如细胞

13、内基因的改变25。美国、英国和日本等国家多年前就已经着手于富勒烯、单壁和多壁碳纳米管以及氧化铈纳米材料的安全性评估26。我国进入21世纪以来开始高度关注纳米生物效应与安全性的研究，已从生物整体水平、细胞水平、分子水平和环境等几个层面开展纳米生物效应的研究工作27。预计在未来的研究中，纳米技术研究和材料应用将进入一个新的时代。对纳米材料的生物效应的研究，不会影响纳米技术的发展，有可能指导重新设计、制造毒性较小的纳米材料。参考文献1白春礼纳米科技及其发展前景J科学通报,2001,46289922李卫华,市原学,李洁斐,等纳米材料的毒理学和安全性J环境与职业医学,2006,2354304343NEL

14、A,XIAT,MADLERL,ETALTOXICPOTENTIALOFMATERIALSATTHENANOLEVELJSCIENCE,2006,31146226274ERMIEHOODNANOTECHNOLOGYTHINKBEFOREWELEAPJENVIRONHEALTHPERSPECT2004,112770745DAMJANAD,ANITAJ,ZIVAPTINVIVOSCREENINGTODETERMINEHAZARDSOFNANOPARTICLESNANOSIZEDTIO2JENVIRONMENTALPOLLUTION2009,15712,115711646黄振峰浅谈纳米二氧化钛J科技创

15、新导报,2010,1831361377冯晶,肖冰,陈敬超纳米材料对生物体及环境的影响J材料科学与工程学报2006,2434624658杨晓静,陈灏,闫海,等纳米二氧化钛和单壁碳纳米管对普通小球藻生长的抑制效应J生态毒理学报2010,5138439DERFUSAM,CHANWCW,BHATIASNPROBINGTHECYTOTOXICITYOFSEMICONDUCTORQUANTUMDOTSJNANOLETT,2004,41101110LIN,SIOUTASC,CHOA,ETA1ULTRAFINEPARTICULATEPOILUTANTSINDUCEOXIDATIVESTRESSANDMITOC

16、HONDRIALDAMAGEJENVIRONHEALTHPERSPECT,2003,1111045545711MOILERW,HOFERT,ZIESENISA,ETALULTRAFINEPARTICLESCAUSECYTOSKELETALDYSFUNCTIONINMACROPHAGESJTOXICOLAPPLPHARM,2002,182919719912OBERDORSTERG,OBERDOESTERE,OBERDORSTERJNANOTOXICOLOGYANEMERGINGDISCIPLINEEVOLVINGFROMSTUDIESOFULTRAFINEPARTICLESJENVIRONHEA

17、LTHPEMPECT,2005,1132382383913CHURGA,STEVENSB,WRIGHTJLCOMPARISONOFTHEUPTAKEOFFINEANDUHRAFINETIO2INATRACHEALEXPLANTSYSTEMJAMJPHYSIOL,1998,2742118118614CAMPBELLA,ODHAMM,BECARIAA,ETA1PARTICULATEMATTERINPOLLUTEDAIRMAYINCREASEBIOMARKERSOFINFLAMMATIONINMOUSEBRAINJNEUROTOXICOLOGY,2005,26513314015OBERDORSTER

18、G,FERINJ,LEHNERTBE,CORRELATIONBETWEENPARTICLESIZE,INVIVOPARTICLEPERSISTENCE,ANDLUNGINJURYJENVIRONHEALTHPERSPECT,1994,1021517317916RENWICKLC,BROWND,CLOUTERA,ETALINCREASEDINFLAMMATIONANDALTEREDMACROPHAGECHEMOTACTICRESPONSESCAUSEDBYTWOUHRAFINEPARTICLETYPESJOCCUPENVIRONMED,2004,61544244717AFAQF,ABIDIP,M

19、ATINR,ETA1CYTOTOXICITY,PREOXIDANTEFFECTSANDANTIOXIDANTDEPLETIONINRATLUNGALVEOLARMACROPHAGESEXPOSEDTOULTRAFINETITANIUMDIOXIDEAPP1JTOXICO1,1998,18730731218王江雪,李玉锋,周国强,等不同暴露时间TIO2纳米粒子对雌性小鼠脑单胺类神经递质的影响J中华预防医学杂志,2007,412919519李俊纲,韩博,李静,等TIO2纳米颗粒对小鼠脑毒性的实验研究J工业卫生与职业病2008,34421021220LUZX,ZHOUL,ZHANGZL,ETALCE

20、LLDAMAGEINDUCEDBYPHOTOCATALYSISOFTIO2THINFILMSJLANGMUIR,2003,19218765876821张学治,孙红文,张稚妍鲤鱼对纳米TIO2的生物富集J环境科学,2006,88163L163522马艳菊,郁昂纳米二氧化钛的毒性研究进展J环境科学与管理,2009,348333723SERVICERFNANOMATERIALSSHOWSIGNSOFTOXICITYJSCIENCE,2003,3001124324洪琪,顾祖维,刘卓宝纳米技术与职业医学J环境与职业医学,2002,19533033125GRAZYNABP,JERZYG,PAWELLUNANOPARTICLESTHEIRPOTENTIALTOXICITY,WASTEANDENVIRONMENTALMANAGEMENTJWASTEMANAGEMENT,2009,2912587259526汪冰,丰伟悦,赵宇亮,等纳米材料生物效应及其毒理学研究进展J中国科学B辑化学,2005,3511227韦东远,龚钟明,张俊祥关于我国纳米生物效应与安全性研究的思考J创新科技,2008,2565455