1、纳米材料的生物毒性,郭心雨，物10新能源2012.03.16,纳米材料的性质,细胞吸收纳米颗粒的途径,几种纳米材料的生物毒性,C60,C60 对细胞、微生物、水生生物、陆生动物等具有毒性效应, 但也有相反的研究结果。C60 能进入人类巨噬细胞的细胞质、溶酶体和细胞核 ; 分子动态模拟研究表明, 液体中 C60 极易与 DNA 中的核苷稳定结合并使 DNA 变性而可 能丧失功能 ;C60 粉体本身一般不具有抑菌作用, 但其稳定悬浮液(一般以团聚体 nC60 形式存在)会产 生毒性效应 。,C60生物毒性机理,很多研究者认为, C60 的毒性在于其能产生 ROS 而损伤机体组织, 尤其是 C60
2、具有脂溶性, 容易与生物体的脂 肪组分结合, 导致脂质过氧化, 增加细胞膜的通透性,但也有研究指出, C60 并未产生 ROS, 其本身可以充当一种氧化剂对有机体产生氧化压力并造成损伤, 如蛋白质氧化、细胞膜通透性和细胞呼吸变化等,CNTs,MWCNTs能显著抑制人类肿瘤细胞的分裂生长，但其毒性性质远低于碳纳米纤维和炭黑MWCNTs能够进入水生单细胞真核动物贻贝棘尾虫的线粒体，损害细胞膜、线粒体、细胞核SWCNTs能对巨噬细胞产生毒性效应，抑制其噬菌作用,CNTs的生物毒性机理,有学者认为，CNTS的毒性来自其产生的ROS，但缺乏直接的证据,Koyama等认为CNTs的毒性主要来自其所含的杂质
3、，包括不定形碳和金属催化剂等,Muller等认为CNTs的表面结构缺陷是其具有急性毒性和基因毒性的主要原因,The cytotoxicity of carbon nanomaterials in alveolarmacrophages shows a nanostructural-dependent feature. The cytotoxicitydecreases on the basis of mass: SWNTs MWNT10 C 60 . MWNT10:diameter range from 10 to 20 nm. Reproduced with permission fromr
4、eference,金属及氧化物纳米材料,金属及氧化物纳米材料一般都具有细胞毒性，毒性大小决定于纳米材料的浓度、形状、表面电荷性质等,将纳米材料分为轻微溶解和不溶解两类，指出可溶性纳米材料的毒性主要是由于溶解产生的金属离子，而不溶性纳米材料的细胞毒性则可能是由于产生ROS。,在研究金属及氧化物纳米材料的生物毒性机理时，受试生物的选择非常重要，若受试生物对溶解出的金属离子非常敏感，纳米材料本身毒性往往会被其所产生的金属离子的毒性掩盖,Cellular uptake of Au NRs by MCF-7 cells,Transmission electron microscope (TEM) ima
5、ges of CTAB-coated Au NRs with different aspectratios: A) CTAB-1, B) CTAB-2, C) CTAB-3, and D) CTAB-4. E) shows the shape- and surface-coating-dependent cellular uptake of Au NRs coated byCTAB. F) TEM images showing the process of cellular uptake. The Au NRs form aggregates, enter into vesicles in t
6、his form, and get into lysosome.Reproduced with permission from reference21. Copyright 2010, Elsevier Ltd.,量子点,量子点具有独特的光学、电学、磁学性质和生物相容性等，应经大量应用于医学成像，太阳能电池，光子学和长途通信等领域粒径小于5nm的量子点（CdSe,CdSe/ZnS）能够直接进入大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的细胞内，并产生毒性效应；大肠杆菌能够把量子点重新排除体外，而枯草芽孢杆菌则不能量子点的生物毒性机理也存在对其溶解产生金属离子是否是主要制度因子的争议。另外，这些量子点能够进入细胞，
7、并产生与其在在溶液中不一样的毒性效应,总结纳米材料的生物毒性机理,ROS的产生对生物体的毒害作用是迄今最为普遍接受的一种纳米材料致毒机制。ROS可增加氧化压力，导致脂质过氧化、破坏细胞膜，一些机油氧化性的纳米材料，接触细胞膜后会直接增加细胞的氧化压力，导致毒性。另一些纳米材料可以通过细胞内陷、膜通效应道及细胞吞噬作用等进入细胞内部，或通过细胞膜破坏进入细胞。进入细胞的纳米材料会增加氧化压力，并可能与细胞内含物相互作用，破坏细胞的结构和功能。细胞内含物也会通过细胞膜破坏流出细胞从而出现毒性效应。一些纳米材料在培养液和细胞内放出都可能释放有毒物质（如金属离子）而产生毒性。,现今研究中存在的问题,至
8、今, 绝大部分毒性研究均在实验室内进行, 较少考虑环境因素的影响, 但实验内单一生物毒性测试结果不能代表真实环境的化学和生物学上的复杂性, 环境条件会影响纳米材料的物化属性, 从而影响其毒性效应 . 少量模拟研究也得到了相反的研究结果.,展望,目前, 科学界对纳米材料的生物毒性数据已有 一定的积累, 对其致毒机理的讨论也达成了一些共 识。但由于毒性实验所选取的材料规格、实验设计、实验条件等不同, 获得的实验结果亦不尽相同, 毒性机理也 还有一些其他的解释和争议。 为了解纳米材料的生态毒性及效应, 必须建立一套相对完整、科学的纳米材料毒性测试的标准方法, 包括纳米材料物理化学性质表征、模型生物选取、暴露方法、毒性效应指标等. 此外, 在关注纳米材料的高剂量急性效应 (当前毒性研究的主要内容)的同时, 更需要关注纳米材料的长期低剂量暴露及其毒性效应、在生物体内的归趋和遗传性等, 使得研究结果更加贴近真实环境的情况。,
