Токсикология углеродных наноматериалов - Toxicology of carbon nanomaterials

Там было много исследований на нанотоксикологию из фуллеренов и углеродных нанотрубок .

Фуллерены

Обзор работ Lalwani et al. нашел мало доказательств того, что C ₆₀ токсичен. Токсичность этих углеродных наночастиц варьируется в зависимости от дозы, продолжительности действия, типа (например, C ₆₀ , C ₇₀ , M @ C ₆₀ , M @ C ₈₂ ), функциональных групп, используемых для растворения этих наночастиц в воде (например, OH, COOH), и способ введения (например, внутривенный, внутрибрюшинный). Авторы рекомендовали оценивать фармакологию каждого комплекса на основе фуллерена или металлофуллерена как отдельного соединения.

Moussa et al. (1996-97) изучали в естественных условиях токсичности C ₆₀ после того, как интра- перитонеального введения больших доз. Никаких доказательств токсичности обнаружено не было, и мыши переносили дозу 5 г / кг веса тела. Mori et al. (2006) не смогли обнаружить токсичность смесей C ₆₀ и C ₇₀ у грызунов после перорального приема в дозе 2 г / кг массы тела и не обнаружили доказательств генотоксического или мутагенного потенциала in vitro . Другие исследования не смогли установить токсичность фуллеренов: напротив, работа Gharbi et al. (2005) предположили, что водные суспензии C _60, не вызывающие острой или подострой токсичности у грызунов, также могут защищать их печень дозозависимым образом от повреждения свободными радикалами . В первичном исследовании 2012 г. суспензии оливковое масло / C _60, вводимой крысам путем внутрибрюшинного введения или перорального введения через желудочный зонд , было замечено увеличение продолжительности жизни, почти вдвое превышающее нормальную продолжительность жизни крыс, и не наблюдалось значительной токсичности. Исследователь этого исследования, профессор Мусса, обобщил свои выводы в видеоинтервью и заявил, что чистый C ₆₀ не токсичен.

При рассмотрении токсикологических данных следует проявлять осторожность, чтобы при необходимости различать то, что обычно называют фуллеренами: (C ₆₀ , C ₇₀ , ...); производные фуллерена: C ₆₀ или другие фуллерены с ковалентно связанными химическими группами; комплексы фуллерена (например, водорастворимые с поверхностно-активными веществами, такими как C ₆₀ - PVP ; комплексы хозяин-гость, такие как с циклодекстрином ), где фуллерен надмолекулярно связан с другой молекулой; Наночастицы C ₆₀ , которые представляют собой протяженные твердофазные агрегаты кристаллитов C ₆₀ ; и нанотрубки, которые, как правило, имеют гораздо большие (с точки зрения молекулярной массы и размера) молекулы и отличаются по форме от сфероидальных фуллеренов C ₆₀ и C ₇₀ , а также имеют другие химические и физические свойства.

Все указанные выше молекулы представляют собой фуллерены (полностью углеродные молекулы с закрытыми каркасами), но экстраполировать результаты с C ₆₀ на нанотрубки или наоборот ненадежно , поскольку они варьируются от нерастворимых материалов в гидрофильных или липофильных средах до гидрофильных, липофильных или даже амфифильные молекулы и с другими различными физическими и химическими свойствами. Исследование взаимосвязи количественного структурного анализа ( QSAR ) может помочь проанализировать, насколько близки рассматриваемые молекулы по физическим и химическим свойствам.

Углеродные нанотрубки

Многослойная углеродная нанотрубка пронизывает альвеолярную эпителиальную клетку .

По состоянию на 2013 год Национальному институту безопасности и гигиены труда США не было известно о каких-либо сообщениях о неблагоприятных последствиях для здоровья рабочих, использующих или производящих углеродные нанотрубки или углеродные нановолокна . Однако систематический обзор 54 исследований на лабораторных животных показал, что они могут вызывать неблагоприятные легочные эффекты, включая воспаление , гранулемы и легочный фиброз , которые имели аналогичную или большую эффективность по сравнению с другими известными фиброгенными материалами, такими как диоксид кремния , асбест и ультратонкая сажа. .

Что касается нанотрубок, исследование 2008 года углеродных нанотрубок, введенных в брюшную полость мышей, привело авторов к предложению сравнения с « патогенностью, подобной асбесту ». Это не было ингаляционным исследованием, хотя в прошлом было проведено несколько таких исследований, поэтому преждевременно делать вывод о том, что нанотрубки должны иметь токсикологический профиль, аналогичный асбесту. Напротив, и, возможно, иллюстрируя, как различные классы молекул, которые подпадают под общий термин фуллерен, охватывают широкий диапазон свойств, Sayes et al. обнаружили, что ингаляция in vivo C ₆₀ (OH) ₂₄ и нано-C ₆₀ у крыс не дала эффекта, тогда как для сравнения частицы кварца вызывали воспалительную реакцию в тех же условиях. Как указано выше, нанотрубки сильно отличаются по химическим и физическим свойствам от C ₆₀ , т. Е. Молекулярная масса, форма, размер, физические свойства (такие как растворимость) - все очень разные, поэтому с токсикологической точки зрения разные результаты для C ₆₀ и нанотрубки не указывают на какие-либо расхождения в выводах.

В исследовании 2016 года сообщалось о рабочих на крупном производственном предприятии MWCNT в России с относительно высокими уровнями профессионального воздействия, и было обнаружено, что воздействие MWCNT вызывало значительное увеличение ряда воспалительных цитокинов и других биомаркеров интерстициального заболевания легких.

Токсичность

Токсичность углеродных нанотрубок - важный вопрос в нанотехнологиях. По состоянию на 2007 год такие исследования только начинались. Данные по-прежнему фрагментарны и подлежат критике. Предварительные результаты подчеркивают трудности оценки токсичности этого гетерогенного материала. Такие параметры, как структура, распределение по размерам , площадь поверхности, химический состав поверхности, поверхностный заряд и состояние агломерации, а также чистота образцов, оказывают значительное влияние на реакционную способность углеродных нанотрубок. Однако имеющиеся данные ясно показывают, что при некоторых условиях нанотрубки могут преодолевать мембранные барьеры, что свидетельствует о том, что, если сырье достигает органов, они могут вызывать вредные эффекты, такие как воспалительные и фиброзные реакции.

Характеристика эффектов

В 2014 году эксперты Международного агентства по изучению рака (IARC) оценили канцерогенность УНТ, в том числе SWCNT и MWCNT. В то время Рабочей группе IARC не было доступных эпидемиологических данных или данных по раку у человека, поэтому оценка была сосредоточена на результатах исследований на животных in vivo по оценке канцерогенности SWCNT и MWCNT у грызунов.

Рабочая группа пришла к выводу, что существует достаточно доказательств для конкретного типа MWCNT «MWCNT-7», ограниченных доказательств для двух других типов MWCNT с размерами, аналогичными MWCNT-7, и недостаточно доказательств для SWCNT. Поэтому было решено специально классифицировать MWCNT-7 как возможно канцерогенное для человека ( Группа 2B ), в то время как другие формы CNT, а именно SWCNT и другие типы MWCNT, за исключением MWCNT-7, считались неклассифицируемыми по их канцерогенности для человека. ( Группа 3 ) из-за отсутствия убедительных доказательств.

Результаты исследований на грызунах в совокупности показывают, что независимо от процесса синтеза УНТ и типов и количества содержащихся в них металлов, УНТ способны вызывать воспаление , эпителиоидные гранулемы (микроскопические узелки), фиброз и биохимические / токсикологические изменения в легких. . Сравнительные исследования токсичности, в которых мышам давали равные по весу исследуемые материалы, показали, что SWCNT были более токсичными, чем кварц , который считается серьезной опасностью для профессионального здоровья при хроническом вдыхании. Было показано, что в качестве контроля ультратонкая сажа вызывала минимальные реакции легких.

Углеродные нанотрубки откладываются в альвеолярных каналах , выравниваясь по длине с дыхательными путями; нанотрубки часто соединяются с металлами. Игольчатая форма волокон УНТ аналогична волокнам асбеста . Это наводит на мысль, что широкое использование углеродных нанотрубок может привести к мезотелиоме плевры , раку слизистой оболочки легких или мезотелиоме брюшной полости , раку слизистой оболочки брюшной полости (и то и другое вызвано воздействием асбеста). Недавно опубликованное пилотное исследование подтверждает это предположение. Ученые подвергли мезотелиальную выстилку полости тела мышей длинным многослойным углеродным нанотрубкам и наблюдали асбестоподобное, зависимое от длины патогенное поведение, которое включало воспаление и образование поражений, известных как гранулемы . Авторы исследования заключают:

Это очень важно, потому что исследователи и деловые круги продолжают вкладывать значительные средства в углеродные нанотрубки для широкого спектра продуктов, полагая, что они не более опасны, чем графит. Наши результаты указывают на необходимость дальнейших исследований и большой осторожности перед выпуском таких продуктов на рынок, если необходимо избежать долгосрочного вреда.

Хотя необходимы дальнейшие исследования, имеющиеся данные позволяют предположить, что при определенных условиях, особенно при хроническом воздействии, углеродные нанотрубки могут представлять серьезный риск для здоровья человека.

Характеристики экспозиции

Сценарии воздействия важно учитывать при попытке определить токсичность и риски, связанные с этими разнообразными и трудными для изучения материалами. Исследования воздействия проводились в течение последних нескольких лет, чтобы определить, где и насколько вероятны воздействия. Поскольку УНТ включаются в композитные материалы из-за их способности упрочнять материалы, не добавляя при этом значительного веса, производство УНТ и композитов или гибридов, включая УНТ, последующая обработка изделий и оборудования, изготовленных из композитов, и процессы завершения срока службы, такие как поскольку переработка или сжигание представляют собой потенциальные источники воздействия. Потенциал воздействия на конечного пользователя маловероятен, однако, поскольку УНТ включаются в новые продукты, могут потребоваться дополнительные исследования.

В одном исследовании был проведен личный отбор и отбор проб с территории на семи различных заводах, в основном связанных с производством MWCNT. Это исследование показало, что рабочие процессы, которые вызывают наночастицы, не обязательно только высвобождение УНТ, включают «распыление, подготовку УНТ, ультразвуковое диспергирование, нагрев пластины и открытие крышки водяной бани». Концентрации воздействия как для личного, так и для локального отбора проб показали, что воздействие на большинство рабочих было значительно ниже установленного ACGIH для технического углерода.

Обработка композитных материалов представляет собой потенциальную опасность воздействия во время резки, сверления или истирания. Два разных типа композитов были испытаны в лаборатории во время обработки в различных условиях для определения потенциальных выбросов. Образцы были обработаны с использованием одного процесса сухой резки и одного процесса мокрой резки с измерениями, проведенными в источнике и в зоне дыхания. Тестируемые композиты различались по способу изготовления и компонентам. Один представлял собой слой графита и эпоксидной смолы с выровненными внутри УНТ, а другой - тканый оксид алюминия с выровненными УНТ на поверхности. Доказано, что сухая резка обоих вызывает озабоченность в отношении концентраций, измеренных в зоне дыхания, в то время как влажная резка, предпочтительный метод, показала гораздо лучший метод контроля потенциального воздействия во время этого типа обработки.

В другом исследовании были представлены результаты выборки зон дыхания и зон из четырнадцати предприятий, работающих с УНТ различными способами для оценки потенциального воздействия. Эти сайты включали производство УНТ, производителей / пользователей гибридов и вторичных производителей в электронной или композитной промышленности. Наивысшие средние воздействия, обнаруженные в образцах зоны дыхания, были обнаружены на вторичных производствах электроники, затем на предприятиях по производству композитов и гибридных материалов, а наименьшие средние воздействия были обнаружены на предприятиях первичных производителей. Относительно немногие образцы показали результаты, превышающие рекомендованный уровень воздействия, опубликованный NIOSH.

Несмотря на то, что разрабатываются стратегии использования УНТ в различных продуктах, возможности воздействия на сегодняшний день кажутся низкими в большинстве профессиональных условий. Это может измениться по мере появления новых продуктов и методов производства или вторичной обработки; поэтому оценка рисков должна быть неотъемлемой частью любого планирования новых приложений.

Эпидемиология и управление рисками

Резюме эпидемиологических исследований

В настоящее время отсутствуют эпидемиологические данные, связывающие воздействие CNT с воздействием на здоровье человека. На сегодняшний день было опубликовано лишь несколько эпидемиологических исследований, в которых изучались исключительно последствия для здоровья, связанные с воздействием CNT, в то время как несколько других исследований в настоящее время находятся в стадии реализации и еще не опубликованы. При ограниченном количестве данных о людях ученые больше полагаются на результаты текущих исследований токсичности животных для прогнозирования неблагоприятных последствий для здоровья, а также применяют то, что уже известно о воздействии на другие волокнистые материалы, такие как асбест или мелкие и ультратонкие частицы. . Это ограничение человеческих данных привело к использованию принципа предосторожности, который побуждает рабочие места ограничивать уровни воздействия CNT настолько низкими, насколько возможно достижимыми в отсутствие известных данных о воздействии на здоровье.

Эпидемиологические исследования наноматериалов до сих пор рассматривали множество наноматериалов. Немногие из них были специфичны для УНТ, и каждый рассматривал небольшой размер выборки. Эти исследования обнаружили некоторую взаимосвязь между биологическими маркерами и воздействием MWCNT. Одно перекрестное исследование для оценки воздействия на здоровье было проведено для определения ассоциаций биомаркеров по отношению к измеренному воздействию CNT. Хотя никакого воздействия на функцию легких из-за воздействия не было обнаружено, в исследовании были обнаружены некоторые признаки ранних признаков воздействия на биомаркеры, связанные с воздействием MWCNT. Кроме того, некоторые результаты противоречили более ранним исследованиям in vitro, что потребовало дальнейших исследований для дальнейшего определения эффектов.

Резюме оценки рисков NIOSH

NIOSH провел оценку риска на основе имеющихся исследований, чтобы определить соответствующие рекомендации по уровням воздействия. Их обзор показал, что, хотя последствия для здоровья человека не наблюдались напрямую, были исследования на животных, которые показали потенциал воздействия на здоровье, которого можно было разумно ожидать у людей при достаточном воздействии. В дополнение к исследованиям на животных были проанализированы исследования клеток человека, и было установлено, что вредные эффекты были выражены. В конечном итоге оценка риска показала, что наиболее подходящими данными для расчета REL были исследования на животных. Поправки на межвидовые различия и обновления, отражающие прогрессивные технологии в методах отбора проб и возможностях обнаружения, рассматривались как часть оценки риска. Результирующий REL на несколько порядков меньше, чем у других проблемных углеродистых твердых частиц, графита и технического углерода.

Управление рисками

На сегодняшний день несколько международных правительственных агентств, а также отдельные авторы разработали пределы профессионального воздействия (OEL), чтобы снизить риск любых возможных последствий для здоровья человека, связанных с воздействием CNT на рабочем месте. Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) провели оценку риска с использованием животных и другие токсикологические данные , имеющие отношение к оценке потенциальных доброкачественных неблагоприятных респираторных эффектов НКТ и предложил OEL 1 мкг / м ³ элементарного углерода в качестве вдыхаемой массы 8-часовая средневзвешенная по времени концентрация (TWA). Несколько отдельных авторов также выполнили аналогичные оценки риска, используя данные о токсичности для животных, и установили пределы воздействия при вдыхании в диапазоне от 2,5 до 50 мкг / м ³ . В одной из таких оценок риска использовались два данных из двух различных типов воздействий для достижения OEL в рамках адаптивного управления, когда ожидается, что рекомендации будут пересмотрены по мере поступления дополнительных данных.

Безопасность и предотвращение воздействия

Профессиональные воздействия, которые потенциально могут привести к вдыханию УНТ, вызывают наибольшую озабоченность, особенно в ситуациях, когда УНТ обрабатываются в виде порошка, который легко распыляется и вдыхается. Также вызывают беспокойство любые высокоэнергетические процессы, которые применяются к различным препаратам УНТ, такие как смешивание или обработка ультразвуком УНТ в жидкостях, а также процессы, которые разрезают или просверливают композиты на основе УНТ в последующих продуктах. Эти типы высокоэнергетических процессов будут распылять УНТ, которые затем можно будет вдохнуть.

Рекомендации по минимизации воздействия и риска для УНТ были опубликованы несколькими международными агентствами, которые включают несколько документов от британского Управления здравоохранения и безопасности под названием «Использование наноматериалов в работе, включая углеродные нанотрубки и другие биостойкие наноматериалы с высоким соотношением сторон» и «Управление рисками». Углеродных нанотрубок « Безопасная работа в Австралии » также опубликовала руководство под названием «Безопасное обращение и использование углеродных нанотрубок», в котором описаны два подхода к управлению рисками, которые включают управление рисками с подробным анализом опасностей и оценкой воздействия, а также управление рисками с использованием контрольных полос . Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья также опубликовал документ под названием «Текущий информационный бюллетень 65: профессиональное воздействие углеродных нанотрубок и нановолокон», в котором описаны стратегии контроля воздействия на рабочем месте и реализации программы медицинского наблюдения. Управление по охране труда и здоровья опубликовало «Информационный бюллетень OSHA, Безопасность работы с наноматериалами» для использования в качестве руководства в дополнение к веб-странице, на которой размещены различные ресурсы.

Эти руководящие документы обычно рекомендуют внедрение принципов Иерархии контроля опасностей, которая представляет собой систему, используемую в промышленности для минимизации или устранения воздействия опасностей. Средства управления опасностями в иерархии в порядке уменьшения эффективности:

Устранение потенциального воздействия.
Замена менее опасным химическим веществом или технологическим процессом.
Технические средства контроля, такие как системы вентиляции, экранирование или ограждения.
Административный контроль, включая обучение, политики, письменные процедуры, графики работы и т. Д.
Средства индивидуальной защиты

дальнейшее чтение

Текущий информационный бюллетень NIOSH 65: Воздействие углеродных нанотрубок и нановолокон на рабочем месте

Languages

In other projects