纳米材料的生物毒性

•纳米TiO2在涂料、抗老化、污水净化、化妆品、抗静电等方 面存在广泛应用 •超细TiO2(<30 nm, 用量2 mg)、大鼠、氧化应激： 肺泡巨噬细胞的数量增加，诱导了抗氧化酶的生成；酶 活性升高并没有阻止脂质过氧化和过氧化氢的生成，却未能 消除TiO2纳米颗粒产生的毒副作用
•用支气管吸入法或支气管注入法研究发现纳米尺度的TiO2颗 粒均比微米尺度的TiO2颗粒对肺部的损伤程度大 •TiO2纳米物质的生物效应与尺寸效应有关： 1. 大鼠肺泡巨噬细胞对相同质量、不同尺寸的TiO2(20 和250 nm)粉末的清除：250 nm 的TiO2的清除半减期为177 d; 20 nm 的TiO2的清除半减期为541 d。尺寸越小，越难以 被巨噬细胞清除 2.不同尺寸的TiO2(29和250 nm)颗粒对巨噬细胞株 (J774.2 MF)吞噬能力的影响：29 nm比250 nm的TiO2颗粒 对巨噬细胞的吞噬能力降低更明显 3.不同尺寸的TiO2(20和200 nm)颗粒对原代大鼠胚胎成 纤维细胞的影响：20 nm颗粒处理后微核数目显著升高, 引起 凋亡. 而200 nm颗粒并未引起细胞内微核数目的变化
1、磁性纳米颗粒：在小鼠的血管内会逐渐变大，将血管堵 塞，最后导致小鼠死亡
2、超细铁粉：铁在环境中广泛存在, 并且是大气颗粒物中 主要成分。 计量效应：大鼠、57和90μg/m3的超细铁粉颗粒物(72 nm, 3 d)，57μg/m3的无明显效应, 90μg/m3的铁粉颗粒引 起了轻微的呼吸道反应。实验中的浓度(90μg/m3)还远远 低于可允许暴露的铁粉最高浓度(15μg/m3), 大鼠肺部铁粉颗粒沉积：Fe2O3、铁蛋白、生物活性铁.
•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，并产生与其在在溶液中不一样的毒性效应
不同的暴露途径对羟基化单壁碳纳米管 在小鼠体内分布的影
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，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
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。 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
•用射线探测技术：羟基化单壁碳纳米管(直径约1.4 nm，长 约400 nm) 的外表面标记1个125I原子, 导入小鼠体内，发现表 观分子量高达60万的SWCNTs可以在小鼠的不同器官之间自 由穿梭，通过尿液排泄，而60 万分子量的常规物质是不可能 出现如此奇特的现象，11d后仍有30%蓄积在体内 •0.1mg碳纳米管的悬浮液，通过支气管注入大鼠和小鼠肺部. 90d后仍停留在肺部，并引起多中心肉芽肿的生成，对照组 的碳黑颗粒只引起了小鼠肺部轻微的炎症
纳米颗粒的尺寸越小, 显示出生物毒性的倾向越大;
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。
1, NP 产生活性氧物质(ROS); 2, 一些 NP 能释放金属离子等有毒物质; 3, NP 附着在细胞表面; 4, NP 通过细胞内陷、 膜通道及细胞吞噬作用 等进入细胞内部;
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
• 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和MWCNTs均能对巨噬细胞产生毒性效应，抑制其 噬菌作用，并诱导其凋亡： 暴露于5 μg/mL SWCNTs的巨噬细胞出现皱折，5μg/mL MWCNTs的细胞核变性、核基质减少；剂量升高到20 μg/mL 时，SWCNTs组巨噬细胞肿胀，并出现空泡和吞噬小体； MWCNTs组染色质浓缩, 出现月牙样边集, 细胞浆中出现空泡, 等细胞凋亡的症状
金属及氧化物纳米材料
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氧化物纳米材料(如纳米 ZnO, TiO2, SiO2 等)、零价纳米金属材料(如纳 米铁, 银, 金等)和纳米金属盐类(如纳米 硅酸盐, 陶瓷等)
量子点（CdSe, CdTe）
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 。
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 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
细胞吸收纳米颗粒的途径
几种纳米材料的生物毒性
展望
王蒙，生物医学工程 2014.11.27
优越的磁性 小尺寸效应 、量子效应
良好的导电性
… …
独特的光学性质
应用广泛，对其的毒理研究意义重大 PM2.5 NM2.5
碳纳米材料
单壁纳米碳管(SWCNTs)、多壁纳米碳管(MWCNTs)、富勒烯(C60)、 炭黑等
5, NP 产生的 ROS 和有毒物质破坏细胞膜;
6, NP 通过破坏的细胞膜处 进入细胞; 7, NP 对细胞产生氧化压力并破坏细胞器等; 8, 细胞内 含物外泄到胞外;
9, NP 最终导致生物毒性效应
现今研究中存在的问题
至今, 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.
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。
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。