分类、定义、属性、危险等级、 Nanoparticles 和纳米技术风险和毒素学

包括的事宜

背景

小颗粒为什么是一个大故事

不定的术语

以分类的分歧

以定义的分歧

四期望的生成

设计的 Nanomaterials 惊奇的物理

范围事态

形状事态

危险等级、风险和艺术的其他术语

危险等级

风险

风险

剂量

关于剂量学的问题

Nanoparticles 惊奇的毒素学

范围事态

形状事态

纯度事态

稍候

背景

此条款由国家纳米技术主动性原来地写 (NNI)作为指南为写关于纳米技术健康与安全风险的申报人和新闻记者。 它关于了解承诺和危险提供好背景知识在纳米技术方面。

小颗粒为什么是大故事

数十年,科学家从原理,如果他们可能操作各自的分子,他们可能设计与电子的材料,光学和散装没观察的其他属性期望 - 和开张在电子、医学和消费品的新的边境。 相反,因为细胞使用一些氨基酸装配与各种各样的特性和功能的蛋白质,纳米技术可能使成为可能设计和设计材料在这个分子级别有特殊的财产。 在 1959年 “有大量空间在底层”是已故的加利福尼亚理工学院物理学家理查 A. Feynman 的一个常被引述的预言讽刺。

半个世纪后,纳米技术承诺是成为的事实 - 不仅在实验室里,但是已经在范围从遮光剂的一些商业消费品到自清洗视窗。 更加扣人心弦的是被瞄准的癌症疗法的可能性,肿瘤可能被根除,无需做其余机体病残。 环境研究员调查使用设计的 nanoscale 材料 (设计的 nanomaterials 简称) 净化或淡化水,改进节能,或者清扫有害废料。 的确,人们开始谈论设计的 nanomaterials 作为材料全新的选件类和纳米技术作为是一新行业革命重大对 21 世纪,第一工业革命是对 19 世纪,并且信息技术革命是对第二十。

但是与这样一种革命新技术来关于职业的问题,消费者和环境安全卫生。 如果设计的 nanomaterials 有物理属性与他们的批量副本不同,他们也许也形成新的风险在他们的制造、使用和处理的人类健康?

没人知道。 当前数据基本上建议 “它取决于”。 但是研究员政府和私人工业的是敏锐的发现。

首先,有毒可以是有用的。 的确,它为某些应用高度被寻找,例如癌症疗法。 (并且,请记住有毒经常取决于剂量和管理: 甚而食用盐是含毒物的在大剂量。)

其次,如果有毒知道,处理的和包装的程序在制造过程中可以构想缓和不期望的风险的风险,使用危险物料,在行业定期地执行。 安全处理设计的 nanomaterials 的程序可能需要与用于更大的测微表尺寸微粒物质特别现在的那些有所不同重要对 nanomanufacturing 的工作者。 问题也提出了关于设计的 nanomaterials 安全性在消费品或在可植入的可移植的医疗设备,或者对植物和动物在这个环境里在处理以后。

第三,纳米技术开发员注意在被察觉的风险的一个课程从一个无关的高科技地带: 使用基因上被修改的有机体,出现在庄稼和产品简介的消费者抵抗 (GMOs)。 一部分,该阻力出现了,因为生物科技公司介绍 GMO 产品,不用关于合法问题和关心的开放论述在公众,与这个结果公共感到它必须接受健康风险和环境,当福利被限制了到增加的利润大农工联合企业的时。 这个结果是普遍公共不信任和怀疑。 要避免一种相似的命运 (特别是产生该关心和呼叫请求管理规定用有些季度已经表示), nanotech 开发员继续处理什么他们称 “负责的发展”。 在估计特别地包括鼓励工作早,直率的新闻报导设计的 nanomaterials 的风险以及福利,以及通过透明进程构想的直接的管理规定。

此条款有三个目的: 速写设计的 nanomaterials (并且,就此而言,也自然和偶然发生的 nanoparticles) 物理和生物的重要基本要点,显示重要问题和资源和 - 最重要 - 警告关于逻辑矛盾的发现和缺陷和建议来源的通透的问题。

不定的术语

以分类的分歧

根据国家学院,被区分在纳诺缩放比例微粒之间的三种类型 (经常缩写在文件作为 “NSPs ") : 自然,偶然发生和设计。 自然 nanoparticles 在这个环境 (火山的尘土、月球尘土、 magnetotactic 细菌、矿物综合等等) 里发生。 由于人造工业生产方法 (柴油尾气、采煤燃烧、焊接发烟等等),偶然发生的 nanoparticles,有时也称浪费或人类微粒,发生。 自然和偶然发生的 nanoparticles 可能有不规则或正常形状。 设计的 nanoparticles 经常有正常形状,例如管、范围、环形等等。

设计的 nanomaterials 可以生产由碾碎或一个大范例的平版印刷的蚀刻对得到的 nanosized 微粒 (自顶向下的途径的经常称 “"),或者通过装配更小的亚单位通过晶体成长或化学制品综合生长这种期望范围和配置 (自下向上的途径的 nanoparticles 经常称 “")。 因为特定生产技术也许影响人类健康危险, 请求来源指定。

关于有毒的最近问题处理在设计的 nanomaterials。 但是,关于自然和偶然发生的 nanoparticles 的文件是有用的,因为更多知道关于他们 (一部分,由于对烟雾、焊接发烟、煤屑和极其细小的湿剂的研究),并且,因为关于他们的工作情况的信息可以是有用的为了解设计的 nanoparticles 工作情况。

并且根据国家学院, nanoscale 设计或自然如此材料是否请似乎归入四个基本的类别。 组当前与商业 nanomaterials 的大数是金属氧化物,例如锌或氧化钛,用于陶瓷、化工抛光剂、临时抗性涂层、化妆用品和遮光剂。 第二个重大的组是 nanoclays,加强或硬化材料或使他们阻燃的自然发生的板状的黏土微粒。 第三个组是 nanotubes,即用于涂层消散或使静电减到最小 (在燃料管,在处理盘的硬盘,或者在将静电地被绘的汽车机体)。 最后组是数量小点,用于试探性医学或在 nanoelectronic 结构自集合。 但是请注意: 没有每个官方消息来源发现同样范畴有用。 例如,美国环境保护机构分开设计的 nanoparticles 成基于碳的材料 (nanotubes,球碳),金属根据材料 (包括金属氧化物和数量小点), dendrimers (从未指明的化学分支的部件编译的纳诺尺寸聚合物) 和综合 (包括 nanoclays)。

以定义的分歧

多数和英国 nanotech 专家定义了 NSPs 作为微粒小于 100 毫微米 (nm) - 即, 0.1 测微表或微米 (μm) - 在所有一维数。 因此,稀薄纤维比 100 毫微米将被认为 NSP,即使它是长几个的测微表。 此定义,然而,不是通用的。 在日本

要解决这样混淆, ISO、 IEC、 ANSI、 ASTM 和其他国家和国际标准机体现在讨论术语、计量学、描述特性和途径的标准化对安全卫生。 直到被完成的所有, 请求来源澄清强调他们的特定工作的定义和假定。 差异也许是关键的对报告的物理和生物。

多么小的 100 是否是毫微米? 它是大约一一百第一千个是 50 到 100 μm) 的直径人发 (。 更加有用地, 1 μm (1,000 毫微米) 是大约细菌的范围,关于什么的限额通过多数光学显微镜是可视的。 相反, 100 毫微米是大约病毒,第十的范围细菌的范围。 NSPs,象病毒,甚而通过最佳的光学显微镜是无形的,因为他们小于 (从大约 700 毫微米范围在红色到 400 毫微米在这朵紫罗兰) 的波长光; 他们可以是仅印象的与一些更加高分辨率的仪器例如扫描电子显微镜。 1 毫微米是大约一个唯一糖分子的范围。

四期望的生成

已经,科学家联系根据设计的 nanomaterials 的生成。 第一代的是被动 nanostructures,例如各自的微粒、涂层等等 - 设计的 nanomaterials 的类型已经合并到一些消费品里。 第二代的是执行一个有效的功能,例如晶体管或传感器,或者起反应用一个可适应的方式的 nanostructures; 许多开发中是。 第三代设计的 nanomaterials 也许是可能自汇编或使用瞄准药物发运到特定身体部位的三维系统,期望被开发大约 2010年。 第四代故意地期望是分子结构。

一个简单的想法实验显示 nanoparticles 为什么有这样现象表面每个单位体积。 材料的一个固定的多维数据集在 a 的 1 cm 边关于糖的范围多维数据集有 6 平方厘米表面,对一半的一个端的等于胶棍子。 但是,如果 1 立方厘米的该数量充满了多维数据集在端的 1 mm,那是 1,000 个毫米尺寸多维数据集 (10 x 10 x 10),每一个有 6 平方毫米表面。 甚而在原始数量内部, notecard 因为一个必须计数所有毫米多维数据集表面 1,000 个多维数据集的总表面积加起来到 60 厘米关于的正方形同一个端的三分之二一样 3 x 5。 但是,当该唯一立方厘米数量充满多维数据集在边是时的 1 毫微米, 1021 他们,其中每一与 6 正方形区毫微米他们的总表面积来到 60 百万平方厘米或 6,000 平方米。 换句话说,一唯一立方厘米立方体 nanoparticles 大于橄榄球场再有一个总表面积第三!

AZoNano - 在线纳米技术 A 到 Z - 表面绘制

图 1. [来源: Trudy E. Bell; 更加充分 Nicolle Rager 图象的礼貌]

设计的 Nanomaterials 惊奇的物理

范围事态

在 nanoscale,根本机械,电子,光学,化工,生物和其他属性可能与测微表尺寸微粒或粒状材料属性极大有所不同。

一个原因是表面。 表面计数,因为介入固体的多数化学反应发生在表面,化学键是未完成的。 一种固体物料的一立方厘米的表面是 6 厘米关于的正方形同一半一样的一个端胶棍子。 但是一立方厘米的表面 1 nm 在一粒极其细小的粉末的微粒大于橄榄球场是 6,000 个正方形仪表字面值每第三。 (参见图 1,上述。)

因此, NSPs 的收藏与他们的极大表面的可以是格外易反应的 (除非涂层是应用的),因为更多比他们的化学键三分之一在他们的表面。 例如,发现使用 nanoscale 银纤维,银 nanoparticles 有效的杀菌剂启发几家公司设计可再用的水洗净补白。

在什么范围有形资产是否开始更改? 它是否是一个逐渐转换作为一个从大进行小,或者有没有下属性突然更改的阈值在? 两个可能是真的,实际上。 Quantum 大小作用开始极大修改有形资产 (例如荧光的透明度、颜色,电导率、磁性渗透性和其他特性),每当他们控制热量作用,许多材料的是大约 100 毫微米。 对电子属性,数量大小作用相反地增加与越来越少的颗粒大小。 然而,为那些材料,其他明显的属性变得显著在特殊范围 - 例如,金 nanoparticles 非常地增加了催化作用的属性在 3 毫微米。 分析在不同的范围的物质作用是基础研究高放射性区域。

AZoNano - 在线纳米技术 A 到 Z - 金刚石、石墨和 Buckminsterfullerene 结构

图 2。

碳和一些其他要素 (包括硫磺、锡和氧气) 被找到以多个结构上的形式,称同素异形体,有较大不同属性。 例如,以水晶形式,纯碳被找到作为石墨 (非常软绵绵地),金刚石 (非常艰苦) 和 Buckminsterfullerenes 的多种范围 (根据碳原子的数量)。

形状事态

与相同的化学成分的设计的 nanomaterials 可能有各种各样的形状 (包括范围、管、纤维、环形和飞机)。 而且,每一个这些形状可能有不同的物理属性,因为分子债券的模式有所不同,即使他们由同样原子组成。

例如,直到 1985年,相信纯碳只进来二种水晶形式: 六角晶格在一架二维飞机在) 立方体晶格在所有三维数延伸) 的石墨 (或金刚石 (。 年,在 1996年 60 个碳原子空心笼子在 soccerball 形状的在实验室里 (并且独立地被发现了在遥远的星形和在燃烧副产品) - 很重大碳的一份新的水晶的表单首先做它由在化学的诺贝尔奖识别。 新的表单,相当稳定,以这位建筑师理查更加充分的 Buckminster,同一形状的网格球顶的发明者命名 buckyball 或球碳。 从那以后, 70 个, 74 个和 82 个碳原子稳定的球碳也被综合了。 (参见图 2,上述)

同样,二氧化钛 (TiO) 在二不同形状和至少水晶结构 NSPs 被综合了,其中每一可能有不同的有毒。 虽然二氧化钛的确通常不透明白,使用做空白油漆 - 作为设计的 nanoparticles,其光学质量更改,允许它变得透明。 它有效仍然阻拦紫外光,属性的组合有吸引力对化妆用品和遮光剂制造商。

其他属性问题。 比范围可能重要的其他有形资产根据综合方法包括充电、晶体结构、表面涂层、各自的 nanoparticles 剩余污染和倾向对综合到更大的丛。

危险等级、风险和艺术的其他术语

如果 NSPs 物理属性是很与粒状材料不同,什么也许是毒素学和人力风险的风险的涵义? 首先,一些重要定义:

·         危险等级

·         风险

·         风险

·         剂量

几个每天字有特定含义在风险分析领域、毒素学或者职业性安全与卫生。

危险等级

“危险等级”是潜在导致害处; 它是材料的一个固有特性。 硫酸,例如,是一种危险物料由于其化学。 什么都不可能更改那,短修改其化学成为其他。

风险

“风险”是可能性害处发生; 它是危险等级的组合与风险的概率和剂量大小和频率。 风险,不同于危险等级,可以管理和减到最小: 一种危险物料摆在低风险,如果风险和这个大小的也许通过该风险被接受剂量的机会和频率是低的。 因为风险的机会和这种潜在的剂量大,留下一个未贴标签的纸杯集中的硫酸在厨台摆在高危险; 但是同一酸,如果适当地标记和锁定在只培训的化学实验室人事部得以进入,形成最小的风险。

风险

“风险”是一种物质的浓度的组合在联络的期限乘的媒体的。 例如,飞溅和迅速被洗涤的稀释硫酸是可能只变红皮肤的低风险剂量; 允许的集中的硫酸坐皮肤是可能将导致严重的烧伤的高风险剂量。

剂量

“剂量”是输入一个生物系统,并且可以被评定作为系统剂量,这个生物系统占去的总计大小,或者作为在一个特定机构的相当数量物质 (皮肤、肺、肝脏等等) 的金额。 并且此中位于更加未回答的问题。

关于剂量学的问题

到现在,对的暴露尘土和含毒物剂量被评定了根据质量每个单位体积,通常毫克每立方米。 然而,非常 NSPs 的甚而低浓度 - 是否自然,偶然发生或者设计 - 在天空中请表示微粒的一个现象编号,象从极其细小的污染物的评定著名的。 显示实验室汇率在 100 nm 二氧化钛微粒唤起了相同数量肺炎症象 10 次更大的 (1-2.5-μm) 微粒更加巨大的质量。 实际上,在至少有些案件,相当数量炎症比与他们的质量。似乎更好与被管理的 NSPs 微粒表面 因此,有些毒素学家现在想知道表面是否比质量是剂量一个更好的评定 NSPs 的。 直到研究员知道最哪些计数,许多调查员在他们的文件开始指定两个。

Nanoparticles 惊奇的毒素学

范围事态

范围可能有另一种关键的生物结果: 那里 nanoparticles 在这个机体结果。

实际系数复杂例如空气动力学、重力和质量原因存款的最大的可吸入的微尘主要在鼻子和喉头。 所有毒副作用在该站点 (例如,鼻癌症发生由于木尘土)。 更小的颗粒在上面的空中航线存款和由这个 “mucosociliary 自动扶梯逐出; ”指状的纤毛和气管和支气管的黏液衬里,一起搬入微粒喉头和鼻子,他们是咳嗽,打喷嚏,盛开或者吞下。 所有毒副作用通常起因于吸收通过食道 (例如铅中毒)。

下个小颗粒击穿更深到这个齿龈音区域 (其中氧气和二氧化碳被交换进出这滴血液) 和通常被清除,当齿龈音巨噬细胞 (在肺的特殊 monocytic 净化剂细胞) 时吞噬微粒并且搬走他们。 但是,如果 NSPs 的高浓度被吸入,微粒的纯粹数量 -,特别是如果他们不成块 - 能淹没那些结算结构和他们能击穿到这条呼吸道的不同的部分。 毒副作用通常归结于杀害巨噬细胞,导致慢性炎症损坏肺组织 (石棉沉着病和矽肺是示例)。

在范围少于 100 毫微米,被吸入的微粒任何地方在这条呼吸道开始更正常运行,如气体分子,并且可以存款由扩散。 象气体,自然,偶然发生或者设计简单由于他们的 “nanoscopic”范围, NSPs 是否能穿过肺到血液和由细胞占去,在到达可能地敏感站点例如骨髓、肝脏、肾脏、脾脏和重点的几小时内。

当微粒成为小与细胞比较的范围,他们可以开始与这个细胞的分子机械配合。 中央神经系统的溴觉电灯泡 (其中检测芳香分子) 似乎能吸收的 NSPs 小于 10 毫微米从可能沿克服脑血液阻挡的轴突和枝状突起然后移动的鼻腔 -。

吸入不是唯一的途径到这个机体。 当咽下, NSPs 在肝脏、这个脾脏和肾脏可能结果。 当涉及, NSPs 在 50 毫微米范围内和更小比淋巴系统 (虽然其他方面例如微粒的充电和表面涂层也是重要的),有时,占去的更大的微粒倾向于更加容易地击穿皮肤和局限化在淋巴结。 (参见图 3,下面。)

同样的,这个 mucosociliary 自动扶梯也不是这个机体的唯一的出口。 有建议的证据 nanoparticles 可能通过尿排泄。 然而, nanoparticles 的 (尿、排汇物,汗水) 排泄途径可能根据风险途径变化,估量,充电,出现涂层、化学成分和许多其他系数。

对偶然发生的风险, NSPs 所有此增加到内脏里能是重要的事物。 但是为治疗风险,它是扣人心弦的,因为它建议设计的 nanomaterials 可以用于瞄准疗法到特定机构,相当难甚而的一个通常到达 (例如脑子)。

到目前为止,从不同的调查员的结果比明确暗示。 更多研究需要完成在管理方法,增加平均值和在机体的结算结构。 并且,当毫微米尺寸微粒在燃烧进程中时被生成,多数与其他微粒碰撞,由严格的表面张力和块集岩相连到更大的微粒。 颗粒大小的配电器将取决于密度毫微米微粒在生成。 其中一纳米技术健康研究的早期的优先级是获取可能与设计的 nanoparticles 的生产相关对微粒大小的更好的了解。

但是,范围不是该唯一的事情潜在的有毒的事态。

AZoNano - 在线纳米技术 A 到 Z - nanoscale 微粒 Biokinetics

图 3。

Nanoscale 微粒可能结果用不同的身体部位项根据范围和其他特性以及途径。 虽然许多增加和迁移途径被展示了,其他仍然是假定和需要调查。 迁移费率是主要未知的,象累计和留成在重要目标站点和他们的基础结构。 这些,以及潜在负面作用,主要取决于 NSPs 的表面和核心的物理化学的特性。 在 NSP biokinetics 上的定性和定量变化在一个害病或减弱的有机体也需要考虑。

形状事态

虽然 NSPs 形状也产生他们唯一属性,在毒品控制法案 (TCSA) 设计的 nanoparticles 下不可以被查看作为新的化合物,除非他们有唯一构成。 例如, TiO nanoparticles 处理同一个方式关于管理规定象批量 TiO,即使二份表单有不同的属性。

有些研究向显示而且有的材料同一构成,但是不同的形状以及范围有不同的有毒 -,不与一个线性关系,有人可能预计。 例如,一个研究显示 nanoparticles 50 到 130 毫微米石英水晶硅土 (已知的物质是含毒物的) 比 1.6-μm 微粒 -,但是 10 nm 微粒较不含毒物的实际上是更加含毒物的。 但是项途径到这个机体里以及剂量也影响有毒。

纯度事态

因为它不是毒的对或拒绝由这个身体,在宏观要素的批量碳是医疗有用的。 然而,有些研究员从实验观察了碳 nanotubes (单一特别是被围住的或多被围住的碳 nanotubes) 比碳的其他表单似乎含毒物。 因为使用的 nanotubes 有铁或溶剂,跟踪杂质其他辩论了该索赔。 的确,有些研究建议 nanoscale 碳的其他表单例如 C60 球碳也许由是防止有毒抗氧剂。

可能在赌注这里,或者在关于其他设计的 nanomaterials 的相似的辩论中,愿是设计的 nanomaterials 的纯度。 在此阶段,人们没有绝对在制造过程的可重复的控制; nanotech 生产大致现在是铟磷砷化镓 (InGaAsP) 的地方半导体激光的生产在早期对 20 世纪 80 年代中期 - 相对地低产量可靠的生产。 因此,从一个供应商的 buckyball 产品与那些不一定是相同的从别的,因此有毒可能有所不同。 询问来源仔细问题微粒的范围,他们的制造,实验法,他们是否分析了材料,当他们执行这个实验或相信这个供应商的时候发表的语句和他们的与其他研究的结果比较。

稍候

进行中更多的研究,有更多和新刊物报告关于 nanotoxicology。 直到更多肯定,职业性安全与卫生 (NIOSH) 国家学院宣布研究需要和临时指南保护的工作者的 nanotech 行业的在其报表处理对安全的纳米技术。

主要作者: Trudy E. Bell

来源: 国家纳米技术主动性 (NNI)

关于此来源的更多信息请参观国家纳米技术主动性 (NNI)

Date Added: Aug 16, 2006 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 09:12

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