5 Проблемы безопасности НТ

Бурное развитие НТ и применение НО в промышленных масштабах уже в ближайшее десятилетие способно качественно изменить жизнь людей. У лекарств появляются новые свойства. Можно лекарство маркировать НЧ, превратить его в средство направленного действия, заставить «садиться» на ту ткань, которую необходимо разрушить (например, раковую опухоль), или, наоборот, защитить от повреждения функциональную ткань. Станут доступными «вечные» элементы питания, гибкие цветные дисплеи, более быстрая электроника, «умные» бытовые и строительные материалы, самовосстанавливающиеся, стойкие к загрязнениям. Предстоящая нанотехнологическая революция сулит блестящие перспективы дальнейшего развития человечества [2-25]. На сегодняшний день ученые не обнаружили никаких физических законов, опровергающих возможность манипулирования материей атом за атомом [110-114].

Несмотря на сознаваемую в последнее время опасность нерегулируемого развития НТ из-за токсичности НО для живых организмов [26-94] и недостаточной изученности миграционной способности НО в ОС [95-109], НТ могут обеспечить радикальное преобразование как современного производства и связанных с ним технологий, так и человеческой жизни в целом. Однако эти перспективы останутся миражами без действенного контроля за безопасностью использования НТ и применения НО. От эффективной системы обеспечения безопасности НТ напрямую будет зависеть выживаемость человечества в XXI веке [115-138]. С самого начала необходимо обеспечить оценку безопасности для полного цикла существования любой вводимой в действие нанотехнологии. Должна оцениваться безопасность на экспериментальной стадии в исследовательском учреждении, безопасность пилотных разработок, безопасность промышленного производства, безопасность во всех сферах применения, безопасность в возможных аварийных ситуациях, безопасность при выводе технологии из эксплуатации и при хранении и захоронении отходов, содержащих НО.

Наиболее грозной и непривычной опасностью представляется выход из под контроля размножающихся молекулярных ассемблеров, которые, продолжая работу в автономном режиме при адекватном снабжении энергией, смогут перестроить любые встреченные ими среды и материалы в новые ассемблеры и некую «серую грязь». Экспоненциальный рост может продложаться до тех пор, пока доступные энергия и материалы не будут исчерпаны. Эрик Дрекслер [9] подробно обсуждает такую возможность и предлагает, в общих чертах, опредленные меры предосторожности, которые добровольно должны возложить на себя все страны, занимающиеся разработкой НТ.

Более традиционный вид опасности НО связан с их физико-химическими свойствами, их высокой дисперсностью и характером процессов взаимодействия НО с элементами живой клетки. Общей особенностью воздействия НО и ионизирующих излучений на живые u1082 клетки является образование свободных радикалов и перекисей. Оценка безопасности для НО должна включать описание биологических воздействий, их дозиметрические характеристики, связь этих характеристик с наблюдаемыми уровнями биологических эффектов (кривые доза-эффект), количественное описание этих эффектов и управление этими эффектами путем применения процедур оптимизации и соблюдения пределов воздействий. При этом дозиметрия НО становится началом такой цепочки оценок.

В качестве физической меры потенциального воздействия НО предлагаются различные величины и, в частности, поверхность НО на единицу объема в воздухе или в воде. Выраженность эффекта будет определяться чувствительностью биологической системы к конкретным НО. В ряде случаев для этих же целей может быть использовано измерение опосредованных величин – выхода свободных радикалов на единицу массы или объемной концентрации перекисных соединений. Обеспечение безопасности персонала при работе с НО требует разработки и применения такого рода дозиметрических методик. Вопросы переноса НО внутри организма человека, так же как и переноса НО в природных средах и через компоненты экосистем также вписываются в рамки традиционного подхода радиоэкологии. Как и в атомном проекте, обеспечение безопасности применения нанотехнологий должно развиваться опережающими темпами и гарантировать оптимизированный минимум вредных воздействий на человека (население и персонал) и окружающую среду. Научный фундамент в виде достаточно полного списка ожидаемых вредных воздействий от различных нанообъектов (НО) и наносистем (НС), а также оценки вероятности их проявления у человека и в объектах окружающей среды в зависимости от уровня воздействия (дозы), должны быть созданы в кратчайшие сроки. На основе этого фундамента будет построена система оценок риска и нормативов безопасности применения нанотехнологий.

5.1 Основные НО сегодня и в ближней перспективе

5.1.1 Общая характеристика НО

Конечно, НО – это специально сконструированный объект наномасштаба (НМ). Но для более конкретного определения – что именно считать нанообъектом (НО), необходимо иметь какой-либо более точный критерий. Видимо, наилучшим критерием является относительная доля поверхностных молекул (структурных единиц) в наносистеме (НС) (рис. 1) [33,60,66,97]. В соответствии с этим критерием НЧ следует называть объект, линейные размеры которого не превышают 700 нм (0.1%). Иногда такие частицы называют «ультра малыми» или ультратонкими» (ultrafine), а за максимальный размер нанообъекта принимают 100 нм (примерно 1%).

Рисунок 1. Зависимость числа поверхностных структурных единиц
от размера

В настоящее время потребителям доступно уже несколько сотен продуктов, выполненных с использованием НО. Конечно, в литературе (список) существует множество классификаций НО. Однако следует отметить, что НЧ, поступая в ОС, формируют с окружающим их вещество структурных единиц в веществе от размера НС. сложные НС – множество тел, взаимодействие которых рассматривается на НМ, и окружающая их среда, ограниченная возможностью наблюдения или естественными барьерами (таблица 1). Именно наличие НС будет характеризовать поведение НО в ОС. Таким образом, все эти НО, согласно образуемым ими НС, удобно разделить на три главных типа:

на основе углерода (фуллерены, нанотрубки);
на металлической основе (квантовые точки, нанокристаллы золота, серебра, окисей титана, цинка и т.д.);
нанокомпозиты и древовидные (дендритные) структуры на полимерной основе, органические и неорганические нанопленки.

Основные физические формы НО и образующиеся при их взаимодействии НС

5.1.2 НО на основе углерода – фуллерены и нанотрубки

Наиболее известные и широко применяемые в настоящее время ОНТ – фуллерены. Это молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода. Первоначально данный класс соединений был ограничен лишь структурами, включающими только пяти- и шестиугольные грани1 (1 для существования замкнутого многогранника с n вершинами, имеющим только 5- и 6-угольные грани, необходимым условием является наличие ровно 12 5-угольных граней и n/2−10 6-угольных граней (теорема Эйлера для многогранников).Они были открыты в 1985 г. при исследовании масс-спектров графита. Группа исследователей в спектрах паров углерода обнаружила линии, соответствующие 720 и 840 а.е.[52], принадлежащие молекулам С60 и С70 соответственно. Молекула С60 имеет форму усеченного икосаэдра (рис.2) а С70 - вытянутую эллипсоидальную форму. Фуллерен C70, отличающийся от фуллерена C60 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область C60, менее распространён, чем С60, но вполне обычен. Так называемые высшие фуллерены, содержат до 400 атомов углерода, образуются в незначительных количествах и имеют довольно сложный изомерный состав. Наиболее изучены высшие фуллерены Cn, n=74, 76, 78, 80, 82 и 84.

компьютерная модель

фото

Рисунок 2. Наиболее распространенная форма фуллерена - молекула С60.

Это наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов, в нём углеродный многогранник состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Каждый атом углерода в С60 принадлежит одновременно 2-м шести- и 1-му пятиугольнику, то все атомы в С60 эквивалентны. Это подтверждается ЯМР- спектром изотопа С13, содержащим лишь одну линию. Длина связей С-С различна. Связь С=С, являющаяся общей стороной двух шестиугольников, 0.139 нм, а связь С-С, общая для шести- и пятиугольника - 0.144 нм [20].

Фуллерены обладают нелинейными оптическими свойствами и имеют большие перспективы для использования в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности благодаря высокому быстродействию ~250 пс. Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с запрещенной зоной ~1.5 эВ, также перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного усилительного элемента. Фуллерены могут быть использованы и как фоторезисторы. Легирование твердого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Переход соединения К3С60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 19оК, а RbCs2С60 — при 33оК [41]. Фуллерены используются для улучшения аккумуляторов и электрических батарей, основой которых являются литиевые катоды с добавками фуллеренов. Наиболее полный обзор физико-химических свойств фуллеренов в [21]. Другим типом НО на основе углерода являются углеродные нанотрубки (рис.3). Перспективы применения нанотрубок весьма обширны и, очевидно, определяются их механическими и физико-химическими свойствами [43]:

сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы;
транзисторы,
нанопровода,
топливные элементы,
капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки;
прозрачные проводящие поверхности, дисплеи, светодиоды.

фото нанотрубок

компьютерные модели:
однослойные нанотрубки

многослойные нанотрубки

Рисунок 3. Углеродные нанотрубки

Это протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Нанотрубки состоят из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) с полусферической головкой на конце. Эти трубки нередко получаются многослойными, представляя собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую. Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью – при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях. Ещё одним перспективным НО на основе углерода является алмазоид — нанокристллы углерода или гидрокарбоната, в которых атомы углерода образуют алмазоподобную тетраэдральную пространственную сетку с конфигурацией электронных орбиталей sp3. В природе алмазоид встречается в сырой нефти в виде молекул низших гидрокарбонатов — адамантана (C10H16), диамантана (C14H20) и триамантана (C18H24). Все эти соединения были также искусственно синтезированы ещё несколько десятилетий тому назад. Свойства этих материалов различны, однако всем им присущи некоторые свойства природного алмаза (модуль Юнга > 1050 ГПа, Тплавления >2000oK, плотность 3500 кг/м3). Любой предмет, изготовленный из алмазоидов, будет во всём превосходить аналогичный предмет из стали и, кроме того, окажется значительно легче аналогов из других материалов. Такие уникальные свойства алмазоида объясняются высокой энергией ковалентных связей С-С. Мало того, характеристики алмазоида можно менять, включая в его пространственную структуру различные добавки, и получая, например, материалы с различной электропроводностью, гибкостью и гидрофобностью. Это делает алмазоиды весьма перспективными для авиакосмической, автомобильной, судостроительной промышленности. Вероятно, что благодаря своим уникальным характеристикам, алмазоид станет универсальным и дешевым материалом XXI века [15].

5.1.3 НО на металлической основе

Значительные перспективы имеет использование неорганических НО на металлической основе. Наиболее интересными из них являются квантовые точки (Рис.4). Квантовые точки представляют собой плотно упакованные полупроводниковые нанокристаллы, содержащие от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов и имеющие размеры от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Изменение размеров квантовых точек меняет их оптические свойства.

Рисунок 4. Компьютерная модель квантовой точки на основе нанокристалла арсенида галлия, состоящего из 465 атомов.

Другие НО на металлической основе - неорганические нанокристаллы золота, серебра, окисей и солей различных металлов (ZnO, Si, SiNx, Au, CdSe, CdS, Fe3O4), способны образовывать прочные комплексы с самым широким спектром неорганических (в том числе с атомарным кислородом и молекулярным водородом) и органических молекулами и структурами (в том числе ДНК) [2-25]. Это создает широкие возможности для их использования в качестве фотоэлектрических и топливных элементов, при разработке лазерной техники, в медицине, в защите окружающей среды и так далее (рис.5).

Рисунок 5. Нанокристалл окиси цинка (слева) и нанодеревья фосфида галлия (справа)

Например, импульсом к исследованию свойств наночастиц серебра послужили хорошо известные биоцидные свойства металлического серебра. Предполагается, что эти свойства могут быть многократно усилены за счет их малых размеров и значительной удельной поверхности. Это позволит создать биоцидное средство нового типа, эффективное в очень малых дозах, обладающее широким спектром антимикробного действия и экологически безопасное [14,94].

5.1.4 Нанокомпозиты и древовидные структуры НО на полимерной основе

Эти наноразмерные полимеры строятся из органических, органометаллических, органосиликатных и т.п. блоков, имеющих разветвленную структуру. Их объединение в более сложные конструкции (рис. 6,7) может придавать им специфические свойства, делая их применение заманчивым в процессах химического катализа, для очистки загрязнений, точной доставки лекарств и так далее [2-25].

Рисунок 6. Компьютерная модель роста древовидного нанополимера.

Рисунок 7. Бионеорганический комплекс молекулы окиси титана (в центре) с ДНК  (компьютерная модель).

Таблица 2.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ

5.2 Перенос НО в организме человека и окружающей среде

5.2.1 Источники поступления НЧ в ОС

НЧ в ОС – явление не новое. К настоящему времени кроме естественных источников поступления НЧ, существует множество источников ненамеренного антропогенного загрязнения ОС. С началом эры НТ к ним добавляется целый ряд намеренно созданных источников поступления НО в различные природные среды (таблица 3). Схема миграции НЧ в окружающей среде представлена на рисунке 8 [37,60,66].

В атмосфере НЧ с линейным размером менее 100 нм ведут себя в соответствии с газовыми законами [36,115]. Скорость их диффузии обратно пропорциональна размеру, а скорость гравитационного осаждения – пропорциональна размеру.

Таблица 3

ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ НЧ В ОС [97]

Рисунок 8. Пути миграции НЧ, подтвержденные экспериментально (сплошная линия), и предполагаемые (точки). Возможные источники и причины деградации обозначены курсивом.

5.2.2 Пути поступления НО в организм человека

Как и для широко изученных загрязняющих веществ, миграция НЧ в ОС и последующее воздействие на живые организмы связано

с ингаляцией, то есть поступлением с вдыхаемым воздухом через легкие;
поступлением с водой и пищей через ЖКТ;
поступлением через кожные покровы и слизистые оболочки;
воздействием со стороны загрязненных поверхностей;
поступлением через жабры в кровеносную систему водных организмов.

Однако, большинство НО нельзя однозначно отнести к «загрязняющим» веществам, они могут поступать в организм человека

за счет намеренного воздействия при инъекциях или иных медицинских, косметических или оздоровительных процедурах;
из-за постоянного контакта с бытовыми предметами и материалами, выполненными с использованием НО.

Если пути миграции в ОС и воздействия на жизнедеятельность организмов достаточно очевидны (кроме последнего), то о миграционных свойствах НЧ в ОС известно крайне мало. В условиях явно недостаточной информации о миграционной способности НО в ОС и организмах крайне привлекательными выглядят попытки использовать накопленные к настоящему времени обширные знания о миграции мезо- и микрочастиц такой же химической природы. Однако такие попытки сразу сталкиваются с серьёзными проблемами, связанными, по-видимому, с высокой удельной поверхностью НЧ по сравнению с удельной поверхностью их аналогов. Следствием этого является не только отмеченная в различных работах значительно повышенная растворимость НЧ, но и их потенциально высокая сорбционная способность и высокая энергия связи с другими молекулами. Это приводит к образованию в растворах сложных и малоизученных комплексов с окружающими молекулами, меняющими миграционные способности НЧ.

Из-за очень большой удельной поверхности НЧ относительная значимость пути проникновения и воздействия на живые организмы через их поверхность может быть более высокой, чем для «обычных» веществ. В то же время исследования размеров НЧ в атмосферном воздухе населенных пунктов и вблизи мест производственной деятельности показывают значительный разброс, как их размеров, так и концентраций (таблица 4).

Таблица 4

Типичные концентрации и размеры аэрозольных НЧ в атмосфере
как результат человеческой деятельности.

Так как миграционные способности НЧ зависят не только от их химической природы, но от их размера и структуры, сильно влияющих на величину их удельной поверхности, неопределённость в оценке их миграционной способности значительна. В настоящее время подходы, основанные на оценке дозы по общей поверхности НЧ в единице объема, полагаются наиболее адекватными, хотя иногда применяются и способы оценки дозы на основе числа частиц или массовой концентрации [61,66,86,88] (таблица 5). Миграционные способности НЧ в водной среде ещё более зависимы от их удельной поверхности, чем в атмосферном воздухе.

Таблица 5

Соотношение между числом НЧ и их поверхностью для разного линейного размера НЧ при концентрации в воздухе 10 мкг/м3.

5.2.3 Миграция НО в организме человека

Размер НЧ оказывается существенным фактором при определении их растворимости (следовательно, физико-химической формы их нахождения в растворе), способности поступать внутрь живых организмов и проникать в клетки через клеточные мембраны. А такие способности, как обсуждается ниже, присущи целому ряду НО, которые могут проникать через клеточные мембраны во внутриклеточное пространство, представляя серьёзную угрозу, как метаболизму, так и процессам, связанным с использованием генетического материала клетки (транскрипция, репликация, репарация) [33-48,56,57,60,65,66,68,72,77-79,89,90,97].

Рисунок 9. Пути миграции ингалированных НЧ в организме человека
и их возможное воздействие на организм.

К сожалению, специальных экспериментов или исследований миграции ОНТ в человеческом организме, среди рассмотренной литературы не отмечено, однако ряд работ ставит вопрос о экстраполяции результатов экспериментов с животными (крысы, мыши) и культурами человеческих тканей in situ на организмы in vivo. Все эти работы находятся пока на начальной стадии. Заманчиво адапитровать обширные экспериментальные данные и модели метаболизма различных химических соединений для описания трансформации и переноса НЧ сходной структуры или химических свойств в живых организмах и, таким образом, оценить вероятную токсичность НЧ по токсичности их мезо- и микроаналогов. Фактически, именно такие подходы позволили выработать модели миграции НЧ в организме человека (рисунок 9) и таким образом использовать имеющиеся данные (рисунок 10) для предварительного анализа и оценки риска [60,65-66,100-102].

В целом, имеющийся набор данных о миграции НО в живых организмах позволяет утверждать:

разовое поступление НО в организм животного вызывает воспалительный эффект, величина которого зависит от дозы НО;
НО накапливаются в органах и тканях;
проникая и накапливаясь в костном мозге и нервных клетках центральной (ЦНС) и перифирической нервной системы ПНС), НО оказывают негативное воздействие на функционирование ЦНС и ПНС, приводя к хроническим воспалениям и нарушениям сердечно-сосудистой деятельности;
НО накапливаются в лимфоузлах, костном мозге, легких, печени, почках.

Рисунок 10. Зависимость осаждаемости НЧ в дыхательном тракте
от их линейного размера

Одновременно следует иметь ввиду, что

отсутствуют данные по долговременному воздействию НО на организм человека;
отсутствуют данные по долговременному воздействию НО на организм животных;
имеющиеся данные в основном получены на лабораторных мышах и крысах in vitro, данные in vivo практически полностью отсутствуют.

5.2.4 Механизмы проникновения НО внутрь живой клетки

Проведенные к настоящему времени эксперименты позволяют утверждать, что

НО способны воздействовать на метаболизм живой клетки, нарушая его естественный ход, в том числе за счет образования свободных радикалов;
на клеточном уровне НО способны проникать внутрь митохондрий и блокировать митохондриальную активность;
НО способны вызывать повреждение ДНК в экспериментах с изолированными клетками, в том числе за счет блокирования рибосомной активности.

Установленные механизмы проникновения НО внутрь живых клеток через биобарьеры приведены на рисунке 11 [81,138]. Очевидно, что проникновение НО через поверхностные клетки легких человека (эффективная площадь около 140 м2) и ЖКТ (200 м2) более значимо, чем через неповрежденную поверхность кожи (1.5 м2).

а)

б)

Рисунок 11. Экспериментально установленные механизмы проникновения НО:
(а) внутрь живых клеток, преодоления клеточных барьеров;
(б) модельные механизмы их проникновения в клетку и поведения внутри.

5.3 Биологические эффекты, создаваемые НО

5.3.1 Состояние работ по исследованию биологических эффектов

Те же свойства, которые делают НО столь привлекательными для широкого внедрения в промышленность и человеческий быт, делают их при определённом стечении обстоятельств потенциально опасными для человека и природы. Наномедицина и нанотехнология вообще являются новыми областями, и существует немного экспериментальных данных о неблагоприятных эффектах, вызванных использованием НО. Нехватка знаний о том, как наночастицы будут встраиваться в биохимические процессы в человеческом теле, вызывает особое беспокойство.

Решение проблем нанобезопасности и нанотоксикологии — общая задача, и её возрастающую значимость характеризует создание в 2006 г. Специального международного журнала Nanotoxicology. Работы в области исследования риска нанотехнологий в настоящее время интенсивно проводятся в США (Национальный институт здоровья США, NIH; Агентство по охране окружающей среды, EPA; Национальный институт рака NCI, и др.) [36-38], в Евросоюзе [39] и других странах, в том числе при участии международных организаций [46-138].

Подробно

изучаются пути миграции НО в человеческом теле;
оцениваются времена выведения НО из организма;
воздействия и соответствующие им эффекты для отдельных клеток, органов, тканей;
поступление в кровеносную систему через кожу и дыхательнын пути;
и непредвиденные реакции in vivo;

Ведутся интенсивные работы по развитию стандартов для НО, в том числе и в области медицины. Выпущенные US EPA, EU SCENIHR и NRG (Nanotechnology Risk Governance) [36-39,120,121,126], а также Международным Советом руководства рисками (International Risk Governance Council) [46] в 2006-2007 гг. отчеты подчеркивают нехватку экспериментальных данных относительно потенциальных рисков, связанных с наномедициной и нанотехнологией, для человеческого здоровья и экологии. До сих пор проводились исследования только на животных, да и то основной задачей подобных исследований всегда была лишь демонстрация принципов работы НО или какой-либо нанотехнологии.

Очевидно, что тесты для НО и соответствующих НТ должны быть всесторонними. Если тесты на токсичность проводить только на здоровых организмах, неважно, будут ли это эксперименты с животными или клинические исследования, то можно не зарегистрировать неблагоприятные эффекты, которые могут проявляться только у чувствительных групп населения. Кроме очевидных потенциальных рисков для пациентов, есть другие токсикологические риски, связанные с наномедициной.

Существуют еще и проблемы по утилизации наноотходов и экологическому загрязнению от изготовления наномедицинских устройств и материалов. Ещё большее беспокойство вызывают немедицинские применения наночастиц. В общем виде концепция оценки биотоксичности производимых и разрабатываемых НО выглядит так (таблица 6).

Таблица

Схема анализа биотоксичности НЧ

5.3.2 Результаты экспериментов по выявлению биологических эффектов

Проблема нанотоксичности оказывается ещё более острой из-за того, что токсичность НО не есть простое преобразование уже известной токсикологии к наномасштабам. НЧ демонстрируют отличающиеся от частиц такого же химического состава, но другого размера, физико-химические и, следовательно, токсикологические свойства, причем эти свойства существенно зависят не только от размера НЧ, не только от адгезивных, каталитических, электрических свойств НЧ, но и от их чисто геометрических характеристик (рисунок 12) [60,66-68,76-79,86-89,100-102].

                                  контроль     угольная пыль  наноуглерод    окись титана     НЧ окиси титана

Рисунок 12. Сравнение токсического эффекта (воспаление) обычных и НЧ для крыс. В качестве контроля использовалась соль.

Если первоначально, в начале этого десятилетия, токсичные свойства НЧ, нетоксичных по своей химической природе, подвергались сомнению [26,92], то к настоящему времени сомнений в наличии отрицательного эффекта фуллеренов и нанотрубок на жизнедеятельность подопытных мышей и крыс нет [29-42, 51-91]. Наиболее полно динамику развития токсикологических исследований НЧ и НО демонстрирует таблица 7 и рисунок 13.

Таблица 7

Типичные эксперименты по выявлению биологических эффектов, вызываемых НО, за последние 3 года, и их краткая критика

б)

Анализ имеющегося экспериментального материала о биологических эффектах НЧ и НО позволяет сделать следующие выводы:

токсичность зависит от концентрации НЧ и площади их поверхности, а не от массы/объема;
токсичность зависит от физико-химической формы НЧ;
токсичность НЧ зависит от НС, в которую входит НЧ;
токсичность НЧ выше, чем токсичность микрочастиц такого же размера;
НЧ могут быть токсичными и для животных, и для растений;
отсутствуют данные по воздействию НЧ и НО на человека;
отсутствуют данные по воздействию НЧ и НО на экосистемы как целое, или на популяции как части экосистем.

Необходимо отметить, что эксперименты по воздействию НО на живые организмы и биоматериалы проводились лишь с незначительным набором НО и лишь с некоторыми животными (дафнии, окуни, мыши, крысы) и растениями (кукуруза, соя, капуста, морковь). В экспериментах изучалось лишь разовое воздействие НЧ, затрагивающее лишь незначительную часть жизненного цикла. Хроническое воздействие и последствия разового воздействия на весь жизненный цикл небольших концентраций НЧ пока не исследованы.

Наиболее изученными из НО (если вообще можно говорить о какой-либо «изученности» в условиях недостатка экспериментальных данных!) являются фуллерены. Предварительные результаты экспериментов на животных показывают, что они склонны накапливаться в клетках печени и мозга и имеют выраженную токсичность для водных животных (ракообразные, рыбы) и млекопитающих (мыши, крысы). Однако некоторые исследователи призывают относиться очень осторожно к подобным результатам, по крайней мере, в отношении водных организмов [92]. Они указывают, что водные растворы фуллерена, в которых образуются устойчивые гидратированные сфероподобные комплексы фуллерена диаметром 3-36 нм являются эффективным антиоксидантом и биостимулятором в отличие от препаратов на основе кристаллического фуллерена с НЧ размером около 60 нм, проявляющих прооксидантные и биоцидные свойства.

С другой стороны, есть основания считать, что фуллерены, связываясь в прочные комплексы с ДНК, способны блокировать процессы, связанные с использованием и репарацией генетического материала клетки (рис. 14).

Степень их токсичности оценивается как средняя между никелем и бенз(а)пиреном [15]. Механизм токсического действия фуллерена приведен на рисунке 15 [87].

Степень повреждения ДНК зависит от концентрации НО и времени, в течение которого они взаимодействуют с клетками. Однако механизм воздействия фуллеренов на генетический материал неясен. Требуются дальнейшие эксперименты, чтобы выяснить, проникают ли НО внутрь клетки, или, садясь на мембраны, запускают механизмы косвенного воздействия на ДНК. (Pacheco S.)

Рисунок 14. Компьютерная модель образования комплексов молекул фуллеренов с ДНК.

Рисунок 15. Механизм токсического воздействия фуллерена на живые организмы. Присутствие фуллерена приводит к образованию свободных радикалов, в свою очередь вызывающих повреждение и разрушение клеточных структур и нарушение функционирования биомолекул. Противоречивость результатов о биологических эффектах НЧ только подчеркивает недостаточность фактического материала и отсутствие общепринятых методик постановки подобных экспериментов и обработки полученных результатов.

Наиболее полный обзор исследований нанотоксичности приведен в [60,66]. Эти исследования позволили построить принципиальную схему кинетики НЧ в организме человека и наметить дальнейшие пути экспериментальных исследований (рис. 15 -17).

Рисунок 16. Механизм воздействия НЧ на живую клетку. Присутствие НЧ (А) вне, на мембране и фагоцитоз внутри клетки приводит к активации рецепторов (В) и (2) увеличению внутриклеточного кальция и окислительного стресса, а также (3) активации гена. Воздействие НЧ на митохондриальную активность опять-таки вызывает окислительный стресс. Все эти процессы приводят к возникновению воспалительных процессов в тканях и органах, в том числе к воспалительному процессу в легких. По данным [66].

Рисунок 17. Биокинетика НЧ (схема).

Недостаточно данных о коэффициентах переноса, накопления и выведения НЧ В числе экспериментов по биологическим эффектам иных НО следует отметить исследования биоцидных свойств НЧ металлов, прежде всего серебра. Импульсом к исследованию биоцидных свойств НЧ серебра послужило предположение, что хорошо известные биоцидные свойства металлического серебра могут быть многократно усилены за счет специфических особенностей наночастиц (малые размеры и большая удельная поверхность). Действительно, НЧ серебра, полученные методом биохимического синтеза, обладают высокой биоцидной активностью по отношению к широкому спектру бактерий и вирусов [14,94].

5.3.3 Проблема определения «дозы» и зависимости «доза-эффект» для НЧ

Как уже отмечалось в предыдущих разделах, одной из существенных проблем в исследовании эффекта нанотоксичности является определение понятия «доза». В настоящее время нет однозначного мнения по этому вопросу, поэтому используется различные подходы к определению «дозы» [56,57,60,65,66,84-86,101-103]:

«массовый», при котором дозовой характеристикой служит общая масса НЧ в рассматриваемом объеме, массе или объекте;
«численный» - учитывается общее число НЧ в рассматриваемом объеме, массе или объекте;
«поверхностный» - используется общая поверхность НЧ в рассматриваемом объеме, массе или объекте.

Наиболее удобным для выявления зависимости «доза-эффект» является «поверхностный» подход, тогда как «массовый» является наименее пригодным, так как не учитывает различие в токсическом эффекте НЧ разного размера (рис. 18).

Проведенные исследования показывают, что в рассмотренных диапазонах «доз» зависимость «доза-эффект» линейная, однако нельзя исключать и наличие других зависимостей в области сверхмалых «доз» (рис. 19).

Рисунок 18. Зависимость «доза-эффект» для НЧ окиси титана для крыс (вверху) и мышей (внизу) для «массовой» концепции дозы (слева) и «поверхностной» концепции дозы (справа). В качестве эффекта рассматривались воспалительные явления в клетках легких.

Рисунок 19. Возможные формы зависимости «доза-эффект» в области малых «доз». Горизонтальная прерывистая линия разделяет область токсичности (сверху) и область благоприятного действия (снизу) НЧ. Пунктирный овал в правом верхнем углу – область проводимых исследований.

Буквами обозначены различные формы зависимости:
L – линейная зависимость (ионизирующая радиация);
T – пороговая зависимость (большинство ядовитых веществ);
S – надлинейная зависимость (химические вещества);
H – сублинейная (большинство лекарственных средств).

5.3.4 Физические основы биологического воздействия НО

Главные выводы, заставляющие внимательно исследовать физические основы биологического воздействия НО, логично вытекающие из рассмотренных выше результатов немногочисленных экспериментов, следующие:

токсичность зависит от концентрации НЧ и площади их поверхности, а не от массы/объема;
токсичность НЧ выше, чем токсичность микрочастиц такого же размера;

Именно эти результаты заставляют отказаться от формального переноса уже достаточно изученных токсических свойств веществ известного химического состава на НМ.

Первое, что бросается в глаза – это зависимость токсичности не от массы или объема НЧ, присутствующих в среде, а от их поверхности. Из набора сил, известных классической физики, таким свойствам обладают лишь силы трения. И эти «поверхностные» силы значительно возрастают относительно прочих, «объемных» (гравитационных, электромагнитных…), сил при уменьшении размера объекта. По этой причине следует ожидать ведущую роль диссипативных и адгезивных сил на наноуровне. Возможно, в природе сил взаимодействия нанобоъектов и кроется разгадка их дополнительной, по сравнению с мезо- и микрообъектами такой же химической природы, опасности.

В настоящее время для описания взаимодействия нанообъектов используют различные уровни моделирования, от чисто феноменологического, по своей сути иммитационного, до полуэмпирического на основе моделей классической молекулярной динамики с заданным потенциалом, и формально-алгоритмических, на основе методов вероятностных асинхронных клеточных автоматов в моделях неидеальных газов. Эти модели носят чисто описательный характер и используются скорее для формализации наблюдаемых экспериментальных результатов, чем для предсказаний возможных эффектов на наноуровне, и потому вряд ли способны пролить свет на причину гипертоксичности нанообъектов.

Если рассматривать вещество в наномасштабе, то, по сравнению с известными, «классическими» фазовыми состояниями, следует рассматривать особое фазовое состояние вещества, в котором из-за наноразмеров структурных элементов ведущую роль играют квантовомеханические эффекты. Поэтому и научными гипотезами, потенциально обладающими предсказательной перспективой токсичных эффектов НЧ и НС, в большей степени являются следующие [110-114]:

квантовомеханические (шредингеровские), в которых система из атомных ядер (ионов) и электронов описывается на основе уравнений Шредингера;
квантовомеханические модели молекулярной динамики, в которых используются уравнения Шредингера для определения потенциала межъядерных взаимодействий;
квантовомеханические на основе эффекта Казимира.

Первые два подхода больше подходят для описания взаимодействий электронных наноустройств, ассемблеров и квантовых точек и мало пригодны для описания взаимодействия НО со сложными биологическим молекулами и структурами.

Рассмотрим типичные для таких подходов рассуждения. Как уже отмечалось, поступая в ОС, НЧ вступают во взаимодействие с окружающим их веществом, образуя наносистемы (НС) [113]). Среда неоднородна, и сами НЧ неодинаковы. Состояние НС характеризуется в любой момент времени функциями распределения НЧ и участков среды по параметрам состояния. НС открыта, и потому изменяется из-за наличия потока вещества и энергии из-за её границ. Решение задачи полагает выявление связи между функциями распределения НЧ с функциями распределения среды, параметрами состояния и потоками вещества и энергии для отработки молекулярно-кинетических и квантово-механических гипотез изменения (эволюции) НС.

Наиболее привлекательным для решения проблем гигиенической и экологической безопасности НТ и НО выглядит квантовомеханический подход на основе эффекта Казимира [110,114].

Рисунок 20. Эффект Казимира.

Сила Казимира очень слаба: два зеркала с A=1 см2 на расстоянии d = 1 мкм притягиваются с силой в F=0.1 мкН, однако на наномасштабе давление, создаваемое эффектом Казимира, сравнимо с атмосферным, а поэтому его необходимо принимать в расчет.

Сближение между НО приводит к возрастанию силы Казимира. Это вполне может объяснить возникновение свободных радикалов при воздействии НЧ на живой организм.