(БЕЗ) НАМЕСАaqmn->name

Токсикология на наноматериали
терминът „нанотоксикология“


08 Октомври 2018

Всичко на този свят е отрова,
само дозата може да направи
съответното вещество безопасно"

Парацелс

TiO2 – Титанов диоксид.
Едно от най-разпространените вещества на нанониво с приложение в козметиката – различни кремове (например – дневни и нощни кремове, овлажняващи и освежаващи кремове, слънцезащитни кремове), пасти за зъби, в опаковки за хранителната промишленост и за покрития при производството на хартии. Годишно се произвеждат около 2 000 000 т. титанов диоксид на нанониво.
Токсичност
Частици с размер 20 nm имат способността да се натрупват  в лимфните тъкани и да повреждат ДНК, лимфоцитите( негранулирани бели кръвни клетки,които са част от имунната система) и клетките на мозъка. Основният механизъм за токсично въздействие е индуцирането на активни форми на кислород т. н. свободни радикали които имат разрушително действие на ДНК, микрофагите и/или водят до клетъчна смърт.

SiO2 – силициев диоксид
В началото на 2006 г. в Германия се появява продукта „Magic Nano“ за почистване на стъклени и керамични плочки (под, вани и т.н.), произвеждан от Kleinmann GmbH (дъщерна компания на Illinois Tool) През март продуктът е изтеглен от пазара, поради белодробни възпаления на около 100 потребители и по предложение на Федералния институт на Германия по оценка на риска (BfR). Причината навярно е била съдържанието на наночастици силициев диоксид в аерозолите, които са предизвикали симптоми на отравяне.
Силициевият диоксид намира приложение:

  • Като Е551 – добавка в хранителната промишленост срещу спичане и образуване на бучки/за по-добра хомогенизация;
  • в пастите за зъби;
  • при лекарствени препарати в качеството на ентеросорбенти (вещества, които поглъщат токсини, попаднали в организма или отделяни от организма (детоксикация на организма).

Токсичност
Изследванията (in vitro) на силициев диоксид във формата на нанонишки и наночастици са показали, че допустимата концентрация е 190 mg/ml. Превишаването й води до разрушаване мембраните на клетките и некроза. Наночастици с размери 15-46 nm предизвикват и рак на белия дроб.

Zn, ZnO – цинк, цинков оксид
Намира приложение в лекарствени препарати за дерматологията – срещу подсичане/подсушаване, слънцезащитни кремове.
Токсичност
Най-силно токсично влияние има върху клетките на дебелото черво – напр. при използване на слънцезащитен крем от 2 грама. Макрочастици от цинк са по-токсични в сравнение с наноразмерите им. При изследвания (in vitro при мишки) и в двата случая обаче се наблюдава загуба на бъбречната функция, анемия и проблеми с кръвосъсирването. Пределната допустима норма е 0,5 mg/m3.
При водни Daphnia (водни бълхи) и бактерии (Vibrio fischeri) летална концентрация е съответно 3,2 – 8,8 mg/l и 1,1 – 1,9 mg/l.
Изследванията, направени по отношение на фитотоксичните свойства на наночастици от цинков оксид при царевица, репички, маслодайна рапица и краставици показват, че концентрацията на 2000 mg/l има отрицателен ефект върху покълването на царевични семена и потиска удължаването на корените. Минималната инхибиторна (антибиотична чувствителност) концентрация е 50 mg/l за рапица и 20 mg/l за ряпа.
Токсичността на цинковия оксид беше официално призната чрез присъдата на Калифорнийския съд от 21.08.2017 г. към фирмата J&J да изплати на 63-годишната Еva Echeverria като обезщетение за заболяването от рак на яйчниците през 2007 г., причинено от използването ежедневно на бебешка пудра за хигиена от 1950 до 2016 година1.

Ag – сребро

Наночастици от сребро имат многократно по-силно антимикробно, бактерицидно въздействие, в сравнение със сребърните йони, а именно:

  • спрямо бактерии (унищожава около 650 вида бактерии, докато обикновените антибиотици не повече от 6-10 вида бактерии);
  • вируси (унищожава вируси на грипа, адено- и ентеровируси, ХИВ);
  • гъби (унищожава и потиска растежа на дрождоподобни гъби и гъби, предизвикващи плесени);
  • водорасли (потиска развитието на водорасли във водоеми и на влажни повърхности);

Благодарение на тези свойства наносреброто намира приложение:

  • Покритие на прибори за всекидневна употреба, в т.ч. и мобилни апарати;
  • Филтри (ХЕПА) срещу прах и въздух;
  • Козметика/дезодоранти, кремове, зъбни пасти, миещи и дезинфекциращи препарати;
  • Медикаменти – хигиенни и превързочни материали;
  • В хранителната промишленост като консервант. Дори се предлага мляко с наносребро за бебета с отслабена имунна система;
  • С помощта на колоидното (нано) сребро с размери около 25 nm. могат да се лекуват следните заболявания:
  • На кожата – дерматити, дерматомикози, турбеколози на кожата, лишеи, себорея, псороазис и др.;
  • На хранителния тракт – дезинтерия, гастрит, салмонела, хемороиди;
  • На дихателния тракт – грипове, коклюш – възпаление на белите дробове, ринити, фарингити, ларингити, плеврити и т.н.
  • На нервната система – менингит, неврастения;

Токсичност
Паралелно с тези положителни ефекти от приложението на наночастици от сребро е забелязано увреждане на черния дроб и мозъка на мишки (вкл. рак при риби) при натрупване на частици с размери 5-50 nm. Токсичността се свързва с протичането на окислителен стрес, нарушаване функциите на митохондриите и увеличаване проницаемостта на мембраните на клетките. Във връзка с това е въведена гранична концентрация на наносребро във въздух от 2,16х106 частици/cm3. Няма обаче предписания как да се контролира устойчивостта на покритията от наносребро или долната гранична стойност на размерите и допустимата концентрация на наночастици от сребро в медикаменти, хранителни продукти.

Au – колоидно/нанозлато
Златото и „златната“ вода е използвана като лечебно средство преди хиляди години. Днес колоидното/нанозлатото намира приложение като:

  • Биомаркери за установяване на зародиши на ракови и други злокачествени образувания. В САЩ са регистрирани 85 патента в тази област;
  • Като средство за унищожаване на бактерии и вируси, тъй като те ограждат злокачествените клетки и при облъчването им с свърхвисока честота (СВЧ) те се нагряват до 1000С много по-бързо, в сравнение със здравите клетки и по този начин те загиват;
  • За нов вид памет на база на свойството им да се обединяват и вече при лабораторни опити са постигнати 10 гигабайта при покритие на стандартно CD.
  • За ефективни катализатори за превръщане на отровния газ въглероден окис в безвредния въглероден двуокис;

Токсичност:
При размери 0,8 – 1,5 nm имат токсично въздействие върху ембриони, като тератогенният ефект (появата на морфологични аномалии/малформации при новородени) е в зависимост от размера на наночастиците;
При размери 2,5 nm златните наночастици могат да се наместят в гънките на ДНК, в т.ч. и на микрофагите, като се свържат с нея могат да предизвикат повреждането й, респ. да се повлияе върху работата на гените с последващите от това последици за здравето на живите обекти;

Cu – мед
Наночастици от мед се използват главно:

  • в праховата металургия като добавка към различни смеси за подобряване на техните експлоатационни показатели, катализатори, адсорбенти;
  • антисептични технически материали като лакове, бои и други покрития;
  • за мазила с антимикробно действие в медицината, а така също за антисептични материали;
  • в гелове за подобряване на горенето при взривни агенти;

Токсичност
Изследванията (in vitro на мишки) са показали, че доза от 30 mg/kg живо тегло наночастици с размери 23,5 nm е смъртоносна. Обекти на атака са черния дроб, далака и бъбреците.

Fe – желязо
Много добри резултати са постигнати при използването на наночастици от желязо за:

  • Ускоряване растежа и повишаване на добива при селскостопански растения;
  • Лечение на селскостопански животни от анемия;
  • Пренос на лекарства до болни клетки и индентифициране на заразени/болни клетки;
  • Екраниране срещу електромагнитни лъчения на база силно поглъщащия ефект в милиметровия диапазон, а така също и в инфрачервения спектър.
  • Магнитни суспензии и магнитни течности с приложение в различни технически области;

Токсичност
Изследванията (при мишки) са показали, че частично въвеждане чрез пиене на дози от наночастици на желязо в дози 1000, 2000 и 5000 mg/kg живо тегло води до възпалителен процес на лигавицата на стомаха и на червата и смущения в образуването на кръвни клетки – еритроцити, бели кръвни телца и т.н. При инжектиране на плъхове и кучета на дози повече от 400 mg/kg се констатира повишена активност при производство на аминокиселини и червени кръвни телца, което води до морфологични изменения в черния дроб, а така също и при ембрионите. Вдишването на наночастици на желязо с размери 22 и 280 nm. в дози 0,8 и 20 mg/kg предизвиква индукция на активни форми на кислорода в клетките, респ. възпаление, и ненормално нарастване на белодробната тъкан(причинява затруднено дишане). Установено е също така и нарушение на кръвосъсирването при въвеждане на наночастици Fe203 – двужелезен триокис с размери 10 – 50 nm.

Al – алуминий
Наночастици от алуминий намират приложение:

  • При създаване на композитни материали, в т.ч. с участието на полимерни материали;
  • За антикорозионни бои и покрития;
  • Във военната, аерокосмическата (хибридни ракетни двигатели) химическата промишленост – катализатори, пестициди, в пиротехниката.

Токсичност

  • Прахът от наночастици на алуминия е лесно запалим, а горенето отделя огромна енергия. Не трябва да се използва вода за гасене, а пожарогасителни материали за гасене на горящи метали;
  • Подтиска синтеза на м-РНК (матричната/информационната рибонуклеиновата киселина), и растежа/размножаването на клетките, предизвиква възпаление (кислороден шок/окислителен стрес), което води до нарушаване функциите на митохондриите.

V – ванадий
Наночастици на ванадия се използват основно в състави за особено твърди материали и сплави, заедно с такива на волфрама и техните карбидни съединения.
Токсичност
Наночастици от ванадиев оксид с размери под 30 nm и при концентрация по-голяма от 10 mg/mlх притежават силни каталитични свойства, в резултат на което са способни да генерират свободни радикали (ОН), които от своя страна окисляват липидите. Липидите са енергийните резервоари на клетката и участват в изграждането мембраната й.

Ni – никел
Наночастиците на никела притежават уникални свойства:

  • имат висока повърхностна енергия, което им позволява да реагират с други материали;
  • имат силен магнетизъм;
  • имат ниска точка на топене и горене, което позволява да намират приложение в различни катализатори и изместват изработените от скъпоструващи редкоземни метали;
  • правят възможно разлагането на водата на водород и кислород да става при 3000С, а синтеза на водорода и кислорода до вода да става при атмосферни условия.
  • имат много нисък коефициент на триене;
  • ускоряват ръста на въглеродните нанотръбички;

Токсичност
Натрупването на наночастици на никела в организма на човека предизвиква алегргии, рак и респираторни заболявания. С намаляването размера на частиците се увеличава токсичността им.

Общи бележки:

В практиката се използват наночастици и от други метали като олово, калай, кадмий и др, в т.ч. техни оксиди и карбиди, но няма приложение директно в продукти за широка употреба, а за чисто технически цели и няма възможност те да попаднат в тъканите на човешкото тяло. Поради тази причина засега те не са обект на настоящия анализ, независимо че също има установени токсични влияния при прякото им попадане в човешкия организъм;
Токсично въздействие имат също така наночастици с размери от 30 – 300 nm от пластмаси (напр. полистирол), което е установено при работници, обработващи пластмасови детайли. Разнообразието от пластмаси е огромно, а технологиите за обработка са също разнообразни, но този проблем е обект на охраната на труда, а не като възможност за целенасочено терористично действие;

Въглеродните нанотръбички – фулерени
Те са открити от сътрудника на японска корпорация NEC Сумио Ииджима в 1991 г. при наблюдаване под електронен микроскоп отлаганията след синтез на молекулярни форми на чист въглерод, които имат клетъчна структура. Разстоянието между слоевете на многослойните нанотръбички е 0,34 nm, същото като при слоевете на кристалния графит. Имат диаметър около 1 nm и с дължина в момента до 4 mm.

Въглеродни нанотръбички с диаметър 50 нм.

Те притежават уникални свойства:

  • По-твърди от стоманата около 50 – 100 пъти;
  • Издържат на температура до 28000С;
  • Нишка от многослойни нанотръбички с диаметър 1 mm може да издържи товар от 15 тона;
  • Висока електропроводимост без загряване – до 107А/cm2, провеждат електрическия ток 1000 пъти по-добре в сравнение с медните проводници;

На база на част от изброените свойства на въглеродните нанотръбички намират приложение:

  • като добавка в полимери за подобряване на техническите характеристики;
  • катализатори (плоски дисплеи, газоразрядни лампи за телекомуникационните мрежи, за ново поколение компютри);
  • в продукти за поглъщане или екраниране на електромагнитни вълни;
  • преобразуване/съхранение на енергия – особено при запълване със специални химически елементи – напр. с азобензен2 (прости химически съединения, които се използват най-често като оцветители) за съхранение на слънчева енергия);
  • аноди в литиеви батерии;
  • съхранение на водород;
  • композити (като пълнители или покрития);
  • Пречистване на замърсени води, като натръбичките поглъщат замърсителите, а 1 грам нанотръбички покриват 500 m2;

Токсичност

  • Фулерени С60 предизвикват рак в мозъка при мишки и плъхове;
  • Нанотръбичките повреждат мембраната на клетката, след което настъпва апоптоза (смърт на клетката);
  • Подобно на влакната от азбест, едностенните нанотръбички с дължини 200 – 500 nm. се забиват в стените на стомаха и с времето предизвикват патологични изменения;
  • При вдишване на нанотръбички на въглерода те могат да попаднат в белите дробове и да се концентрират в плеврата и да предизвикат астма или рак (в белите дробове на 64 деца от Париж са открити нанотръбички, подобно на тези от проби, взети от ауспусите на автомобили в Париж);
  • Въглеродните нанотръбички могат да проникват през мембраната на кератиноцитите, клетки които изграждат около 95% от епидермиса –кожата на човека, акумулират се в клетката и предизвикват апоптоза – клетъчна смърт;

Едностенните въглеродни нанотръбички при концетрации 25, 50, 100, 150 mg/ml потискат размножаването на ембрионалните клетки на бъбреците при човека, което води до патологични изменения. При поглъщане на въглеродни нанотръбички (разтворени във вода) те се разпределят по тъканите и органите, с изключение на мозъка, с което се нарушава жизненоспособността на клетките;

Забележка:
1. Така изглежда сертификат за употреба на наноматериал – конкретно нанотръбички.
2. PEL e граничната/допустима концентрация на въглеродни тръбички, която е безопасна за здравето съгласно нормите на Агенцията за професионална безопасност и здраве на САЩ – OSHA.

Изводи:

  • Използването на наночастиците подобрява потребителските и експлоатационните качества на предмети и продукти за масова употреба, като позволява да се оптимизира съотношението качество/цена, респ. по-големи печалби за използващите нанотехнологии;
  • В същото време е установено, че при превишаване критични концетрации/количества от наночастици, които попадат в организма по различни пътища, води до редица заболявания, повечето от тях с летален изход;
  • Проблемът за предотвратяване на токсичните въздействия на наночастиците произтича от това, че:
    • Не е възможно да се контролира съдържанието на наночастиците в продуктите за широка употреба – в козметиката, храни, напитки, покрития, филтри и т.н. Отговорност за това днес носят производителите;
    • Няма разработени технологии и методи за определяне дали и в каква степен:
      • Наночастици се отделят от продуктите/предметите, в които са заложени, респ. какво количество може да попадне в организма на потребителите на тези предмети/продукти;
      • Наночастици се отделят от предмети и продукти при тяхното рециклиране и преработка, респ. какво количество може да попадне в организма на работниците, които изпълняват тези дейности или в организма на потребителите на рециклираните предмети;
  • Заболяването се появява след дълъг период от време, поради което е трудно да се установи причината за заболяването и още повече от къде и по какъв начин са постъпили в организма на човека токсичното количество наночастици.
  • Съществува реална възможност да се произвеждат и реализират на конкретен пазар продукти с токсично съдържание наночастици – т.е. да се реализира „тих“ тероризъм. Най-големият проблем при този вид тероризъм е да се установи броя на засегнатите лица. От друга страна, когато се установи предмета/продукта – причинител на конкретно заболяване, производителят, вносителят и дистрибуторът вероятно няма да ги има вече в търговския мир.

Затова вече е въведен терминът „нанотоксикология“3,4.

1. http://edition.cnn.com/2017/08/21/health/johnson-and-johnson-talc-verdict/index.html
2. Вачкова Р. „ Оценка за безопасност на азо-оцветители, разрешени за влагане в храни в ЕС“, 2009 г. http://focalpointbg.com/images/stories/azo-colors_RVachkova-r.pdf
3. http://www.portalnano.ru/read/tezaurus/definitions/nanotoxicology
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Nanotoxicology