Нанотоксикологія і безпека наноматеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нанотоксикологія і безпека наноматеріалів

Зміст

Вступ

1. Нанотехнології: поняття і сутність

2. Нанотоксикологія: поняття, мета і завдання. Токсичність наноматеріалів

3. Безпека наноматеріалів

Висновки

Список використаних джерел

Вступ

Екологія сьогодні набуває значення наукової основи організації раціонального природокористування. Нині вона визначається як вчення про взаємодію живих організмів з навколишнім середовищем (довкіллям).

Екологічне право є галуззю права і являє собою систему правових норм, які регулюють суспільні відносини щодо користування природними ресурсами, охорони навколишнього природного середовища і забезпечення екологічної безпеки.

Екологічна безпека - це такий стан навколишнього природного середовища, при якому забезпечується попередження погіршення екологічної обстановки та виникнення небезпеки для здоров'я людей.

Питання безпеки тісно пов'язане з іншою категорією - ризик. У юридичній літературі екологічний ризик визначається як встановлені нормами екологічного законодавства обставини, з якими пов'язуються виникнення, зміна, припинення правовідносин щодо здійснення діяльності з екологічно небезпечними об'єктами, що визначає формування і реалізацію спеціальної правосуб'єктності фізичних, юридичних осіб та держави стосовно виявлення, запобігання і усунення природних і техногенних загроз для довкілля, життя і здоров'я населення та особливий режим відповідальності за невиконання чи неналежне виконання вимог щодо забезпечення екологічної безпеки, включаючи й випадкове (імовірне) настання небезпеки.

Під джерелами екологічного ризику розуміють діяльність екологічного характеру, як правило, правомірну, оскільки в разі здійснення неправомірної діяльності вона підлягає припиненню без встановлення ризику, в силу його презумпції. Носіями ризику є також цілий ряд об'єктів та різні речовини природного і штучного походження, їхні суміші, які здатні за певних природних та соціальних умов і обставин виявляти властивості, що створюють реальну загрозу для здоров'я і життя людини та навколишнього світу.

В даній роботі зроблена спроба дослідити, відносно молоде явище, яке справедливо можна віднести до категорії джерела екологічного ризику. Йдеться про надзвичайно перспективний напрям наукових досліджень - нанотехнології. Але поряд з можливістю досягнення величезних позитивних здобутків, отриманих від впровадження в повсякденне життя наноматеріалів (нанопристроїв, нанооб'єктів, нанопроцесів та ін.), існує реальна загроза негативного впливу наночастинок (наноструктур) на людину і на навколишнє природне середовище. У цьому аспекті надзвичайно актуальним постає питання нанобезпеки.

Як тільки участь наночастинок зафіксується в основних етапах кругообігу речовини (увійде до геобіоценозу) в навколишньому середовищі це відобразиться на динамічній рівновазі усієї екосистеми.

Екологічна сутність хімічного забруднення проявляється в порушенні дії законів, принципів, правил існування і функціонування біологічних систем різного рівня, починаючи від організмів і закінчуючи біосферою.

Відповідно до Закону внутрішньої динамічної рівноваги - "речовина, енергія, інформація і динамічні якості окремих природних систем та їхніх ієрархій взаємозалежні настільки, що будь-яка зміна одного із цих показників викликає супутні функціонально-структурні кількісні і якісні зміни, що зберігають загальну суму матеріально-енергетичних, інформаційних і динамічних якостей систем, де ці зміни відбуваються".

Цей закон одне з вузлових положень у природокористуванні. Поки зміни середовища слабкі та виникли на відносно невеликій площі, вони або обмежуються конкретним місцем, або "гаснуть" у ланцюзі ієрархій екосистем. Але як тільки зміни досягають істотних значень для великих екосистем, вони приводять до істотних зрушень у цих великих природних утвореннях, а через них, згідно 2-му наслідку закону внутрішньої динамічної рівноваги, і у всій біосфері Землі.

Майбутнє людства визначається багатьма обставинами. Але серед них визначальними є дві. Перша: люди повинні знати закони розвитку біосфери, можливі причини її деградації, знати те, що людям дозволено і де та фатальна межа, яку людина не повинна переступати ні за яких умов. Інакше кажучи, наука, точніше, та сукупність наук, що називається екологією, повинна бути здатна сформувати Стратегію взаємовідносин Природи і людини. Друга, не менш важлива обставина, без якої говорити про майбутнє людства безглуздо, полягає в необхідності створення такого громадського порядку, що був би здатний реалізувати цю систему обмежень, ця друга умова відноситься до гуманітарної сфери. Тоді стан біосфери, названий Вернадським ноосферою, може бути визначений як стан біосфери, у якій людина приймає на себе відповідальність не тільки за подальший розвиток суспільства, але й біосфери. По Н.Н. Моісєєву, ноосфера - це деякий цілком визначений стан біосфери, у якому людство відіграє роль керуючої підсистеми, що реалізує програму (стратегію) забезпечення подальшого розвитку суспільства в умовах подальшого розвитку біосфери.

Стійкість екологічних систем до екстремальних впливів полютантів визначається не тільки інтенсивністю впливу хімічного фактора (доза, тривалість впливу), а також здатністю токсикантів до транслокації і трансформації в навколишньому середовищі та живих організмах. Дослідженням цих процесів займається екотоксикологія.

Екотоксикологія - міждисциплінарний науковий напрям, пов'язаний з токсичними ефектами хімічних речовин на живі організми, переважно на популяції організмів і біоценози, що входять до складу екосистем. Вона вивчає джерела надходження шкідливих речовин у навколишнє середовище, їхнє поширення і перетворення в навколишньому середовищі, дію на живі організми. Людина, безсумнівно, є найвищим щаблем у ряді біологічних мішеней".

Дослідженням токсичних ефектів наноматеріалів та їх впливу на живі організми займається нанотоксикологія. В принципі, нанотоксикологію можна вважати галлузю (частиною) екотоксикології.

У цей час основними науковими напрямками екотоксикології, прийнятими у світовому науковому співтоваристві, вважаються:

- дослідження поширення і перетворення полютантів у ґрунті, воді, атмосфері, рослинах, тваринах і по трофічних ланцюгах у цілому, що кінчаються людиною;

- прогнозування небезпеки забруднення навколишнього середовища для людей, тварин, рослин і екосистем у цілому;

- дослідження механізму токсичності та розробка критеріїв оцінки шкідливості дії екотоксикантів;

- розробка гігієнічних основ регламентації надходження екотоксикантів у навколишнє середовище;

- розробка методів аналізу екотоксикантів в об'єктах навколишнього середовища, методів діагностики, лікування і профілактики поразок.

Практичними результатами досліджень по зазначених напрямах є розробка рекомендацій і проведення комплексу правових, технологічних, медичних і санітарно-гігієнічних заходів щодо контролю і зниження рівня забруднення.

Для визначення і прогнозування небезпеки хімічного забруднення навколишнього середовища використовується загальний методологічний підхід - постійне спостереження за станом забруднення навколишнього середовища хімічними речовинами і впливом їх на здоров'я населення, флору і фауну, прогнозування цього впливу в майбутньому, які можна визначити як екотоксикологичний моніторинг.

Системи екотоксикологичного моніторингу можуть бути двох основних типів: постійно діючі та періодично діючі. Остання система використовується для рішення конкретних завдань при проведенні наукових досліджень або як доповнення до постійно діючих систем при виникненні надзвичайних ситуацій. Постійно діючі системи створюються у випадку рішення довгострокових завдань за спостереженням за шкідливими хімічними забруднювачами навколишнього середовища і дією їх на організм людини, тварини, рослин, на біоценози, для прогнозування цієї дії, розробки заходів щодо усунення негативної їхньої дії і т.д.

Вважаємо, що в нанотоксикології можна і необхідно застосовувати розроблені в рамках екотоксикології методичні підходи, проте, дана галузь потребує фундаментальної розробки власних методичних підходів до забезпечення безпеки наноматеріалів і їх взаємодії з людиною та навколишнім природнім середовищем.

1. Нанотехнології: поняття і сутність

Згідно з Розпорядженням КМУ від 2 квітня 2009 р. № 331 „Про схвалення Концепції Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки" нанотехнології визначаються як міждисциплінарні технології, які розроблені для об'єктів розмірами менш як один мікрон і дають змогу проводити дослідження, маніпуляції та обробку речовин у діапазоні розмірів від 0,1 до 100 нанометрів (1 нанометр - одна мільярдна метра).

В цьому ж нормативно-правовому акті зазначається, що в найближчі десять років саме розвиток нанотехнологій та виготовлення нових наноматеріалів стане одним з основних рушіїв стимулювання істотних змін у таких галузях промисловості, як машинобудування, оптоелектроніка, мікроелектроніка, автомобільна промисловість, а також сільське господарство, медицина та екологія.

Термін "нанотехнологія" (процес розподілу, обробки і зміни матеріалів шляхом впливу на них одним атомом або однією молекулою) був запропонований в 1974 р. Норіо Танігуччі.

Наноматеріали займають проміжне положення між окремими атомами (молекулами) та макротілами. Завдяки малому розміру, формі, хімічному складу, заряду, структурі частинки, великій площі поверхні наночастинки мають унікальні властивості, що робить їх перспективним матеріалом для застосування у різних галузях народного господарства. Це підтверджується високими темпами вивчення властивостей наноматеріалів, розробками нових нанотехнологій, швидким впровадженням їх у виробництво, а також обсягами фінансування нанотехнологій. Так, 2004 року у світі було виділено 8,6 мільярдів доларів США на розвиток нанотехнологій, а до 2012 року прогнозується витратити на ці потреби 1 трильйон доларів США.

Нанотехнології - сукупність прийомів і методів, які застосовуються при вивченні, проектуванні, виробництві та використанні наноструктур, пристроїв і систем, що включають цілеспрямований контроль і модифікацію форми, розміру, взаємодії та інтеграції складових елементів нанорозміру (близько 1-100 нм), для отримання об'єктів з новими хімічними, фізичними та біологічними властивостями.

Основою сьогоднішньої наноіндустрії є керований механосинтез, тобто складання молекул з атомів за допомогою їхнього зближення доти, поки не вступлять у дію відповідні хімічні зв'язки. Для забезпечення механосинтезу необхідний маніпулятор, здатний захоплювати окремі атоми і молекули та маніпулювати ними в радіусі до 100 нм. Наноманіпулятор повинен управлятися або макрокомп'ютером, або нанокомп'ютером, вмонтованим у робота збирача (асемблера), керуючого маніпулятором. Створення подібних маніпуляторів справа майбутнього. Зондова мікроскопія, за допомогою якої сьогодні здійснюється переміщення окремих молекул і атомів, обмежена в діапазоні дії, у зв'язку з чим сама процедура зборки об'єктів з молекул на нанорівні, поки ще, не може бути автоматизована, через наявність інтерфейсу "Людина - комп'ютер - маніпулятор".

Завдяки розвитку нанотехнологій, які почали активно розвиватися наприкінці 80х років ХХ століття, синтезована значна кількість наноматеріалів. За цей період вченими світу розроблені такі наноматеріали: фулерени, ліпосоми, дендримери, наносфери, наностержні, наноплівки, нанотрубки, нанокомпозити, нанокристали, нанодротинки, нанопорошки, нанороботи, нанокапсули, нанобіосенсори, нанопристрої, нанобіоматеріали, наноструктурні рідини (колоїди, міцели, гелі, полімери), фармакологічні нанопрепарати, засоби захисту від куль (спеціальні жилети) тощо.

У медицині наночастинки мають перспективу застосування в ультрачутливому визначенні біомолекул, діагностичній візуалізації, для фотодинамічної терапії, цільової доставки лікарських речовин до органів мішеней, фототермічного лікування тощо.

Важко переоцінити значення досягнень нанотехнологій у різних галузях промисловості: електроніки та інформаційних технологій, напівпровідниковій промисловості, енергетики, оптики, автомобілебудуванні, хімії, біології, фармацевтики і медицині. Багато споживчих товарів і виробів, до яких відносяться деякі продукти харчування (шоколад, морозиво, креми та ін.), мийні засоби, предмети парфумерії та особистої гігієни (зубні пасти, креми від засмаги, тональні креми, помади, лаки, фарби), напилювання на одязі, взутті, побутових предметах містять мікро- або наноструктури. У харчовій промисловості наноматеріали застосовуються у фільтрах для очищення води, використовуються в якості різних емульгаторів, а також при отриманні більш легких, міцних, термічно стійких і пакувальних матеріалів, при збагаченні харчових продуктів мікронутрієнтами. Наночіпи використовуються для ідентифікації умов і строків зберігання харчової продукції та виявлення патогенних мікроорганізмів. Для отримання різноманітних структур і матеріалів даного призначення розроблена складна технологія одержання сумішей з поверхнево-активних речовин і полімерних матеріалів. Ця область створення наноматеріалів та способів їхньої обробки отримала назву "м'якої нанотехнології".

Відповідно до Розпорядження КМУ від 2 квітня 2009 р. N 331-р „Про схвалення Концепції Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки" головною метою цієї Програми є створення сучасної національної наноіндустрії.

Основними завданнями цієї Програми визначено:

· формування інфраструктури для проведення ефективних фундаментальних досліджень у галузі нанотехнологій;

· координація робіт із створення і застосування нанотехнологій та наноматеріалів;

· розроблення нових підходів до підготовки кваліфікованих спеціалістів з питань розв'язання наукових, технологічних і виробничих проблем розвитку нанотехнологій і виготовлення нових наноматеріалів шляхом лібералізації податкової політики, оптимізації фінансової політики і системи захисту прав інтелектуальної власності.

Серед низки очікуваних результатів, від впровадження Програми, зокрема передбачається:

· в сфері охорони здоров'я - за рахунок створення високоефективних засобів доставки ліків, виготовлених з використанням нанопрепаратів, до місць виникнення захворювання. Широка перспектива відкривається у галузі медичної техніки (розроблення засобів діагностики, виконання нетравматичних операцій, створення штучних органів). Буде започаткований новий напрям - нанобезпека та захист від можливого негативного впливу нанооб'єктів (дослідження потенційних ризиків для людини під час взаємодії з наночастинками);

· в сфері охорони навколишнього природного середовища - за рахунок використання фільтрів і мембран, виготовлених на основі наноматеріалів, для очищення води і повітря, опріснення морської води та новітніх нанодатчиків для охорони навколишнього природного середовища під час зберігання та переробки відпрацьованого ядерного палива та моніторингу всіх технологічних процедур керування якістю монтажу та експлуатації ядерних систем. Для потреб радіаційної безпеки буде визначено новий напрям матеріалознавства - створення об'ємних сцинтиляційних матеріалів на нанорозмірних люмінофорах.

В Постанові КМУ від 28 жовтня 2009 р. N 1231 „Про затвердження Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки" зазначається, що виконання Програми дасть змогу розробити нанотехнології для хімічної промисловості, енергетики, лікування найпоширеніших і найнебезпечніших хвороб, а також виготовлення біологічно активних речовин та багатофункціональних пристроїв наноелектроніки. Також передбачається:

· підготувати нормативно-правові акти, стандарти та сертифікати, що регламентують розроблення і впровадження нанотехнологій та виготовлення наноматеріалів;

· підготувати підручники та навчальні посібники для вищих навчальних закладів з питань щодо розроблення нанотехнологій та виготовлення наноматеріалів;

· утворити у вищих навчальних закладах науково-навчальні центри.

Серед низки основних завдань і заходів з виконання Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки фігурують у тому числі наступні:

· утворення центру сертифікації наноматеріалів, наноструктур та приладів, у тому числі для забезпечення екологічної безпеки;

· вивчення питання щодо впливу наноматеріалів на біологічні системи різного рівня організації;

· розроблення нанобіотехнологій для захисту навколишнього природного середовища;

· розроблення порядку проведення оцінки впливу наноматеріалів та нанотехнологій на людину та навколишнє природне середовище.

2. Нанотоксикологія: поняття, мета і завдання. Токсичність наноматеріалів

Формування нанотоксикології як наукової дисципліни почалося давно, однак визнання вона отримала порівняно недавно. Зокрема, увагу співтовариства по дослідженню нанотоксикології привернула опублікована у 2004 робота Чіу-Вінг Лема (Центр космічних досліджень Джонсона Національного агентства по аеронавтиці та дослідженню космічного простору) і Девіда Вархайта (лабораторія Дюпон Хаскел по науках про здоров'я і навколишнє середовище США), в якій йдеться про можливості негативного впливу цих нових матеріалів. У роботі Лема і Вархайта розглядалися нові вироблені матеріали (вуглецеві нанотрубки) і описувалися виявлені несприятливі ефекти (гранулеми) при введенні їх у легені гризунів. Ці результати призвели до усвідомлення нанотехнологічним співтовариством того, що вироблені наноматеріали можуть виявитися шкідливими для здоров'я людей. Внаслідок цього виникла гостра необхідність досліджень потенційного негативного впливу вироблених наноматеріалів на здоров'я.

Активне впровадження наноматеріалів у клінічну медицину вимагає глибокого знання потенційних ризиків і побічних ефектів, пов'язаних з використанням цих матеріалів. Виробничі цикли, спрямовані на створення нових наноматеріалів, також можуть супроводжуватися нагромадженням відходів, що спричиняють токсичну, канцерогенну і мутагенну дію на організм людини. У зв'язку з цим, в спеціальній літературі останніх років значна увага приділяється висвітленню питань безпеки наноматеріалів і нанотехнологій у медицині та біології. Галузь досліджень, пов'язаних з вивченням безпеки наноматеріалів, отримала назву нанотоксикології.

Нанотоксикологія (англ. Nanotoxicology) - це вивчення токсичності наноматеріалів, тобто наука про створені нанопристрої і наноструктури, що має справу з їхнім впливом на живий організм.

Наноматеріали, створені навіть з інертних сполук, таких як золото, стають високоактивними у нанометровому діапазоні. Таким чином, нанотоксикологія вивчає, чи будуть (і в яких кількісних співвідношеннях) наноматеріали ставати небезпечними для навколишнього середовища і людини. Токсичні ефекти наночастинки, що має розміри < 100нм у діаметрі, можуть проявлятися навіть у тому випадку, коли більші частки даної сполуки не є токсичними. Токсичність можуть проявляти як штучно створені наночастинки, так і наночастинки природного походження з вулканічних викидів, атмосфери і т.д. Найбільш вивчені на сьогоднішній день наночастинки - це діоксид титану, окис алюмінію, оксид цинку, вуглецеві нанотрубки і т.д. Через квантові ефекти, викликані малими розмірами і великою площею (відносно розмірів) поверхні, наноматеріали мають унікальні властивості. У деяких наночастинок проявляються незвичайні патогенні властивості.

Мета нанотоксикології: дослідження ризику, пов'язаного із взаємодією наноматеріалів з організмом людини і навколишнім природним середовищем.

Питання нанотоксичності неоднозначне і багатогранне, вимагає комплексного підходу. Однією з основних проблем у цій сфері є те, що нанотоксикологією на сучасному етапі переважно займаються непрофесійні токсикологи.

Пріоритетним напрямом нанотоксикології є встановлення нових стандартів для хімічної характеристики наночастинок і оцінка їхніх біологічних ефектів для тестування регуляторної токсичності. На жаль, традиційних підходів для оцінки токсичності хімічних речовин недостатньо для вивчення речовин у нанофазі, тому що розмір часток і площа поверхні можуть мати особливе значення, при цьому концентрація маси може бути не найкращим виміром для опису залежності „доза-ефект".

Визначення залежності ступеня токсичності наночастинок від їх виду є надзвичайно важливим завданням нанотоксикології. Адже різноманітність наночастинок вражає: ліпосоми, емульсії, полімери, керамічні наноструктури, наночастинки у золотій скорині (в англомовній літературі "Gold shell nanoparticles"), вуглецеві наноматеріали -- фулерени та нанотрубки (які можуть бути одно-- або багатошаровими. Кожен вид наночастинки має, крім загальних для всіх наноматеріалів, і свої властивості, які слід вивчати у токсикологічному аспекті.

Одним з позачергових напрямків нанотоксикології має стати вивчення джерел утворення наночастинок та шляхів їх надходження в оточуюче середовище, поведінку у ньому -- накопичення, перерозподіл між його складовими (повітря, ґрунт, вода); стабільності; розпаду та визначення його продуктів. Відомо, що концентрація будь-якої речовини антропогенного походження в екосистемі прямо пропорційна використанню її у народному господарстві. Зважаючи на інтенсивність зростання темпів ужитку продуктів нанотехнології можна передбачити, що у найближчому майбутньому наночастинки посядуть чільне місце серед забруднювачів довкілля.

Окремими розділами нанотоксикології мають стати дослідження фармакокінетичних властивостей продуктів нанотехнології. Актуальним є вивчення шляхів потрапляння наночастинок в організм не лише людини, а й тварин і рослин, які вживаються у їжу. До цього ж розділу слід віднести виявлення особливостей абсорбції, розподілу, метаболізму та екскреції окремих видів наночастинок.

Певні відомості з фармакокінетики наноматеріалів уже накопичено. Нині найпоширенішим шляхом потрапляння наноречовин до організму є інгаляційний. Це пов'язано з тим, що основна маса наночастинок, які потрапляють в організм людини, -- це продукти горіння на промислових об'єктах, серед яких є і частинки нанорозмірів. Вважається, що завдяки своїм малим розмірам наночастинки можуть швидко долати біологічні бар'єри та розподілятися по організму.

Nemmar A. зі співавторами показали, що вже через одну хвилину після інгаляції карбонові наночастинки, мічені радіоактивним 99Tc розміром близько 100 нм, виявлялися у крові.

До шлунково кишкового тракту наночастинки можуть потрапити не лише прямо з їжі чи води, а й разом зі слизом із дихальних шляхів. Jani P. зі співавторами повідомляють, що наночастинки, які потрапляють до кишечника, здатні проходити його слизову та розподілятися по організму гематогенним шляхом. Однак інша група вчених не виявила доказів того, що наночастинки, які потрапили per os, здатні всмоктуватися. Вони вважають, що наноматеріали виділяються з фекаліями, не потрапляючи до внутрішнього середовища. Дискусійним залишається питання щодо можливості транскутанного шляху потрапляння наночастинок до організму хребетних, хоча є повідомлення про здатність квантових міток проникати у шкіру свиней. Причому проникливість залежить від розміру мітки та хімічного складу її зовнішньої оболонки.

Нез'ясованими залишаються питання залежності фармакокінетики наноматеріалів від виду наночастинки, окремих її властивостей. Було показано, що абсорбція та розподіл по організму квантових міток залежить від форми, заряду та хімічного складу зовнішньої оболонки, шляхів уведення тощо. Подібні експерименти провадилися із застосування багатошарових вуглецевих нанотрубок.

Виявилося, що їхня властивість проникати через біобар'єри залежить від розміру та форми трубок. Однак ця проблема повною мірою не висвітлена у літературі.

Актуальним є вивчення механізмів розподілу наночастинок по організму та механізмів проникнення до клітини.

Як і для будь-якої речовини, для наночастинок основним механізмом "доставки" до органів є гематогенний шлях. Однак вже встановлено, що принаймні деякі наночастинки здатні переміщатися аксональним транспортом та лімфатичними шляхами. Так, у дослідах на щурах показано, що при інгаляції мічених мітками фулеренів та карбонових наночастинок з середнім діаметром близько 35 нм останні накопичувалися у нюховій цибулині мозку щурів, що вказувало саме на нейрональний транспорт як шлях їх потрапляння до ЦНС.

У цьому аспекті значний інтерес викликає здатність наночастинок зв'язуватися з білками під час свого перебування в організмі. Було показано, що у білках, які абсорбуються на наночастинках, відбуваються конфірмаційні зміни. Невідомо, як впливає на властивості наночастинок зв'язування з білками плазми крові. Чи мають наночастинки антигенні властивості, також до кінця не з'ясовано. Водночас більш детальних відомостей щодо фармакокінетичних властивостей інших наночастинок знайти не вдалося. Вже з цих небагатьох даних видно визначальні особливості наноматеріалів, що вимагає поглибленого вивчення їх.

Особливої уваги у фармакокінетичних дослідженнях нанотоксичності має посісти метаболізм наночастинок у живому організмі. Відомостей у літературі щодо перетворення наночастинок in vivo набагато менше, ніж про інші фармакокінетичні характеристики. Невідомо, наскільки безпечними чи, навпаки, небезпечними є для людини продукти їх біодеградації. У літературних джерелах є повідомлення про те, що полімерні наночастинки та суперпарамагнетичні наноструктури оксиду заліза здатні розпадатися в організмі. Дослідження деяких авторів доводять, що ядро квантових міток, яке складалося із сульфідів кадмію та цинку, залишається інтактним протягом місяця в організмі лабораторних щурів. Даних про можливість метаболізму інших наночастинок знайти не вдалося. Якщо наночастинки здатні розпадатися в організмі чи в оточуючому середовищі, важливо визначити можливі токсикологічні особливості продуктів цього розпаду. Так, було показано, що квантові мітки, в яких відбувся фотоліз, є більш токсичними для культури клітин порівняно з інтактними наноструктурами.

Серед першочергових завдань токсикодинаміки наноматеріалів стоїть питання вивчення загальних закономірностей взаємодії наночастинок з живими організмами. Зовсім недослідженими є типові патологічні процеси, що можуть викликатися наночастинками у живому організмі. Із сучасних джерел відомо, що одним з основних механізмів ушкодження (якщо не головним), спричиненого наноструктурами, є оксидативний стрес, що призводить до активації різних факторів транскрипції, які, у свою чергу, підвищують синтез прозапальних речовин. Так, активація міто-генактивуючої протеїнкінази та ядерного фактора КВ наночастинками, які утворюються при згорянні, підвищують транскрипцію прозапальних речовин та фактора некрозу пухлин-б.

A. Gatti et all вивчали наявність наночастинок у крові, спермі та фолікулярній рідині у солдатів війни в Перській затоці із незвичайною патологією, що не укладається в синдромологію відомих захворювань. Автори виявили наночастинки вуглецю, вольфраму, свинцю, кобальту та ін. у біосередовищах солдат і вважають, що їхні захворювання є "нанопатологією", обумовленої впливом наночастинок, які можливо утворювалися при вибухах бомб із незбагаченим ураном, а також при вибухах вольфрамової зброї або при горінні нафтових свердловин.

Наноматеріали характеризуються особливостями, що дозволяють припустити їх генотоксичну дію: високою проникаючою здатністю на рівні організму, органів, тканин і клітин; індукцією вільних радикалів, у тому числі активних форм кисню і азоту; ушкодженням цитоскелету; здатністю деяких наноматеріалів долати каріолему і розміщуватися в ядрі клітини; кон'югацією із ДНК; складом деяких наноматеріалів, що включають атоми хімічних сполук, які чинять канцерогенну дію, наприклад, кадмію або миш'яку; подібністю будови деяких наноматеріалів із волокнами азбесту, що чинить генотоксичну і канцерогенну дію.

Генотоксична активність наноматеріалів визначається їхньою здатністю индуціювати активні радикали кисню і азоту, що ушкоджують ДНК, а також високою проникністю і прямою дією на внутрішньоклітинні структури, у тому числі на цитоскелет і хроматин.

Аналіз представлених робіт показує, що генотоксична активність наноматеріалів майже не вивчена. Наведені дані отримані на обмеженій кількості наноматеріалів і, здебільшого, у дослідах in vitro. З іншого боку, навіть це невелике число робіт вказує на здатність наноматеріалів индуціювати Днк-ушкодження, хромосомні аберації, мікроядра, анеуплодію. Нещодавно виявлені наслідки генотоксичної дії наноматеріалів: ультратонкі частки діоксида титану (<100нм у діаметрі), викликали фіброз і рак легенів у пацюків.

Таким чином, є підстави побоюватися генотоксичної дії наноматеріалів на організм людини і важких наслідків цього, у першу чергу канцерогенного ефекту. Можна припускати, що наноматеріали будуть більш активні при дії на генетичний апарат клітин у порівнянні з мікрочастинками.

Отже, нагальною потребою є створення системи оцінки генетичної безпеки наноматеріалів, основою якої може бути загальноприйнятий підхід до оцінки мутагенних властивостей хімічних сполук, найбільш детально розроблений для лікарських препаратів.

На підставі аналізу результатів досліджень по оцінці токсичності наноматеріалів у Додатку 2 представлені узагальнені дані щодо вивчення їх токсичних і патофізіологічних ефектів.

3. Безпека наноматеріалів

Система нанобезпеки, як це вже не одноразово відбувалося в історії людства, відстає на крок від впровадження наноматеріалів, проте залишається дуже важливою в умовах швидкого розповсюдження нанотехнологій у всьому світі, ймовірного впливу на людей безпосередньо або через виділення в навколишнє природне середовище (повітря, воду, ґрунт). Синтезовані наноматеріали здатні потрапити в навколишнє середовище різними шляхами. При виробництві, обробці та перевезенні, використанні або утилізації.

Оцінка безпеки наноматеріалів вимагає тісного співробітництва вчених різних галузей. Традиційно пов'язані з оцінкою безпеки науки - токсикологія, патологія, молекулярна і клітинна біологія, фармакокінетика і біохімія - повинні з'єднати зусилля з досвідченими матеріалознавцями і ученими інших галузей науки для забезпечення того, щоб дослідження щодо безпеки та біосумісності дали точні та зрозумілі (що можна інтерпретувати) результати для оцінки безпеки.

Зустріч біологічних систем з наноматеріалами не виключає катастрофічних змін перших. У цьому зв'язку глобальний нанотехнологічний проект повинен передбачити такі небезпеки і поставити під тотальний контроль генотоксикологічну оцінку продуктів, створюваних на базі маніпуляцій з атомами, молекулами, молекулярними системами. Інакше кажучи, фахівці, що займаються проблемами нанотехнологій, повинні добиватися строгого вивчення ефектів наночастинок на генетичні та біологічні системи. З поглядів фундаментальної мутаційної генетики, нанотехнології, зберігаючи вірність принципу міждисциплінарності, будуть зобов'язані вивчити питання про те, які варіанти розвитку можливі після того, як наночастинки досягнуть апарату спадковості. Дуже може бути, що у випадку інтеграції наночастинок у хромосомні матриці їхній вплив на процеси мутагенезу виявиться катастрофічним. У цілому ж результати досліджень структурно-функціональних наслідків дії наночастинок на гени, хромосоми, білки, ферменти і органели в клітині, а також інтерпретація і теоретичний аналіз цих результатів відкриють нову сторінку в біології і генетиці, стануть самостійним тематичним розділом в нанонауці та сінергетиці, розділом дуже важливим і цікавим.

Вивчення властивостей наночастинок та їхнього наступного впливу на біологічні структури можливе за двома основними напрямами: мікроскопічному і термодинамічному. При використанні першого підходу вивчення особливостей поведінки нанооб'єктів здійснюється від одиничних атомів або молекул речовини до гігантських наноструктур, щодо яких можуть застосовуватися усі наближення з фізики твердого тіла. Другий напрям має зворотний підхід, коли від макроскопічного об'єкта переходять до нанокластерів за рахунок дроблення або наноструктурування.

Застосування термодинамічного підходу до вивчення властивостей нанокластерів дозволяє встановити закономірності зміни їх властивостей у процесі фазового переходу. Крім того, необхідно оцінити можливість синергетичного впливу наночастинок із токсичними забруднювачами, що також може впливати на біооб'екти.

Дослідження фундаментальних властивостей нанооб'ектів необхідно проводити з урахуванням спрямованості протікання електромагнітних процесів, що мають місце в електрично-активних сполучених структурах, до яких відносяться і наночастинки.

Спільний аналіз електрофізичних, фізико-хімічних і хімічних процесів, що протікають у водному середовищі та біологічних рідинах у присутності наночастинок, дозволить виявити механізм їхньої дії на біооб'екти і оцінити можливості проявлення нанотоксичного впливу на організм.

Класифікація наночастинок може бути побудована, по-перше, на характеристиці їхньої форми. У цьому випадку розрізняють точечні наночастинки (з розміром менше 100нм у будь-якому вимірі), лінійні (протяжливі) об'єкти, такі як нанотрубки вуглецю, нановолокна, нанонитки, нанофіламенти, що характеризуються одним протяжним макроскопічним виміром (довжиною), двовимірні об'єкти (плівки нанометрової товщини) і, нарешті, тривимірні об'єкти з тонкою (фрактальною) структурою в нанометровому діапазоні (нанопен), нанокомпозити та ін. Другий тип класифікації заснований на хімічному складі й включає наночастинки вуглецю (фулерени, нанотрубки, графен), наночастинки елементарних (простих) речовин, бінарних сполук (окислів, сульфідів, нітридів та ін.), складних (потрійних і більше) хімічних сполук, наночастинки органічних полімерів і біологічних макромолекул. Третій тип класифікації заснований на підході отримання речовин у наноформі. Це, по-перше, "спадний" шлях, тобто отримання наночастинок шляхом процесу надтонкого розмільчіння речовини у формі суцільних фаз або макродисперсій. По-друге, це "висхідний" шлях, що полягає у молекулярній конденсації наночастинок із розчинів або з газової фази, насиченої парами речовин під впливом електричного розряду, лазерного випромінювання, високотемпературної плазми та ін.

Так як наноматеріали можуть володіти зовсім іншими фізико-хімічними властивостями та біологічною (у тому числі токсичним) дією, ніж речовини у звичайному фізико-хімічному стані, тому вони повинні у всіх випадках бути віднесені до нових видів матеріалів і продукції, характеристика потенційного ризику яких для здоров'я людини і стану середовища перебування у всіх випадках є обов'язковою.

При оцінці безпеки наноматеріалів у першу чергу варто враховувати їхній вплив на такі найважливіші біологічні характеристики, як проникність біомембран, генотоксичність, активність окислювально-відновних процесів, включаючи перекісне окислювання ліпідів, біотрансформація і елімінація з організму.

Існуюча сьогодні методологія оцінки ризику ґрунтується на повній токсикологічній оцінці кожної конкретної речовини, визначенні залежності "доза-ефект", даних про зміст речовини в об'єктах навколишнього середовища і харчових продуктів, розрахунку навантаження на населення, що дозволяє розрахувати наявні ризики. Однак для наноматеріалів у зв'язку з особливостями їхньої будови і поведінки дана методологія може бути застосована обмежено (або незастосовна) у зв'язку з наступними причинами:

- токсичність наночастинок не може бути виведена в порівнянні з аналогами в макродисперсній формі або у вигляді суцільних фаз, тому що токсикологічні властивості наноматеріалів є результатом не тільки їхнього хімічного складу, але й розмаїтості їхніх інших особливостей, таких як поверхневі характеристики, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність та ін;

- наявні токсикологічні методології засновані на визначенні токсичності речовини щодо масової концентрації, що не прийнятно для наноматеріалів, для яких основними визначальними властивостями можуть бути величина площі поверхні або наночастинки;

- відсутні стандартизовані індикатори нанотоксичності, які повинні обов'язково враховувати внесок таких характеристик, як поверхневі властивості, розмір, форма, сполука, хімічна реактивність складових їхніх часток;

- відсутні надійні дані про органи-мішені дії конкретних наноматеріалів;

- методи виявлення, ідентифікації й кількісного визначення наноматеріалів у об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біосередовищах, які могли б вірогідно відрізнити їх від хімічних аналогів у макродисперсній формі, недостатньо розроблені;

- відсутні або недоступні нові бази даних і математичні моделі, що опираються на досягнення біоінформатики і на експериментальні дані по токсичності окремих наноматеріалів.

Незважаючи на те, що наноматеріали використаються досить тривалий час, жоден вид не був вивчений у повному об'ємі безпеки. Фактично, безпеки наноматеріалів не дозволяють точно оцінити їхні потенційні ризики.

Одним з основних питань є наявність високочутливих методів виявлення, ідентифікації і кількісного визначення наноматеріалів у об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біологічних середовищах. При цьому повинні використовуватися методи оцінки, які характеризуються специфічністю, що дозволяє, і це дуже важливо, відрізнити наноматеріали від їхніх хімічних аналогів у вигляді суцільних фаз або макроскопічних дисперсій. Перелік використовуваних методів представлений у Додатку 3.

Визначальним моментом в оцінці ризику є встановлення можливої токсичності наноматеріалів. Наявна сьогодні незначна кількість досліджень у цьому напрямку вказує на те, що наноматеріали можуть бути токсичними, тоді як їхній еквівалент у звичайній формі в цій же концентрації безпечний. Показано, що навіть однократна інгаляція вуглецевих нанотрубок і наночастинок деяких інших типів викликає в експериментальних тварин запальний процес у легеневій тканині з наступним некрозом кліток і розвитком фіброзу, що, можливо, здатне привести до канцерогенезу. Наноматеріали характеризуються нейротоксичністю, у тому числі, здебільшого, за рахунок проходження через гематоенцефалічний бар'єр, викликаючи окисний стрес в клітинах мозку; кардіотоксичність і гепатотоксичність наноматеріалів також визначається розвитком окисного стресу і запальної реакції, що призводить до апоптозу і некрозу клітин; є окремі відомості, що наночастинки можуть несприятливо впливати на систему згортання крові.

Таким чином, фактично в цей час токсичність різних наноматеріалів вивчена вкрай недостатньо, у тому числі немає даних по метаболізму і механізму їхньої дії, не визначені критичні органи і системи. Узагальнюючи наявні літературні дані, варто звернути увагу на два факти. По-перше, у більшості проведених досліджень вказується на те, що визначальним в токсичності наноматеріалів є розвиток окисного стресу і ушкодження ДНК, що може привести до запальної реакції, апоптозу і некрозу клітини. При цьому, можливо, що на перший план виходить не кількість потраплених наноматеріалів, а площа їхньої поверхні, що і буде визначати їхню реакційну здатність. Крім того, не можна виключати і наявності інших механізмів, пов'язаних, зокрема, з ушкоджуючою дією наноматеріалів на клітинні мембрани і органели, посиленням транспорту потенційно токсичних компонентів через бар'єри організму, а також можливої генотоксичністю і алергізуючою дією.

По-друге, принципово важливою характеристикою, яку варто враховувати при оцінці можливої токсичної дії наноматеріалів, є їхня нерозчинність у воді та біологічних середовищах. Дійсно, як тільки наночастинки розчиняються, усі ефекти, пов'язані з наявністю в них високорозвиненої поверхні та з різними процесами, що протікають гетерофазно, втрачаються, і по своїй токсичній дії водорозчинний наноматеріал нічим не буде відрізнятися від його аналога в макродисперсній формі. Тому вже на першому етапі оцінки безпеки наноматеріалів однієї з найважливіших характеристик є нерозчинність у водних середовищах.

Ще однією важливою характеристикою наночастинок є показник їхньої форми - "аспектне відношення", тобто відношення довжини часток до їх мінімального лінійного розміру. По аналогії з такими об'єктами в макродисперсній формі, як волокна азбесту, можна припустити, що лінійно протяжні наноструктури, такі як вуглецеві нанотрубки, можуть мати більшу потенційну токсичність, ніж аналогічні по сполуці частки, що характеризуються менш вираженою ексцентричністю форми.

Наступним найважливішим етапом є оцінка надходження, розподілу і виведення наноматеріалів з організму. У цей час вважається, що існує три основних шляхи надходження наноматеріалів в організм людини: інгаляційний, через шкіру і преорально. Питання про можливі шляхи надходження наночастинок різної природи в організм, їхнього проходження через біологічні бар'єри, розподілу і нагромадження в різних органах і тканинах у цей час інтенсивно досліджується. У результаті експозиції наночастинками, що втримуються в повітрі, воді, а також вхідними до складу матеріалів одягу, парфюмерно-косметичних засобів, препаратів побутової хімії можливо їхнє проникнення в організм через неушкоджену шкіру.

Оцінка безпеки наноматеріалів повинна включати наступні основні блоки:

- методи виявлення, ідентифікації і кількісного визначення наноматеріалів в об'єктах навколишнього середовища, харчових продуктах і біологічних середовищах, що дозволяють відрізнити наноматеріали від їхніх аналогів у традиційній, тобто макродисперсній формі;

- вивчення взаємодії наноматеріалів з ліпідами, білками, нуклеїновими кислотами (ДНК, РНК, клітинні мембрани, рибосоми, ферменти, цитохроми Р-450) у системах in vitro;

- вивчення механізмів проникнення наноматеріалів через біомембрани, зв'язування з мембранними рецепторами в системі in vitro;

- вивчення зміни характеристик наночастинок у складі модельних систем, що відтворюють різні середовища організму (шлунковий і кишковий уміст, кров, лімфа, жовч, сеча і т.д.);

- визначення параметрів гострої, підгострої і хронічної токсичності, органотоксичності (нейротоксичність, гепатотоксичність, кардіотоксичність, імунотоксичність, нефротоксичність та ін.) і віддалених ефектів (мутагенність, ембріотоксичність, тератогенність, канцерогенність), а також розподілу наноматеріалів по органах і тканинам;

- визначення параметрів І і ІІ фази метаболізму ксенобіотиків і системи антиоксидантного захисту;

- вивчення впливу наноматеріалів на експресію генів, генотоксичність, апоптоз, протеомний і метаболомний профілі, потенційну алергенність;

- вивчення в моделях in vitro виживаності пробіотичних мікроорганізмів нормальної мікрофлори шлунково-кишкового тракту в присутності наноматеріалів, процесів усмоктування наноматеріалів у шлунково-кишковому тракті на моделях in situ та in vivo і визначення впливу наноматеріалів на мікробіоценоз шлунково-кишкового тракту.

Інтенсивне впровадження нанотехнологій у різних галузях господарської діяльності неминуче ставить проблему не тільки впливу на людину і навколишнє природне середовище самих наноматеріалів, але й відходів, що утворяться при їхньому виробництві або перетворення у відхід споживання.

Дотепер не вивченим залишається питання методології проведення еколого-гігієнічних досліджень по виявленню характеру і ступеню небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів, не оцінений ступінь небезпеки технологій їхнього знешкодження і знищення. Тому одним з напрямів наукових досліджень на сучасному етапі може з'явитися розробка методологічних основ оцінки небезпеки відходів нанотехнологій. При цьому важливо науково обґрунтувати методологію проведення еколого-гігієнічних досліджень по виявленню характеру і ступеню небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів нового покоління. Розробити комплекс інтегрованих показників і критеріїв оцінки небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів і продуктів їхнього розчеплення і спалювання. Кінцевим результатом повинна бути підготовка методичних рекомендацій з еколого-гігієнічної оцінки небезпеки відходів нанокомпозитних матеріалів з обґрунтуванням основних принципів, показників і критеріїв, а також гігієнічних вимог і рекомендацій.

Висновки

Цілком очевидно, що такі перспективні міждисциплінарні технології, якими без сумніву є нанотехнології, будуть стрімко розвиватися та набирати обертів. Проте необхідно зазначити, що на сьогоднішній день нормативно-правова база, регулююча цю сферу, практично відсутня.

З огляду на вищезазначені обставини, видається надзвичайно важливою і необхідною розробка спеціалізованого закону, який міг би називатися, по аналогії з регулюванням використання ядерної енергії, - „Про використання нанотехнологій та безпеку наноматеріалів". Закону, який би передбачав встановлення пріоритету безпеки людини та навколишнього природного середовища, права і обов'язки громадян у сфері використання нанотехнологій, регулювання діяльності, пов'язаної з використанням наноматеріалів.

Відкритим залишається питання щодо створення інформаційно-діагностичної бази по токсичним і побічним ефектам наночастинок, яка включала б:

· створення бази даних первинної інформації з токсичних і побічних ефектів наночастинок на основі спонтанних повідомлень;

· створення бази даних динамічного спостереження за повторним проявом токсичних і побічних реакцій наночастинок;

· створення бази даних за результатами лабораторного тестування наночастинок із виявленими побічними реакціями (токсикологічні лабораторії);

· створення баз даних побічних реакцій наночастинок у пацієнтів з різною патологією;

· інтеграція національної бази даних у міжнародні бази даних по токсичних і побічних ефектах наночастинок.

Розробка нормативної бази для успішної роботи центрів по реєстрації токсичних ефектів і побічних реакцій на наночастинок:

· впровадження міжнародних і національних шкал оцінки токсичних ефектів і побічних реакцій на нанотехнологічну продукцію;

· розробка клінічно релевантних біомоделей, що дозволяють оцінити токсичні та побічні ефекти наночастинок, і в сукупності з in-vitro- дослідженнями, in silico технологіями екстраполювати отримані результати в клініку;

· впровадження і розробка нового обладнання, методів і технологій для оцінки токсичності наночастинок відносно органів-мішеней (токсикогеноміки, токсикопротеоміки, токсикометабономіки).

Окремими завданнями можуть стати:

· розвиток комп'ютерних методів предиктивної токсикології ( дозволяють знизити до 50 % витрат на побічні реакції наночастинок) і створення інформаційно-діагностичної системи по реєстрації токсичних і побічних реакцій на наночастинок;

· формування нової державної й утворювальної стратегії в області нано(эко)токсикології.

токсичний нанотехнологія атом молекула

Список використаних джерел

1. Розпорядженням КМУ від 2 квітня 2009 р. № 331 „Про схвалення Концепції Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки"

2. Постанова КМУ від 28 жовтня 2009 р. N 1231 „Про затвердження Державної цільової науково-технічної програми "Нанотехнології та наноматеріали" на 2010-2014 роки"

3. Екологічне право України. Академічний курс: Підручник за ред Ю.С. Шемчука. - К.: ТОВ „Юридична думка", 2005. - 848 с.

4. В.Н. Кавецкий, профессор, .Н. Багацкая, канд. с-х. наук, Н.А. Рыженко, канд. с-х наук: Система экотоксикологических исследований окружающей среды -- основа обеспечения внутреннего динамического равновесия экосистем. Институт экогигиены и токсикологии им. Л.И. Медведя, Киев

5. Чекман І.С., Сердюк А.М., Кундієв Ю.І., Трахтенберг І.М., Каплінський С.П., Бабій В.Ф. Нанотоксикологія: напрямки досліджень довкілля та здоров'я № 1 (48), 2009 - http://www.nbuv.gov.ua/portal/chem_biol/Environment/2009/01-1.pdf

6. Сарвилина И. В. „Нанотоксикология - новое направление для исследований" III съезд токсикологов России Москва, 1-5 декабря 2008 года г. Ростов-на-Дону, 2008 - http://www.slideshare.net/transwoman/ss-presentation-866132

7. Б.А. Курляндский. О нанотехнологии и связанных с нею токсикологических проблемах - http://www.erh.ru/nano/pdf/st13.pdf

8. Н.Г. Проданчук, Г.М. Балан. Нанотоксикология: состояние и перспективы исследований. - http://www.nbuv.gov.ua/portal/Chem_Biol/Spt/2009_3-4/str04.pdf

9. Нанотоксикология- http://www.bonasana.org/storage/files/нанотоксикология.pdf

10. Нанотехнологии в биологии и медицине. Коллективная монография под ред. чл.-корр. РАМН, проф. Е. В. Шляхто. 2009 г. - http://prostonauka.com/nano/nanotehnologii-v-biologii-i-medicine

11. Словник термінів нанотехнологій - http://www.portalnano.ru/read/tezaurus/definitions/nanotoxicology

12. Сычева Л.П. Генотоксическое действие наноматериалов.-http://www.erh.ru/nano/pdf/st10.pdf

13. О.Алексеева. Новая дисциплина-нанотоксикология. -http://www.businesspress.ru/newspaper/article_mId_37_aId_436194.html

14. Захидов С.Т. Нанотехнологии и генетическая безопасность. Сборник тезисов и статей: Всероссийская научная школа для молодежи "Наномедицина и нанотоксикология". - М., МДВ, 2009. - 32 с. - http://www.amedpharm.ru/files/249.pdf

15. Яковлева Г.В., Стехина А.А. Основные подходы к оценке свойств нанообъектов. http://www.erh.ru/nano/pdf/st12.pdf

16. Методические подходы к оценке безопасности наноматериалов - http://www.erh.ru/nano/pdf/st1.pdf

17. Русаков Н.В. Проблемы опасности отходов наноматериалов при их производстве и превращении в отход потребления http://erh.ru/nano/pdf/st6.pdf

18. Методологические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды" материалы пленума Научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды РАМН и Минздравсоцразвития Российской Федерации Под редакцией академика РАМН Ю.А. Рахманина, Москва, 2007

Размещено на Allbest.ru