纳米材料的生物安全性研究进展
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摘要
随着纳米科技的迅速发展,纳米材料的应用越来越广泛,人类及动植物与纳米材料的接触已经不可避免。纳米粒子尺寸小、比表面积大、表面态丰富、化学活性高,具有许多块体及普通粉末所没有的特殊性质,许多在普通条件没有生物毒性的物质,在纳米尺寸下却表现出很强的生物毒性。因此纳米材料的安全性研究备受各国政府和科学家们的关注。然而尽管纳米材料的种类和应用范围都在迅速增加,人们对纳米材料的生物安全性的深入研究却还显得十分缺乏。
本文综述了包括富勒烯(C60)、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金、氧化铁、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、硒化锌等在内的多种典型的碳基纳米材料、金属及其氧化物纳米材料和半导体(绝缘体)纳米材料的生物安全性研究进展。从纳米生物安全性研究所涉及的纳米粒子种类来看,常见的重要纳米材料多数都有涉及,其制备方法也涵盖了制备纳米粒子常用的各种物理及化学方法。纳米粒子与生物体或细胞接触的方式有吸入、注射、经根吸收、细胞温育等。纳米粒子生物毒性的表现方式主要有组织器官形态和功能的改变、生长发育迟缓、细胞形态改变、染色体损伤、细胞分裂异常、细胞死亡(凋亡)等。从已有的研究来看,纳米粒子的毒性与其尺寸、形貌、表面修饰、浓度、制备方法及作用时间等均有密切关系,一般而言纳米粒子的尺寸越小、浓度越高、作用时间越长,则其毒性也越大。纳米粒子的生物毒性也与细胞类型有关,同一种纳米粒子对不同细胞的毒性强弱也不相同,此外还与生物或细胞染毒途径和方式有关。纳米粒子生物毒性的机理目前还不十分清楚,氧化损伤是纳米材料引起毒性的可能途径,细胞凋亡可能依赖线粒体途径。在纳米材料的生物安全性评价方面,目前还缺乏完善的评价方法及相应的指标体系。
目前纳米材料的生物安全性研究总体来说还处于起步阶段,大部分工作主要集中在现象观察和资料收集方面,对纳米材料生物毒性的机理的深入研究还亟待加强。特别是对那些在生物调控、疾病诊断与治疗、生物标记等领域有重要应用前景的纳米材料,要想使其真正进入实用领域,就必须对其生物安全性进行全面深入的研究和评价,而这方面的工作尤其显得薄弱。本文对目前纳米材料生物安全性研究中存在的困难和问题也进行了分析,并对纳米材料生物安全性研究的未来发展进行了展望。
With the rapid development of nanotechnology and the wide application of nanomaterials human exposure to nanomaterials is inevitable. The bio-safety of nanomaterials is starting to gain more and more attention. Nanotoxicology has become a big concern in scientific community. However, despite the fast increase of the kinds of nanomaterials and the amount and variety of applications, studies to characterize their bio-effects, especially their bio-safety and to address their potential toxicity are still lacking.
This thesis summarizes the advances of investigations on the bio-safety of carbon-based nanoparticles, metal-based nanoparticles, and semiconductor-based nanoparticles, such as fullerenes, single- and multi-walled carbon nanotubes, Au nanoparticles, super-paramagnetic iron oxide nanoparticles, Al2O3, ZnO, TiO2 and SiO2 nanoparticles, ZnSe, ZnS, CdSe and CdTe quantum dots. The cytotoxicity of nanomaterials is strongly affected by many factors, such as size, morphology, surface modification, concentration, interaction time, cell type, taint way, and so on. The mechanism of the cytotoxicity of nanomaterials is not very clear yet, a possible machine is the oxidative damage. The potential mechanism of cells apoptosis might be related to the collapse of mitochondrial membrane potential.
The evaluation of the bio-safety of nanomaterials is the precondition for the actual application of nanomaterials in those field in which bio-safety is greatly concerned, such as disease diagnostic, bio-detection, bio-marker, etc. Yet at present, we still lack systematic standards and criteria. Nanotoxicology research should uncover and know how those multiple factors influence the toxicity of nanoparticles so that the side effects can be avoided. We also analyzed the prospects of the researches on bio-safety of nanomaterials.
本文综述了包括富勒烯(C60)、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、金、氧化铁、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、二氧化硅、硫化锌、硒化锌等在内的多种典型的碳基纳米材料、金属及其氧化物纳米材料和半导体(绝缘体)纳米材料的生物安全性研究进展。从纳米生物安全性研究所涉及的纳米粒子种类来看,常见的重要纳米材料多数都有涉及,其制备方法也涵盖了制备纳米粒子常用的各种物理及化学方法。纳米粒子与生物体或细胞接触的方式有吸入、注射、经根吸收、细胞温育等。纳米粒子生物毒性的表现方式主要有组织器官形态和功能的改变、生长发育迟缓、细胞形态改变、染色体损伤、细胞分裂异常、细胞死亡(凋亡)等。从已有的研究来看,纳米粒子的毒性与其尺寸、形貌、表面修饰、浓度、制备方法及作用时间等均有密切关系,一般而言纳米粒子的尺寸越小、浓度越高、作用时间越长,则其毒性也越大。纳米粒子的生物毒性也与细胞类型有关,同一种纳米粒子对不同细胞的毒性强弱也不相同,此外还与生物或细胞染毒途径和方式有关。纳米粒子生物毒性的机理目前还不十分清楚,氧化损伤是纳米材料引起毒性的可能途径,细胞凋亡可能依赖线粒体途径。在纳米材料的生物安全性评价方面,目前还缺乏完善的评价方法及相应的指标体系。
目前纳米材料的生物安全性研究总体来说还处于起步阶段,大部分工作主要集中在现象观察和资料收集方面,对纳米材料生物毒性的机理的深入研究还亟待加强。特别是对那些在生物调控、疾病诊断与治疗、生物标记等领域有重要应用前景的纳米材料,要想使其真正进入实用领域,就必须对其生物安全性进行全面深入的研究和评价,而这方面的工作尤其显得薄弱。本文对目前纳米材料生物安全性研究中存在的困难和问题也进行了分析,并对纳米材料生物安全性研究的未来发展进行了展望。
With the rapid development of nanotechnology and the wide application of nanomaterials human exposure to nanomaterials is inevitable. The bio-safety of nanomaterials is starting to gain more and more attention. Nanotoxicology has become a big concern in scientific community. However, despite the fast increase of the kinds of nanomaterials and the amount and variety of applications, studies to characterize their bio-effects, especially their bio-safety and to address their potential toxicity are still lacking.
This thesis summarizes the advances of investigations on the bio-safety of carbon-based nanoparticles, metal-based nanoparticles, and semiconductor-based nanoparticles, such as fullerenes, single- and multi-walled carbon nanotubes, Au nanoparticles, super-paramagnetic iron oxide nanoparticles, Al2O3, ZnO, TiO2 and SiO2 nanoparticles, ZnSe, ZnS, CdSe and CdTe quantum dots. The cytotoxicity of nanomaterials is strongly affected by many factors, such as size, morphology, surface modification, concentration, interaction time, cell type, taint way, and so on. The mechanism of the cytotoxicity of nanomaterials is not very clear yet, a possible machine is the oxidative damage. The potential mechanism of cells apoptosis might be related to the collapse of mitochondrial membrane potential.
The evaluation of the bio-safety of nanomaterials is the precondition for the actual application of nanomaterials in those field in which bio-safety is greatly concerned, such as disease diagnostic, bio-detection, bio-marker, etc. Yet at present, we still lack systematic standards and criteria. Nanotoxicology research should uncover and know how those multiple factors influence the toxicity of nanoparticles so that the side effects can be avoided. We also analyzed the prospects of the researches on bio-safety of nanomaterials.
引文
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