纳米材料的安全性评估何去何从

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的材料。由于纳米材料会表现出与传统材料不同的光、电、磁、热、力学等性能，纳米技术迅速渗透到材料的各个领域，成为当前世界科学研究的热点。但是，随着纳米材料和纳米技术的迅速发展和广泛应用，人们接触纳米材料的机会大大增加，而且有相当部分纳米材料有潜力运用在药学和生物医学领域，其引起的安全问题也越来越受到关注。早在2004年，就有研究者发现富勒烯C₆₀会对鱼类的大脑产生显著的氧化性损伤 ^[1]，他们的后续研究发现富勒烯C₆₀还会影响鱼类一些与免疫响应有关的基因表达 ^[2]。也在2004年，Science 杂志曾有一篇观点文章提醒研究人员在快速发展纳米科技的同时，也要关注其安全问题，并警告如果纳米技术发展过快而不注重其对环境和人类健康的负面影响，很可能会重蹈早期工业革命的覆辙 ^[3]。2009年，European Respiratory Journal 杂志报道了一个微型印刷车间工人疑似因长时间吸入大量纳米颗粒而致肺部损伤以及死亡的案例 ^[4]，这可能是世界上首例纳米材料致人死亡的病例报告，在当时业内引起巨大的关注。

纳米材料的安全性评估无疑具有极为重要的价值，影响到纳米材料的进一步应用。目前纳米材料安全性评估主要基于风险评估（risk assessment）和生命周期评估（life-cycle assessment）两个基本原则。其中，风险评估是定量或者定性地评价某种纳米材料对人类健康或者环境造成的危害，确定造成负面影响所需要的纳米材料的量（剂量-反应函数）（图1）；生命周期评估是定量评价一种纳米材料从原材料采掘或获取、制造加工、使用到废弃处理乃至再生循环利用整个生命过程的投入产出与环境影响（图2）。生命周期评估涉及的因素较多，比如气候、酸碱度、生态毒性等，以普通袜子与修饰了银纳米颗粒的袜子对比为例（图3）。

图1. 纳米材料风险评估的一般步骤。图片来源：Nat. Nanotech.

图2. 纳米材料生命周期评估的一般步骤。图片来源：Nat. Nanotech.

图3. 基于生命周期评估的原则研究纳米材料的生物安全性。图片来源：Nat. Nanotech.

研究纳米材料毒性的具体方法大致可分为两类：体内实验（如亚慢性吸入毒性实验、气管滴注染毒实验、暴露染毒实验）和体外实验（如MTT法、细胞暴露染毒、多种细胞多因素方法）。但是无论是单独使用还是联合使用，还没有证据能支持现有的方法能作为检测纳米材料毒性的通用方法。另外，虽然动物体内实验能够在一定程度上比较直接地体现出纳米材料的危害，但是实验动物的数量有限、操作复杂、价格昂贵，还有无法回避的伦理问题。科学家们仍然需要寻找到更有效地研究纳米材料生物安全的方法。

近日，芬兰职业健康研究所的Kai Savolainen教授等人在Nature Nanotechnology 上发表观点文章 ^[5]，点评了目前纳米材料的安全性评估领域所取得的显著进步。最近几年，包括系统生物学方法以及高通量筛选平台在内的一些基于机理的安全性评估方法已经出现，而且一些新的全生命周期纳米材料风险评估及风险管理工具也陆续问世。研究者们需要加快利用新兴的方法和工具，并将研究结果与生物信息学相结合，通过建模的方式以实现预测新纳米材料的危害。这些努力可以对纳米材料的危害进行科学和定量的评估，反过来，也将极大促进安全可持续地使用的纳米材料。该文章为以后研究纳米材料的安全性提供了一个新思路。

自从1959年，诺贝尔奖获得者理查德•费曼发表了题为“在材料的微小区域有着广阔的天地”的报告，纳米材料和技术受到研究人员的疯狂追捧。当然，纳米材料也是不负众望，创造了一个个神话。在这个论文数量基本代表一个人能力高低的时代，学术圈也是乐于创造出让人眼前一亮的纳米材料，而它的危害及风险却鲜有人谈起。说实话，笔者通过查阅相关文献也很少找到纳米材料对人类造成危害的文章，感觉大家说起纳米材料会给人类健康和环境带来风险更像是一种未雨绸缪的态度，如何科学、有效地评估仍然需要更多的重视、投入和努力。对于像笔者这样普通的实验猿来说，目前能做的就是把自己的实验后处理做好，不让自己手里的纳米材料有机会威胁身边的人或者进入环境。

参考资料：

1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1247377/

2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1257642/

3. http://science.sciencemag.org/content/304/5678/1732

4. http://erj.ersjournals.com/content/34/3/559

5. https://www.nature.com/articles/s41565-018-0185-0

（本文由Sunshine供稿）