Нанотрубки вылетят в трубу?
Скандинавские ученые предупреждают об опасности новейших модных технологий
Алексей Смирнов, «Новые Известия»
Весь мир сегодня говорит о начавшейся нанореволюции, которая скоро перевернет нашу жизнь. Правительства многих стран выработали специальные программы по стимулированию исследований в области сверхмалых частиц и их прикладного применения. «Нано» стремительно вторгается в нашу жизнь, присутствуя буквально повсюду: от автомобильных покрытий и рубашек, отталкивающих грязь, до носков, убивающих бактерии, и медицинских инструментов с удивительными свойствами. Лишь за последние пять лет, по данным ЕС, количество товаров широкого потребления с использованием нанотехнологий выросло с 50 до более одной тысячи.
Микрочастицы, призванные поднять нашу цивилизацию на новый уровень развития, однако, могут стать и ее убийцами. О новой опасности заявил в открытом письме, опубликованном на страницах газеты Svenska Dagbladet, Даниэль Таршис, являющийся председателем шведского Государственного совета по медицинской этике (SMER). Этот орган дает рекомендации властям в самых разных областях жизни, касающихся здоровья и благополучия граждан Швеции.
«Нам неизвестно, что происходит с организмом, в который внедряются крошечные частицы, входящие в состав продуктов питания, лекарств, косметики, одежды и игрушек. Методы тестирования крайне несовершенны и не дают четкой картины происходящего. Инспекция по химикалиям получила задание правительства и парламента исследовать степень опасности наночастиц в различных сферах жизни и выработать нормы их применения», – пишет г-н Таршис. Вместе с тем, как он отмечает, скорость внедрения нанотехнологий значительно опережает исследования, касающиеся их опасности.
Недавно в Каролинском медицинском институте в Стокгольме прошел семинар, посвященный невидимым «друзьям-врагам» человека. Один из его участников, доцент Бенгт Фадеел, руководит международным проектом Nanommune, финансируемым ЕС и посвященным воздействию наночастиц на клетки живых организмов. Хотя итоги будут подведены лишь в 2012 году, предварительные выводы уже сделаны: наночастицы ослабляют иммунную систему человека и животных.
«Конечно, мы и прежде вступали в контакт с наночастицами, они возникают, к примеру, если мы зажигаем стеариновую свечу или включаем газовую плиту. Проблема в том, что их число и разновидности стремительно увеличиваются с каждым годом, а для определения их опасности требуются годы», – комментирует ситуацию датский профессор Хокан Валлин, работающий в НИИ гигиены труда.
По его словам, наиболее очевиден вред углеродных нанотрубок, широко используемых в современной промышленности. По своей структуре они напоминают асбестовое волокно, уничтожившее сотни тысяч людей на планете. Первыми о вреде асбеста забили тревогу страховые компании в США, еще в начале прошлого века отказавшиеся страховать людей, работавших на асбестовом производстве. Они обратили внимание на большое число легочных заболеваний среди рабочих. Однако потребовались десятилетия дебатов и исследований, прежде чем асбесту был вынесен окончательный приговор. Этот материал был запрещен в Евросоюзе лишь в 2005 году, но число его жертв будет расти еще долгие годы. По данным ЕС, до 2035 года не менее 400 тыс. человек заболеют раком легких, вызванным асбестовой пылью. Наночастицы, проникающие в наш организм через кожу, через нос и рот, могут, по мнению Хокана Валлина, разрушать клетки так же, как это делает асбест.
Трое ученых из Высшей технической школы «Чалмерс» в Гетеборге обращают внимание на другую опасную сферу применения нанотехнологий: это включение наносеребра в состав одежды. Крошечные частицы серебра убивают бактерии и устраняют вызываемый ими неприятный запах, что особенно ценится среди спортсменов. Люди, использующие «серебряную» одежду, не потеют и не пахнут даже в результате значительных физических нагрузок. Как утверждают гетеборгские ученые, эту область применения серебра следует полностью закрыть. Исследования, проведенные на ряде живых организмов, показали, что наносеребро убивает не только бактерии, но и клетки человека. Опасность многих металлов и сплавов, применяемых в наноформе, заключается в том, что эти частицы легко преодолевают защитные рубежи человеческого тела. Кроме того, вредные свойства различных «представителей таблицы Менделеева» возрастают по мере увеличения соотношения «поверхность/объем». То есть наночастицы в совокупности обладают гигантской поверхностью, имея при этом незначительный объем.
Все специалисты, выступавшие на семинаре в Каролинском институте, поддержали призыв Даниэля Таршиса к притормаживанию прикладного применения наночастиц. Необходимо, чтобы исследования в сфере их вреда здоровью человека «подтянулись» к работам ученых и инженеров, занимающихся внедрением. В противном случае нашу цивилизацию может ждать новая «асбестовая» трагедия.
Источник
XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2019
ТОКСИЧНОСТЬ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
В мире современных технологий появляется много новых материалов, но наибольший рост наблюдается среди наноматериалов: нановолокна, нанотрубки, наношарики, наностержни, квантовые точки, иммобилизированные наночастицы и еще ряд экзотических структур. Большинство наноматериалов имеют углеродную природу, но есть металлические, силикатные, целлюлозные и иные структуры. Растет объем их присутствия в жизни человека и окружающей среде, так как из лабораторных образцов, получаемых в микрограммовых количествах, они вырастают в многотонные производства. Наиболее изучены токсические свойства углеродных наноматериалов, и, в, частности, нанотрубок – одно- или многослойных цилиндрических структур, состоящих из углерода диаметром до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. Сообщения о токсичности нанотрубок в мировой литературе начали появляться сравнительно недавно (с начала 2000-хх гг.) и исследования в данном направлении продолжается до сих пор.
Интенсивное развитие теории углеродных нанотрубок приходится на 90-е годы ХХ века, после того как группа ученых из США Ричрд Смолли, Харольд Уолер Крот и Роберт Кёрл в 1985 году открыли Фуллерен (C60) это молекула, представляющая собой замкнутую сферу, состоящую из шестидесяти атомов углерода, за это открытие было удостоены Нобелевской премии по химии. В 1986 году профессор кафедры органической химии Киевского университета М. Ю. Корнилов не только предсказал существование одностенных углеродных нанотрубок, но и высказал предположение об их большой упругости. В 1991 году Японский учёный изNippon Electric Corporation Сумио Иидзима, используя просвечивающий электронный микроскоп с высоким разрешением, обнаружил закрытую структуру и открытую, вскоре он описал их образование, геометрию, кристаллическую структуру. Первую микрофотографию нанотрубок нитрида бора, смогли сделать в 1995 году в Национальном институте материаловедения, который является одним из самых крупнейших научно-исследовательских центров в Японии, на фото видно, что полученные трубки многослойные у них от трёх до шести слоёв (рис 1-2).
Рисунок 1 Рисунок 2
Таким образом, исследования показали, что углеродные нанотрубки — это углеродный материал, представляющий собой цилиндрические структуры с диаметром порядка нескольких нанометров, состоящие из свернутых в трубку графитовых плоскостей. Нанометр равен одной миллиардной части метра, что составляет около одной десятитысячной толщины человеческого волоса. Графитовая плоскость представляет собой непрерывную гексагональную сетку с атомами углерода в вершинах шестиугольников. Углеродные нанотрубки могут различаться по диаметру, длине, хиральности (симметрии свернутой графитовой плоскости) и по количеству слоев. И хотя углеродные нанотрубки образованы, по сути, из плоскостей графита, в зависимости от структуры, они могут обладать как полупроводниковыми, так и металлическими, что делает их потенциально применимым в самых разных областях . Углеродные нанотрубки обычно имеют диаметр от где d = 0,142нм— расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. Связь между индексами хиральности (m, n) и углом α даётся соотношением:
Среди различных возможных направлений сворачивания нанотрубок выделяются те, для которых совмещение шестиугольника (m, n) с началом координат не требует искажения его структуры. Этим направлениям соответствуют, в частности, углы α = 0 (armchair конфигурация) и α = 30° (zigzag конфигурация). Указанные конфигурации отвечают хиральностям (m, 0) и (2n, n) соответственно (рис 3)
Возможное применение углеродных нанотрубок:
1) Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы.
2) Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
3) Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
4) Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки.
5) Оптические применения: дисплеи, светодиоды.
6) Медицина (в стадии активной разработки).
7) Трос для космического лифта, так как нанотрубки теоретически, могут держать и больше тонны… но только в теории. Потому как получить достаточно длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом не удавалось до сих пор.
8) Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских прозрачных громкоговорителей, к такому выводу пришли китайские учёные
Кроме бесспорных достоинств эти перспективные материалы обладают недостатками. Ученые проведя множество экспериментов пришли к выводу что углеродные нанотрубки опасны для живых клеток. Вдыхание длинных многослойных углеродных нанотрубок может причинить такой же вред здоровью, как вдыхание асбеста. Фиброгенность и канцерогенность волокон асбеста хорошо известна: по этой причине материал недавно запрещён к использованию для отделки помещений. В 2008 году в центре по исследованиям воспалительных заболеваний при Эдинбургском университете (MRC Center for Inflammation Research) выявили , что углеродные нанотрубки вызывают такие же проблемы с дыханием и способны спровоцировать такую же опасную и редкую форму рака — мезотелиому, неизлечимое поражение лёгочной плевры, которое может проявиться через 30-40 лет после вдыхания асбеста. Медики провели исследование влияния на организм лабораторной мыши длинных нанотрубо к толщиной в 2-50 цилиндров, расположенных вдоль общей оси (рис 4). Такой материал и под микроскопом похож на волокна асбеста, и обладает такими же свойствами при попадании в лёгкие. Другой важный путь попадания наноматериалов в организм – через кожу. Наночастицы, в отличие от обычных материалов, могут проникать даже через неповрежденную кожу — при ее изгибе, например, когда мы двигаем запястьем или сгибаем ногу в колене. Кроме того, в действии наночастиц на организм может играть значение не только их размер, но и форма. Ряд авторов утверждает, что наночастицы вытянутой формы (например, нанотрубки) в целом более опасны, чем сферические наночастицы. Уникальная поражающая способность асбеста объясняется сверхмалым диаметром и большой длиной волокон. Это сочетание характеристик позволяет волокнам проникнуть глубоко в лёгкие, но не даёт возможность иммунной системе уничтожить их. Углеродные нанотрубки обладают такими же свойствами. Особенно опасными могут быть многослойные нанотрубки, составленные из нескольких цилиндрических слоёв, потому что такие структуры особенно хорошо сохраняют свою форму и острые края. Научная работа центра по исследованиям воспалительных заболеваний при Эдинбургском университете опубликована в журнале Nature Nanotechnology в мае 2008 года . «Существует срочная необходимость проверить, как используются углеродные нанотрубки, нужно посмотреть, есть ли шанс, что люди подвергаются воздействию опасных материалов», — сказал тогда доктор Эндрю Мэйнард (Andrew Maynard), один из соавторов исследования. Он добавил, что в течение многих десятилетий никто не обращал внимания на опасность асбеста, пока не стало слишком поздно для многих людей.
Разумеется, когда мы говорим о безопасности наноматериалов, следует иметь в виду возможность их воздействия не только на человека. Попадая во окружающую среду, наноматериалы могут взаимодействовать практически с любыми видами животных и растений. Может ли это навредить природе? Ведь наночастицы благодаря своим размерам могут очень легко проникать в любые организмы через мембрану клеток. Исследователи из МГУ и Тамбовского университета, например, обнаружили, что наночастицы могут всысываться корневой системой растений и переноситься куда угодно, до самых крайних листьев и побегов. Опасно это или нет? Ведь в природе даже гибель одного вида организмов может вызвать цепную реакцию разрушения всей экосистемы. Исследование воздействия наночастиц на природные системы пока только начинает развиваться. В России методические подходы к оценке экологической безопасности наноматериалов разрабатываются в уже упоминавшемся центре «Биотест-Нано». Но большинство вопросов в этой области остается пока без определенных ответов.
Чтобы решать этот вопрос для углеродных нанотрубок, нужно как можно активнее развивать работы по нанотоксикологии. Это поможет нам не гадать, а точно знать — какие наноматериалы и когда безопасны. А для небезопасных мы сможем установить условия и нормы применения так, чтобы не нанести вреда себе и природе вокруг нас. Как известно, человек всегда боится только того, чего он не понимает. А что понимает — использует себе на благо.
1. Булярский С.В. Углеродные нанотрубки: технология, управление свойствами, применение. Издательство: ООО Стрежень год 2011
2. Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. Год 2006
3. Кац Е.А. Фуллерены, углеродные нанотрубки и нанокластеры. Год 2014
4. Сухно И.В., Бузько В.Ю. Углеродные нанотрубки. Часть 1. Высокотехнологичные приложения. год 2008
5. Интернет ресурс: https://studfiles.net/preview/4519356/page:8/
6. Интернет ресурс: https://works.doklad.ru/view/e7cKW3tmS1U/all.html
7. Интернет ресурс: http :// www . vokrugsveta . ru / telegraph / theory /527/
Источник
Сайт о нанотехнологиях #1 в России
В последние годы наноматериалы (вещества в виде частиц размером примерно в 1000 раз меньше живой клетки) окончательно перешли из области фантастики и далекого будущего в наше ближайшее завтра. Но чем больше наноматериалов уже производится и используется, тем острее встает вопрос их безопасности. Уверены ли мы, что наночастицы не нанесут вред нашему здоровью?
Ответ на этот вопрос старается найти нанотоксикология – научная дисциплина, которая появилась заметно позже, чем начались исследования наноматериалов. Сейчас ее развитие происходит чуть ли не быстрее, чем нанотехнологические исследования в целом.
В США в рамках «Национальной нанотехнологической инициативы» с 2000 года не менее 50 млн долл. ежегодно тратится только на разработку методов, наилучшим образом подходящих для оценки токсичности наноматериалов и их влияния на окружающую среду.
Рис. 1. Трехмерная реконструкция особых дископодобных наночастиц, на основе которых ученые в Университете Беркли пытаются создать новые, более эффективные носители для доставки лекарств в клетки больных пациентов.
Европейская комиссия рекомендует к нанотехнологиям применять «принцип предосторожности», разъясняющий, как оценить возможный риск при отсутствии достоверных и исчерпывающих научных знаний. В декабре 2008 году страны Евросоюза начали создание специальной базы данных NHECD, которая должна содержать сведения о воздействии наноматериалов на здоровье человека и на окружающую среду.
Существуют и другие БД по нанотехнологиям, в которым могут содержаться сведения о токсичности наночастиц, однако ни одна из них не является российской.
Нужна ли нанотоксикология?
Зачем вообще нужна нанотоксикология? Ведь вредное воздействие химических веществ изучают давно. Нельзя ли обойтись уже известными методами? Нужна ли новая наука? Да, нужна. Для частиц размерами в единицы и десятки нанометров действие на живые организмы определяется не только химической природой, но и самими размерами. Представьте обычный графит. Это всего лишь чистый углерод. Можно измельчить графитовый стержень карандаша, распылить его в воздухе, но большого вреда человеку это не причинит. Частицы графита достаточно тяжелые и быстро упадут вниз. Даже если некоторые из них человек вдохнет, крупные частицы задержатся на слизистой носа, человек чихнет и тем самым «выдует» раздражающие его частицы.
Теперь возьмем сажу, которая под названием «технический углерод» уже давно применяется в промышленности. Этот тот же углерод, но размер частиц всего 10–120 нанометров. Такие частицы при попадании в дыхательные пути уже не удаляются при чихании, а прочно садятся на поверхность клеток.
Частицы размером менее 5 микрометров не отфильтровываются нашими дыхательными путями, поэтому частицы сажи могут проникать до самых легких. Они очень легко проникают внутрь клеток и вызывают их гибель.
При относительно длительном воздействии или при высоком содержании частиц сажи в воздухе это может спровоцировать развитие заболеваний легких даже через несколько лет после воздействия. К тому же частицы сажи способны вызывать рак. Поэтому так опасен был смог лесных и торфяных пожаров, случившихся в прошлом году во многих регионах России.
Рис. 2. Данное микроскопическое изображение показывает, как наночастицы кварца накапливаются в ткани легких крысы при длительной ингаляции.
Даже вещества совершенно безопасные в виде крупных частиц могут оказаться вредными в наноразмерах. Чем химически опасен для человека песок? А наночастицы кварца, основного химического компонента песка, при вдыхании легко вызывают специфическое поражение легких – силикоз. Вообще, попадание наночастиц в дыхательные пути (ингаляция) часто приводит к более токсичному их действию, чем какой-то другой путь поступления в организм. Например, наночастицы двуокиси титана гораздо безопаснее при поступлении через кожу или с пищей, чем при вдыхании их с воздухом. Впрочем, не только наши легкие могут быть чувствительны к наночастицам.
Группа немецких исследователей считает, что влияние наночастиц на сердечно-сосудистую систему может быть связано с поступлением наночастиц непосредственно в вегетативную нервную систему через нервные окончания в дыхательных путях.
Другой важный путь попадания наноматериалов в организм – через кожу. Наночастицы, в отличие от обычных материалов, могут проникать даже через неповрежденную кожу – при ее изгибе, например, когда мы двигаем запястьем или сгибаем ногу в колене. Кроме того, в действии наночастиц на организм может играть значение не только их размер, но и форма.
Ряд авторов утверждает, что наночастицы вытянутой формы (например, нанотрубки) в целом более опасны, чем сферические наночастицы.
Перечисленное выше – результаты зарубежных работ. Российский рынок нанотехнологий сейчас находится на начальном этапе становления. Несмотря на это, исследования в области нанотоксикологии проводятся не только за рубежом, но и в ряде российских исследовательских центров.
Например, в Тамбовском государственном университете проводятся исследования длительного воздействия многостенных углеродных нанотрубок и наночастиц гидроксиапатита на состояние организма мышей и их способность к размножению. Оказалось, что наночастицы по-разному действуют на самцов и самок. Самки родили жизнеспособное и здоровое потомство. А вот самцы, наоборот, после того, как месяц пили воду с нанотрубками, уже не могли оплодотворить самок. Нанотоксикология изучается и в других регионах России. Так, токсичность наночастиц золота изучают в Волгограде в НИИ гигиены, токсикологии и профпатологии. При Томском политехническом университете создан Центр биотестирования безопасности наноматериалов и нанотехнологий «Биотест-Нано». ГосНИИгенетика занимается разработкой специальных биосенсоров для выяснения механизмов токсического воздействия наночастиц. «Роснано» приняло решение о создании в Дубне центра доклинических исследований специально для тестирования материалов, содержащих наночастицы, на безопасность.
Рис. 3. Так выглядят наночастицы серебра (показаны стрелкой), когда они накапливаются внутри клеток кожи млекопитающих.
Возрастающее понимание значимости нанотоксикологии в России привело к проведению в 2010 году представительного семинара «Нанотоксикология и стандарт безопасности». Среди прочего там обсуждалась, необходимость разработки стандартов изучения безопасности наноматериалов. За рубежом 9 сентября 2008 года была создана специальная неправительственная организация, – International Alliance for NanoEHS Harmonization (IANH),– которая должна разработать протоколы токсикологического тестирования наноматериалов на клетках и живых организмах. В том же 2008 году в Евросоюзе вступил в действие «Свод правил по ответственным и безопасным исследованиям в нанонауках и нанотехнологиях» (Code of conduct for Responsible Nanosciences and Nanotechnologies Research). В России на основе «Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» с 2009 года действуют методические указания «Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов». Однако эти указания практически не содержат методик, специально созданных для учета особенностей возможного вредного воздействия наночастиц. В частности, отдаленные последствия предлагается учитывать лишь в двух поколениях. Это слишком короткий срок оценки, раз уж мы знаем, что наночастицы могут легко проникать практически в любые виды клеток и способны вызывать повреждения генов.
Кроме того, надо помнить, что любое вещество, попав в организм, в большинстве случаев не останется неизменным. Оно подвергается различным видам разрушения (биодеградации) и изменения (биотрансформации). Образующиеся продукты могут быть как менее, так и более опасными, чем исходное вещество. Какие изменения происходят с веществом наноматериалов в организме? Во что они превращаются? Насколько такие изменения опасны? Не так давно считалось, что наночастицы чистого углерода и устойчивых оксидов (кварца SiO2 и двуокиси титана TiO2) в организме не изменяются. Но вот почти одновременно в исследованиях за рубежом (США, Швеция и Ирландия) и в России (НИИ физико-химической медицины в Москве и НИИ экспериментальной медицины в Санкт-Петербурге) выяснилось, что углеродные нанотрубки довольно легко разрушаются под действием миелопероксидазы – обычного фермента клеток крови, защищающего нас от болезнетворных бактерий. Эффект таких биодеградируемых нанотрубок может быть двояким. С одной стороны, биодеградация углеродных наночастиц расширяет число возможных механизмов их токсичности. С другой стороны, если неразрушенные нанотрубки при попадании в дыхательные пути стимулируют воспаление, то биодеградируемые – нет.
Разумеется, когда мы говорим о безопасности наноматериалов, следует иметь в виду возможность их воздействия не только на человека. Попадая во окружающую среду, наноматериалы могут взаимодействовать практически с любыми видами животных и растений. Может ли это навредить природе? Ведь наночастицы благодаря своим размерам могут очень легко проникать в любые организмы через мембрану клеток. Исследователи из МГУ и Тамбовского университета, например, обнаружили, что наночастицы могут всысываться корневой системой растений и переноситься куда угодно, до самых крайних листьев и побегов. Опасно это или нет? Ведь в природе даже гибель одного вида организмов может вызвать цепную реакцию разрушения всей экосистемы. Исследование воздействия наночастиц на природные системы пока только начинает развиваться. В России методические подходы к оценке экологической безопасности наноматериалов разрабатываются в уже упоминавшемся центре «Биотест-Нано». Но большинство вопросов в этой области остается пока без определенных ответов.
Следует отметить, что все сказанное не должно отпугнуть нас от применения наноматериалов.
Да, о безопасности наночастиц мы знаем еще слишком мало. Но эксперты считают, что отсутствие токсикологических данных не должно приводить к остановке нанотехнологических исследований. Да на свете и нет ничего абсолютно безопасного. Однако наноматериалы могут открыть такие перспективы, которые не в состоянии нам дать ни одна обычная технология. Использование любого продукта, вещества и материала должно основываться на оценке соотношения предполагаемой пользы и вероятного вреда при решении каждой определенной задачи и при конкретных условиях. Но, чтобы решать этот вопрос для наноматериалов, нужно как можно активнее развивать работы по нанотоксикологии. Это поможет нам не гадать, а точно знать – какие наноматериалы и когда безопасны. А для небезопасных мы сможем установить условия и нормы применения так, чтобы не нанести вреда себе и природе вокруг нас. Как известно, человек всегда боится только того, чего он не понимает. А что понимает – использует себе на благо.
Автор: Валерий Зайцев, к.б.н., доцент кафедры теоретической и клинической биохимии Волгоградского государственного медицинского университета.
Источник