关注丨由于致癌风险，碳纳米管被列入国际危险品清单，成为清单中的首个纳米材料！
NanoLabs
2020-02-25
纳米技术实21世纪的三大技术之一，已经深入到社会生活中的方方面面。然而，纳米材料的生理毒性至今没有得到特别的关注。今日，Nature Nanotechnology发表重要文章指出，碳纳米管由于其致癌风险，已经被正式列入国际SIN危险化学品清单中。不过，至于碳纳米管的毒性，与其制备方法，结构，尺寸以及剂量都有关系，而且尚无统一定论。碳纳米管由于具有独特的金属或半导体导电性、优良的力学性能、机械强度、吸附能力等性能，在电子信息技术、生物医药、航空航天、能源存储与转化、催化及环境科学等领域具有非常广阔的应用前景。随着不断产业化，工业生产的碳纳米管产生的环境和健康问题，也引起全球广泛关注。前有研究表明，MWCNT混合实验室或工作场所中MWCNT的浓度范围为7.8-320.8 μg m-3，最大值不应超过400 μg m-3。在2013年，美国国家职业安全与健康研究所（NIOSH）建议，接触碳纳米管和碳纳米纤维应保持在建议的接触限值（REL）1μgm−3以下，并在2014年列为2B类致癌物-对人类可能致癌。在2019年，ChemSec将碳纳米管添加到SIN列表中，原因是它们具有致癌性、持久性并且可能对生殖有害。至此，CNT成为此列表中的首个纳米材料。注：SIN清单(Substitute It Now)是一份用于全球范围内各种物品、产品和制造过程的危险化学品清单。由非盈利组织ChemSec与科学家和技术专家以及领先的环境、健康和消费者组织的咨询委员会密切合作制定。该列表是基于现有数据库和科学研究的可信、公开的信息。
一边是广阔应用的市场价值，一边是人类健康问题，面对碳纳米管的安全问题是否应该抛弃使用和研究？毒性问题能否一概而论？为此，编辑部选取一些关于碳纳米管安全性的代表性研究，看看关于碳纳米管生物毒性的争论是否有定论。另外，针对生物毒性有人认为：抛开剂量谈毒性就是耍流氓。因此，也编辑部也找出了研究中使用的剂量，供大家参考交流。2008年，爱丁堡大学Ken Donaldson等人在NatureNanotechnology上发表关于CNTs致病性的研究，研究表明，吸入长碳纳米管与间皮瘤之间存在潜在的联系。
在列表中，我们可以看到样品长度范围为1-56 μm，且样品中有一些金属离子的存在，如：铁，铜，镍等，显微镜图中可以看出较长的CNTs横穿整个细胞！就在上年，2019年6月，国家纳米中心陈春英和中科大朱涛等人在Nature Nanotechnology杂志上发表关于碳纳米管的生物安全研究新发现，研究表明碳纳米管呼吸暴露后的延迟毒性可导致原位乳腺肿瘤的多发性转移，这是首次报道了CNT长期呼吸暴露对除肺部外的远端器官或组织的肿瘤发生发展的影响。
从论文中，可以发现研究人员使用的是气管滴注（60 μg/只）方式进行小鼠给药，另外论文中使用的碳纳米管的长度为商业化的20-50 μm。2008年，斯坦福大学Sanjiv Gambhir等人在一项关于单壁碳纳米管（SWNTs）对一小群小鼠的毒性的初步研究表明，在四个月内没有毒性证据，但是有必要对更多的小鼠进行更严格的研究。
在论文中，可以看到从非共价PEG化SWNT的长度为100-300 μm，酸氧化之后得到的共价功能化SWNT长度为100-200 nm。各自尾静脉注射的总量为151mg和47mg，按照文献的含量进行换算得到：7.5mg和3.3mg每只。柴之芳院士、邢更妹和赵宇亮院士当时对此研究发表点评，表明单碳纳米管可能是安全的，但结果应谨慎对待。2010年，山东大学Bing Yan等人表明，通过反复多次对雄性小鼠进行静脉注射水溶性多壁碳纳米管可导致可逆的睾丸损伤，但不会影响生育能力。即在第15天，纳米管在睾丸中积聚，产生氧化应激，并减少了睾丸生精上皮的厚度，但在60天和90天时修复了损伤。
该研究使用的碳纳米管的长度为0.5-2 μm，结合天数和小鼠重量粗略算出总给药量：5mg/kg X 5d X 20g = 0.5mg/只2013年，英国爱丁堡大学Ken Donaldson等人综述比较了纤维状石棉和CNT的肺毒性，指出颗粒状CNT导致肺纤维化和癌症的作用有限，但长纤维状CNT确实会影响肺部，也会影响胸膜（纤维化和间皮瘤）。2016年，日本产业技术综合研究院（AIST）Makoto Ema等人在Nanotoxicology杂志上发表综述，通过比较表明：碳基材料（CNMs）可能对怀孕和胚胎/胎儿发育产生不利影响。但可用数据仍然非常有限，由于其种类繁多，因此可能无法外推到所有类型的CNMs。因此，无法得出有关CNMs生殖和发育风险的明确结论。而早在2012年，国家纳米科学中心陈春英和高能所孙宝云等人就发表综述关于碳纳米管毒性的理解。
（2）CNTs的化学结构特征，如表明电荷和修饰、形状、长度、聚集性和层数等；从比较中得知，似乎长的碳纳米管具有致癌性和生殖毒性，而短的碳纳米管毒性较小。但是，ChemSec认为，大部分类型的CNT都具有相关和相似的毒性，且表明，SIN列表传达了一个非常明确的信息，即避免在新产品中使用CNT，并敦促探索使用其他方式或替代的纳米结构来提供相似功能且风险更低的探索。人类寄予CNTs太多希望了，以期其能解决许多领域的问题。那么，全球科学家是否会因为这个列表而终止新产品的研究呢？答案会不会好像没那么重要了，因为人类总会创造历史！最后，引用2016年亚利桑那州立大学的风险创新实验室Andrew D. Maynard在Nature Nanotechnology上一篇关于呼吁碳纳米管安全性的论文中的一句话：毫无疑问，碳纳米管可以被安全地使用，但是如果没有更多地认识到碳纳米管存在的潜在风险，绝不会有定论。Without doubt, carbon nanotubes can be used safely, but without greater awareness of the potential risks they present, it is by no means aforegone conclusion that they will be.SIN官网-纳米材料：https://sinlist.chemsec.org/nanomaterials/1. Hansen, S.F., et al. Carbon nanotubes added tothe SIN List as a nanomaterial of Very High Concern. Nat. Nanotechnol. 15, 3–4(2020).https://doi.org/10.1038/s41565-019-0613-92. Poland, C., et al. Carbon nanotubes introducedinto the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilotstudy. Nature Nanotech 3, 423–428 (2008).https://doi.org/10.1038/nnano.2008.1113. Lu, X., et al. Long-term pulmonary exposure tomulti-walled carbon nanotubes promotes breast cancer metastatic cascades. Nat.Nanotechnol. 14, 719–727 (2019). https://doi.org/10.1038/s41565-019-0472-44. Schipper, M., et al. A pilot toxicology study ofsingle-walled carbon nanotubes in a small sample of mice. Nature Nanotech 3,216–221 (2008).https://doi.org/10.1038/nnano.2008.685. Bai, Y., et al. Repeated administrations ofcarbon nanotubes in male mice cause reversible testis damage without affectingfertility. Nature Nanotech 5, 683–689 (2010).https://doi.org/10.1038/nnano.2010.1536. Donaldson K, et al. Pulmonarytoxicity of carbon nanotubes and asbestos — Similarities and differences.Advanced Drug Delivery Reviews. 2013;65(15):2078-86.http://dx.doi.org/10.1016/j.addr.2013.07.0147. Makoto Ema, et al. Reproductive anddevelopmental toxicity of carbon-based nanomaterials: A literature review,Nanotoxicology. （2015）.http://dx.doi.org/10.3109/17435390.2015.10738118. Ying Liu, et al. Understanding the Toxicity ofCarbon Nanotubes. Accounts of Chemical Research 2013 46 (3), 702-713https://doi.org/10.1021/ar300028m9. Maynard, A. Are we ready for spray-on carbonnanotubes?. Nature Nanotech 11, 490–491 (2016).https://doi.org/10.1038/nnano.2016.99
