ナノマテリアル

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What is Nanomaterials?

科学者たちは、ナノ材料の正確な定義を統一していませんが、ナノメートル単位で測定されるその小さなサイズによって部分的に特徴づけられるという点では一致しています。 ナノメートルは 1 ミリメートルの 100 万分の 1 で、人間の髪の毛の直径の約 10 万分の 1 です。

ナノサイズの粒子は自然界に存在し、炭素や銀などの鉱物など、さまざまな製品から作成できますが、ナノ材料の定義では、少なくとも約 100 ナノメートル未満の寸法であることが必須です。 ほとんどのナノスケール材料は、肉眼ではもちろん、従来の研究室の顕微鏡でさえも見ることができないほど小さいものです。

このように小さなスケールに設計された材料は、しばしば人工ナノ材料 (ENM) と呼ばれ、独自の光学、磁気、電気、その他の特性を獲得することが可能です。 これらの出現した特性は、エレクトロニクス、医療、その他の分野で大きな影響を与える可能性がある。 例えば、

1. ナノテクノロジーは、癌細胞など体内の特定の臓器や細胞を標的にして、治療の効果を高めることができる医薬品の設計に使用できます。
2. ナノ材料は、セメント、布、その他の材料に添加して、より強く、より軽くすることも可能です。

しかし、人工ナノ材料は大きな利益をもたらしますが、人間の健康や環境に対する潜在的な影響についてはほとんど分かっていません。 例えば銀のようなよく知られた材料でさえ、ナノサイズに加工されると危険をもたらす可能性があります。

ナノサイズの粒子は、吸入や摂取、皮膚を通して人体に入ることができます。 炭素でできた繊維状のナノ材料は、アスベストと同様の方法で肺に炎症を誘発することが示されています。

ナノ材料はどこにあるのか。 しかし、科学者たちは、多くの商業用材料、デバイス、および構造で使用するために設計された人工ナノ材料 (ENM) に特に関心を持っています。 すでに、日焼け止め、化粧品、スポーツ用品、汚れにくい衣服、タイヤ、電子機器など、何千もの一般的な製品がENMを使って製造されている。

NIEHSとNTPが非材料について知っておいてほしい主な留意点は何ですか？

3つの主な留意点があります：

• ナノ材料は単一タイプではありません。 ナノスケール材料は、理論的には鉱物やほぼすべての化学物質から設計することができ、組成、一次粒子径、形状、表面コーティング、粒子結合の強さに関して異なることがあります。 たとえば、半導体材料に囲まれた量子ドットで構成されるナノクリスタル、ナノスケールの銀、繰り返し分岐する分子であるデンドリマー、中空の球、楕円体、管状の炭素分子であるフラーレンなどが挙げられる
• 小さいということは、材料を有望かつ困難なものにしている。 研究者にとって、ナノ材料はしばしば “両刃の剣 “とみなされる。 サイズ、形状、高い反応性、その他のユニークな特性など、ナノ材料が製品開発やドラッグデリバリーにおいて潜在的に有益である特性は、生物系との相互作用の性質や環境における潜在的な影響について懸念を引き起こすものと同じである。 例えば、ナノテクノロジーは非常に微量の化学蒸気を検出するセンサーを可能にしますが、空気中のナノ粒子レベルを検出する手段がないことが多く、ナノ材料が使用されている職場では特に懸念されます。 NIEHSは、これらの材料が人間の健康に及ぼす潜在的なリスクを調査する一方で、環境健康科学内の新規アプリケーションの開発に取り組んでいます。

なぜNIEHSはナノテクノロジーに関与しているのですか?

NIEHSは、人工ナノ材料の人間の健康への影響を理解し、国家ナノテクノロジー計画の目標を支援するために、助成金支援、社内の研究専門知識の活用、環境と公衆衛生に役立つナノベースのアプリケーション開発への投資、国家毒性プログラム（NTP）の世界クラスの毒性試験能力を利用した、統合された戦略的研究プログラムを開発しました。

NIEHSが人工ナノ材料の健康影響に関する研究を支援する重要な方法の1つは、NIEHS Centers for Nanotechnology Health Implications Research（NCNHIR）コンソーシアムを通じたものである。 NCNHIRは、8つの協力センターとその他の活発な助成団体で構成される学際的プログラムです。 2010年に設立されたコンソーシアムの研究者は、人工ナノ材料が生物系とどのように相互作用し、これらの影響が人間の健康にどのように影響しうるかを理解するために研究している。 これらの取り組みの包括的な目標は、ENMと生体システムとの相互作用に関する基本的な理解を深め、ENM曝露に伴う潜在的な健康リスクについてより深く理解することである。 これらの知見はまた、ナノテクノロジーの安全な開発と使用の指針となります。

このコンソーシアムは、アメリカ復興再投資法によって資金提供されたEngineered Nanomaterials Grand Opportunity (Nano GO) grant programを通じてサポートされた助成金提供者によって始まった仕事から発展してきました。 NCNHIR コンソーシアムは、Nano GO を通じて学んだ研究プロトコルおよび教訓を基に構築され続けています。 たとえば、NIEHS は長年にわたり、環境保護庁 (EPA)、全米科学財団 (NSF)、米国労働安全衛生研究所 (NIOSH) およびその他の NIH 研究所やセンター (IC) と連携し、人工材料の環境衛生および安全性の側面に取り組む研究戦略を支援しています。

ナノテクノロジー分野におけるNIEHSの関与に関する追加情報については、NIEHS Nano Environmental Health and Safety (Nano EHS) ウェブサイトをご覧ください。

NIEHSが支援する助成金の全リストは、「Who We Fund」ウェブサイトをご覧ください。 Who We Fund」です。

NIH研究ポートフォリオ・オンライン報告ツール（REPORT）は、NIH研究活動のレポート、データ、分析へのアクセスを提供します。

Nanotechnology Notable Papers and Advances – 2010年から2017年7月12日までにNIEHSおよび米国再生・再投資法（ARRA）助成金によって支援された401件のナノテクノロジー論文の検索可能なリスト

NanoHealth and Safety – NIEHSは、人工ナノ材料（ENM）の基礎特性に対する研究を奨励・支援し、人間の健康に対する潜在的生体親和性や毒性を決定しています。 NIEHSが設立したコンソーシアムは、ナノスケールで現れるユニークな化学的および物理的特性が、環境暴露と身体との相互作用にどのように影響するかについての理解の基盤を構築することを目的とした共同研究を促進しています」

NIEHSが資金提供してきた研究の種類を例示してください。

• 研究者たちは、カーボン ナノチューブを吸い込むと、肺を覆う組織が硬化して厚くなり呼吸が困難になる胸膜線維症などの特定の肺疾患につながるかどうかを懸念していました。 この仮説を検証するために、研究チームは実験用マウスをさまざまな量の汚染物質とナノ粒子に暴露した。 その結果、ある量のカーボンナノチューブに暴露されたマウスは、カーボンナノチューブを吸い込んでからわずか2〜6週間後に、硬膜下線維症を発症することが判明した。 この研究は、さらなる長期的な評価が行われるまでは、ナノチューブの吸入を最小限にすることが賢明であることを示唆している。

• 低濃度のカーボンナノ粒子は、腎臓の重要な構造である尿細管を裏打ちする細胞に大きな影響を及ぼしました。 バリア細胞の機能とタンパク質の発現の両方に影響がありました。 この結果は、カーボンナノ粒子がこれまで知られていたよりも低い濃度で腎臓細胞に影響を与えることを示し、食物連鎖に入るカーボンナノ粒子レベルの上昇に関して注意を促しています。

• ナノスケール材料は、多くの化粧品、日焼け止め、その他の消費者製品に使用されています。 この材料が皮膚から吸収される可能性、および潜在的な影響については、まだ判断されていません。 NIEHSが資金提供した科学者たちは、発がん性物質として知られるセレン化カドミウムのナノサイズ粒子を、毛のない実験用マウスに塗布しました。 その結果、溶液を塗布する前にマウスの皮膚を削って表皮を取り除くと、マウスのリンパ節と肝臓でカドミウムの上昇が検出された。 また、皮膚にセレン化カドミウムの量子ドットを塗布した場合は、臓器に一貫したカドミウムの上昇は検出されなかった。 この研究は、ナノ物質の皮膚吸収は皮膚バリアの質に依存しており、将来のリスク評価では、皮膚の重要なバリアの側面とその全体的な完全性を考慮する必要があると結論付けている。

• ナノサイズ材料は、薬物送達において大きな可能性を示しており、薬物で癌細胞をターゲットにしつつ、健康な細胞への攻撃を回避できる可能性を持っています。 NIEHS が資金提供したある研究では、ナノサイズの棒状粒子を吸収する 2 種類の癌細胞の能力が、ナノ粒子の縦横比 (粒子の高さと幅の割合) によって異なることが実証されました。 この発見は、より効率的な薬物送達の実現に役立つ可能性があります。
  Ryman-Rasmussen JP, MF Cesta, AR Brody, JK Shipley-Phillips, JI Everitt, EW Tewskbury, OR Moss, BA Wong, DE Dodd, ME Anderson JC Bonner.による研究。 吸入されたカーボンナノチューブは、マウスの胸腺下組織に到達する。 Nature Nanotechnology (2009) v. 4 (11): 747-51. 要旨
  Blazer-Yost BL, A Banga, A Amos, E Chernoff , X Lai, C Li, S Mitra, FA Witzmann. 腎臓上皮細胞の構造、バリア機能、タンパク質発現に対するカーボンナノ粒子の影響。 ナノトキシコロジー (2011) v.5 (3):354-71. 要旨
  Gopee, N, D Roberts, P Webb, C Cozart, P Siitonen, J Latendresse, A Warbitton A, W Yu, V Colvin, N Walker, P Howard.（英文のみ）。 PEG コーティング CdSe 量子ドットの皮膚透過性の定量的測定（SKH-1 ヘアレスマウスの皮膚剥離ではなく、皮膚剥離における測定）。 トキシコロジー・サイエンス (2009) v. 111(1):37-48. 要旨
  Meng H, S Yang, Z Li, T Xia, J Chen, Z Ji, H Zhang, X Wang, S Lin, C Huang, Z Zhou, J Zink, A Nel. アスペクト比は、small GTPase依存的なマクロピノサイトーシス機構によるメソポーラスシリカナノ粒子の取り込み量を決定する。 ACS nano (2011) v. 5 (6): 4434-47. 概要

環境衛生研究に使用するナノ材料の開発と応用を進めるために、NIEHSは何をしていますか

NIEHSの取り組みの多くは、工学的材料の潜在的毒性に焦点を当てています。 しかし、NIEHS は、複数の研究所の生物工学研究機会、NIH 遺伝子、環境および健康イニシアチブ、および小規模ビジネス プログラム (SBIR) など、ほとんどがカドミウムの取り組みを通じてナノテクノロジー応用プログラムを開発しました。 NIEHSの助成金を受けている研究者は、有害汚染物質への曝露を検出するナノテクノロジー・ベースのセンサーの開発に取り組んでおり、曝露による生物学的結果についての理解を深めるとともに、環境要因の毒性を低減する戦略の開発に貢献しています。 具体的には、スーパーファンド研究プログラムは、ナノテクノロジー関連の問題にどのように関わっているのでしょうか。

スーパーファンド研究プログラムは、スーパーファンドのサイト周辺の監視と修復、または浄化を助けるために、ナノテクノロジーの有望な分野を含む新しいまたは改善した技術および方法を開発している助成団体を支援しています。 ナノ材料は、表面積対体積比が大きく、化学反応性が高いなど、浄化技術にとって明確な利点を有しています。 スーパーファンドの研究者はまた、ナノ材料が浄化に使用されたときに、環境中でどのように振る舞うかを調べています。
ナノテクノロジーに関連する詳しい情報は、SRP Searchウェブページで、検索語「nano*」を入力してください。SRPは大学の助成金のネットワークで、国内の危険な廃棄物に関連する複雑な健康および環境問題の解決法を探るために設計されています。 SRP が実施する研究は、全米で最悪の有害廃棄物サイトの浄化を担当する連邦機関である環境保護庁との協調作業です。

SRP はまた、他の機関と協力して、有害廃棄物浄化コミュニティに革新的な処理およびウェブサイトの特性評価技術に関する情報を提供する、対話型の Web ベース「リスク e ラーニング」セミナーを実施しています。 ナノテクノロジーに関連するいくつかのセミナーのリストは、Nanotechnology – Applications and Implications for Superfund webpageをご覧ください。

National Toxicology Program (NTP) はナノテクノロジーに関連する健康リスクを評価するために何をしていますか？

米国毒物プログラムは、ナノ材料の製造と使用に関連する潜在的な人間の健康被害に対処するための広範な研究プログラムに従事しています。NTPを構成する3つの中核機関、NIEHS、米国食品医薬品局（FDA）の国立毒性研究センター、米国疾病管理予防センターの国立労働安全衛生研究所は、NTPナノテクノロジーと安全イニシアチブを通じて、（1）金属酸化物、（2）蛍光結晶半導体（量子ドット）、（3）炭素フラーレン（バックボール）、（4）カーボンナノチューブを含むいくつかの異なるクラスのナノスケール物質の代表断面を毒物学的に評価しようと努めています。 潜在的な毒性に関して最も懸念される主要なパラメータは、サイズ、形状、表面化学および組成です。 研究者たちは、実験動物や細胞での研究、および数学的モデルを使用して、これらの材料が体内のどこに行き、どのような潜在的健康影響を引き起こすかを評価および予測しています。 この取り組みの一環として、National Clearinghouseは、危険廃棄物作業員のカリキュラム、技術報告書、および週刊ニュースの主要な国家情報源となっています。 クリアリングハウスは、拡大するナノテクノロジー分野の安全関連リソースを多数提供しています。 NIEHS WETPはまた、出版物「Training Workers on Risks of Nanotechnology」の作成を支援しました。この出版物は、研究所、製造施設、有害廃棄物清掃現場、緊急対応時に、ナノ材料を作成し取り扱う作業者が直面する危険についてどのように訓練されるべきかを取り上げています。

NIEHS は以下の省庁横断イニシアチブに参加しています。

• The National Nanotechnology Initiative (NNI) は連邦政府の複数省庁によるプログラムで、世界レベルのナノテクノロジー研究開発の促進、商業および公共の利益のための新技術移転の促進、熟練労働者の育成と維持、ナノテクノロジー開発の責任支援に取り組んでいます。
  • NNI のナノスケール科学・工学・技術（NSET）小委員会は、ナノテクノロジー構想の計画、予算、プログラム実施、レビューを調整する4つのワーキンググループを擁しています。
  • The Nanotechnology Environmental and Health Implications (NEHI) subcommittee is a working group that supports Federal activities focused on the health and safety implications of nanotechnologies.
• NIEHSは他の二つのNIH機関、国立生物医学画像および生物工学研究所（NIBIB）と国立癌研究所（NCI）と提携して、ナノ・レジストリーを開発しました 。 このレジストリは、ナノテクノロジーに関連する発表された知見の中央レポジトリを提供します。
• NCIのナノテクノロジー特性評価研究所と省庁間協定を結び、NIEHS助成機関に共通の人工ナノ材料（ENM）を提供し、その物理・化学特性を評価することになりました。 これにより、研究助成機関が使用している材料の標準的な特性評価を行うことができ、研究間の結果の比較がより容易になります。
• NIH Nanomedicine Initiativeは、病気の治療や損傷組織の修復に適用できるナノスケール技術を理解し開発する、研究所横断型の取り組みです。
• NIEHSが調整するNIHナノタスクフォースは、医療用途を理解し、これらの材料に関連する安全性と毒性を評価するために、ナノ材料を扱うNIH内の研究所およびセンターの利益を代表するものです。 規制に関する質問、または他の連邦機関がナノテクノロジーに関して行っていることについての情報については、該当する機関をご覧ください。
  • 米国食品医薬品局（FDA）は、食品、化粧品、医薬品、装置、動物用製品など幅広い製品を規制しており、その一部はナノテクノロジーを利用したりナノ材料を含む可能性があります
  • 米国では。
  • 米国環境保護庁（EPA）では、多くのナノ材料は有害物質規制法（TSCA）のもとで「化学物質」と見なされています。 この法律で、議会は CPSC に「消費者製品に関連する負傷や死亡の不当なリスクから国民を保護する」よう指示しました。 NIEHS’s Strategic Initiative on the Health and Safety Effects of Engineered Nanomaterials – National Nanotechnology Initiative を支援する役割の一環として、国立環境衛生科学研究所 (NIEHS) は、ENMs と生体システムとの相互作用に関する基本的理解を深め、ENM曝露の定量化とENM健康影響の評価のための予測モデルを開発し、健康への悪影響を最小限に抑えるための第2世代ENMsの設計に導くための統合戦略研究プログラム “ONE Nano” を策定しました。

  Further Reading

  Stories from the Environmental Factor (NIEHS Newsletter)

  • Blocking Mosquitoes with a Graphene Shield (September 2019)
  • Nanoparticles Offer Low-cost, 飲料水をきれいにする再利用可能な方法（2018年12月）
  • インドの学者が繊維ナノ毒性学についてグローバルな視点を提供（2013年8月）
  • 課題は、ナノ材料の安全性を決定する重要なタスクに残存（2012年10月）
  • Miller、ナノ会議で予防 by デザインを推進（2012年9月）
  • NIH-…Nanomaterial Registry Now Available Online (August 2012)
  • Holian Discusses Lung Inflammation Caused by Nanoparticles (January 2012)
  • Nano Grand Opportunities Researchers Share Findings (January 2012)

  Additional Resources

  • Nanotechnology – Information from Occupational Safety and Health Administration.The University of Technology (IFSWG)。 米国労働省の一部。
  • Nanotechnology (NIOSH) – National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), part of the CDC.
  • Nanotechnology Programs at FDA – ナノテクノロジーにより、科学者はナノメートル（1mの10億分の1）で測定された材料を作成、探索、操作することができます。 企業概要、事業紹介。
  • Research on Nanomaterials – EPAの科学者は、人間や環境の健康に影響を与える可能性のある最も普及しているナノ材料を研究しています。
  • Nanomaterial Registry – The Nanomaterial Registry compiles data from multiple databases into a single resource.

  Related Health Topics

  • Toxicology

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