Nanomaterial

Introduktion

Vad är nanomaterial?

Vetenskapsmännen har inte enhälligt kommit fram till en exakt definition av nanomaterial, men är överens om att de delvis kännetecknas av sin lilla storlek, mätt i nanometer. En nanometer är en miljondels millimeter – ungefär 100 000 gånger mindre än diametern på ett människohår.

Nanostorlekspartiklar finns i naturen och kan skapas från en mängd olika produkter, t.ex. kol eller mineraler som silver, men nanomaterial måste definitionsmässigt ha minst en dimension som är mindre än ungefär 100 nanometer. De flesta material i nanoskala är för små för att kunna ses med blotta ögat och även med konventionella laboratoriemikroskop.

Material som konstruerats i så liten skala kallas ofta konstruerade nanomaterial (ENM), som kan få unika optiska, magnetiska, elektriska och andra egenskaper. Dessa framväxande egenskaper har potential för stora effekter inom elektronik, medicin och andra områden. Till exempel kan

1. Nanoteknik användas för att utforma läkemedel som kan rikta sig mot specifika organ eller celler i kroppen, t.ex. cancerceller, och öka terapins effektivitet.
2. Nanomaterial kan också tillsättas till cement, tyg och andra material för att göra dem starkare men ändå lättare.
3. Deras storlek gör dem ytterst användbara inom elektronik, och de kan också användas vid miljösanering eller -rengöring för att binda sig till och neutralisera gifter.

Men även om konstruerade nanomaterial ger stora fördelar vet vi väldigt lite om de potentiella effekterna på människors hälsa och miljön. Även välkända material, som till exempel silver, kan utgöra en fara när de konstruerats till nanostorlek.

Nanostorlekspartiklar kan komma in i människokroppen genom inandning och intag samt genom huden. Fibrösa nanomaterial av kol har visat sig framkalla inflammation i lungorna på ett sätt som liknar asbest.

Var finns nanomaterial?

Vissa nanomaterial kan förekomma naturligt, t.ex. blodburna proteiner som är livsnödvändiga och lipider som finns i blodet och kroppsfett. Forskare är dock särskilt intresserade av konstruerade nanomaterial (ENM), som är utformade för att användas i många kommersiella material, anordningar och strukturer. Tusentals vanliga produkter – däribland solskyddsmedel, kosmetika, sportartiklar, fläckbeständiga kläder, däck och elektronik – tillverkas redan med hjälp av ENM. De används också i medicinsk diagnostik, bildbehandling och läkemedelsleverans samt vid miljösanering.

Vad är några av de viktigaste punkterna som NIEHS och NTP vill att folk ska veta om icke-material?

Det finns tre viktiga punkter att ta med sig:

• Det finns ingen enskild typ av nanomaterial. Nanomaterial kan i teorin framställas från mineraler och nästan alla kemiska ämnen, och de kan skilja sig åt när det gäller sammansättning, primär partikelstorlek, form, ytbeläggningar och partikelbindningarnas styrka. Några av de många exemplen är nanokristaller, som består av en kvantpunkt omgiven av halvledarmaterial, silver i nanoskala, dendrimerer, som är repetitivt förgrenade molekyler, och fullerener, som är kolmolekyler i form av en ihålig sfär, en ellipsoid eller ett rör.
• Den lilla storleken gör materialet både lovande och utmanande. För forskare ses nanomaterial ofta som ett ”tveeggat svärd”. De egenskaper som gör nanomaterial potentiellt fördelaktiga vid produktutveckling och läkemedelstillförsel, t.ex. deras storlek, form, höga reaktivitet och andra unika egenskaper, är samma egenskaper som ger upphov till oro när det gäller arten av deras interaktion med biologiska system och potentiella effekter i miljön. Nanoteknik kan till exempel göra det möjligt för sensorer att upptäcka mycket små mängder av kemiska ångor, men ofta finns det inga metoder för att upptäcka nivåer av nanopartiklar i luften – ett särskilt bekymmer på arbetsplatser där nanomaterial används.
• Forskning inriktad på de potentiella hälsoeffekterna av tillverkade material i nanoskala håller på att utvecklas, men mycket är ännu inte känt. NIEHS har åtagit sig att utveckla nya tillämpningar inom miljöhälsovetenskap, samtidigt som man undersöker de potentiella riskerna med dessa material för människors hälsa.

Varför är NIEHS involverad i nanoteknik?

NIEHS har två primära intressen inom nanoteknikområdet: att utnyttja kraften hos konstruerade nanomaterial för att förbättra folkhälsan och samtidigt förstå de potentiella risker som är förknippade med exponering för materialen.

Vad gör NIEHS?

För tillfället vet man väldigt lite om material i nanoskala och hur de påverkar människors hälsa och miljön. NIEHS har åtagit sig att stödja utvecklingen av nanoteknik som kan användas för att förbättra produkter och lösa globala problem inom områden som energi, vatten, medicin och miljösanering, samtidigt som man undersöker de potentiella risker som dessa material utgör för människors hälsa och miljön. NIEHS:s forskare har åtagit sig att förebygga genom design, en fras som förkroppsligar strävan att undvika potentiella risker vid tillverkning, användning eller bortskaffande av produkter och anordningar i nanoskala genom att förutse dem i förväg.

NIEHS har utvecklat ett integrerat, strategiskt forskningsprogram som innefattar stöd till bidragstagare, utnyttjande av vår interna forskningsexpertis, investeringar i utvecklingen av nanobaserade tillämpningar som gynnar miljön och folkhälsan och utnyttjande av den världsledande kapaciteten för toxicitetstestning inom National Toxicology Program (NTP), för att förstå effekterna av konstruerade nanomaterial på människors hälsa, och för att stödja målen för National Nanotechnology Initiative .

Ett av de viktigaste sätten för NIEHS att stödja forskning om hälsoeffekterna av konstruerade nanomaterial är genom konsortiet NIEHS Centers for Nanotechnology Health Implications Research (NCNHIR). NCNHIR är ett tvärvetenskapligt program som består av åtta Cooperative Centers och andra aktiva bidragstagare. Konsortiets forskare, som inrättades 2010, arbetar för att förstå hur konstruerade nanomaterial interagerar med biologiska system och hur dessa effekter kan påverka människors hälsa.

NIEHS har också upprättat avtalsöverenskommelser för karakterisering av nanomaterial och en informationsdatabas för att stödja detta konsortium. De övergripande målen för dessa insatser är att få grundläggande kunskaper om ENM:s interaktioner med biologiska system för att bättre förstå potentiella hälsorisker i samband med ENM-exponering. Dessa resultat kommer också att vägleda säker utveckling och användning av nanoteknik.

Konsortiet växte fram ur det arbete som påbörjades av stipendiater som fick stöd genom bidragsprogrammet Engineered Nanomaterials Grand Opportunity (Nano GO) som finansierades genom American Recovery and Reinvestment Act. NCNHIR-konsortiet fortsätter att bygga vidare på forskningsprotokoll och lärdomar från Nano GO.

Det har dessutom bildats partnerskap mellan NIEHS och andra federala organ för att stödja stipendiater över hela landet som en del av dess program för miljöhälsa och säkerhet. NIEHS har till exempel gått samman med Environmental Protection Agency (EPA), National Science Foundation (NSF), National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) och andra NIH-institut och centra genom åren för att stödja forskningsstrategier som behandlar miljöhälso- och säkerhetsaspekter av konstruerade material.

Besök webbplatsen NIEHS Nano Environmental Health and Safety (Nano EHS) för ytterligare information om NIEHS engagemang inom nanoteknikområdet.

Besök webbplatsen ”Who We Fund” för en fullständig förteckning över NIEHS-stödda bidrag. Webbplatsen ”Who We Fund: Application of Technology to Disease – Nanotechnology” listar NIEHS-bidragstagare som arbetar med nanoteknik.

NIH Research Portfolio Online Reporting Tools (REPORT) ger tillgång till rapporter, data och analyser av NIH:s forskningsverksamhet.

NIH Funding Opportunities and Notices finns online.

Nanotechnology Notable Papers and Advances – En sökbar lista över 401 artiklar om nanoteknik som stöds av NIEHS och bidrag från American Recovery and Reinvestment Act of 2009 (ARRA) från 2010 – 12 juli 2017

NanoHealth and Safety – NIEHS uppmuntrar och stödjer forskning om de underliggande egenskaperna hos konstruerade nanomaterial (ENM) för att fastställa deras potentiella biokompatibilitet eller toxicitet för människors hälsa. Konsortier som inrättats av NIEHS främjar samarbete som syftar till att bygga upp en grund för förståelse för hur de unika kemiska och fysiska egenskaper som uppstår i nanoskala kan påverka samspelet mellan miljöexponering och kroppen.

Kan du ge exempel på den typ av arbete som NIEHS har finansierat?

NIEHS-forskare har producerat hundratals artiklar som främjar vår kunskap om nanomaterial och deras potentiella inverkan på miljön. Ett litet urval visar på arbetets djup och bredd:

• Forskare var oroliga för om inandning av kolnanorör kunde leda till vissa lungsjukdomar, inklusive pleurafibros, som leder till att vävnaden som täcker lungorna hårdnar och förtjockas, vilket försvårar andningen. För att testa denna hypotes utsatte de laboratoriemöss för olika doser av föroreningar och nanopartiklar. Möss som utsattes för vissa doser av kolnanorör utvecklade subplural fibros bara två till sex veckor efter inandningen av kolnanorör. Arbetet tyder på att det är klokt att minimera inandning av nanorör tills ytterligare långtidsbedömningar har genomförts.

• Låga koncentrationer av kolnanopartiklar hade djupgående effekter på celler som kantar njurtubuli – en kritisk struktur i njurarna. Både barriärcellernas funktion och proteinuttryck påverkades. Resultaten visar att kolnanopartiklar påverkar njurceller vid lägre koncentrationer än vad som tidigare varit känt och man föreslår försiktighet när det gäller ökande nivåer av kolnanopartiklar som kommer in i livsmedelskedjan.

• Nanoskala material används i många kosmetika, solskyddsmedel och andra konsumentprodukter. Möjligt upptag av materialen genom huden och eventuella konsekvenser har inte fastställts. NIEHS-finansierade forskare applicerade nanopartiklar av kadmiumselenid, ett känt cancerframkallande ämne , på hårlösa laboratoriemöss. De fann att när mössens hud hade slipats för att avlägsna de övre hudlagren innan lösningen applicerades, upptäcktes kadmiumförhöjning i mössens lymfkörtlar och lever. När kvantprickar av kadmiumselenid applicerades på mössens ostörda hud upptäcktes ingen konsekvent kadmiumförhöjning i organen. I studien drogs slutsatsen att hudens absorption av nanomaterial beror på hudbarriärens kvalitet och att framtida riskbedömningar bör beakta viktiga barriäraspekter av huden och dess övergripande integritet.

• Nanomaterial är mycket lovande när det gäller läkemedelstillförsel, med möjlighet att rikta ett läkemedel mot cancerceller men undvika angrepp på friska celler. En NIEHS-finansierad studie visade att förmågan hos två linjer av cancerceller att absorbera nanostora, stavformade partiklar skiljde sig åt beroende på nanopartiklarnas aspektförhållande – det vill säga proportionerna mellan partiklarnas höjd och bredd. Resultatet skulle kunna bidra till effektivare läkemedelstillförsel.
  Ryman-Rasmussen JP, MF Cesta, AR Brody, JK Shipley-Phillips, JI Everitt, EW Tewskbury, OR Moss, BA Wong, DE Dodd, ME Anderson JC Bonner. Inhalerade kolnanorör når subplural vävnad hos möss. Nature Nanotechnology (2009) v. 4 (11): 747-51. Sammanfattning

  Blazer-Yost BL, A Banga, A Amos, E Chernoff , X Lai, C Li, S Mitra, FA Witzmann. Effekten av kolnanopartiklar på njurens epitelcellstruktur, barriärfunktion och proteinuttryck. Nanotoxicology (2011) v.5 (3):354-71. Abstract

  Gopee, N, D Roberts, P Webb, C Cozart, P Siitonen, J Latendresse, A Warbitton A, W Yu, V Colvin, N Walker, P Howard. Kvantitativ bestämning av hudpenetration av PEG-belagd CdSe Quantum Dot i dermadraserad men inte i intakt SKH-1 hårlös mushud. Toxicological Sciences (2009) v. 111(1):37-48. Sammanfattning

  Meng H, S Yang, Z Li, T Xia, J Chen, Z Ji, H Zhang, X Wang, S Lin, C Huang, Z Z Zhou, J Zink, A Nel. Aspektförhållandet bestämmer mängden upptag av nanopartiklar av mesoporös kiseldioxid genom en liten GTPas-beroende makropinocytosmekanism. ACS nano (2011) v. 5 (6): 4434-47. Sammanfattning

Vad gör NIEHS för att främja utvecklingen och tillämpningen av nanomaterial som ska användas inom miljöhälsoforskningen?

En stor del av NIEHS:s insatser är inriktade på den potentiella toxiciteten hos konstruerade material. NIEHS har dock utvecklat ett program för tillämpning av nanoteknik främst genom Cadmium-insatser, inklusive forskningsmöjligheter inom bioteknik som omfattar flera institut, NIH:s Genes, Environment and Health Initiative och Small Business Program (SBIR). NIEHS-finansierade stipendiater arbetar med att utveckla nanoteknikbaserade sensorer för att upptäcka exponering för giftiga föroreningar, vilket kommer att bidra till att öka vår förståelse för de biologiska konsekvenserna av exponering och utveckla strategier för att minska giftigheten hos miljöfaktorer. Flera forskarinitierade bidrag stöds.

Specifikt, hur är Superfund Research Program involverat i nanoteknikrelaterade frågor?

Superfund Research Program stöder bidragstagare som utvecklar ny eller förbättrad teknik och metoder, inklusive det lovande området nanoteknik, för att hjälpa till med att övervaka och sanera, eller städa upp, runt Superfund-områden. Nanomaterial erbjuder vissa tydliga fördelar för saneringsteknik, t.ex. stor yta i förhållande till volym och hög kemisk reaktivitet. Superfund-forskare tittar också på hur nanomaterial beter sig i miljön när de används för sanering.
För mer information som är specifikt relaterad till nanoteknik, besök SRP Search-webbplatsen och skriv in sökordet ”nano*”,SRP är ett nätverk av universitetsbidrag som är utformade för att söka lösningar på de komplexa hälso- och miljöfrågor som är förknippade med landets farliga avfallsplatser. Den forskning som bedrivs av SRP är en samordnad insats med Environmental Protection Agency, som är den federala enhet som har till uppgift att sanera de värsta deponierna för farligt avfall i landet.

S SRP samarbetar också med andra myndigheter för att genomföra interaktiva webbaserade ”Risk e Learning”-seminarier som ger information om innovativa tekniker för behandling och karaktärisering av webbplatser till samhället som arbetar med sanering av farligt avfall. Besök webbsidan Nanotechnology – Applications and Implications for Superfund (Nanoteknik – tillämpningar och konsekvenser för Superfund) för en lista över några av de seminarier som rör nanoteknik.

Vad gör det nationella toxikologiprogrammet (NTP) för att bedöma hälsoriskerna i samband med nanoteknik?

Det nationella toxikologiprogrammet är engagerat i ett brett forskningsprogram för att ta itu med de potentiella hälsorisker för människor som är förknippade med tillverkning och användning av nanomaterial.

Vetenskapsmän vid de tre centrala organ som ingår i NTP – NIEHS, National Center for Toxicological Research at the U.U. S. Food and Drug Administration och National Institute for Occupational Safety and Health vid Centers for Disease Control and Prevention – arbetar med att utvärdera toxikologiska egenskaper hos ett representativt tvärsnitt av flera olika klasser av nanomaterial, inklusive (1) metalloxider, (2) fluorescerande kristallina halvledare (quantum dots), (3) kolfullerener (Buckyballs ) och (4) kolnanorör, genom NTP:s nanoteknik- och säkerhetsinitiativ. De viktigaste parametrarna för deras potentiella toxicitet är storlek, form, ytkemi och sammansättning. Forskare använder studier på försöksdjur och celler samt matematiska modeller för att utvärdera och förutsäga var dessa material hamnar i kroppen och vilka potentiella hälsoeffekter de kan orsaka.

Vad gör NIEHS för att hjälpa till att skydda arbetstagare som utsätts för nanomaterial?

NIEHS Worker Education and Training Program (WETP) stödjer arbetstagare som är engagerade i verksamheter som har att göra med farliga material, och med generering av avfall, avlägsnande, inneslutning, transport och nödåtgärder. Som en del av detta arbete är National Clearinghouse den främsta nationella källan för kursplaner för arbetstagare som arbetar med farligt avfall, tekniska rapporter och veckovisa nyheter. Clearinghouse tillhandahåller ett antal säkerhetsrelaterade resurser inom det växande området nanoteknik. NIEHS WETP stödde också utvecklingen av publikationen Training Workers on Risks of Nanotechnology (Utbildning av arbetstagare om nanoteknikens risker), som tar upp hur arbetstagare som skapar och hanterar nanomaterial bör utbildas om de faror de ställs inför – i laboratorier, tillverkningsanläggningar, på platser för sanering av farligt avfall och vid nödsituationer.

Tvärorganisationsövergripande initiativ inom nanoteknik

Vilka tvärorganisationsövergripande initiativ är NIEHS inblandad i?

NIEHS deltar i följande myndighetsövergripande initiativ:

• The National Nanotechnology Initiative (NNI), ett federalt, myndighetsövergripande program som är inriktat på att påskynda nanoteknisk forskning och utveckling i världsklass, främja överföringen av ny teknik till kommersiell och offentlig nytta, utveckla och upprätthålla en kvalificerad arbetskraft och stödja en ansvarsfull utveckling av nanoteknik.
  • Underkommittén Nanoscale Science, Engineering and Technology (NSET) inom NNI har fyra arbetsgrupper som samordnar planering, budget, programgenomförande och översyn av nanoteknikinitiativet.
  • Underkommittén för nanoteknikens miljö- och hälsokonsekvenser (Nanotechnology Environmental and Health Implications, NEHI) är en arbetsgrupp som stödjer federal verksamhet med inriktning på nanoteknikens hälso- och säkerhetskonsekvenser.
• NIEHS samarbetade med två andra NIH-institut, National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) och National Cancer Institute (NCI) för att utveckla NanoRegistry . Registret är ett centralt arkiv för publicerade resultat med anknytning till nanoteknik.
• Utvecklade ett interagentavtal med NCI:s Nanotechnology Characterization Laboratory för att förse NIEHS-bidragstagare med gemensamma konstruerade nanomaterial (ENM) och för att karakterisera nanomaterialens fysikaliska och kemiska egenskaper. Detta gör det möjligt för bidragsmottagarna att få en standardiserad karakterisering av de material de använder så att de lättare kan jämföra resultaten mellan olika studier.
• N NIH Nanomedicine Initiative är en institutövergripande satsning för att förstå och utveckla tekniker i nanostorlek som skulle kunna användas för att behandla sjukdomar och reparera skadad vävnad.
• The NIH Nano Task Force , som samordnas av NIEHS, företräder intressena hos institut och centra inom NIH som arbetar med nanomaterial för att förstå medicinska användningsområden och för att bedöma säkerhet och toxikologi i samband med dessa material.

Är nanomaterial reglerade?

NIEHS är inte ett regleringsorgan och upprätthåller därför inte lagar i samband med nanomaterial eller andra farliga ämnen. För frågor om reglering eller information om vad andra federala organ gör i fråga om nanoteknik, vänligen besök det berörda organet. Nedan följer en kortfattad förteckning.

• Den amerikanska livsmedels- och läkemedelsmyndigheten (FDA) reglerar ett stort antal produkter, inklusive livsmedel, kosmetika, läkemedel, utrustning och veterinärmedicinska produkter, varav vissa kan använda nanoteknik eller innehålla nanomaterial.
• I den amerikanska livsmedels- och läkemedelsmyndigheten (FDA) finns det en rad olika myndigheter som kan använda nanoteknik. Environmental Protection Agency (EPA) betraktas många nanomaterial som ”kemiska ämnen” enligt Toxic Substances Control Act (TSCA).
• Den amerikanska kommissionen för konsumentproduktsäkerhet (Consumer Product Safety Commission, CPSC) är ett oberoende federalt tillsynsorgan som inrättades 1972 av kongressen genom Consumer Product Safety Act. I den lagen gav kongressen CPSC i uppdrag att ”skydda allmänheten mot orimliga risker för skador och dödsfall i samband med konsumentprodukter.”
• ONE Nano: NIEHS:s strategiska initiativ om hälso- och säkerhetseffekter av konstruerade nanomaterial – Som en del av sin roll att stödja det nationella nanoteknikinitiativet har National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) utvecklat ett integrerat, strategiskt forskningsprogram – ”ONE Nano” – för att öka vår grundläggande förståelse för hur ENM:s interagerar med levande system, för att utveckla prediktiva modeller för att kvantifiera exponering för ENM:s och bedöma ENM:s hälsoeffekter, och för att vägleda utformningen av andra generationens ENM:s för att minimera negativa hälsoeffekter.

Fortsatt läsning

Stories from the Environmental Factor (NIEHS Newsletter)

• Blocking Mosquitoes with a Graphene Shield (September 2019)
• Nanoparticles Offer Low-cost, Återanvändbart sätt att rena dricksvatten (december 2018)
• Indisk forskare erbjuder ett globalt perspektiv på nanotoxikologi för fibrer (augusti 2013)
• Utmaningar kvarstår i den kritiska uppgiften att fastställa nanomaterials säkerhet (oktober 2012)
• Miller förespråkar förebyggande design vid nanomötet (september 2012)
• NIH-finansierat nanomaterialregister nu tillgängligt online (augusti 2012)
• Holian diskuterar lunginflammation orsakad av nanopartiklar (januari 2012)
• Nano Grand Opportunities Researchers Share Findings (januari 2012)

Additional Resources

• Nanotechnology – Information from the Occupational Safety and Health Administration, en del av det amerikanska arbetsmarknadsdepartementet.
• Nanoteknik (NIOSH) – Information från The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), en del av CDC.
• Nanotechnology Programs at FDA – Nanoteknik gör det möjligt för forskare att skapa, utforska och manipulera material som mäts i nanometer (miljarddelar av en meter). Sådana material kan ha kemiska, fysiska och biologiska egenskaper som skiljer sig från deras större motsvarigheter.
• National Nanotechnology Initiative – Officiell webbplats för Förenta staternas National Nanotechnology Initiative.
• Forskning om nanomaterial – EPA:s forskare forskar om de vanligaste nanomaterialen som kan ha konsekvenser för människors hälsa och miljön.
• Nanomaterialregistret – Nanomaterialregistret sammanställer data från flera databaser till en enda resurs.

Relaterade hälsovårdsämnen

• Toxikologi

.