Nanomateriały

Wprowadzenie

Co to są nanomateriały?

Naukowcy nie ustalili jednogłośnie dokładnej definicji nanomateriałów, ale zgadzają się, że częściowo charakteryzuje je ich niewielki rozmiar, mierzony w nanometrach. Nanometr to jedna milionowa milimetra – około 100 000 razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa.

Nanorozmiarowe cząstki istnieją w naturze i mogą być tworzone z różnych produktów, takich jak węgiel lub minerałów, takich jak srebro, ale nanomateriały z definicji muszą mieć co najmniej jeden wymiar, który jest mniejszy niż około 100 nanometrów. Większość materiałów w nanoskali jest zbyt mała, aby można je było zobaczyć gołym okiem, a nawet za pomocą konwencjonalnych mikroskopów laboratoryjnych.

Materiały zaprojektowane w tak małej skali są często określane jako nanomateriały techniczne (ENM), które mogą przyjmować unikalne właściwości optyczne, magnetyczne, elektryczne i inne. Te nowe właściwości mają potencjał do wielkich wpływów w elektronice, medycynie i innych dziedzinach. Na przykład

1. Nanotechnologia może być wykorzystywana do projektowania farmaceutyków, które mogą być ukierunkowane na określone organy lub komórki w organizmie, takie jak komórki rakowe, i zwiększać skuteczność terapii.
2. Nanomateriały mogą być również dodawane do cementu, tkanin i innych materiałów, aby uczynić je mocniejszymi, a jednocześnie lżejszymi.
3. Ich rozmiar sprawia, że są niezwykle przydatne w elektronice, a także mogą być wykorzystywane w oczyszczaniu środowiska do wiązania się z toksynami i neutralizowania ich.

Jednakże, podczas gdy opracowane nanomateriały zapewniają wielkie korzyści, wiemy bardzo niewiele o ich potencjalnym wpływie na zdrowie ludzkie i środowisko. Nawet dobrze znane materiały, takie jak na przykład srebro, mogą stanowić zagrożenie, gdy zostaną zmodyfikowane do rozmiaru nano.

Cząstki o rozmiarach nanometrycznych mogą dostać się do organizmu ludzkiego poprzez wdychanie i spożycie oraz przez skórę. Wykazano, że włókniste nanomateriały wykonane z węgla wywołują stan zapalny w płucach w sposób podobny do azbestu.

Gdzie występują nanomateriały?

Niektóre nanomateriały mogą występować naturalnie, np. białka przenoszone przez krew, niezbędne do życia, oraz lipidy znajdujące się we krwi i tkance tłuszczowej. Naukowcy są jednak szczególnie zainteresowani nanomateriałami konstrukcyjnymi (ENM), które są przeznaczone do stosowania w wielu komercyjnych materiałach, urządzeniach i strukturach. Już teraz tysiące popularnych produktów – w tym kremy przeciwsłoneczne, kosmetyki, sprzęt sportowy, ubrania odporne na plamy, opony i elektronika – są wytwarzane przy użyciu ENM. Znajdują się one również w diagnostyce medycznej, obrazowaniu i dostarczaniu leków oraz w remediacji środowiska.

Jakie są niektóre z głównych punktów, które NIEHS i NTP chcą, aby ludzie wiedzieli o materiałach niematerialnych?

Istnieją trzy główne punkty:

• Nie ma jednego rodzaju nanomateriału. Nanomateriały mogą być teoretycznie tworzone z minerałów i prawie każdej substancji chemicznej, i mogą różnić się składem, wielkością cząstek podstawowych, kształtem, powłokami powierzchniowymi i siłą wiązań cząstek. Kilka z wielu przykładów obejmuje nanokryształy, które składają się z kropki kwantowej otoczonej materiałami półprzewodnikowymi, srebro w skali nano, dendrymery, które są powtarzalnie rozgałęzionymi cząsteczkami i fulereny, które są cząsteczkami węgla w postaci pustej kuli, elipsoidy lub rurki.
• Mały rozmiar sprawia, że materiał jest zarówno obiecujący, jak i wymagający. Dla naukowców, nanomateriały są często postrzegane jako „miecz obosieczny”. Właściwości, które czynią nanomateriały potencjalnie korzystnymi w rozwoju produktów i dostarczaniu leków, takie jak ich rozmiar, kształt, wysoka reaktywność i inne unikalne cechy, są tymi samymi właściwościami, które wywołują obawy o charakter ich interakcji z systemami biologicznymi i potencjalne skutki w środowisku. Na przykład, nanotechnologia może umożliwić czujnikom wykrywanie bardzo małych ilości oparów chemicznych, ale często nie ma środków do wykrywania poziomu nanocząsteczek w powietrzu – jest to szczególnie niepokojące w miejscach pracy, gdzie stosuje się nanomateriały.
• Badania skoncentrowane na potencjalnych skutkach zdrowotnych wytwarzanych materiałów w skali nano są rozwijane, ale wiele jeszcze nie wiadomo. NIEHS jest zaangażowany w rozwój nowych zastosowań w ramach nauk o zdrowiu środowiskowym, jednocześnie badając potencjalne ryzyko tych materiałów dla zdrowia ludzkiego.

Dlaczego NIEHS jest zaangażowany w nanotechnologię?

NIEHS ma dwa główne zainteresowania w dziedzinie nanotechnologii: wykorzystanie możliwości nanomateriałów do poprawy zdrowia publicznego, przy jednoczesnym zrozumieniu potencjalnych zagrożeń związanych z narażeniem na te materiały.

Co robi NIEHS?

W chwili obecnej bardzo niewiele wiadomo o materiałach w nanoskali i ich wpływie na zdrowie ludzkie i środowisko. NIEHS jest zaangażowany we wspieranie rozwoju nanotechnologii, które mogą być wykorzystywane do ulepszania produktów i rozwiązywania globalnych problemów w takich dziedzinach jak energia, woda, medycyna i rekultywacja środowiska, jednocześnie badając potencjalne zagrożenia, jakie materiały te stanowią dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Naukowcy NIEHS są zaangażowani w zapobieganie poprzez projektowanie, które to wyrażenie obejmuje wysiłki w celu uniknięcia wszelkich potencjalnych zagrożeń w produkcji, użytkowaniu lub usuwaniu produktów i urządzeń w nanoskali poprzez przewidywanie ich z wyprzedzeniem.

NIEHS opracował zintegrowany, strategiczny program badawczy, który obejmuje wsparcie dla grantobiorców, wykorzystując naszą wewnętrzną wiedzę badawczą, inwestując w rozwój zastosowań opartych na nanotechnologii, które przynoszą korzyści dla środowiska i zdrowia publicznego, oraz wykorzystując światowej klasy możliwości Narodowego Programu Toksykologicznego (NTP) w zakresie badania toksyczności, aby zrozumieć wpływ zaprojektowanych nanomateriałów na zdrowie ludzkie i wspierać cele Krajowej Inicjatywy Nanotechnologicznej.

NIEHS ustanowił również umowy kontraktowe na charakteryzację nanomateriałów i informacyjną bazę danych w celu wsparcia tego konsorcjum. Nadrzędnym celem tych działań jest uzyskanie fundamentalnego zrozumienia interakcji ENM z systemami biologicznymi, aby lepiej zrozumieć potencjalne zagrożenia dla zdrowia związane z narażeniem na ENM. Wyniki te będą również podstawą bezpiecznego rozwoju i wykorzystania nanotechnologii.

Konsorcjum wyrosło z prac rozpoczętych przez grantobiorców wspieranych przez program grantowy Engineered Nanomaterials Grand Opportunity (Nano GO) finansowany przez American Recovery and Reinvestment Act. Konsorcjum NCNHIR nadal opiera się na protokołach badawczych i doświadczeniach zdobytych dzięki Nano GO.

Dodatkowo, NIEHS nawiązał współpracę z innymi agencjami federalnymi, aby wspierać grantobiorców w całym kraju w ramach programu Environmental Health and Safety. Na przykład, NIEHS połączył się z Agencją Ochrony Środowiska (EPA), Narodową Fundacją Nauki (NSF), Narodowym Instytutem Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (NIOSH) i innymi instytutami i centrami NIH przez lata w celu wspierania strategii badawczych dotyczących zdrowia środowiskowego i aspektów bezpieczeństwa materiałów technicznych.

Odwiedź stronę internetową NIEHS Nano Environmental Health and Safety (Nano EHS), aby uzyskać dodatkowe informacje na temat zaangażowania NIEHS w dziedzinie nanotechnologii.

Odwiedź stronę internetową „Who We Fund”, aby uzyskać pełną listę grantów wspieranych przez NIEHS. Strona „Who We Fund: Application of Technology to Disease – Nanotechnology” identyfikuje grantobiorców NIEHS pracujących nad nanotechnologią.

NIH Research Portfolio Online Reporting Tools (REPORT) zapewnia dostęp do raportów, danych i analiz dotyczących działalności badawczej NIH.

NIH Funding Opportunities and Notices są dostępne online.

Nanotechnology Notable Papers and Advances – przeszukiwalna lista 401 prac z dziedziny nanotechnologii wspieranych przez NIEHS i granty American Recovery and Reinvestment Act of 2009 (ARRA) z lat 2010 – 12 lipca 2017

NanoHealth and Safety – NIEHS zachęca i wspiera badania nad podstawowymi właściwościami zaprojektowanych nanomateriałów (ENM) w celu określenia ich potencjalnej biokompatybilności lub toksyczności dla zdrowia ludzkiego. Konsorcja ustanowione przez NIEHS wspierają współpracę mającą na celu zbudowanie podstaw zrozumienia, w jaki sposób unikalne właściwości chemiczne i fizyczne, które pojawiają się w nanoskali, mogą wpływać na interakcje pomiędzy narażeniem środowiska a ciałem.

Czy możesz podać przykłady rodzajów prac finansowanych przez NIEHS?

Naukowcy z NIEHS opublikowali setki prac poszerzających naszą wiedzę na temat nanomateriałów i ich potencjalnego wpływu na środowisko. Niewielka próbka pokazuje głębię i zakres tej pracy:

• Badacze zastanawiali się, czy wdychane nanorurki węglowe mogą prowadzić do pewnych chorób płuc, w tym zwłóknienia opłucnej, które skutkuje stwardnieniem i pogrubieniem tkanki pokrywającej płuca, upośledzając oddychanie. Testując tę hipotezę, wystawili myszy laboratoryjne na działanie różnych dawek zanieczyszczeń i nanocząsteczek. U myszy narażonych na pewne dawki nanorurek węglowych rozwinęło się włóknienie podtwardówkowe już po dwóch do sześciu tygodniach od wdychania nanorurek węglowych. Praca sugeruje, że minimalizowanie wdychania nanorurek jest rozsądne do czasu przeprowadzenia dalszych długoterminowych ocen.

• Niskie stężenia nanocząstek węgla miały głęboki wpływ na komórki wyściełające kanaliki nerkowe – krytyczną strukturę w nerkach. Zarówno funkcja komórek barierowych, jak i ekspresja białek były zaburzone. Wyniki wskazują, że nanocząstki węgla wpływają na komórki nerek w stężeniach niższych niż wcześniej znane i sugerują ostrożność w odniesieniu do rosnących poziomów nanocząstek węgla wchodzących do łańcucha żywnościowego.

• Materiały w nanoskali są stosowane w wielu kosmetykach, filtrach przeciwsłonecznych i innych produktach konsumenckich. Możliwa absorpcja tych materiałów przez skórę i potencjalne konsekwencje nie zostały określone. Naukowcy finansowani przez NIEHS zastosowali na bezwłosych myszach laboratoryjnych nanorozmiarowe cząsteczki selenku kadmu, znanego czynnika rakotwórczego. Stwierdzili, że gdy skóra myszy została starta w celu usunięcia górnych warstw skóry przed zastosowaniem roztworu, w węzłach chłonnych i wątrobie myszy wykryto podwyższony poziom kadmu. Kiedy kropki kwantowe selenku kadmu zostały zaaplikowane na nieuszkodzoną skórę myszy, nie wykryto stałego wzrostu stężenia kadmu w narządach. W badaniu stwierdzono, że absorpcja nanomateriałów przez skórę zależy od jakości bariery skórnej i że przyszłe oceny ryzyka powinny uwzględniać kluczowe aspekty barierowe skóry i jej ogólną integralność.

• Nanosized materials show great promise in drug delivery, with the potential of targeting cancerous cells with a drug but avoiding an attack on healthy cells. Jedno z badań finansowanych przez NIEHS wykazało, że zdolność dwóch linii komórek nowotworowych do wchłaniania nanocząstek o kształcie pręta różniła się w zależności od współczynnika kształtu nanocząstek, czyli proporcji pomiędzy wysokością i szerokością cząstek. Odkrycie to może pomóc w osiągnięciu bardziej efektywnego dostarczania leków.
  Ryman-Rasmussen JP, MF Cesta, AR Brody, JK Shipley-Phillips, JI Everitt, EW Tewskbury, OR Moss, BA Wong, DE Dodd, ME Anderson JC Bonner. Inhaled carbon nanotubes reach the subplural tissue in mice. Nature Nanotechnology (2009) v. 4 (11): 747-51. Streszczenie

  Blazer-Yost BL, A Banga, A Amos, E Chernoff , X Lai, C Li, S Mitra, FA Witzmann. Effect of carbon nanoparticles on renal epithelial cell structure, barrier function and protein expression. Nanotoksykologia (2011) v.5 (3):354-71. Abstrakt

  Gopee, N, D Roberts, P Webb, C Cozart, P Siitonen, J Latendresse, A Warbitton A, W Yu, V Colvin, N Walker, P Howard. Quantitative Determination of Skin Penetration of PEG-Coated CdSe Quantum Dot in Dermadraded but not Intact SKH-1 Hairless Mouse Skin. Toxicological Sciences (2009) v. 111(1):37-48. Streszczenie

  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. Aspect ratio determines the quantity of mesoporous silica nanoparticle uptake by a small GTPase-dependent Macropinocytosis mechanism. ACS nano (2011) v. 5 (6): 4434-47. Streszczenie

Co robi NIEHS, aby przyspieszyć rozwój i zastosowanie nanomateriałów do wykorzystania w badaniach nad zdrowiem środowiskowym?

Większość wysiłków NIEHS skupia się na potencjalnej toksyczności materiałów technicznych. Jednak NIEHS rozwinął program zastosowania nanotechnologii głównie dzięki wysiłkom kadmu, w tym możliwościom badawczym wielu instytutów bioinżynierii, inicjatywie NIH Genes, Environment and Health Initiative oraz programowi dla małych przedsiębiorstw (SBIR). Grantobiorcy finansowani przez NIEHS pracują nad stworzeniem opartych na nanotechnologii czujników do wykrywania narażenia na toksyczne zanieczyszczenia, które pomogą zwiększyć nasze zrozumienie biologicznych konsekwencji narażenia, a także nad opracowaniem strategii mających na celu zmniejszenie toksyczności czynników środowiskowych. Wspieranych jest kilka grantów inicjowanych przez badaczy.

Szczegółowo, w jaki sposób Program Badawczy Superfund jest zaangażowany w kwestie związane z nanotechnologią?

Program Badawczy Superfund wspiera grantobiorców, którzy opracowują nowe lub ulepszone technologie i metody, w tym obiecującą dziedzinę nanotechnologii, aby pomóc w monitorowaniu i remediacji, czyli oczyszczaniu, wokół miejsc objętych programem Superfund. Nanomateriały oferują pewne wyraźne korzyści dla technologii remediacji, takie jak duży stosunek powierzchni do objętości i wysoka reaktywność chemiczna. Badacze Superfund sprawdzają również, jak nanomateriały zachowują się w środowisku, gdy są wykorzystywane do remediacji.
Aby uzyskać więcej informacji związanych z nanotechnologią, odwiedź stronę internetową SRP Search i wpisz hasło „nano*”,SRP to sieć grantów uniwersyteckich, których celem jest poszukiwanie rozwiązań złożonych problemów zdrowotnych i środowiskowych związanych z miejscami powstawania odpadów niebezpiecznych. Badania prowadzone przez SRP są koordynowane z Agencją Ochrony Środowiska, która jest podmiotem federalnym odpowiedzialnym za oczyszczanie najgorszych składowisk odpadów niebezpiecznych w kraju.

SRP współpracuje również z innymi agencjami w celu prowadzenia interaktywnych seminariów internetowych „Risk e Learning”, które dostarczają informacji na temat innowacyjnych technologii przetwarzania i charakteryzowania stron internetowych społeczności zajmującej się rekultywacją odpadów niebezpiecznych. Odwiedź stronę internetową Nanotechnology – Applications and Implications for Superfund, aby uzyskać listę niektórych seminariów związanych z nanotechnologią.

Co robi Narodowy Program Toksykologiczny (NTP), aby ocenić zagrożenia dla zdrowia związane z nanotechnologią?

Narodowy Program Toksykologiczny jest zaangażowany w szeroko zakrojony program badawczy mający na celu zbadanie potencjalnych zagrożeń dla zdrowia ludzkiego związanych z produkcją i stosowaniem nanomateriałów.

Naukowcy z trzech głównych agencji wchodzących w skład NTP – NIEHS, Narodowego Centrum Badań Toksykologicznych przy Urzędzie ds.Food and Drug Administration oraz National Institute for Occupational Safety and Health of the Centers for Disease Control and Prevention – pracują nad oceną właściwości toksykologicznych reprezentatywnego przekroju kilku różnych klas materiałów w nanoskali, w tym (1) tlenków metali, (2) fluorescencyjnych krystalicznych półprzewodników (kropek kwantowych), (3) fulerenów węglowych (Buckyballs ) oraz (4) nanorurek węglowych, poprzez inicjatywę NTP Nanotechnology and Safety Initiative. Kluczowe parametry budzące największe obawy w związku z ich potencjalną toksycznością to rozmiar, kształt, chemia powierzchni i skład. Naukowcy wykorzystują badania na zwierzętach laboratoryjnych i komórkach, a także modele matematyczne, aby ocenić i przewidzieć, gdzie te materiały trafiają do organizmu i jakie potencjalne skutki zdrowotne mogą powodować.

Co robi NIEHS, aby pomóc chronić pracowników narażonych na nanomateriały?

NIEHS Worker Education and Training Program (WETP) wspiera pracowników zaangażowanych w działania związane z materiałami niebezpiecznymi, wytwarzaniem odpadów, ich usuwaniem, ograniczaniem, transportem i reagowaniem w sytuacjach awaryjnych. Jako część tego wysiłku, National Clearinghouse jest głównym krajowym źródłem programów nauczania dla pracowników zajmujących się odpadami niebezpiecznymi, raportów technicznych i cotygodniowych wiadomości. Clearinghouse zapewnia szereg zasobów związanych z bezpieczeństwem w rozwijającej się dziedzinie nanotechnologii. NIEHS WETP wsparł również opracowanie publikacji Training Workers on Risks of Nanotechnology (Szkolenie pracowników w zakresie zagrożeń związanych z nanotechnologią), która dotyczy tego, jak pracownicy tworzący nanomateriały i obchodzący się z nimi powinni być szkoleni w zakresie zagrożeń, na jakie są narażeni – w laboratoriach, zakładach produkcyjnych, na terenach oczyszczania odpadów niebezpiecznych i podczas reagowania w sytuacjach awaryjnych.

Cross-Agency Nanotechnology Initiatives

W jakie inicjatywy międzyagencyjne zaangażowane jest NIEHS?

NIEHS jest zaangażowany w następujące inicjatywy międzyagencyjne:

• Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna (NNI), federalny, wielopodmiotowy program mający na celu przyspieszenie światowej klasy badań i rozwoju w dziedzinie nanotechnologii, wspieranie transferu nowych technologii dla korzyści komercyjnych i publicznych, rozwój i utrzymanie wykwalifikowanej siły roboczej oraz wspieranie odpowiedzialnego rozwoju nanotechnologii.
  • Podkomisja Nanoscale Science, Engineering and Technology (NSET) w NNI ma cztery grupy robocze, które koordynują planowanie, budżet, realizację programu i przegląd inicjatywy nanotechnologicznej.
• NIEHS współpracuje z dwoma innymi instytutami NIH, Narodowym Instytutem Obrazowania Biomedycznego i Bioinżynierii (NIBIB) oraz Narodowym Instytutem Raka (NCI) w celu opracowania NanoRegistry . Rejestr ten stanowi centralne repozytorium opublikowanych wyników badań związanych z nanotechnologią.
• Opracował umowę międzyagencyjną z Laboratorium Charakteryzacji Nanotechnologii NCI w celu zapewnienia grantobiorcom NIEHS wspólnych zaprojektowanych nanomateriałów (ENM) oraz scharakteryzowania ich właściwości fizycznych i chemicznych. Pozwala to grantobiorcom na standaryzowaną charakterystykę materiałów, których używają, aby mogli łatwiej porównywać wyniki badań.
• Inicjatywa NIH Nanomedicine Initiative jest międzyinstytutowym wysiłkiem mającym na celu zrozumienie i rozwój technologii nanoskali, które mogłyby być stosowane w leczeniu chorób i naprawie uszkodzonych tkanek.

Czy nanomateriały podlegają regulacjom prawnym?

NIEHS nie jest agencją regulacyjną i w związku z tym nie egzekwuje przepisów związanych z nanomateriałami lub innymi substancjami niebezpiecznymi. Aby uzyskać odpowiedzi na pytania dotyczące przepisów lub informacje o tym, co inne agencje federalne robią w sprawie nanotechnologii, odwiedź odpowiednią agencję. Żywności i Leków (FDA) reguluje szeroką gamę produktów, w tym żywność, kosmetyki, leki, urządzenia i produkty weterynaryjne, z których niektóre mogą wykorzystywać nanotechnologię lub zawierać nanomateriały.

Further Reading

Stories from the Environmental Factor (NIEHS Newsletter)

• Blocking Mosquitoes with a Graphene Shield (September 2019)
• Nanoparticles Offer Low-cost, Reusable Way to Clean Up Drinking Water (grudzień 2018)
• Indian Scholar Offers Global Perspective on Fiber Nanotoxicology (sierpień 2013)
• Challenges Persist in the Critical Task of Determining Safety of Nanomaterials (październik 2012)
• Miller Promotes Prevention by Design at Nano Meeting (wrzesień 2012)
• NIH-Funded 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 the Occupational Safety and Health Administration, część Departamentu Pracy USA.
• Nanotechnologia (NIOSH) – Informacje z Narodowego Instytutu Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy (NIOSH), część CDC.
• Programy nanotechnologiczne w FDA – Nanotechnologia umożliwia naukowcom tworzenie, badanie i manipulowanie materiałami mierzonymi w nanometrach (miliardowych częściach metra). Materiały takie mogą mieć właściwości chemiczne, fizyczne i biologiczne, które różnią się od właściwości ich większych odpowiedników.
• National Nanotechnology Initiative – Oficjalna strona internetowa amerykańskiej National Nanotechnology Initiative.
• Badania nad nanomateriałami – naukowcy EPA badają najbardziej rozpowszechnione nanomateriały, które mogą mieć wpływ na zdrowie ludzi i środowisko.
• Rejestr nanomateriałów – Rejestr nanomateriałów kompiluje dane z wielu baz danych w jedno źródło.

Powiązane tematy zdrowotne

• Toksykologia

.