План изучения темы

I.Проверка исходного уровня знаний.

1. Классификация производственной пыли.

2. Гигиеническое значения физико-химических свойств пыли.

3. Действие пыли на организм работающего.

4. Организация мероприятий по борьбе с пылью.

5. Защита временем при воздействии аэрозолей, преимущественно фиброгенного действия (АПФД).

6. Приборы и методы определения запыленности.

7. Нанотехнологии и наночастицы.

8. Исторический экскурс открытия наночастиц и нанотехнологий.

9. Опасность наночастиц для здоровья человека.

10. Наночастицы, имеющие широкое применение (или потенциал широкого применения).

11. Пути поступления наночастиц в организм человека.

12. Основные методы крупномасштабного производства наночастиц.

13. Общие подходы к решению проблем безопасности нанотехнологий для здоровья работников.

14. Исследовательские инструменты нанотехнологий.

15. Мониторинг наночастиц в среде рабочих мест.

16. Основные задачи гигиены труда, возникающие в связи с развити­ем нанотехнологических производств.

Литература: Лекции

Гигиена и основы экологии человека (Ю.П.Пивоваров, В.В.Королик, Л.С.Зиневич) стр. 318-336.

Руководство к лабораторным занятиям по гигиене и основам экологии человека (ред. Ю.П. Пивоварова, 2004) стр. 226 -235.

Учебно-методическое пособие кафедры.

II. Ознакомление с основными понятиями и положениями темы.

III. Практическая работа: «Гигиеническая оценка производственной пыли».

Задание студентам:

1. Ознакомиться с приборами и методами определения запыленности.

2. Решить ситуационную задачу.

IV. Подведение итогов занятия.

V. Задание на следующее занятие

О сновные понятия и положения темы

Гигиеническое значение физико-химических свойств пыли.

Химический состав пыли. В зависимости от состава пыль может оказывать на организм фиброгенное, раздражающее, токсическое, ал­лергическое действие.

Пыль некоторых веществ и материалов (стекловолокна, слюды и др.) оказывает раздражающее действие на верхние дыхательные пути, слизистую оболочку глаз, кожи.

Пыли токсичных веществ (свинца, хрома, бериллия и др.), попадая через легкие в организм человека, оказывают характерное для них токсическое действие в зависимости от их физико-химических и химических свойств.

Фиброгенным называется такое действие пыли, при котором в легких происходит разрастание соединительной ткани, нарушающее нормальное строение и функции органа.

Очень высокой фиброгенной активностью обладает диоксид крем­ния или кремнезем. «Как углерод составляет главную и чрезвычайно «существенную часть животных и растительных веществ, так кремний составляет существенную часть земных, в особенности горных обра­зований» (Д.И. Менделеев). После кислорода кремний является наибо­лее распространенным элементом на земле. Он составляет 27,6% массы земной коры, которая в значительной степени построена из различных его соединений, главным образом кремнезема и силикатов (солей крем­невой кислоты).

Растворимость пыли, зависящая от ее химического состава, может иметь как положительное, так и отрицательное гигиеническое значение. Если пыль не токсична, как, например, сахарная, то хорошая раствори­мость такой пыли - благоприятный фактор, который способствует бы­строму удалению ее из легких. В случае токсичной пыли (никеля, бериллия) хорошая растворимость сказывается отрицательно, так как в этом случае токсичные вещества попадают в кровь и приводят к быстрому развитию явлений отравления. Нерастворимая, в частности, волокнистая пыль надолго задержива­ется слизистой оболочкой дыхательных путей, нередко приводя к пато­логическому состоянию.

Дисперсность производственной пыли имеет большое гигиеническое значение, так как от размера пылевых частиц зависит длительность пребывания пыли в воздухе и характер воздей­ствия на органы дыхания. В легкие при дыхании проникает пыль разме­ром от 0,2 до 5 мкм. Более крупные пылинки задерживаются слизистой оболочкой верхних дыхательных путей, а более мелкие - выдыхаются.

От величины частиц зависит степень фиброгенного действия пыли. С повышением дисперсности степень биологической агрессив­ности пыли увеличивается до определенного предела, а затем уменьша­ется. Наибольшей фиброгенной активностью обладают аэрозоли дезин­теграции с размером пылинок от 1... 2 до 5 мкм и аэрозоли конденсации с частицами менее 0,3... 0,4 мкм.

Взрывоопасность является важным свойством некоторых пылей. Пылевые частицы, сорбируя кислород воздуха, становятся легко вос­пламеняющимися при наличии источников зажигания. Известны взры­вы каменноугольной, сахарной, мучной пыли. Способностью взрывать­ся и воспламеняться при наличии источника зажигания обладают также крахмальная, сажевая, алюминиевая, цинковая и некоторые другие ви­ды пылей.

Электрозаряженность пылевых частиц влияет на устойчивость аэ­розоля и его биологическую активность. В момент образования пыли (бурение, дробление, измельчение твердых веществ) большинство ча­стиц (85-95%) приобретает электрический заряд обоих знаков - поло­жительный и отрицательный. Часть пыли заряжается за счет адсорбции ионов из воздуха, а также в результате трения частиц в пылевом потоке. Величина наведенных зарядов различна и зависит от размеров, усло­вий образования и массы частиц. Установлено, что крупные пылинки несут больший заряд. Наличие разноименно заряженных частиц пыли приводит к укрупнению и выпадению частиц пыли из воздуха. Устано­влено, что пылинки, несущие электрический заряд, несколько дольше задерживаются в организме. Аэрозоли дезинтеграции имеют большую величину заряда, чем аэрозоли конденсации.

Адсорбционные свойства пыли находятся в зависимости от дисперс­ности и суммарной поверхности. Чем меньше раздроблено вещество, тем больше его суммарная поверхность и адсорбционная активность. Пыль может быть носителем микробов, грибов, клещей. Описаны легочные формы сибирской язвы у рабочих, вдыхающих пыль шерсти.

Действие пыли на организм работающего. Профессиональные заболевания под действием пыли относятся к числу наиболее тяжелых и распространенных во всем мире професси­ональных заболеваний. Основными пылевыми профессиональными за­болеваниями являются пневмокониозы, хронический бронхит и заболе­вания верхних дыхательных путей. Производственная пыль может быть причиной возникновения не только заболеваний дыхательных путей, но и заболеваний глаз (конъ­юнктивиты) и кожи (шелушение, огрубление, экземы, дерматиты).

Пневмокониоз (легочный пылевой фиброз) - хроническое профес­сиональное заболевание легких, характеризующееся развитием фиброз­ных изменений в результате длительного ингаляционного воздействия фиброгенных производственных аэрозолей.

Пневмокониозы подразделяются на следующие виды:

Силикоз, обусловленный вдыханием кварцевой пыли, содержащей свободный диоксид кремния – SiO₂ Действие кварцсодержащей пыли на организм связано с добычей полезных ископаемых, поскольку около 60% всех горных пород состоит из кремнезема. Силикоз – наиболее частая форма пневмокониоза. Развивается обычно у работающих в условиях высокой запыленности, нередко при выполнении тяжелого физического труда при стаже 5 лет и более. Сили­коз известен с давних пор как профессиональное заболевание горняков («чахотка горнорабочих»). Наиболее распространен среди шахтеров угольных шахт, встречается также у рабочих горнорудной промыш­ленности, особенно у бурильщиков, крепильщиков. Силикоз - общее заболевание организма, которое сопровождается нарушением функ­ции дыхания (одышка, кашель, боли в груди), развитием хронического бронхита, изменением обменных процессов, нарушением деятельно­сти центральной и вегетативной нервной системы. Наиболее частое осложнение - туберкулез. Характерным для силикоза является его прогрессирование даже после прекращения контакта с пылью.

Силикатоз, возникающий от вдыхания пыли силикатов - солей кремневой кислоты (асбестоз, талькоз, каолиноз и т.д.). Силикатозы - заболевания органов дыхания под действием пыли со­держащей двуокись кремния в связанном с другими элементами (Mg, Са, Al, Fe) состоянии. К силикатам относят многие минералы асбест, тальк, каолин и др.; искусственные соединения: слюда, цемент, стекло­волокно и др. Пыль, вызывающая силикатозы, встречается во многих производствах, например, при добыче, обработке, разрыхлении, смеше­нии, транспортировке ископаемых, производстве резины, цемента и др. Силикатозы развиваются в более поздние сроки и менее склонны к прогрессированию и осложнению, чем силикозы. Действие силикатной пыли слабее, чем кварца. Наиболее агрессивна пыль силиката магния - асбеста - волокнистого минерала, вызывающего асбестоз. Активность пыли асбеста объясняется как механическим повреждением тканей пы­левыми частицами с острыми иглоподобными краями, так и химиче­ским действием. Нередко асбестоз осложняется хронической пневмо­нией, туберкулезом, раком легких. К силикатозам относится также талькоз, который развивается у рабочих текстильной, резиновой, бумажной, парфюмерной, керами­ческой и других отраслей промышленности, контактирующих с таль­ком 15... 20 лет. Течение талькоза доброкачественное. Талькоз нередко осложняется хроническими бронхитами.

Карбокониоз, обусловленный воздействием углеродсодержащих ви­дов пыли — каменного угля, кокса, сажи, графита. При высокой запыленности воздуха в шахтах у рабочих может раз­виться в результате вдыхания угольной пыли — антракоз. Течение его по сравнению с силикозом более благоприятное. Вдыхание смешанной пыли угля и породы, содержащей свободный диоксид кремния, вызыва­ет антракосиликоз — более тяжелую по сравнению с антракозом форму пневмокониоза.

Металлокониозы - пневмокониозы от воздействия пыли металлов и их оксидов: железа, алюминия и др. (сидероз, алюминоз). Металлокониозы характеризуются относительно медленным разви­тием и отсутствием тенденции к прогрессированию легочного фиброза. Наиболее распространены сидероз и алюминоз. Сидероз встречается, главным образом, у рабочих доменных печей, алюминоз - у рабочих электролизных цехов по получению алюминия из бокситов и работаю­щих с порошкообразным алюминием.

Пневмокониозы от смешанной пыли: а) со значительным - более 10% содержанием свободного диоксида кремния; б) не имеющей в со­ставе свободного диоксида кремния или с содержанием его до 10%.

К пневмокониозам от смешанных пылей относится электросвароч­ный пневмокониоз, пневмокониоз газорезчиков, сталеваров. Электро­сварочный пневмокониоз развивается у электросварщиков при длитель­ном выполнении работ в плохо вентилируемых помещениях, когда со­здается высокая концентрация сварочного аэрозоля, содержащего ок­сид железа, соединения марганца или фтора. Работающие жалуются на одышку при значительном физическом напряжении и сухой кашель. В целом течение пневмокониоза благоприятное.

Пневмокониозы от органической пыли: растительного (биссиноз от пыли хлопка и льна), животного и синтетического происхождения (пыль пластмасс).

Биссиноз («биссос» — текстильное волокно) — профессиональное заболевание у рабочих хлопкоочистительных и хлопкопрядильных фа­брик, льнокомбинатов, развивающееся в результате длительного воз­действия пыли хлопка, льна. Пыль, образующаяся при произ­водственных операциях с грубым, низкосортным сырьем, может быть загрязнена бактериями и грибами. Основные жалобы работающих — стеснение в груди, затруднение дыхания, одышка при физическом на­пряжении, кашель, слабость. Вначале эти симптомы отмечаются только после перерыва — «симптом понедельника», а в дальнейшем они ста­новятся постоянными, осложняясь стойкими нарушениями бронхолегочного аппарата и сердечной недостаточностью. Пневмокониозы, вы­званные действием органических пылей (биссиноз и др.), встречаются относительно редко.

Бериллиоз — профессиональное заболевание, развивающееся от вдыхания пыли бериллия и его соединений, отличающихся особой агрессивностью. Благодаря ценным качествам бериллий широко используется в промышленности: машиностроении, реакторостроении, при производстве электронной аппаратуры, радиоламп, рентгеновских трубок и т.д. За особые техни­ческие качества бериллий получил название «чудо-металл», а за ковар­ную токсичность в ряде работ его называют «чертов металл». Объем потребляемого в промышленном производстве бериллия во всем ми­ре постоянно увеличивается, соответственно увеличивается число лиц, подвергающихся в производственных условиях воздействию бериллия. Бериллий и его соединения обладают многообразным действием на ор­ганизм человека: общетоксическим, раздражающим, аллергическим, канцерогенным. Первые проявления интоксикации могут наступать в различные сроки контакта — от нескольких дней до 10 лет и более. Иногда для развития заболевания достаточно очень короткого, даже случайного (не более 20 минут) контакта, например, при сборе метал­лолома. Тяжелые случаи заболевания, нередко со смертельным исходом, встречаются у живущих в непосредственной близости (на расстоянии 1... 2 км) от бериллиевого производства и по роду работы не соприка­сающихся с соединениями бериллия.

Организация мероприятий по борьбе с пылью, осуществляется комплек­сом санитарно -гигиенических, технологических, организационных и медико-биологических мероприятий.

Основой проведения мероприятий по борьбе с пылью является гигиеническое нормирование содержа­ния аэрозолей в воздухе рабочей зоны. Так, например, для аэрозолей, способных вызвать выраженный пневмокониоз, ПДК не превышает 1...2мг/м³; для аэрозолей, оказывающих фиброгенное действие сред­ней выраженности, — 4... 6 мг/м³, для аэрозолей с незначительной фиброгенностью — 8... 10 мг/м³. Уровень допустимого содержания пыли с выраженным токсическим действием для большинства веществ зна­чительно меньше 1 мг/м³. В настоящее время установлены ПДК более чем для 100 видов пыли, оказывающих фиброгенное действие.

В борьбе с образованием и рас­пространением пыли наиболее эффективны технологические меропри­ятия. К ним относятся:

• внедрение непрерывной технологии производства, при которой от­сутствуют ручные операции;

• автоматизация и механизация процессов, сопровождающихся вы­делением пыли;

• рационализация технологического процесса, обработка пылящих материалов во влажном состоянии, например, внедрение мокрого буре­ния в горнорудной и угольной промышленности (бурение с промывкой канала водой);

• дистанционное управление;

• устройство местных вентиляционных отсосов, вытяжной или приточно-вытяжной вентиляции. Удаление пыли происходит непосред­ственно от мест пылеобразования. Перед выбросом в атмосферу за­пыленный воздух очищается с помощью пылеуловителей различной конструкции.

Например, частыми видами работ, при которых наблюдается интен­сивное загрязнение воздуха пылью, являются транспортировка, погруз­ка, разгрузка и затаривание сухих, пылящих материалов. Улучшение условий труда при этих процессах достигается переходом на закрытые способы транспортировки и механизацию отдельных операций. Пнев­мотранспорт, т.е. перемещение материалов по трубам с помощью сжато­го воздуха, герметичность оборудования для погрузочно-разгрузочных операций, современные машинные методы расфасовки и упаковки гото­вой продукции — все это широко применяется во многих производствах и дает хороший гигиенический эффект.

Организационные мероприятия. Для горных рабочих установле­ны сокращенный рабочий день, дополнительный отпуск, выход на пен­сию по возрасту в 50 лет. Используется защита временем при работе в условиях повышенной запыленности. В соответствии с российским трудовым законодательством на работы в подземных условиях не до­пускаются лица моложе 20 лет, так как пневмокониозы в молодом возра­сте развиваются раньше и протекают тяжелее. Обязательным является проведение предварительных при поступлении на работу и периодиче­ских медицинских осмотров. Противопоказаниями к приему на работу, связанную с воздействием пыли, являются все формы туберкулеза, хро­нические заболевания органов дыхания, сердечно-сосудистой системы, глаз, кожи.

Средства индивидуальной защиты — респираторы, специальные шлемы и скафандры с подачей в них чистого воздуха применяются в тех случаях, когда не удается снизить запыленность воздуха в рабочей зоне до допустимых пределов более радикальными технологическими мероприятиями. К индивидуальным средствам защиты от пыли относятся также защитные очки, специальная противопылевая одежда, защитные пасты и мази.

Медико-биологические мероприятия направлены на повышение сопротивляемости организма человека и ускорение выведения из него пыли. Сопротивляемость развитию пылевого поражения повышается при ультрафиолетовом облучении в фотариях, применении щелочных ингаляций и специального питания.

Защита временем при воздействии аэрозолей, преимущественно фиброгенного действия (АПФД).

Для оценки степени воздействия пыли на органы дыхания работа­ющих рассчитывают пылевую нагрузку за весь период реального или предполагаемого контакта с пылью. В случае превышения среднесменной ПДК фиброгенной пыли расчет пылевой нагрузки является обяза­тельным.

Пылевая нагрузка (ПН) на органы дыхания работающего — это ре­альная или прогнозная величина суммарной экспозиционной дозы пы­ли, которую рабочий вдыхает за весь период фактического или предпо­лагаемого профессионального контакта с пылью.

ПН на органы дыхания рабочего рассчитывается исходя из:

• фактических среднесменных концентраций АПФД в воздухе рабо­чей зоны;

• объема легочной вентиляции, зависящего от тяжести труда;

• продолжительности контакта с пылью:

г де К - фактическая среднесменная концентрация пыли в зоне дыха­ния работника, мг/м³; N — число рабочих смен в календарном году; Т — количество лет контакта с АПФД; Q — объем легочной вентиля­ции за смену, м³. Рекомендуется использовать следующие усредненные величины объемов легочной вентиляции, которые зависят от уровня энергозатрат и, соответственно, от категории работ согласно СанПиН 2.2.4.548-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных поме­щений»: • для работ категории Ia - I объем легочной вентиляции за смену — 4м³; • для работ категории IIа-IIб — 7 м³; • для работ категории III—10 м³.

Полученные значения фактической ПН сравнивают с величиной контрольной пылевой нагрузки, значение которой рассчитывают в за­висимости от фактического или предполагаемого стажа работы, пре­дельно допустимой концентрации пыли и категории работ. Контрольный уровень пылевой нагрузки (КПН) — это пылевая на­грузка, сформировавшаяся при условии соблюдения среднесменной ПДК пыли в течение всего периода профессионального контакта с фак­тором:

где ПДК_СС — среднесменная предельно допустимая концентрация пыли в зоне дыхания работника, мг/м³. Зона дыхания — пространство ради­усом 0,5 м от лица работающего.

Д ля расчета допустимого стажа работы в условиях запыленности необходимо сопоставление фактических и контрольных уровней пыле­вой нагрузки. В случае превышения КПН рассчитывают стаж работы, при котором ПН не будет превышать КПН. При этом КПН рекоменду­ется определять за средний рабочий стаж, равный 25 годам. Тогда допу­стимый стаж работы в данных условиях (Т₁) определяется по формуле:

Методы определения запыленности воздуха разделяют на две груп­пы:

• с выделением дисперсной фазы из аэрозоля — весовой (гравиме­трический), счетный (кониметрический), радиоизотопный, фотометри­ческий;

• без выделения дисперсной фазы из аэрозоля — фотоэлектриче­ские, оптические, акустические, электрические.

В основу гигиенического нормирования содержания пыли в воздухе рабочей зоны положен весовой метод. Метод основан на протягивании запыленного воздуха через специальный фильтр, задерживающий пы­левые частицы. Зная массу фильтра до и после отбора пробы, а также количество отфильтрованного воздуха, рассчитывают содержание пыли в единице объема воздуха.

Для отбора проб рекомендуется использовать аспиратор модели 822 или автоматический одноканальный пробоотборник АПП-6-1. Мето­ды и аппаратура, используемые для определения концентрации пыли, должны обеспечивать определение величины концентрации пыли на уровне 0,3 ПДК с относительной стандартной погрешностью, не пре­вышающей ±40% при 95% вероятности. При этом для всех видов про­боотборников относительная стандартная ошибка определения пыли на уровне ПДК не должна превышать ±25%. Для отбора проб рекоменду­ется использовать фильтры АФА-ВП-10, 20, АФА-ДП-3.

Суть счетного способа состоит в следующем: проводится отбор определенного объема запыленного воздуха, из которого частички пы­ли осаждаются на специальный мембранный фильтр (рекомендуется использовать мембранные фильтры «Миллипор» — Франция). После чего проводится подсчет числа пылинок, исследуется их форма и дис­персность под микроскопом. Концентрация пыли при счетном методе выражается числом пылинок в 1 см³ воздуха.

Радиоизотопный метод измерения концентрации пыли основан на свойстве радиоактивного излучения (обычно -излучения) поглощаться частицами пыли. Концентрацию пыли определяют по степени ослаб­ления радиоактивного излучения при прохождении через слой накоп­ленной пыли (концентратомер радиоизотопный «Прима» модели 01 и 03).

Минздравом утверждены нормативные документы по определению содержания пыли: МУ № 4436-87 «Измерение концентраций аэрозолей преимуще­ственно фиброгенного действия»; МУ № 4945-88 «Методические указания по определению вредных веществ в сварочном аэрозоле (твердая фаза и газы)».В настоящее время в связи с развитием производства и исследо­ваний в области нанотехнологических материалов и нанотехнологий все больше людей подвергается профессиональному и непрофессио­нальному воздействиям наночастиц. Актуальным является вопрос о всестороннем изучении их влияния на здоровье человека, определе­нии потенциального вреда, разработке средств защиты, безопасных технологических процессов и гигиенических правил, нормативов и рекомендаций.

Нанотехнологии - технологии создания и изучения структур, материалов и устройств на основе манипулирования материей в нанометровых масштабах, на уровне, когда свойства материалов существенно отличаются от таковых при больших размерностях.

Наночастицы - материальные структуры, размеры которых по одному из измерений составляют 1-100 нанометров.

Нанотехнологии - новейшая междисциплинарная область зна­ний и производства, хотя наночастицы использовались человеком с давних времен. Например, в стекле римского кубка, изображающего гибель Ликурга, (примерно 800 лет до н.э.), содержатся наночастицы серебра и золота. Когда источник света помещается внутрь кубка, его цвет сменяется с зеленого на красный. Известны природные нано­частицы, примерами которых могут служить молекулы ДНК (диа­метр 2-12 нм), некоторые вирусы. Кроме искусственных наночастиц, получаемых человеком целенаправленно в ходе специальных техно­логических процессов, и природных наночастиц, существующих в среде, условно выделяют антропогенные наночастицы, являющиеся побочными продуктами человеческой деятельности. Антропогенные наночастицы содержатся в различных дымах, например, в выхлопе дизельных двигателей, выбросах промышлен­ных печей и плавильных аэрозолях.

В 1960-е годы Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г., заговорил о возможностях и потенциале материалов нанометровой размерности и отметил, что манипулирование отде­льными атомами может позволить создать мельчайшие структуры, свойства которых будут радикально отличаться от свойств структур такого же состава, но большей размерности. В конце XX в. в биоло­гии появились первые генетически модифицированные организмы и клонированные животные, а в технике - понятия «нанотехнология» (термин предложен в 1974 г. Норио Танигучи), «нанороботы» и первые практические работы по созданию наноустройств. Сейчас нанотехнологии стали одним из передовых направлений науки и техники.

Существуют два основных направления работ по созданию нано­частиц - синтез из индивидуальных атомов (подход «снизу-вверх») и размельчение материалов обычной размерности до нанопорошков («сверху-вниз»).

Независимо от способа получения наночастицы проявляют уни­кальные физические и химические свойства, которые в большей степени определяются свойствами индивидуальных молекул, чем свойствами массивного вещества того же состава. Таким образом, многие принципы классической химии и физики твердого тела заме­няются квантовыми вероятностными подходами, в соответствии d которыми каждая молекула или атом могут играть важнейшую роль, а взаимодействие между ними определяет поведение целой структуры.

В итоге механические параметры твердых тел в отношении нано­частиц перестают быть определяющими, и на первый план выходят межатомные и межмолекулярные взаимодействия, определяющие упорядочивание, стабильность, реакционную способность и другие свойства наночастиц. Иными словами, свойства наночастиц ближе к свойствам отдельных атомов или молекул, нежели частиц твердого тела.

Основные факторы, определяющие уникальность свойств наночастиц: - большая (по сравнению с массивной формой вещества) относи­тельная площадь поверхности на единицу массы; - превалирование квантовых эффектов. Первый фактор обусловливает изменения реакционной способности, которая может существенно возрастать с уменьшением размера частиц. Второй фактор, проявляющийся в поведении частиц размерности порядка 1-10 нм, обеспечивает изменения оптических, электрических, магнитных и механических свойств.

Следует отметить, что понятие наночастиц (наноструктур) вклю­чает разнообразные объекты материального мира, размеры которых хотя бы по одному из измерений меньше 100 нм. Эти объекты могут иметь совершенно разные состав, размерность, физические, химичес­кие и биологические свойства.

Изменения физических свойств вещества с изменением размер­ности, при переходе в форму наночастиц могут повлечь изменения биологических свойств. Например, высок уровень задержки наночастиц легкими, так как частицы достаточно малы, чтобы проникнуть в терминальные отделы респираторной системы, и настолько малы, что механизмы выведения (мукоцилиарный транспорт) оказываются неэффективными. Наночастицы способны проникать через легкие в другие системы, проходить дермальные барьеры, обладают высоким провоспалительным потенциалом на единицу массы, т.е. могут пред­ставлять опасность для здоровья человека и благополучия окружа­ющей среды.

Наночастицы могут быть классифицированы на основе их раз­мерности (табл.).

Таблица

Классификация наноструктур

НАНОСТРУКТУРЫ	ПРИМЕРЫ
Трехмерные (все размеры менее 100 нм)	Квантовые точки, Фуллерены Нанокристаллы
Квазидвухмерные (поперечные размеры менее 100 нм при неограниченной длине)	Нанотрубки, Дендримеры, Нанопровода
Квазиодномерные (один размер (толщина) менее 100 нм, другие неограничены)	Тонкие пленки

Существуют также попытки классификации по другим призна­кам, например, по составу.

Существенные проблемы для специалистов гигиены труда в отношении наночастиц создает значительное их разнообразие. Исследователи с трудом могут ответить на вопрос, от каких же именно наночастиц защищать работников? Сегодня исследования фокусируются на нескольких группах наночастиц, имеющих наибо­лее широкое применение и распространение или потенциал такого применения. Эти группы включают углеродные наночастицы и наночастицы оксидов металлов.

Н екоторые разновидности наночастиц, их биологические эффек­ты опасны для здоровья. Углеродные наночастицы. Исторически первыми (в 1985 г.) созданы искусственные наночастицы, имеющие в основе атомы углерода. В природе углерод представлен двумя основными аллотропными формами - графитом и алмазом. В лабо­раторных условиях были синтезированы новые формы - фуллерены и позднее - углеродные нанотрубки. Нобелевская премия по химии за 1996 г. была присуждена первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли.

Главная особенность фуллеренов и нанотрубок - их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри оболочки. Самая известная из углеродных каркасных структур - это фуллерен С₆₀ (60 атомов углерода). Фуллерены - молекулярные соедине­ния, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов угле­рода.

Своим названием эти соединения обязаны инженеру и дизайнеру Р. Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции были пост­роены по этому принципу. В конце 1980 - начале 1990-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других более тяжелых фуллеренов: C_70,С₇₄, C₇₆, C_84j C₁₆₄, C₁₉₂, C₂₁₆.

В 1991 г. были обнаружены цилиндрические углеродные образо­вания, получившие названия нанотрубок. Идеальная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Углеродные нанотрубки (УНТ) и фуллерены обладают сочета­нием свойств, открывающих широкие перспективы их применения в составе композитных материалов или устройств наноразмеров, средств доставки лекарств и др. Эти свойства - механическая прочность, во много раз превышающая прочность стали, развитые поверхность, электропроводность, химическая инертность, каркас­ная структура. Кроме того, эти свойства могут быть изменены за счет химических модификаций. Следует обратить внимание, что все современные технологии получения УНТ требуют применения металлических катализаторов. В состав этих катализаторов входят, например, Со, Ni, Fe или их сочетания. Следствием этого является наличие в составе синтезируемых УНТ примесей этих металлов. В соответствии с некоторыми представлениями, токсические свойс­тва УНТ связаны именно с этими примесями. Например, установле­но, что металлы, особенно Fe²⁺, способны приводить к образованию свободных радикалов. Оксидативный стресс, возникающий при превышении образования свободных радикалов в клетке над воз­можностями антиоксидантных внутриклеточных систем, может при­водить клетку к гибели за счет повреждения ее элементов.

Следует отметить, что по своим геометрическим параметрам УНТ соответствуют конвенциальному определению волокон (отношение длины к диаметру >3:1), и это определяет некоторое их сходство с известными волокнами асбеста. Установлена связь воздействия волокон асбеста с развитием профессиональных мезотелиом и других поражений легких, таких как интерстициальный фиброз и т.д. К сожалению, в настоящее время неизвестно, насколько применимы наши знания о воздействии асбеста и других волокон к воздействию УНТ. Дальнейшие исследования in vivo, направленные на изучение хронического воздействия, должны ответить на этот вопрос.

Для оценки ингаляционных эффектов УНТ использовались очи­щенные от примесей металлов УНТ на мышах. Выявлены дозозависимые токсические эффекты, проявлявшиеся возникновением раннего воспалительного ответа со стороны лимфоцитов, нейтрофилов, макрофагов, в более поздние сроки — развитием эпителиальной гипертрофии, интерстициального фиброза и нарушениями функции внешнего дыхания. Такие же явления наблюдались в более ранних исследованиях, когда использовались неочищенные УНТ. Показана способность фуллеренов убивать клетки in vitro в очень низких концентрациях (0,8 микромолярных). Таким образом, в настоящее время в отдельных исследованиях на животных при воздействии УНТ показаны дозозависимые воспалительные реакции в легких с образованием гранулем и фиброзом.

Наночастицы оксидов металлов. Группа искусственных наноматериалов, имеющая наибольшее коммерческое применение в настоящее время, представлена нанопорошками оксидов металлов, прежде всего, ТiO₂, ZnO, Al₂O₃. Эти нанопорошки используются, например, в косметике, в качестве химических катализаторов, в полупроводниковoй промышленности.

В экспериментах на крысах обнаружен канцерогенный эффект TiO₂ (частицы 15-40 нм, 10 мг/м³). Однако при исследованиях на других животных такого эффекта выявлено не было, что оставляет открытым вопрос о его специфичности в отношении крыс.

В целом данные различных авторов свидетельствуют о незначи­тельной токсичности наночастиц оксидов металлов, по крайней мере, в условиях острого воздействия.

Распределение наночастиц в организме. Особый интерес пред­ставляют пути проникновения наночастиц в организм, их распределение и выделение.

Путями возможного поступления наночастиц в организм являют­ся система дыхания, ЖКТ и кожа. Вдыхание аэрозолей наночастиц может приводить к их отложе­нию в дыхательных путях и легких и дальнейшему проникновению в другие органы и системы. Основные пути миграции наночастиц из легких и дыхательных путей - движение вдоль слоев эпителия, перенос в системном кровотоке, распространение по ходу нервных волокон. Проникая в различные органы и системы организма, нано­частицы могут вызывать неблагоприятные эффекты. Показано, что при интратрахеальной инстилляции частиц полистирола размером 60 нм их проникновение в кровоток приводит к нарушению фун­кций эндотелия, что проявляется тромбообразованием. Частицы TiO₂ размерами порядка 4 нм способны проходить через мембраны эндотелиоцитов альвеол, проникать в соединительную ткань и микроциркуляторное русло у крыс. Те же наночастицы могут проникать в культивируемые макрофаги и свежевыделенные эритроциты. Данных о воздействии наночастиц на кожу и связанных с кожей путях проникновения в настоящее время немного. В работах отде­льных авторов показано, что 10-50 нм частицы диоксида титана спо­собны проникать в дерму.

Основные методы крупномасштабного производства наночастиц. Методы производства, основанные на различных механизмах фор­мирования наночастиц, включают:

- метод конденсации газовой фазы (подход «снизу-вверх»), вклю­чающий высокотемпературное испарение исходных веществ, нуклеацию наночастиц из газовой фазы и их последующий рост;

- метод испарения исходного вещества с последующим осаждени­ем паров («снизу-вверх»);

- формирование наночастиц в коллоиде с участием жидкой фазы («снизу-вверх»);

- механическое растирание материалов обычной размерности до нанопорошков («сверху-вниз»).

В процессе производства наноматериалов, использования их в наноиндустрии, при транспортировке, ремонтах оборудования, производственных происшествиях, при утилизации объектов, содер­жащих наночастицы, работники могут подвергаться опасности кон­такта.

Общие подходы к решению проблем безопасности нанотехнологий для здоровья работников. В целом решение проблем профессиональной безопасности нанотехнологий, как и других новых технологий для здоровья работников, сводится к последовательности меропри­ятий, включающей:

- идентификацию и характеризацию опасных факторов;

- оценку степени экспозиции;

- оценку рисков;

- разработку и внедрение контрольных и профилактических про­цедур.

После получения данных оценки экспозиции может быть принято решение о наличии профессионального риска, и, если риск существу­ет, он может быть оценен и охарактеризован. Характеризация риска должна показать, может ли изучаемое воздействие данного фактора (наночастиц) привести к развитию негативных эффектов для здоро­вья. Кроме того, данные оценки экспозиции представляют материал для определения эффективных путей предотвращения вредных уровней экспозиции.

В настоящее время усилия исследователей опасности нанотехно­логий и наночастиц сосредоточены преимущественно на начальных этапах процесса управления профессиональным риском, а именно: идентификации и характеризации опасных наночастиц на основе изучения токсикологических данных, полученных в основном на I моделях животных. Идентифицируются и изучаются критические пути экспозиции - респираторный, чрезкожный, через ЖКТ, орга­ны-мишени (легкие, сердечно-сосудистая система, кожа, нервная система), исследуется воздействие на здоровье и специфических механизмов действия.некоторых наночастиц. Ведется работа над созданием способов измерения наночастиц в воздухе и оценки эффективности технологических средств контроля их содержания. Оценивается эффективность средств индивидуальной защиты (перчатки, респираторы) в отношении наночастиц.

Исследовательские инструменты нанотехнологий. Основными инструментами, применяемыми исследователями для визуализации нанообъектов, являются сканирующие микроскопы. Основные типы таких микроскопов - туннельный и атомно-силовой.

Основой сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) является острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью на рассто­янии менее 1 нм. Вследствие так называемого туннельного эффекта между острием иглы и поверхностью образца возникает туннельный ток. Зависимость туннельного тока от расстояния велика, что обеспечивает высокую чувствительность микроскопа. Измеряя величи­ны сигналов, определяют высоту исследуемой области, перемещая иглу вдоль поверхности образца, определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов. Основанные на измерении туннель­ного тока изображения, получаемые с помощью этого микроскопа, дают информацию о пространственном распределении плотности электронных состояний вблизи поверхности.

Существенный недостаток СТМ, ограничивающий его примене­ние, - способность сканировать только проводящие ток образцы. Для изучения диэлектрических материалов на их поверхность тре­буется напылять металлическую пленку. Этот недостаток исправ­лен в атомно-силовом микроскопе. Принцип его действия основан на регистрации изменения силы притяжения иглы к поверхности. Игла расположена на конце кантилевера, способного изгибаться под действием небольших межатомных сил, которые возникают между исследуемой поверхностью и кончиком острия. Отклонения канти­левера детектируются с помощью лазерного луча, отражающегося от его тыльной поверхности на фотодиод. По изменению показаний фотодиода судят о рельефе исследуемого объекта.

Помимо сканирующих микроскопов применяются электронные микроскопы, в частности трансмиссионный электронный микро­скоп.

Мониторинг наночастиц в среде рабочих мест. Задачу дозимет­рии и определения экспозиции на рабочих местах в настоящее время нельзя считать решенной. До сих пор не установлено окончательно, какие именно параметры среды, содержащей наночастицы, наилуч­шим образом отражают биологическое воздействие этой среды, а также какие параметры самих наночастиц определяют их биологи­ческие эффекты. Исследования показывают, что определение массовой концент­рации наночастиц в среде (в частности в воздухе) не информативно для прогнозирования выраженности их биологического действия. Для целей определения экспозиции и дозиметрии предполагается использовать показатели площади поверхности и/или численной концентрации наночастиц.

Для определения численной концентрации наночастиц в аэро­золе (именно ингаляционный путь экспозиции рассматривается как основной) при размерности частиц свыше 10 нм применяются конденсационные счетчики частиц. К сожалению, измерения численной концентрации не дают представления о размерности частиц в аэрозоле, что затрудняет отделение фона и установление источников загрязнения среды наночастицами. Метод может быть использо­ван для грубой идентификации источников наночастиц на рабочих местах при выполнении измерений вблизи предполагаемых мест возможной утечки.

Для измерения площади поверхности частиц в аэрозоле предло­жены несколько методов, среди которых - исследование образца с использованием трансмиссионной электронной микроскопии, одна­ко наиболее применимым на практике при обследовании рабочих мест сегодня представляется анализ при помощи диффузионного зарядового монитора. Принцип действия прибора основан на измере­нии степени присоединения положительных ионов к частицам, отку­да вычисляется активная площадь поверхности частиц аэрозоля.

Работы над созданием и усовершенствованием методов и при­боров для оценки экспозиции находятся на относительно ранних этапах, однако в ближайшие годы ожидается появление приборов, пригодных для применения в рутинных экспонометрических иссле­дованиях в условиях нанотехнологических производств.

Следует обратить внимание, что воздействие на здоровье нано­частиц определяется комплексом, комбинацией физических и хими­ческих свойств частиц, их распределением в среде и т.д. То есть для адекватного прогнозирования биологического эффекта необходимо понимание природы исследуемого аэрозоля или другой среды.

Однозначно охарактеризовать различные наночастицы с точки зрения их потенциальной опасности для здоровья человека в настоя­щее время затруднительно. Следует отметить, что большинство экс­периментов выполнено в условиях, когда контакт наноматериалов с живым организмом достигается искусственным путем (имплантаци­ей, инстилляцией, капельным введением и т.д.). Получаемые в таких экспериментах на животных данные не обязательно отражают реаль­ную картину возможного воздействия на человека. Специфические биологические эффекты наноструктур и связанные с ними риски для здоровья человека, механизмы воздействия, пути проникновения, распределение в организме мало изучены. Имеется лишь незначи­тельное количество экспериментальных работ, посвященных данной проблеме.

Однако можно утверждать, что наночастицы представляют неко­торую, пока неопределенную, но от того не менее значимую угрозу для здоровья человека, особенно контактирующего с ними профес­сионально. Учитывая, что на сегодняшний день не разработаны специфические стандарты безопасного нормирования содержания наноматериалов в окружающей среде, в том числе производственной, специальные средства защиты работников, и методы безопасного обращения, следует относиться к новым материалам на основе нано­структур с максимальной осторожностью и рассматривать их как потенциально опасные для здоровья.

В целом существует очевидный разрыв между развитием и внед­рением нанотехнологий, наноматериалов и знаниями о возможных вредных последствиях для человека, что определяет необходимость проведения исследований, целью которых должна стать безопас­ность применения нанотехнологий и наноматериалов. Основные задачи гигиены труда, возникающие в связи с развити­ем нанотехнологических производств:

- Изучение воздействия наночастиц, наноматериалов и нанотех­нологий на организм человека с учетом непосредственных и отда­ленных эффектов, сбор и накопление эпидемиологических данных, их интерпретация;

- Разработка методов оценки экспозиции;

- Установление дозо-эффективных зависимостей;

- Разработка гигиенических критериев и норм оценки степени профессионального риска для здоровья работников и иных норма­тивных документов по безопасному обращению с наноматериалами;

- Изучение возможностей использования достижений нанотехно­логий в целях предотвращения вреда для здоровья и профилактики профессиональных заболеваний в различных отраслях человеческой деятельности;

- Разработка организационно-правовых и этических проблем медицинского обслуживания работников, занятых в наноиндустрии;

- Развитие международных связей и научного сотрудничества в области защиты здоровья работников наноиндустрии.