Изучение физико-химических характеристик наноматериалов необходимы

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Е.Н. Макарова, И.В. Анциферова

ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАНОМАТЕРИАЛОВ, НЕОБХОДИМЫХ

ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2016

1.2.Анализ размеров частиц порошка системы ZrO2-2Y2O3-4CeO2-3Al2O3 до и после обработки в ультразвуковой ванне

1.3.Исследование влияния выдержки в среде этилового спирта

иультразвуковой обработки на распределение по размерам

истепень агломерации нанопорошков методом

3

Введение

Среди новых материалов наноструктурные материалы обладают революционным потенциалом для развития многих ключевых областей науки и технологии. Полагают, что использование наноматериалов позволит в значительной степени улучшить качество потребительских и промышленных товаров, обеспечить потребность в энергии, увеличить масштабы применения систем безопасности и добиться успехов в области медицины. Эти перспективы обусловлены уникальными физическими свойствами веществ, размер которых, как правило, не превышает 100 нм, и параметрами квантовой механики, которые с изменением размера материалов с размером 1–100 нм могут меняться как плавно, так и резко. Однако для правильной оценки безопасности химических веществ, материалов и продуктов, которые могут быть разработаны новыми методами, необходительно предварительно идентифицировать их потенциальные риски для здоровья. Уровень опасности и возможного воздействия (экспонирования) варьируется в широких пределах, который зависит от класса наноматериала или продукта, содержащего рассматриваемое вещество. Риски для здоровья людей и для окружающей среды определяются согласно условиям, в которых находится объект, и возможными путями воздействия со стороны наноматериалов. Поскольку разрабатываются все новые наноматериалы, необходимо иметь базовую схему оценки возможной токсичности таких веществ и уровня их воздействия, применимую для дальнейшего проведения оценки безопасности и потенциального риска. Материалы на основе ZrO2, стабилизированного оксидами иттрия, церия и др., обладают высокой прочностью и вязкостью разрушения, а также характеризуются отсутствием свойств, которые могут нанести вред биологической системам организма, поэтому широко применяются в медицине. В связи с этим исследование керамических материалов биомедицинского назначения является важнейшим этапом в создании материалов нового поколения. Нанокерамические материалы на основе диоксида циркония обладают уникальным комплексом физико-механических свойств благодаря эффекту трансформационного упрочнения, а также низкому коэффициенту трения, химической стойкости и биоинертности. Они находят применение в различных областях техники в качестве конструкционных и функциональных материалов [1–3]. Отсутствие реак-

4

ций с живым организмом позволяет применять биоинертную керамику на основе ZrO2 в качестве замены пар трения тазобедренных суставов и цельнокерамических конструкций в ортопедической стоматологии. Для этих целей в основном применяется диоксид циркония, стабилизированный 3 мол.% Y2O3 (3Y-TZP) [3–6]. Важнейшее свойство биоинертной керамики – сохранение характеристик в течение всего срока пребывания в организме. Срок эксплуатации изделий из ZrO2, несмотря на высокую химическую стойкость и инертность, обусловлен их устойчивостью к медленному росту трещин и низкотемпературной деградации во влажной атмосфере. Повысить стойкость керамики на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, можно путем уменьшения размера зерна либо за счет замены стабилизирующей добавки, либо путем увеличения концентрации стабилизирующего агента [7, 8–11]. Увеличить вязкость разрушения керамических материалов на основе ZrO2 и тем самым повысить их стойкость можно путем изменения напряженного состояния матрицы при введении частиц α-Al2O3. Кроме того, добавка Al2O3 (до 30 об.%) тормозит низкотемпературную деградацию мате-

риала состава ZrO2-Y2O3-CeO2 [10, 12].

Вновь создаваемые вещества, материалы и приборы с их участием должны быть тщательно исследованы и изучены, поскольку мы не знаем, какую опасность может представлять тот материал, который безопасен в макроразмере. Если материал был протестирован в наноразмерном состоянии, а после этого был усовершенствован добавкой стабилизирующих элементов, то это уже новый материал с неподтвержденной токсичностью и безопасностью.

Оценка безопасности наноматериалов требует междисциплинарного подхода токсикологов и привлечения экспертов по материаловедению, химии, физике, биотехнологии, инжинирингу и других областей знания. Точная идентификация того, что именно относится к категории наноразмерных материалов, является трудной задачей, этот вопрос активно обсуждается в научном сообществе, а также представителями регулирующих органов и агентств, устанавливающих стандарты. Однако обычно считается, что к наноматериалам могут относиться структуры, устройства и системы, обладающие новыми свойствами и функциями, которые возникают благодаря их размеру порядка 1–100 нм. Нередко в ходе этих обсуждений высказываются опасения, связанные с потенциально отрицательным влияни-

5

ем этих веществ на здоровье людей, что объясняется повышенной активностью этих веществ (например, химической или магнитной), а также с возможностью токсического воздействия при постоянной работе с ними. Физико-химические свойства наноматериалов могут влиять на клеточный захват, связывание белков, транслокацию от места входа до места мишени, а также на потенциал повреждений [13]. Теоретически предсказанная возможность наноматериалов взаимодействовать с биологическими объектами, вызывая изменения в них, порождает повышенный интерес к научным аспектам этой проблемы, особенно токсикологическим, со стороны регулирующих органов. По мере того как эти материалы все чаще находят коммерческое применение, возникает необходимость серьезно оценивать их воздействие на человека и биологические организмы [14,15].

Опубликованы статьи, посвященные результатам исследований различных аспектов здоровья, возникающим в процессе новых разработок и при использовании наноматериалов [17–40].

При изучении токсикологического профиля наноматериалов («нанотоксикология») можно получить данные, которые в будущем позволят адекватно оценивать безопасность и риск для аналогичных новых веществ. Теоретически благодаря малым размерам наночастицы способны накапливаться в дыхательных путях и желудочнокишечном тракте, проникать через кожный покров, а затем – в ткани и органы. Вместе с тем уже имеющиеся данные подтверждают выводы о том, что легкие, желудочно-кишечный тракт и кожа являются своего рода щитом и надежно защищают организм при систематическом воздействии многих химических веществ и наноматериалов, а также что токсичность многих наноматериалов незначительна [41].

При производстве наноматериалов и исследовании их потенциальной опасности для здоровья важно добиться сбалансированного подхода и получить данные, требующиеся для дальнейшей оценки их безопасности и безопасности продуктов, в состав которых они входят. На сегодняшний день складывается впечатление, что исследования, разработка и производство наноматериалов намного отстают от темпов научных публикаций об их токсикологических свойствах. Для определения безопасных наноматериалов в первую очередь необходимо определить токсикологические профили применительно к млекопитающим и окружающей среде. Данный подход необходим для разработки соответствующих процедур безопасности, необходи-

6

мых при контакте с теми веществами, которые могут оказаться опасными при длительном экспонировании. Для недавно созданных наноматериалов потребуется, может быть, провести широкомасштабные исследования в искусственных условиях и на живых организмах, чтобы оценить возможные токсикологические влияния при оральном, дермальном и ингаляционном путях экспонирования, а также при инъекциях.

Уникальные химические и физические свойства наноматериалов могут усложнить работу токсикологов или экотоксикологов при разработке плана проведения исследований с целью точно и воспроизводимо идентифицировать отрицательные биологические воздействия и эффекты. Тем не менее ожидается, что подобное влияние наноматериалов будет похоже на влияние любых потенциально опасных химических веществ после инъекции или при оральном, дермальном, ингаляционном путях экспонирования. С учетом этого может не потребоваться изменение уровня допустимых концентраций при проведении таких исследований (острые и хронические эффекты, генотоксичность, канцерогенность, иммунологические, репродуктивные и эволюционные эффекты).

Желательно, чтобы физические и химические характеристики, которые потенциально связаны с механизмом токсичности, могли определяться при проведении скрининговых тестов на токсичность. Кроме того, желательно собрать достаточно полую информацию, которая позволила бы провести ретроспективную интерпретацию уже накопленных данных о токсичности в свете новых или будущих фактов (например, общей площади поверхности, массы и морфологии наночастиц). Полная характеристика частиц включает исследования таких количественных показателей, как размеры, дисперсность, морфология, химические свойства, растворимость, удельная площадь поверхности и другие физико-химические свойства (например, кристаллическая структура, пористость и текстура поверхности).

Проведение исследований в искусственных условиях, которые являются важной составляющей диагностики химических веществ, фармацевтических препаратов, потребительских продуктов, а также дисперсных и ультрадисперсных частиц с целью оценки рисков, часто осуществляется поэтапно. Изучение токсичности разрабатываемых материалов осуществляется этим же путем [16]. В целом подобный подход является важным шагом на пути перехода к проведению

7

исследований на живых организмах, чтобы заблаговременно оценить механизмы токсичности, провести оперативные и эффективные по затратам исследования и сократить число испытуемых животных. Такие исследования позволяют изучить в контролируемых условиях конкретные биологические варианты или предельные токсикологические концентрации, а также изолированно проверить механистические подходы, к которым нельзя прибегнуть при исследовании живых организмов. Их можно применять в качестве оперативных скрининговых анализов в широком диапазоне токсикологических предельных значений; к тому же они более быстрые и менее дорогие, чем исследования на живых организмах. Однако при определении токсичности таких веществ, как наноматериалы, в искусственных условиях возникает ряд проблем и ограничений, например невозможность подтверждения, что наблюдаемые отрицательные явления сохранятся в живых организмах, из-за излишней упрощенности по сравнению с исследованиями в живых организмах, а также трудности экстраполяции наблюдений и уровней экспозиции. Кроме того, методы, применяемые в искусственных условиях, не в полной мере воспроизводят среду, присущую живому организму, где механизмы обратной связи для разных органов и тканей функционируют в состоянии гомеостаза, а способность методов, применяемых при исследовании живых организмов, вызывать метаболизм и осуществлять очистку и вывод химического вещества и его производных в искусственных условиях обычно ограниченна. Эти условия в целом не воспроизводят ситуацию, характерную для всего организма [17– 19]. Однако в большинстве случаев наночастицы трудно синтезировать в больших количествах, поэтому приходится проводить токсикологические исследования в искусственных условиях, чтобы идентифицировать предельные минимальные показатели, которые интересны для ученых, и оценить, какими должны быть минимальные показатели для проведения подобных исследований на живых организмах. Чтобы получить информацию о реакции организма на определенную дозу наночастиц в искусственных условиях, контроль должен осуществляться с использованием по крайней мере трех-четырех концентраций. Без учета или обсуждения реальных экспозиций, типичных для живых организмов, применение слишком больших доз может привести к ошибочным выводам о степени опасности.

8

При оценке опасности наноматериалов некоторые данные можно получить из результатов уже проведенных исследований на подобных объемных материалах, а затем отнести их к наноразмерным. Идентификация опасности зависит от многих физико-химических характеристик наноматериалов, причем вред новых материалов и структур будет тем менее предсказуем, чем более узкими были диапазоны профилей токсичности ранее исследованных более крупных веществ, например наноразмерных частиц в соответствии с микроразмерными частицами оксидов металлов, таких как диоксид титана или оксид цинка [42]. Основное внимание при изучении влияния наноматериалов на здоровье уделялось в первую очередь ингаляционному и дермальному путям экспонирования, однако свой вклад в понимание токсикокинетики и токсикодинамики наноматериалов внесло исследование применения наноматериалов в медицинских приборах и устройствах, а также при разработке биосовместимых наноматериалов [43–44], диагностике [45], терапии [46–48].

Известно, что свойства наноматериалов сильно зависят от их размера, морфологии и структуры. В настоящее время количественные токсикологические исследования проводятся достаточно редко, но уже из опубликованных данных о фуллеренах, одно- и многослойных нанотрубках (например, из диоксида титана), а также квантовых точках ясно, что необходимо более детально учитывать всевозможные характеристики наноматериалов при оценке их биологической активности [49–52]. За последние несколько лет были разработаны и продолжают разрабатываться альтернативные подходы к описанию биологического воздействия наночастиц как функции их свойств, чтобы впоследствии определять их в ходе проведения токсикологических исследований и после их завершения. Также составляются протоколы, которыми следует пользоваться при проведении данных исследований. Такой подход к изучению роли наноматериалов в искусственных условиях и в живых организмах будет более всесторонним, хотя и технически более сложным, чем при традиционных работах этого рода, проводимых при оценке влияния микроразмерных частиц или других химических веществ [50]. Желательно, чтобы физические и химические характеристики, которые потенциально связаны с механизмом токсичности, могли определяться при проведении скрининговых тестов на токсичность. Кроме того, желательно собрать достаточно полную информацию, которая позволила

9

бы провести ретроспективную интерпретацию уже накопленных данных о токсичности в свете новых или будущих фактов (например, общая площадь поверхности, масса и морфология наночастиц). Полная характеристика частиц включает исследования таких количественных показателей, как размеры, дисперсность, морфология, химические свойства, растворимость, удельная площадь поверхности и другие физико-химические свойства (например, кристаллическая структура, пористость и текстура поверхности) [53].

Есть вероятность, что на момент создания новых наноматериалов информации об их токсичности и потенциальных рисках для здоровья человека и окружающей среды либо не будет вообще, либо она будет в недостаточном количестве. Поэтому в зависимости от предполагаемого использования наноматериалов при оценке предельных характеристик в широком диапазоне (вызывающих, например, острые, хронические, репродуктивные, эволюционные, неврологические, иммунологические и канцерогенные эффекты) и наблюдении любых ожидаемых уровней экспозиции может потребоваться проведение целой серии исследований как в искусственных условиях, так и на живых организмах. Для оценки влияния наноматериалов на здоровье и сбора данных, необходимых для характеристики опасностей, были разработаны и предложены стратегии скрининга и/или общие схемы, предусматривающие проведение исследований как в искусственных условиях, так и на живых организмах [54–57].

Врезультате исследования наноматериалов в целях определения токсичности необходимо учитывать ряд свойств материала, в том числе размер частиц, распределение частиц по размерам, форму и другие морфологические особенности (например, кристалличность, пористость и поверхностную шероховатость), химию основного объема материала, растворимость, площадь поверхности, агломерацию частиц, типы агломерационного поведения частиц в дисперсии, состояние дисперсии, деагломерацию частиц в дисперсии, стабильность дисперсий, стерическую стабилизацию дисперсий электростатическую стабилизацию дисперсий, ζ-потенциал, влияние уровня pH на стабильность, химию поверхности и другие физико-химические свойства.

Вданной работе в качестве исходных материалов для синтеза порошков использовали:

1) нитрат иттрия Y(NO3)3 6H2O;

10