Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Санитарно-гигиеническое обеспечение производственной безопасности. Учебное пособие
.pdf
4. Каково действие пыли на организм работающего?
5. Какие пневмокониозы оказывают наиболее негативные последствия?
6. Перечислите состав пыли, специфику производства, описание
симптомов при основных пнемокониозах.
7. Укажите мероприятия по борьбе с пылью на производстве.
8. Что включает защита временем при воздействии аэрозолей, пре-
имущественно фиброгенного действия (АПФД)?
9. Как проводится расчет
пылевой нагрузки, контрольной пылевой
нагрузки, допустимого стажа работы в условиях промышленных
аэрозолей?
10. Перечислите приборы и методы определения запыленности.
41
4. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА НАНОЧАСТИЦ.
КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОСТРУКТУР. ОБЩИЕ ПОДХОДЫ
К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМ БЕЗОПАСНОСТИ НАНОЧАСТИЦ
ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ РАБОТНИКОВ
4.1. Нанотехнологии, наночастицы как факторы
производственной среды
Нанотехнологии – технологии создания и изучения структур, мате-
риалов 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 од-
ному из измерений составляют 1–100 нанометров.
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 на-
нотехнологии 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») [2].
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
с которыми каждая молекула или атом могут играть важнейшую роль, а взаимодействие между ними определяет
поведение целой структуры.
42
В итоге механические параметры твердых тел в отношении наноча-
стиц 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 биологиче-
ских 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. 4.1).
Существуют также попытки классификации по другим признакам,
например, по составу[2].
Таблица 4.1.
Классификация наноструктур
Наноструктуры Примеры
Трехмерные (все размеры менее 100 нм). Квантовые точки, фуллерены нанокристаллы.
Квазидвухмерные (поперечные размеры
менее 100 нм при неограниченной длине).
Квазиодномерные (один размер (толщина) менее 100 нм, другие неограничены).
Нанотрубки, дендримеры, нанопровода.
Тонкие пленки.
43
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 наноча-
стицы и наночастицы оксидов металлов.
Некоторые 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 С
(60 атомов углерода).
60
Фуллерены – молекулярные соединения, представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из четного числа трехкоординированных атомов углерода (рис. 4.1а).
а
Рис. 4.1. а – фуллерен; б – углеродная нанотрубка
б
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
, C
192
, C
216
.
Фуллерены используют в качестве добавок в аккумуляторы и электрические батареи. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены.
Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для
получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом
выход алмазов увеличивается примерно на 30 %.
44
Фуллерены могут быть также использованы в фармакологии для создания новых лекарств. В 2007 году были проведены исследования, показавшие, что эти вещества могут оказаться перспективными для разработки
противоаллергических средств.
Различные производные фуллеренов показали себя эффективными
средствами в лечении вируса иммунодефицита человека: белок, ответственный за проникновение вируса в кровяные клетки – ВИЧ
-1-протеаза, –
имеет сферическую полость, форма которой остается постоянной при всех
мутациях. Размер такой полости почти совпадает с диаметром молекулы
фуллерена. Ученные синтезировали производную фуллерена, которая растворяется в воде, а она, в свою очередь, блокирует активный центр ВИЧпротеазы, без которой невозможно образование новой вирусной частицы.
Кроме того, фуллерены нашли
применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения
фуллеренов краска под воздействием температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры
защищаемых конструкций.
Также фуллерены и их различные химические производные исполь-
зуются в сочетании
с полисопряжёнными полупроводящими полимерами
для изготовления солнечных элементов.
В настоящее время в научной литературе обсуждаются вопросы использования фуллеренов для создания фотоприемников и оптоэлектронных устройств, катализаторов роста алмазных и алмазоподобных пленок,
сверхпроводящих материалов, а также в качестве красителей для копировальных машин. Фуллерены применяются для синтеза металлов и сплавов
с новыми свойствами.
Фуллерены планируют использовать в качестве основы для производства аккумуляторных батарей. Эти батареи, принцип действия которых
основан на реакции присоединения водорода, во многих отношениях аналогичны широко распространенным никелевым аккумуляторам, однако,
обладают, в отличие от последних, способностью запасать примерно в
пять раз больше удельное количество водорода. Кроме того
, такие батареи
характеризуются более высокой эффективностью, малым весом, а также
экологической и санитарной безопасностью по сравнению с наиболее продвинутыми в отношении этих качеств аккумуляторами на основе лития.
Такие аккумуляторы могут найти широкое применение для питания персональных компьютеров и слуховых аппаратов.
Открывается возможность использования фуллеренов в качестве осно-
вы оптических затворов-ограничителей интенсивности лазерного излучения.
Возникает перспектива использования фуллеренов в качестве основы
для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации. Фуллерены могут найти применение в качестве присадок для ракетных топлив и смазочного материала.
45
Большое внимание уделяется проблеме использования фуллеренов в
медицине и фармакологии.
Обсуждается идея создания противораковых медицинских препаратов
на основе водорастворимых эндоэдральных соединений фуллеренов с радиоактивными изотопами. (Эндоэдральные соединения – это молекулы фуллеренов, внутри которых помещен один или более атомов какого- либо элемента).
Найдены условия синтеза противовирусных и противораковых препаратов на
основе фуллеренов. Одна из трудностей при решении этих проблем – создание водорастворимых нетоксичных соединений фуллеренов,
которые могли бы вводиться в организм человека и доставляться кровью в
орган, подлежащий терапевтическому воздействию.
А так же помимо перечисленного имеется множество перспектив ис-
пользования фуллеренов, например как:
создание новых конструкционных материалов с уникальными
свойствами для использования в строительстве инженерно-технических
сооружений и в изготовлении средств индивидуальной защиты;
тканые материалы специального назначения (ленты, полотна, па-
руса, канаты, сверхпрочные нити) на основе полимерных молекул, модифицированных фуллеренами;
радиозащитные материалы на основе графитов, модифицирован-
ных фуллеренами;
бетонополимеры повышенной прочности;
сверхпрочные (выше твердости алмаза
) насадки специального ин-
струмента;
улучшение эксплуатационных характеристик транспортных
средств и других специальных механизмов;
антизадирные составы для узлов, работающих в условиях повы-
шенных нагрузок;
композиты тормозных колодок скоростных транспортных средств
наземного и авиационного транспорта с повышенными теплоотдачей и износоустойчивостью;
модифицированные древесные композиты дейдвудных и анало-
гичных
подшипников на деревянной и резинотехнической основе;
смазывающе-охлаждающие технологические составы, увеличи-
вающие жизнеспособность инструмента;
получение новых композиционных материалов электротехниче-
ского назначения;
композиционные материалы скользящих сильноточных электриче-
ских контактов с повышенным ресурсом работы;
элементы сверхпроводящих конструкций на основе фуллереновых
интеркалятов;
получение новых композиционных материалов для оптического и
радиоэлектронного противодействия;
46
материалы защитных экранов антилазерного назначения;
материалы для стелс-технологий различного назначения;
материалы устройств для корреляции лазерного изображения в
системах наблюдения и обработки спутниковой информации (высокоразрешающие динамические голограммы);
создание материалов и микроэлектронных изделий специального
назначения;
материалы дифракционных ветвителей в волоконно-оптических сетях;
алмазоподобные пленки высокого
совершенства;
материалы новейших микросенсоров;
электрооптические модуляторы света, в том числе многоканаль-
ные, и модуляторы на эффекте «свет-свет».
материалы эффективного диализа применительно к сильнодейст-
вующим ядовитым веществам в полевых условиях;
высокоэффективные сорбенты для стационарных защитных систем [8].
В 1991 г. были обнаружены цилиндрические углеродные образова-
ния, получившие названия
нанотрубок (рис. 4.1. б). Идеальная нанотрубка
представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т.е. поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода [2].
На протяжении многих лет углеродные нанотрубки, применение которых не ограничивается одной определенной отраслью, используются в
научных исследованиях. Такой материал имеет слабые позиции на рынке,
так как существуют проблемы с масштабным производством. Еще одним
важным моментом является большая стоимость углеродных нанотрубок.
Благодаря таким характеристикам, как прочность, изгиб, проводимость, используются во многих областях: в качестве добавок к полимерам;
катализатором для осветительных устройств, а также плоских дисплеев и
трубок в телекоммуникационных сетях; в качестве поглотителя электромагнитных волн; для преобразования энергии; изготовления анодов в различных видах батареек; хранения водорода; изготовления датчиков и конденсаторов; производства композитов и усиления их структуры и свойств.
Еще одна отрасль – автомобилестроение. Функционализация углеродных нанотрубок в данной области сводится к наделению полимеров
проводящими свойствами. Коэффициент теплопроводности нанотрубок
достаточно высок, поэтому их можно использовать в качестве охлаждающего устройства для различного массивного оборудования. Также из них
изготавливают наконечники, которые присоединяются к зондовым трубам.
Важнейшей отраслью применения являются компьютерные технологии. Благодаря нанотрубкам создаются особо плоские дисплеи. При помощи их можно существенно уменьшить габаритные размеры самого компьютера, а также увеличить его технические показатели. Готовое оборудование будет в несколько раз превосходить нынешние технологии. На основе
этих исследований можно создать высоковольтные кинескопы.
47
На сегодня ведущее место в производстве углеродных нанотрубок
занимают Япония, Корея и Китай.
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 мо-
гут быть изменены за счет химических модификаций.
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 Fe
2+
, способны при-
водить 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 об-
разованием гранулем и фиброзом.
Наночастицы оксидов металлов. Группа искусственных наноматериалов, имеющая наибольшее коммерческое применение в настоящее время, представлена нанопорошками оксидов металлов, прежде всего, ТiO
2
,
48
ZnO, Al2O3. Эти нанопорошки используются, например, в косметике, в ка-
честве химических катализаторов, в полупроводниковoй промышленности.
В экспериментах на крысах обнаружен канцерогенный эффект TiO
3
(частицы 15–40 нм, 10 мг/м
). Однако при исследованиях на других живот-
ных 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 при-
водить 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
ванием. Частицы TiO
размерами порядка 4 нм способны проходить через
2
, что проявляется тромбообразо-
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 наноча-
стиц. Методы производства, основанные на различных механизмах фор-
мирования наночастиц, включают:
- метод конденсации газовой фазы (подход «снизу-вверх»), вклю-
чающий 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 на-
нопорошков («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[2].
2
49
Общие подходы к решению проблем безопасности нанотехнологий для здоровья работников. В целом решение проблем профессиональ-
ной 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 эффек-
тивных 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 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.
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 некото-
рую, пока неопределенную, но от того не
менее значимую угрозу для здо-
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]