Основные понятия и положения темы

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.

Н

Фото 1. Кубок Ликурга

Фото 2. Ричард Фейнман

Фото 3. Норио Танигучи

Фото 4. Наноробот «делает укол» эритроциту

анотехнологии - 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.

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 С₆₀ (60 атомов углерода) (рис.1). 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 (рис.2).

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.

Контрольные вопросы к теме 6:

1.Дайте определения понятий «нанотехнологии», «наночастицы».

2.История открытия наночастиц и нанотехнологий.

3.В чем заключается опасность наночастиц для здоровья человека?

4.Назовите наночастицы, имеющие широкое применение (или потенциал широкого применения).

5.Какими путями обеспечивается поступление наночастиц в организм человека.

6.Перечислите основные методы крупномасштабного производства наночастиц.

7.Назовите общие подходы к решению проблем безопасности нанотехнологий для здоровья работников.

8. Перечислите исследовательские инструменты нанотехнологий.

9. Каковы основные направления осуществления мониторинга наночастиц в среде рабочих мест?

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

Тема занятия 7.Промышленные яды (1 час)

Цель изучения темы: ознакомление с основными параметрами, характеризующими степень токсичности и опасности химических веществ в условиях производства

Воспитательные задачи изучения темы:

• развитие у студентов мышления профилактической направленности

• развитие профессиональной культуры.

План проведения занятия:

1.Разбор понятия «вредные вещества».

2.Классификация вредных веществ по характеру воздействия на организм человека.

3. Классификация вредных веществ по их преимущественному избирательному патологическому действию на определенные органы или системы организма человека.

4.Пути поступления химических веществ в организм человека.

5.Острые, подострые, хронические профессиональные отравления.

5.Химические яды в промышленности.