Фуллерены и нанотрубки

 


Специальный выпуск журнала Carbon (2006, 44, № 6) посвящен токсикологии новых углеродных наноматериалов. Авторы вводной статьи [1] кратко обсуждают основные положения, касающиеся статуса, тенденций и необходимых новых исследований в этой области, представленные в десяти последующих основных публикациях.

Два последних десятилетия привели к бурному развитию синтеза и исследований новых углеродных наноматериалов. И все чаще стали возникать вопросы, а не вредны ли эти материалы для здоровья и окружающей среды. Первые результаты изучения этой темы оказались противоречивыми, и скорее не дали ответ на поставленные вопросы, а вызвали множество новых. Малый размер и большая удельная поверхность наноматериалов приводят к высокой химической активности, позволяют проникать в организм при вдыхании (и дальше в легкие), через кожу, или даже воздействовать на клеточном уровне. Более того, эти наноматериалы могут влиять на растения, животных, микроорганизмы.

На каждую из статей, представленных в этом специальном выпуске, были получены две рецензии - одна от специалистов «по углероду», а другая - от токсикологов, биологов или специалистов в области биомедицины. В результате получился подбор уникальной информации. А теперь об основных темах.

Специальный выпуск начинается со всестороннего обзора литературных данных по биосовместимости углеродных нанотрубок (Smart S.K. et al.). Авторы сначала рассматривают традиционные углеродные материалы, применяемые в биомедицине (например, в качестве имплантатов), а затем переходят к углеродным нанотрубкам (УНТ). Представлен обзор данных по воздействию УНТ при попадании на кожу, при вдыхании (действие на легкие), по цитотоксичности; рассматривается применение нанотрубок как наноструктурной поверхности для роста костей или нейронных каркасов; для доставки лекарств и вакцин. Совместное обсуждение токсичности и биосовместимости выявляет тесную связь между двумя этими темами. Главные направления новых исследований, по мнению авторов, следующие: воздействие на легкие; раздражение кожи; отклик макрофагов; влияние свойств УНТ на цитотоксичность; сорбция, распределение и выделение in vivo; эффективность функционализации УНТ для биосовместимости. В заключение авторы указывают на возможный вклад в токсичность примесей катализаторов. Этим может объясняться вредное воздействие, обнаруженное для неочищенных УНТ.

Работа Muller J. et al. также является обзорной, но акцент делается на токсичности вдыхаемых нанотрубок. Авторы считают, что, хотя литературные данные являются неполными, тем не менее, есть основания опасаться вредного воздействия углеродных нанотрубок, если они проникают в легкие. Это подтверждается некоторыми экспериментами на животных. Этой же проблемы касаются две работы по изучению воздействия на легкие, выполненные на моделях животных. Grubek-Jaworska H. et al. наблюдали патологию легких, вызванную тремя типами волокнистого наноуглерода, введенного внутритрахеально и затем попадающего в легкие морских свинок; а Warheit D.B.изучал крыс. Результаты последней работы показывают, что в отличие от действия мелких частиц кварца, асбеста, вызывающих прогрессирующие повреждения, УНТ вызывают только образование гранулем - реакцию ткани на чужеродные тела. Для получения данных о вредном воздействии нанотрубок необходимы дальнейшие эксперименты на крысах, исследующие именно вдыхание аэрозольных УНТ (как может быть в реальных условиях), а не внутритрахеальное введение.

Две следующие работы посвящены воздействию на кожу (Monteiro-Riviere N.A. и Inman A.O.) и подкожному введению (эксперименты на мышах), (Koyama S. et. al.). Токсичность в первом случае определяется вероятностью проникновения и транспорта во внешних слоях кожи с последующей миграцией вглубь. Кроме литературных данных, авторы представляют новые сведения о роли сажи, которая обычно используется как контрольный материал. Во второй работе углеродные наноматериалы были имплантированы в течение 3 месяцев. Авторы обнаружили образование гранулем и изменения в клетках периферической крови, но смертности животных не было, и фиброз был меньше, чем для асбестовых волокон. Это внушает надежду на возможное безопасное применение углеродных наноматериалов в промышленном масштабе.

Следующая статья (Flahaut E. et al.) посвящена оценке возможной токсичности УНТ, используемых для доставки лекарств или диагностики. Было проверено воздействие растворов образцов на культуры эндотелиальных клеток человека. Жизнеспособность клеток и обменные процессы в отличие от случаев воздействия контрольного агента - фенола - практически не ухудшились.

Fiorito S. et al сравнили воспалительные процессы в макрофагах человека и мышей при воздействии ОСНТ и фуллеренов высокой степени очистки с эффектами от контрольных образцов (графитовые частицы в комбинации с липополисахаридами). Сделан вывод о положительном влиянии очистки углеродных наноматериалов - такие образцы имеют очень низкую токсичность.

Статья Chlopek J. et al. отличается от других тем, что фокусирует внимание на положительных медицинских эффектах углеродных нанотрубок. Речь идет о целенаправленном введении нанотрубок в организм (например, для регенерации ткани). Авторы представляют обзор литературных данных по биосовместимости, и затем исследуют взаимодействие фибробластов, остеобластов и остеокальцина с очищенными МСНТ с остаточным содержанием Mg и Ca (0.02 и 2 масс. %, соответственно). Делается вывод об ограниченной реакционной способности углеродных наноматериалов.

Влияние на окружающую среду рассмотрено в последней из представленной серии статье (Oberdörster E. et al.). Как растворимые, так и нерастворимые углеродные наночастицы могут попасть в живущие в воде организмы (например, рыбы могут принять за пищу плавающие на поверхности нерастворимые частицы). Авторы изучили влияние фуллеренов на два вида рыб и на некоторые ракообразные организмы, обитающие в морской и пресной воде. Свои исследования они начали с фуллеренов из-за их простоты в сравнении с нанотрубками, которые обычно представляют смесь разных типов и содержат примеси металлов. Максимальная концентрация фуллеренов nC60 была 35´10-6 для пресной воды и 22,5´10-6 для морской (при большей концентрации фуллерены выпадали в осадок, таким образом, летальная доза не была достигнута). Обнаружены сублетальные эффекты для зоопланктона Daphnia magna, обитающего в пресной воде, и некоторые изменения для одного из видов рыб. У пресноводных рыбок Oryzias latipes изменений не наблюдали. Правда, авторы отмечают, что надо учитывать детали процедуры кормления рыб.

Все авторы, представляющие как академические институты, так и промышленность единодушны в том, что для оценки потенциально вредных эффектов от углеродных наноматериалов нужны дальнейшие исследования. Нельзя сказать, что доказано полное отсутствие вреда или, наоборот, что вред во всех случаях есть. Необходимо после химической обработки тщательно характеризовать материалы — многие из них представляют смесь различных форм углерода, включают соединения металлов (оксиды, карбиды). Наблюдаемая токсичность во многих случаях может быть обусловлена примесями, а не самим материалом.

Следует понимать, что большинство экспериментов проводится в условиях, когда контакт наноматериалов с живым организмом достигается искусственным путем (имплантацией, капельным введением и т. д.), уровни доз необязательно отражают реальную картину. Кроме того, не учитывается возможность естественной защиты — например, нанотрубки склонны к формированию агломератов, размеры которых существенно больше, образование аэрозолей может быть затруднено. Нужны новые экспериментальные приборы «на стыке» биологии и материаловедения, следует выявить наиболее важные показатели токсичности; необходимо определять дозу, полученную клеткой-мишенью. Проблем еще много, и очень важна роль ученых, занимающихся новыми углеродными наноматериалами. Мате­риалы, предоставляемые для токсикологических исследований, должны быть охарактеризованы хотя бы в такой степени: химический состав для всех элементов с содержанием > 0.1%; удельная поверхность, детальное описание морфологии, полученное с помощью электронной микроскопии; желательно иметь химический состав поверхности, текстуру, степень кристалличности. И, конечно, очень важно, объединив усилия исследователей из разных областей, создавать материалы, имеющие минимальную токсичность. Должна быть обеспечена обратная связь: за синтезом и очисткой наноматериалов должны следовать стадии токсикологической проверки, полученная информация должна использоваться для оптимизации стадий синтеза и очистки. Только такой подход позволит защитить здоровье людей и окружающую среду.

О.Алексеева

Источник: ПерсТ