Nanorozměry v kontextu pracovnělékařské problematiky


Nanodimensions in the context of occupational medicine

Presumable future development of production and using nanomaterials poses new questions in the context of their effects on health. The paper presents the category of nanomaterials based on carbon, their properties and provides information on current research on health impact.

Key words:
nanotubes, grafene, functionalization, fibrogenicity


Autoři: A. Kavka
Působiště autorů: Klinika pracovního a cestovního lékařství, 3. lékařské fakulty Univerzity Karlovy v Praze a Fakultní nemocnice Královské Vinohrady přednosta doc. MUDr. Evžen Hrnčíř, CSc., MBA
Vyšlo v časopise: Pracov. Lék., 61, 2009, No. 3, s. 123-126.
Kategorie: Souborný referát

Souhrn

Pravděpodobný budoucí rozvoj výroby a využívání nanomateriálů otevírá nové otázky v kontextu jejich účinků na zdraví. Práce představuje kategorii nanomateriálů postavených na uhlíkové bázi, seznamuje s jejich vlastnostmi a informuje o výsledcích dosavadních výzkumů na poli zdravotní problematiky.

Klíčová slova:
nanotrubice, grafen, funkcionalizace, fibrogenicita

Úvod

Průmyslově vyráběné nanomateriály znamenají pro své jedinečné vlastnosti bouřlivě se vyvíjející odvětví, zasahující do mnoha oborů lidské činnosti. Úvodní nadšení po úspěšném výzkumu na počátku 90. let minulého století však po čase začaly provázet obavy z možných negativních účinků na lidské zdraví. Následující text podává základní informace o uhlíkových nanomateriálech a shrnuje dosavadní výsledky prací zabývajících se jejich potenciálně toxickými účinky.

Definice, rozdělení

Nanočásticemi se rozumí elementy s minimálně jedním rozměrem menším než 0,1 μm. Velká pozornost se v současné době věnuje výrobě koloidních suspenzí kovů (stříbro, zlato), a zejména pak útvarům postaveným na uhlíkové bázi. Základem uměle připravených uhlíkových nanomateriálů je tzv. grafen, monovrstva složená z uhlíkových atomů spojených sp2 vazbami v šestiúhelníkovou síť (obr. 1). Při použití specifických postupů je možné z grafenu vytvořit kulovité útvary tzv. fullereny nebo trubice, označované na základě svých rozměrů jako nanotrubice (dále v textu jen CNT – carbon nanotubes), s daleko širšími možnostmi využití (obr. 2). CNT se dělí na jednovrstvé (SWCNT – single wall carbon nanotubes) a (MWNCT – multi wall carbon nanotubes), kde je trubice složena z několika koncentricky uspořádaných vrstev naráz.

Struktura grafenové vrstvy
Obr. 1. Struktura grafenové vrstvy

Schéma jednovrstvé nanotrubice
Obr. 2. Schéma jednovrstvé nanotrubice

Výroba a vlastnosti

Pro syntézu CNT se užívá tří hlavních výrobních postupů [1]. Pomocí energie elektrického oblouku mezi dvěma grafitovými tyčemi je možné vyrábět CNT o náhodných kratších délkách, více homogenní produkt se získává následnou purifikací. Další možnost spočívá v ostřelování grafitu laserovými pulsy. Tato metoda je velmi nákladná, na druhou stranu výsledný produkt dosahuje značných délek a minima defektů ve struktuře. Asi nejjednodušší a dnes nejvíce využívaný postup představuje rekombinace uhlíkových atomů ze zahřátého plynu (chemická depozice z plynné fáze) poskytující relativně dobré výsledky při příznivé ceně.

Grafenová 2D vrstva je prakticky areaktivní, zakřivením plochy při formování trubice se hybridizace posouvá od sp2 k sp3, a úměrně zmenšujícímu se průměru proto stoupá reaktivita. Vůbec nejzranitelnější je molekula v oblasti pólů, kde nejvyšší zakřivení doprovází největší sklon k defektům [3]. Jako defekt se označuje místo, kde je pravidelná struktura grafenové vrstvy jakkoli pozměněna, ať už chyběním či přebýváním atomu, s korespondující odchylkou pravidelnosti kovalentních vazeb. Tyto defekty významně negativně ovlivňují očekávané vlastnosti výrobku, a jsou proto značně nežádoucí [9]. Funkcionalizací se označují postupy, kdy jsou na povrch CNT záměrně nekovalentně vázány jiné sloučeniny, způsobující změnu vlastností v plánovaném (pozitivní) smyslu.

Teoreticky předpovězená extrémní pevnost a tuhost se – i přes nesnáze dané obtížností měření materiálu velikosti CNT – potvrdily beze zbytku [6, 11]. Modul pružnosti v tahu (Youngův modul), zjednodušeně řečeno síla, která je potřebná k reverzibilnímu prodloužení tyče z daného materiálu o konstantním průřezu na dvojnásobek a která je závislá pouze na vlastnostech materiálu, dosahuje u CNT hodnot okolo 1 TPa [16]. Pro srovnání: hodnota pro ocel činí zhruba jednu pětinu. Další popisnou vlastností materiálů, pevností v tahu, se rozumí síla, která způsobí nevratné porušení struktury materiálu. Na rozdíl od modulu pružnosti závisí na dalších podmínkách, jako je historie materiálu, teplota materiálu, teplota okolního prostředí apod. Naměřené hodnoty u CNT se pohybují v rozmezí 16–150 GPa v závislosti na typu a výrobním postupu, tedy minimálně o řád až dva více než tabulkové hodnoty pro ocel [6]. Hustota pouhých 1,34 g/cm3 zajišťuje relativní lehkost, a z hlediska mechanických vlastností tak CNT představují unikátní materiál se širokými možnostmi využití.

Neméně zajímavé jsou elektrické vlastnosti [1]. Vodivost závisí na tzv. chirálním vektoru (tedy na struktuře grafenového plátu), na tloušťce trubice a významnou měrou i na přítomnosti jiných molekul nebo sloučenin. Existují tak CNT, které se při zakomponovaném molekulárním kyslíku projevují jako FET (tranzistory ovládaný polem) dotované děrami, přičemž odstranění kyslíku vede téměř až k intrinzickým vlastnostem. Pro úplnost, funkcionalizace polyethyleneiminem přináší charakter tranzistoru dotovaného elektrony. Jiné CNT, se šířkou zakázaného pásu okolo 10 meV, se potom svými vlastnostmi blíží kovům. Díky extrémně malým rozměrům se tak nabízí rozsáhlé využití v elektronice, kde se CNT mohou uplatnit jako vodiče i polovodiče nové generace, teoretický potenciál by mohl umožnit výrobu daleko menších integrovaných obvodů a způsobit revoluci ve výpočetní technice.

Pozoruhodné vlastnosti lze teoreticky využít i v řadě dalších oborů. Absorpce a následná desorpce různých molekul pomocí tepla či UV záření by mohla být využita v energetice. Slibně se rýsují i výsledky pro aplikaci v medicíně. V raných stadiích výzkumu se nachází funkcionalizace pomocí různých sloučenin či farmak, umožňující vysoce cílené podání do organismu za účelem léčby. Počítá se např. s cílenou léčbou nádorů nebo s využitím coby genových nosičů [7].

Zdravotní problematika

Díky svým rozměrům disponují nanočástice značným měrným povrchem. Pro představu, pokud má neporušená mince povrch o obsahu několika cm2, v případě, že by byla rozdělena na části o rozměrech nanometrů, součet jejich povrchů by při totožném celkovém objemu stoupl o několik řádů. Nanočásticím je proto přisuzována relativně vyšší reaktivita a dále možnost invaze přes buněčnou membránu nezávislou na standardních transportních mechanismech. Tyto předpoklady odstartovaly pokusy a studie zaměřené na zodpovězení otázky, zda je expozice uhlíkovým nanotrubicím nebezpečná, a pokud ano, jakým patofyziologickým mechanismem a s jakými patologickými konsekvencemi. Druhý, neméně významný problém souvisí s popisem dynamiky v organismu, otázkou akumulace v životním prostředí a možnostech biodegradace. Nutno předeslat, že i přes společný strukturální základ CNT představují velmi heterogenní skupinu a z hlediska škodlivých účinků hraje roli mnoho dalších dílčích faktorů od stavby, defektů a funkcionalizace, přes kvalitu disperze testovaného vzorku, po způsob podání [9]. Jelikož hlavní branou vstupu polutantů do organismu je dýchací systém, velká část studií se ubírala tímto směrem.

Po inhalaci, respektive instilaci, aerosolu CNT byly na zvířecích modelech opakovaně prokázány indukované zánětlivé změny [5, 8, 12, 13, 15]. Jejich odrazem na molekulárněbiologické úrovni je reaktivní radikálový efekt překonávající intracelulární antioxidační mechanismy. Při vysokém oxidačním stresu dochází k aktivačnímu vlivu transkripčních faktorů NF-κB a aktivátorového proteinu 1, které jsou zodpovědné za expresi řady cytokinů. Jejich přítomnost pak ústí v typickou kaskádu prozánětlivých jevů. Závažnost této patofyziologické odezvy (TNF-α, IL-8 a další v BAL) je však obtížně hodnotitelná, v kratším horizontu se významně neliší hodnoty expozice CNT od srovnatelné expozice jiným prachům. Mikroskopické změny v plicích hodnocené s odstupem týdnů či měsíců dovolují učinit specifičtější závěry. V řadě studií s pozitivní kontrolou (azbest či křemičitý prach) a negativní kontrolou (uhelný či karbonylový prach) pozdní sekční nález potvrzuje alespoň částečnou fibrogenicitu CNT, která někdy dokonce vykazuje obdobný stupeň jako již známé fibrogenní materiály. Ačkoli (jak bylo výše zmíněno) mají CNT rozměry, které jim umožňují snadný průnik do buněk, pro závěr, zda jsou imobilizovány na úrovni alveolu nebo prostupují skrze alveokapilární membránu, není dostatek podkladů. Při nefyziologické aplikaci CNT přímo do krevního oběhu myší nedošlo k nepříznivé odezvě ani po 4 měsících. V histologickém obraze sice byla na konci pokusu prokázána perzistence trubic v makrofázích jater a sleziny, ale beze změn charakteru patologického obrazu. Otázka biodegradace zůstává také nevyjasněna, MWCNT značené 14C vykázaly perzistenci v Kupferových buňkách sice bez zánětlivých změn, ale zároveň bez tendence k úbytku [2].

Diskuse

Dnes dostupné výsledky sice vesměs podporují představu CNT coby induktora (zejména plicní) patologie v organismu, přesto je vhodné je hodnotit rezervovaně [10, 17]. V pokusech se malým savcům aplikoval nefyziologickou cestou uměle připravený materiál ve vysokých dávkách [5, 8, 12, 13, 15]. Zatím nejsou zohledněny pravděpodobné realistické expoziční podmínky, protože neexistuje dostatek relevantních dat o emisi nanočástic při výrobě nebo při používání výrobků, jejichž jsou součástí. Metodologie pokusů není ani zdaleka jednotná, používají se CNT o odlišných rozměrech, vlastnostech, disperzi, dávkách atd. Další problém spočívá v tom, že nově připravované CNT nejsou zdaleka jediným materiálem s „nanorozměry“, se kterým by se člověk mohl dostat do kontaktu. Právě naopak, každý je prakticky neustále vystaven inhalaci částic o spektru pokrývajícím několik řádů velikostí, včetně „nanofrakce“. Tyto (již známé) ultrajemné prachy či saze mají v regulovaných pokusech také jednoznačné nepříznivé efekty [14], a přesto netvoří vyhrazenou skupinu, jejíž dopady by se hodnotily jako speciálně varující. CNT jsou považovány za velice perspektivní materiál, a pokud se podaří v budoucnu využít a aplikovat i jen zlomek dnešních očekávání, nesporně se stanou základem rozsáhlé průmyslové výroby [4]. V kontrastu k jaderné energetice nebo geneticky modifikovaným potravinám veřejnost zatím nevnímá nanočástice jako relevantní hazard. To se však může rychle změnit poté, co toto téma objeví média. Do té doby zbývá prostor na provedení zpřesňujících výzkumů, korekci dosud platných závěrů a případné vypracování pravidel pro bezpečnou výrobu CNT a nakládání s nimi.

Došlo dne 12. 2. 2009. Přijato do tisku dne 1. 4. 2009.

Kontaktní adresa:

MUDr. Aleš Kavka

Klinika pracovního a cestovního lékařství 3. LF UK a FNKV

Šrobárova 50

100 34 Praha 10

e-mail: kavka@fnkv.cz


Zdroje

1. DAI, H. et al. Carbon Nanotubes: Synthesis, Integration, and Properties. Acc. Chem. Res., 2002, 35, s. 1035–1044.

2. DENG, X., JIA, G., WANG, H., SUN, H., WANG, X., YANG, S., WANG, T., LIU, Y. Translocation and fate of multi-walled carbon nanotubes in vivo. Carbon, 2007, 45, 7, s. 1419–1424.

3. HUHTALA, M., KURONEN, A., KASKI, K.  . Computer Physics Communications, 2002, 146, 1, s. 30–37.

4. KÖHLER, A. R., SOM, C., HELLAND, A., GOTTSCHALK, F. Studying the potential release of carbon nanotubes throughout the application life cycle. Journal of Cleaner Production, 2008, 16, 8–9, s. 927–937.

5. LAM, CH., JAMES, J. T., MCCLUSKEY, R., HUNTER, R.L. Pulmonary Toxicity of Single-Wall Carbon Nanotubes in Mice 7 and 90 Days After Intratracheal Instillation. Toxicological Sciences, 2004, 77, s. 126–134.

6. LI, F., CHENG, H. M., BAI, S., SU ,G., DRESSELHAUS, M. S. Tensile strength of single-walled carbon nanotubes directly measured from their macroscopic ropes. Appl. Phys. Lett., 2005, 77, s. 3161,

7. LIU, Z., CHEN, K., DAVIS, C., SHERLOCK, S., CAO, Q., CHEN X., DAI, H. Drug Delivery with Carbon Nanotubes for In vivo Cancer Treatment. Cancer Research, 2008, 68, s. 6652–6660.

8. MÜLLER, J., HUAUX, F., MOREAU, N., MISSON, P., HEILIER, J-F., DELOS, M. et al. Respiratory toxicity of multi-wall carbon nanotubes. Toxicology and Applied Pharmacology, 2005, 207, 3, s. 221–231.

9. MÜLLER, J., HUAUX, F., FONSECA, A. et al. Structural Defects Play a Major Role in the Acute Lung Toxicity of Multiwall Carbon Nanotubes: Toxicological Aspects. Chem. Res. Toxicol., 2008, 21, 9, s. 1698–1705.

10. NEL, A., XIA, T., MADLER, L., LI, N. Toxic Potential of Materials at the Nanolevel. Science, 2006, 311, s. 623–627.

11. SALVETAT, J. P., BONARD, J. M., THOMSON, N. H., KULIK, A. J., FORRO, L., BENOIT, W., ZUPPIROLI, L. Mechanical properties of carbon nanotubes. Appl. Phys., 1999, 69, s. 255–260.

12. SCHIPPER, M. L., NAKAYAMA-RATCHFORD, N., DAVIS, C.R. et al. A pilot toxicology study of single-walled carbon nanotubes in a small sample of mice. Nature Nanotechnology, 2008, 3, s. 216–221.

13. SHVEDOVA, A. A., KISIN, E., MURRAY, A. R. et al. Inhalation vs. aspiration of single-walled carbon nanotubes in C57BL/6 mice: inflammation, fibrosis, oxidative stress, and mutagenesis. Am. J. Physiol. Lung. Cell. Mol. Physiol., 2008, 295, s. 552–565.

14. SOTO, K. F., MURR, L. E., GARZA, K. M. Cytotoxic Responses and Potential Respiratory Health Effects of Carbon and Carbonaceous Nanoparticulates in the Paso del Norte Airshed Environment. Int. J. Environ. Res. Public Health, 2008, 5, 1, s. 12–25.

15. WARHEIT, D. B., LAURENCE, B. R., REED, K. L., ROACH, D. H., REYNOLDS, G. A., WEBB, T. R. Comparative pulmonary toxicity assessment of single-wall carbon nanotubes in rats. Toxicological Sciences, 2004, 77, s. 117–125.

16. WONG, E. W., SHEEHAN, P. E., LIEBER, C. M. Young module. Science, 1997, 277, s. 1971.

17. YU, Y., ZHANG, Q., MU, Q., ZHANG, B., YAN, B. Exploring the Immunotoxicity of Carbon Nanotubes. Nanoscale Res. Lett., 2008, 3, s. 271–277.

Štítky
Hygiena a epidemiologie Hyperbarická medicína Pracovní lékařství

Článek vyšel v časopise

Pracovní lékařství

Číslo 3

2009 Číslo 3

Nejčtenější v tomto čísle

Tomuto tématu se dále věnují…


Kurzy Doporučená témata Časopisy
Přihlášení
Zapomenuté heslo

Nemáte účet?  Registrujte se

Zapomenuté heslo

Zadejte e-mailovou adresu, se kterou jste vytvářel(a) účet, budou Vám na ni zaslány informace k nastavení nového hesla.

Přihlášení

Nemáte účet?  Registrujte se