Rizika nanovlákenných materiálů. Eva Kuželová Košťáková KNT, FT, TUL

Transkript

1 Rizika nanovlákenných materiálů Eva Kuželová Košťáková KNT, FT, TUL

2 Literatura: Filipova, Z., Kukutschova, J., Mašláň, M.: Rizika nanomateriálů, Univerzita Palackého v Olomouci, dostupné na World Wide Web na adrese: ( )

3 Nanotechnologie jako každá nová technologie představují určitá rizika, která podle některých odborníků mohou být velká a nepředvídatelná. Jedná se o rizika spojená s poškozením lidského zdraví (toxicita, teratogenita narušení vývoje orgánů aj.) nebo o rizika pro životní prostředí (ekotoxicita, ovlivnění biogeochemických cyklů koloběhů látek a další) AVŠAK Nanomateriály byly na Zemi přítomny odnepaměti jako důsledek některých přírodních procesů (vulkanická činnost, lesní požáry) nebo v posledních staletích vlivem antropogenních činností (spalování fosilních paliv, pyrometalurgie, doprava, svařování, kouření a další aktivity využívající vysokoteplotních procesů)

4 Vulkanické horniny

5 A transmission electron microscope reveals the nanostructures of graphitic diesel soot sampled under high engine loads. diesel_pm.html Elementární uhlík ve formě Zplodiny sazí o z výfuku dieselového spalovacího motoru velikostech okolo 50nm. bez katalyzátoru v klidovém stavu na PVB nanovláknech

6 Experimentální pozorování, prováděná v různých městských oblastech s rušnou dopravou, vedou k identickému závěru, že kardiovaskulární, respirační a další onemocnění související s tímto znečištěním již překonávají průměrnou mortalitu a vyrovnávají se chronickým onemocněním způsobeným např. kouřením, které je samo o sobě zdrojem významného množství nanočástic vdechovaných do plic. Nohavica D. (2011):Rizika nanomateriálů a nanotechnologií pro lidské zdraví aživotní prostředí. Československý časopis pro fyziku 61:

7 Pro nanomateriály doposud platí standardy jako pro klasické chemické látky, které vykazují mnohdy nižší nebezpečnost pro zdraví a životní prostředí. U žádné nové technologie nebyl v historii doposud tak krátký časový prostor mezi její aplikací a koordinovanou snahou o zhodnocení rizik, zahrnující expoziční testy a rozvoj metrologie, dozimetrie a také prerekvizit pro hodnocení rizik == nejsou dostupné informace o dlouhodobých účincích vyvolaných expozicí nanomateriálů a tyto účinky jsou v této fázi spíše na úrovni predikcí. Po dřívějších zkušenostech s chemickými látkami jako např. DDT, dioxiny atd se světová veřejnost snaží apelovat na výzkumná centra i výrobce, aby v případě nanomateriálů a nanotechnologií zachovávali princip předběžné opatrnosti, který vyzývá k tomu, aby byla očekávána možná škoda vždy a byla provedena všechna

8 Složité hledání definice nanomateriálů: - Jedná se z chemických a fyzikálních hledisek o nesmírně rozmanité materiály, jejichž nežádoucí účinky závisí na řadě parametrů. - Nyní je nanomateriál definován jako materiál, který má jeden nebo více externích rozměrů v rozmezí přibližně 1-100nm, nebo který je nanostrukturován (ISO/TS 27687:2008; 27687:2010) - Lepší specifikace pomocí devíti až desíti atributů (velikost, povrch atd.) - Vývoj regulací pro nanomateriály je shrnut na

9 ENM engineered nanomaterial - záměrně nebo neúmyslně vyprodukovaný materiál - jeden nebo více rozměrů v rozsahu 100nm a méně. Non-nanoform materiál který představuje iontovou nebo molekulární formu (menší než nanoforma) nebo pro kompaktní formu (větší než nanoforma). Kompaktní forma pak může zahrnovat i agregované nanomateriály, stejně jako chemické látky v mikro nebo makroformě. Aglomerát skupina slabě vázaných částic nebo agregátů, kde je výsledný externí povrch podobný součtu poloch povrchů individuálních komponent. (Van der Waalsovy síly, elektrostatické síly) Agregát skupina pevně vázaných nebo sloučených částic, kde je výsledný externí povrch podobný součtu ploch povrchů individuálních komponent. ( kovalentní vazby, kovové vazby)

10 Aglomeráty CNTs. Scanning electron microscopy images of CNT powder at two magnifications: (A) Nanocyl NC7000, (B) Baytubes C150P, (C) FutureCarbon CNT-MW, (D) Graphistrength C ience/article/pii/s Nejlepší dispergovatelnost ve vodě Nanocyl 7000.

11 Odlišnost nanomateriálů od klasických materiálů Nanotoxikologie klíčové parametry Nelze vycházet jen z koncentračního vyjádření (např. mg/dm 3 )

12 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Expozice situace charakterizovaná objektivními parametry, při které je živý organismus vystaven působení dané látky (materiálu). Nebo Expozice proces, kdy látka překoná vnější bariéru organismu a pronikne do něj (může dojít k intoxikaci).

13 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Gravitační působení je zanedbatelné = vysoká mobilita

14 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Expozice pracovní produkce nanomateriálů není hlavním cílem (svařování, mechanické zpracování kovů, spalovací procesy atd.) přeprava, - souvisí přímo s používáním nanomateriálů (výroba, skladování) Parametry ovlivňující pracovní expozici: charakter nanomateriálů (prášek, suspenze, gel atd.), metody použité k syntéze (mechanické procesy, kapalná nebo plynná fáze), množství, se kterým se nakládá, doba, frekvence prací, míra uvolňování produktů do ovzduší, používání osobních ochranných pomůcek atd.

15 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Potenciálně významný zdroj úniku nanomateriálů do prostředí == nanotextilie, textilie s integrovanými nanočásticemi. - Prokázáno uvolňování některých nanočástic z textilních vláken během běžného používání např. nanoag. - K uvolnění ENM z vlákenných materiálů pravděpodobně nedochází, pokud ENM zůstávají navázány v polymeru nebo matrici, ale situace se mění, pokud dojde k poškození matrice při zpracování, recyklaci nebo v případě, kdy se výrobec ocitne na konci svého životního cyklu a stává se odpadem a je buď skladován nebo spálen.

16 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Silver Nanoparticles on Fibers. částice stříbra na PES vláknech

17

18 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Dávka množství látky, které pronikne do organismu Podprahová dávka množství toxické látky, které ještě nevyvolá pozorovatelnou změnu. Testy in-vitro na buněčných (tkáňovách) kulturách V současné době se již podařilo stanovit bezpečnostní dávky pro určité nanomateriály.

19 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Jednorázová akutní expozice (látka pronikne do organismu pouze jednou), subakutní (4 týdny), Subchronickou (doba od 1 do 3 měsíců), Chronickou (déle než 3 měsíce) Celoživotní Při opakované expozici frekvence

20

21 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Místo - Kudy pronikne nanočástice do organismu Nanočástice mohou vnikat do organismu skrz: PLÍCE (krevní oběh mozek) KŮŽI (lymfatický systém) OČI, NOS (mozek) TRÁVÍCÍ TRAKT (krevní oběh) Intravenózně (vpichem do krve)

22 Nanočástice mohou vnikat do organismu skrz: PLÍCE (krevní oběh mozek) KŮŽI (lymfatický systém) OČI, NOS (mozek) TRÁVÍCÍ TRAKT (krevní oběh) Mechanismy ochrany v dýchací soustavě jsou překonány částicemi cca 10-20nm projdou až k plicním sklípkům. Částice 5-10nm projdou z plic až do krve. Kůže opalovací krémy oxid titaničitý (cca 100nm) NE zdravou pokožkou Nos, oči místo kde cítíme pachy je vzdáleno od možku jen 2mm

23 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Místo - Kudy pronikne nanočástice do organismu

24 Kontakt spotřebitele s produkty - expozice, dávka, doba expozice, příjem nanočástic Místo - Kudy pronikne nanočástice do organismu Mechanismy ochrany v dýchací soustavě jsou překonány částicemi cca 10-20nm projdou až k plicním sklípkům, dle některých zdrojů i frakce menší než 5 mikrometrů. Částice 5-10nm projdou z plic až do krve. Kůže opalovací krémy oxid titaničitý (cca 100nm) NE zdravou pokožkou Nos, oči místo kde cítíme pachy je vzdáleno od mozku jen 2mm

25

26 Mechanismy toxického účinku nanočástic GENOTOXICITA je schopnost chemických látek pozměnit genetický materiál buňky (Xie a kol. 2011) OXIDATIVNÍ STRES Za příznivých podmínek existuje v organismu rovnováha mezi reaktivními formami kyslíku a antioxidanty. Tato rovnováha je považována za jeden z parametrů homeostáze, neboť redoxní stav ovlivňuje celou řadu signálních molekul ( SH skupiny, NO). Pokud je tato rovnováha z nějakého důvodu porušena, vzniká tzv. oxidativní stres, který představuje porušení rovnováhy mezi vznikem a odstraňováním reaktivních forem kyslíku). Tento stav je vyvolán zvýšenou tvorbou kyslíkových radikálů nebo snížením kapacity antioxidativního systému. ODEZVOU MŮŽE BÝT ZÁNĚT

27 OXIDATIVNÍ STRES A NANOMATERIÁLY Základní vlastnosti pro charakterizaci nanomateriálů jsou: rozměr (včetně jeho distribuce), tvar, morfologická substruktura substance. Mezi další charakteristiky patří: chemické složení, rozpustnost, velikost povrchu, koncentrace částic, povrchové vlastnosti (složení, náboj, adsorbované biomolekuly), přítomnost znečištění, rezidua katalyzátorů lipofilita hydrofobicita (jsou důležitým ukazatelem pro distribuci a akumulaci ve tkáních), biodegrabilita a persistence.

28 Nanočástice stříbra GENOTOXICITA Obdobně jako nanočástice zlata se liší od své konvenční formy také nanočástice stříbra. Tyto nanočástice představují v současné době nejvíce komercializovaný nanomateriál, často používaný ve spotřebitelských produktech (Xie a kol. 2011). Nanočástice stříbra se vyznačují nažloutlou barvou, antibakteriálními vlastnostmi a mnohem vyšším potenciálem vyvolat oxidativní stres a zánětlivou reakci v organismu (Singh a kol. 2009). V buňce jsou nanočástice stříbra distribuovány přes cytoplazmu do lysozómů a do jádra. Mohou být genotoxické a potenciálně indukovat chromozómové aberace, tvorbu mikrojader, vznik DNA aduktů a zlomy DNA řetězců. Buňky po poškození DNA indukovaném nanočásticemi stříbra patrně zastavují buněčný cyklus v G2/M fázi kvůli opravě DNA před segregací chromozómů (Xie a kol. 2011). Dle výsledků z in vivo studií mohou nanočástice stříbra ovlivnit všechny hlavní orgány v těle (Stensberg a kol. 2011). Stejně jako v případě jiných studií zaměřených na studium genotoxicity nanočástic (viz dále) i u studií týkajících se nanočástic stříbra nejsou publikované výsledky jednotné. K tomuto nesouladu může přispívat fakt, že v publikovaných studiích byly použity různé buněčné linie, způsoby přípravy nanočástic nebo velikost testovaných částic (Xie a kol. 2011). Podrobnější údaje o studiích a výsledcích cytotoxicity a genotoxicity nanočástic stříbra jsou uvedeny např. (Singh a kol. 2009, Stensberg a kol. 2011, Xie a kol. 2011). silver colloid made by laser ablation of silver in acetone er-generated-silver

29 Genotoxicita fullerenů Jedná se o nanočástice složené z čistého uhlíku, jejichž přítomnost je prokázána v prostředí, kde dochází k nedokonalému spalování paliv a toluenu vyrobeného v laboratoři. Fullereny byly rovněž nalezeny v geologických vzorcích starých několik miliard let (Singh a kol. 2009). Nyní jsou fullereny používány v kosmetickém průmyslu (omlazovací krémy) (Lorenz a kol. 2010) a dále jsou vyvíjeny aplikace pro klinickou medicínu (Singh a kol. 2009). Fullereny fungují jako lapače pro volné radikály a vykazují antioxidační vlastnosti. Jsou patrně méně toxické než saze nebo nanočástice pocházející z dieslových motorů. Fullereny jsou schopné indukovat produkci ROS s následným potenciálním poškozením DNA přes mechanimus vzniku oxidativního stresu. Mohou tvořit komplexy s DNA (v systémech bez buněk), indukovat zlomy DNA řetězce, mutagenitu a poškození chromozómů (Singh a kol. 2009). I přes tyto výsledky jsou další údaje v literatuře z hlediska genotoxicity rozporuplné, a to z důvodů uvedených u výše popsaných nanomateriálů různá délka expozičního času, příprava nanomateriálů, typ buněk a ve zmiňovaných studiích rovněž chybí fyzikálně-chemická charakterizace nanočástic. Z výše uvedených údajů je velmi obtížné jednoznačně zobecnit účinky těchto nanomateriálů (Singh a kol. 2009).

30 Nanočástice reakce organismu - Prokázáno, že fullereny reagují s DNA (kyselinou nukleovou) - vede k poruše vnitřní signalizace buňky chová se jako zanícená -Nanočásti ce se přiblíží k proteinu (v. d. Wallsovy síly) obnaží se část proteinu, která byla do teď organismu ukryta a nastává autoimunitní reakce.

31 Genotoxicita vláknitých nanomateriálů Uhlíkaté nanotrubice, nanovlákna, nanodráty a nanotyčky jsou velmi významné pro materiálové vědy pro využití v průmyslových a medicínských aplikacích a také ve spotřebitelských výrobcích. Nanotrubice o průměru několika nanometrů a délce několika mikrometrů mohou v některých ohledech následovat pravidla, která byla již zavedena pro působení azbestových vláken ukládajících se v plicích. Azbestová vlákna se vzájemně liší svou schopností vyvolat poškození plic včetně genotoxicity a karcinogenity. Tyto vlastnosti závisejí na tloušťce a délce vláken a také na jejich biopersistenci v plicích. Délka a průměr vláknitých nanomateriálů je stejně jako u azbestových vláken klíčovým faktorem v genotoxicitě těchto nanomateriálů a měla by být vždy uvedena ve studiích zaměřených na testování genotoxicity těchto nanomateriálů (Singh a kol. 2009).

32 Z minulosti problémy s ultrajemnými částicemi a) Azbestová vlákna vlákna průměru menšího než 3 mikrometry = výborné aerodynamické vlastnosti; vlákna délky větší než 15 mikrometrů nemohou být zlikvidovány makrofágy (buňkami imunitního systému)

33 Uhlíkové nanotrubice - genotoxicita Výsledky týkající se genotoxicity uhlíkatých nanotrubic jsou zatím dosti protichůdné některé studie prokázaly cytotoxické působení jednostěnných i mnohostěnných CNT na několik buněčných typů, jiné studie ukazují nízkou nebo nevýznamnou buněčnou odpověď. U jednostěnných uhlíkatých nanotrubic byl prokázán nejen jejich průnik do buněk, ale také jejich lokalizace v jádře. Panuje tedy obava z jejich genotoxického působení. U mnohostěnných CNT bylo prokázáno, že způsobují nejen obdobnou zánětlivou odpověď jako azbestová vlákna, ale také tvorbu granulomat in vivo po intraperitoneálním podání, dále vývoj mezotheliomy in vivo v dlouhodobějších studiích po intraperitoneální dávce. Mnohostěnné CNT mají pravděpodobně karcinogenní potenciál, ale jeho mechanismus zatím není zcela znám. Uhlíkaté nanotrubice rovněž často obsahují nečistoty v podobě kovů a jejich sloučenin, které se rovněž mohou podílet na potenciální genotoxicitě těchto materiálů. Za centrální faktor toxicity CNT jsou považovány jejich fyzikálně-chemické vlastnosti, dále rigidita a vlastnosti povrchu (Fubini a kol. 2011, Johnston a kol.2010).

34 Snímek dokazující, že uhlíková nanotrubice je schopna procházet do lidské buňky.

35 Makrofága nepřijme čistou uhlíkovou nanotrubici ale přijme uhlíkovou nanotrubici zabalenou do fosfolipidů. Fosfolipidy patří mezi tuky (tedy lipidy) obsahující fosfor a jsou hlavní částí všech buněčných membrán. Část fosfolipidu je hydrofilní (smáčivá), opačná část je hydrofobní (nesmáčivá, mastná).

36 Potvrzená přirozená biodegradace SWNT skrze enzymatickou katalýzu In the work, they have shown the natural biodegradation of single-walled carbon nanotubes through enzymatic catalysis. Např.: B. L. Allen, G. P. Kotchey, Y. Chen, N. V. K. Yanamala, J. Klein-Seetharaman, V. E. Kagan, and A. Star* J. Am. Chem. Soc. 2009, 131,

37 Toxicita ultrajemných částic i nanočástic závisí hlavně na: A)Počtu (celkové ploše povrchu) nanočástic v těle B)Chemické reaktivitě nanočástic

38 PROČ SE OBÁVAT PROČ SE NEOBÁVAT -Vysoká mobilita nanočástic -Chybí spolehlivé mechanismy detekce -Vlastnosti nanomateriálů se velmi těžko předvídají -Nejsou dlouhodobé zkušenosti -Stabilita v roztocích -Vysoká ochota a tendence k agregaci - slukování Společenské aspekty nanotechnologií Postoj veřejnosti je nejistý př. geneticky modifikované výrobky

39 Neexistují jednoznačné normy či standardy jak nové nanomateiály na zdravotní rizika TESTOVAT! Záleží na každém jak se bude informovat a chránit! Netýká se to jen nanotrubic ale i elektrostaticky zvlákněných nanovláken pokud: - Nejsou vyrobena z materiálů, které jsou biodegradabilní v plicní tekutině -Jsou křehká a vlákenná vrstva se rozpadá, láme, oddělují se části vláken atd.

40 TESTY POLYMERNÍCH VLÁKEN Nanovlákna (polymerní) se podrobují rozpustnosti v destiované vodě upravené pomocí TRIS (tris(hydroxymetyl)aminometán) a HCl na hodnotu 7,4. Tento korozní roztok může v prvním přiblížení simulovat prostředí extracelulární plicní tekutiny.

41 RIZIKA PŘI ELEKTROSTATICKÉM ZVLÁKŇOVÁNÍ Toxická rozpouštědla! Dimetylformamid, dichlormetan, dichloretan, chloroform, hexafluoropropanol

42 Testování nanomateriálů zdravotní rizika Rizika při zpracování uhlíkových nanotrubic, rizika při výrobě elektrostaticky zvlákněných nanovláken z nevodných roztoků, atd. Nanotechnologie jako nový obor přináší s sebou i nová rizika!!!

43 Testování nanomateriálů zdravotní rizika Označení máme, ale je zřejmé jak testovat rizika nanomateriálů (včetně nanovláken)?

44 Shrnutí Textilní nanomateriály Nanovlákna (1D nanomateriály) Pouze syntetická vlákna! Povrchové úpravy vlákenných materiálů v měřítku nanometrů Polymerní nanovlákna Anorganická vlákna plazma Tenké filmy Elektrostatické zvlákňování Uhlíková nanovlákna - nanotrubice Zdravotní rizika

45 Děkuji za pozornost! Sportovní den rektorské volno předtermín nebo přednáška na požadované téma (téma prosím sdělte na do