Nanotechnologia: następna wielka rzecz, czy wiele hałasu o nic?

Abstrakt

Nanotechnologia obejmuje coraz bardziej wyrafinowaną zdolność manipulowania materią w nanoskali, co skutkuje nowymi materiałami, produktami i urządzeniami, które wykazują nowe i niezwykłe zachowanie. Chociaż powstające nanotechnologie mają ogromny potencjał dobry, rosną obawy, że te same cechy, które czynią je atrakcyjnymi, doprowadzą również do nowych zagrożeń dla zdrowia ludzkiego. Dotychczasowe badania sugerują, że niektóre celowo wytworzone nanomateriały będą stanowić zagrożenie w oparciu o ich strukturę – a także ich chemię – co stanowi wyzwanie dla wielu konwencjonalnych podejść do oceny ryzyka i zarządzania nim. Osoby zaangażowane w produkcję i wykorzystanie tych materiałów muszą wiedzieć, jakie są zagrożenia i jak nimi zarządzać, jeśli mają powstać bezpieczne firmy oparte na nanotechnologii. Jednak wyzwania stojące przed społecznością zajmującą się higieną pracy w zakresie zapewnienia bezpiecznych nanomiejsc pracy są znaczne. Obecnie wiemy wystarczająco dużo, aby sugerować, że niektóre wytworzone nanomateriały będą stwarzać nowe i nietypowe zagrożenia, ale jest bardzo mało informacji na temat tego, w jaki sposób można je identyfikować, oceniać i kontrolować. Wiele nanomateriałów jest obecnie produkowanych i wykorzystywanych. Dobre praktyki higieny pracy i istniejąca wiedza na temat pracy z substancjami niebezpiecznymi stanowią użyteczną podstawę do bezpiecznej pracy z nanomateriałami. Jednak tam, gdzie istniejąca wiedza zawodzi, potrzebne są nowe badania, aby wypełnić luki: muszą one być strategicznie zarządzane i ukierunkowane na rozwiązywanie konkretnych problemów w odpowiednim czasie. Niepodjęcie tych kroków ostatecznie doprowadzi do zagrożenia zdrowia ludzi i upadku pojawiających się nanotechnologii. Jednak dzięki dalekowzroczności, solidnej nauce i badaniom strategicznym mamy możliwość zapewnienia, że powstające nanotechnologie są tak bezpieczne, jak to tylko możliwe, a jednocześnie osiągają swój pełny potencjał.

WPROWADZENIE

Nanotechnologia jest wyraźnie pojęciem, którego czas nadszedł. Pięć lat temu niewiele było wiadomo o tej technologii poza kręgami specjalistów. Jednak obecnie jest on promowany w prasie naukowej i popularnej jako wielki przełom technologiczny, zwiastujący kolejną rewolucję przemysłową. Naukowcy i programiści rozmawiają o tym, w jaki sposób nanotechnologia może zostać wykorzystana do opracowania lżejszych, mocniejszych materiałów, lepszych baterii i ulepszonych ogniw słonecznych w najbliższym czasie (tylko kilka z wielu przykładów), z zastosowaniami takimi jak ukierunkowane leczenie raka, mikroskopijne czujniki, a nawet urządzenia naśladujące życie w połowie i odległej przyszłości. Entuzjazm ten jest wspierany przez poważne finansowanie badań i rozwoju przez rząd i przemysł – szacowane na prawie 10 miliardów dolarów na całym świecie w 2005 r. (Lux Research, 2006a). Jednocześnie rosną obawy, że nowe nanotechnologie spowodują nowe zagrożenia dla zdrowia ludzkiego i środowiska, z którymi nie jesteśmy dobrze przygotowani (Maynard, 2006b).

Poprzednia rewolucja przemysłowa nauczyła nas wielu trudnych lekcji o tym, jak szybki postęp technologiczny może wpłynąć na społeczeństwo. Mimo to zapobieganie chorobom i urazom powodowanym przez procesy przemysłowe i produkty mające swoje korzenie w rewolucji przemysłowej nadal stanowi wiele wyzwań. Stosunkowo nowe technologie, takie jak energia jądrowa i organizmy modyfikowane genetycznie, doprowadziły do wzrostu sceptycyzmu w społeczeństwie co do zdolności przemysłu i rządów do zapewnienia im bezpieczeństwa. A zdolność ludzi do decydowania, które technologie odnoszą sukces, a które nie – czy to w oparciu o rzeczywiste, czy postrzegane ryzyko – stała się znaczącym czynnikiem (Renn, 2005).

Na tym tle pojawia się nanotechnologia. Wczesne obawy dotyczące możliwych zagrożeń związanych z niekontrolowanym postępem technologicznym zostały wyrażone przez grupy społeczeństwa obywatelskiego, takie jak Grupa Europejskiej współpracy terytorialnej i Green Peace (Arnall, 2003; Grupa ETC, 2003). W 2004 roku Royal Society i Royal Academy of Engineering opublikowały przełomowy raport dotyczący możliwości i potencjalnych wyzwań związanych z różnymi nanotechnologiami (The Royal Society i The Royal Academy of Engineering, 2004). Od tego czasu pojawił się stały strumień raportów i dokumentów od grup obejmujących środowisko akademickie, rząd, organizacje pozarządowe i przemysł, które rozważają niebezpieczeństwa związane z nierównoważeniem korzyści płynących z pojawiających się nanotechnologii z potencjalnymi i nowatorskimi zagrożeniami (Hett, 2004; Chemical Industry Vision 2020 technology Partnership i SRC, 2005; Dennison, 2005; WE, 2005; UPG, 2005; Oberdörster et al., 2005a; Maynard, 2006a).

Czy obietnice nanotechnologii i potencjalne zagrożenia są realne? A może obecna fala zainteresowania to niewiele więcej niż szum? I jak powinna zareagować społeczność zajmująca się higieną pracy, ponieważ reprezentuje i chroni pierwszą linię ludzi, którzy muszą stawić czoła ewentualnym zagrożeniom? Krótko mówiąc, czy nanotechnologia to kolejna wielka rzecz, czy wiele hałasu o nic? Aby odpowiedzieć na te pytania, należy wrócić do podstaw i solidnej nauki: aby zapytać, czym jest nanotechnologia, jakie istnieją dowody na nowe zagrożenia i jak powinniśmy na nie reagować.

NANOTECHNOLOGIA — KRÓTKI PRZEGLĄD

Słynny fizyk i laureat Nagrody Nobla Richard Feynman jest prawdopodobnie pierwszą osobą, której przypisuje się wizję dostrzeżenia potencjału pracy w nanoskali. W wykładzie w Kalifornijskim Instytucie Technologii w 1959 roku zatytułowanym "There's plenty of space at the bottom" postulował, że możliwość manipulowania atomami i cząsteczkami do woli otworzy nowe drogi technologii. Jego zdaniem:

Zasady fizyki, o ile widzę, nie przemawiają przeciwko możliwości manewrowania rzeczami atom po atomie. Nie jest to próba naruszenia jakichkolwiek praw: jest to coś, co w zasadzie można zrobić; Ale w praktyce nie zostało to zrobione, ponieważ jesteśmy zbyt duzi. (Feynman, 1959)

Feynman dostrzegł potencjał tej skali inżynierii, ale nie miał narzędzi, aby ją urzeczywistnić. Pojawiły się one ponad 20 lat później, wraz z opracowaniem i zastosowaniem skaningowego mikroskopu tunelowego do przemieszczania pojedynczych atomów na podłożu. W 1990 roku Eigler i Schweizer opublikowali kultowy obraz logo IBM – napisany na niklowym podłożu przy użyciu zaledwie 35 atomów ksenonów (Eigler i Schweizer, 1990). Dziesięć lat później naukowcy w tym samym laboratorium zademonstrowali zdolność do konstruowania grup atomów zdolnych do zrobienia czegoś, przy użyciu tej samej techniki (Manoharan i in., 2000). W tym przypadku zademonstrowali zdolność do zmiany gęstości elektronów w jednym ognisku eliptycznej zagrody atomów kobaltu na miedzianym podłożu, umieszczając pojedynczy atom w przeciwległym punkcie ogniskowym elipsy.

Postępy w mikroskopii sond skaningowych, mikroskopii elektronowej i innych technikach analitycznych pomogły pobudzić naukę i technologię opartą na manipulowaniu materią w skali zbliżonej do atomowej. Na bardzo podstawowym poziomie umożliwiło to badanie i badanie struktury materiałów oraz opracowanie nowych materiałów o właściwościach zależnych od nanostruktury. Być może najbardziej znanym z "nowych" nanomateriałów były nanorurki węglowe – odkryte w 1990 roku (Bethune et al., 1993; Iijima, 1991). Jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT) są w istocie pojedynczym arkuszem grafitu (grafenu), owiniętym w rurkę o średnicy ∼1,5 nm (rys. 1). Ta unikalna konfiguracja atomowa prowadzi do powstania materiału o wyjątkowo wysokim stosunku wytrzymałości do masy; który jest doskonałym przewodnikiem cieplnym; który jest wysoce przewodzący prąd elektryczny, a jednak może być izolatorem lub półprzewodnikiem, jeśli konfiguracja atomowa zostanie nieznacznie zmieniona.

Wiele innych materiałów wykazuje unikalne właściwości, które zależą od ich nanostruktury. Obejmują one fluorescencję zależną od wielkości w półprzewodnikach, takich jak selenek kadmuimu, ze względu na uwięzienie kwantowe, zmienione właściwości optyczne w nanoskali TiO₂ oraz cały szereg zachowań zależnych od powierzchni i chemii powierzchni w szerokim zakresie materiałów. Są to jednak stosunkowo proste nanomateriały. Obecne badania prowadzą do opracowania bardziej wyrafinowanych i heterogenicznych materiałów i urządzeń - w oparciu o rosnącą zdolność do projektowania funkcjonalności w nanoskali (Roco, 2004). Na przykład opracowywane są wieloskładnikowe nanocząsteczki do leczenia raka, które będą miały zdolność przyłączania się do chorych komórek, umożliwiania śledzenia ich pozycji i niszczenia komórki, pozostawiając otaczającą tkankę nienaruszoną, gdy zostanie to zasygnalizowane (National Cancer Institute, 2004). Dalej istnieje zainteresowanie replikacją funkcji biologicznych za pomocą zmodyfikowanych cząsteczek i systemów. Na przykład naukowcy z Rice University w Houston opracowali "nano-samochody" - cztery cząsteczki węgla-60 (koła) połączone cząsteczkami organicznymi (podwozie), które wykazują ruch kierunkowy na powierzchni (Shirai et al., 2005). Są one postrzegane jako dowód koncepcji dla "transporterów nanoskali", zdolnych do przemieszczania materiałów w kontrolowany sposób w nanoskali.

Patrząc dalej w przyszłość, idea budowania materiałów i urządzeń od dołu do góry - cząsteczka po cząsteczce - od dawna jest celem nanotechnologii. Idea "produkcji molekularnej" została szeroko zbadana przez Erica Drexlera w 1980 roku (Drexler, 1986) i jest postrzegana przez wielu jako sposób naśladowania systemów organicznych poprzez inżynierię nanoskalową. Wielu jest sceptycznie nastawionych do tego, czy kiedykolwiek będzie możliwa taka kontrola nad atomami i cząsteczkami, że będziemy mogli ich użyć do budowy nowych chemikaliów, materiałów i urządzeń na zamówienie. Niemniej jednak koncepcja ta pobudziła szeroko zakrojone badania. Zrodziło to również obawy przed naukowcami tworzącymi "szarą mazię" samoreplikujących się "nanobotów", które mogą stać się niekontrolowanym czynnikiem destrukcyjnym. Obawy te wydają się jednak nieuzasadnione w świetle obecnego, a nawet przewidywanego rozwoju nauki i technologii w nanoskali.

Z tego bardzo krótkiego przeglądu powinno jasno wynikać, że nanotechnologia jest pojęciem tak różnorodnym, co mglistym. Pod wieloma względami nanotechnologia bardziej reprezentuje sposób myślenia lub robienia rzeczy niż technologia dyskretna. A to sprawia, że szczególnie trudno jest omówić potencjalne zagrożenia w kategoriach ogólnych. Nie ma sensu porównywać, na przykład, ryzyka dla zdrowia mikroskopu elektronowego (narzędzie oparte na nanotechnologii) z ryzykiem dla zdrowia związanym z wolnym SWCNT (materiał nanotechnologiczny); lub wpływ na środowisko nanoelektronicznych urządzeń drukujących (proces oparty na nanotechnologii) z niezwiązanymi nanocząstkami TiO₂.

Niemniej jednak merytoryczna dyskusja na temat nanotechnologii i ryzyka musi rozpocząć się od jakiejś praktycznej definicji. Amerykańska Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna (NNI) definiuje nanotechnologię jako

zrozumienie i kontrola materii w wymiarach od około 1 do 100 nanometrów, gdzie unikalne zjawiska umożliwiają nowe zastosowania. (NSET, 2004)

W swoim raporcie z 2004 roku Royal Society i Royal Academy of Engineering były nieco bardziej precyzyjne, oddzielając definicje nanonauki od tego, co nazywali "nanotechnologiami":

Nanonauka to badanie zjawisk i manipulacji materiałami w skali atomowej, molekularnej i makromolekularnej, gdzie właściwości różnią się znacznie od tych w większej skali.

Nanotechnologie to projektowanie, charakteryzowanie, produkcja i stosowanie struktur, urządzeń i systemów poprzez kontrolowanie kształtu i rozmiaru w skali nanometrowej. (The Royal Society i The Royal Academy of Engineering, 2004)

Decyzja o zastosowaniu "nanotechnologii" zamiast "nanotechnologii" została podjęta w celu odzwierciedlenia zróżnicowanego i interdyscyplinarnego charakteru technologii.

Z powyższych przykładów i definicji jasno wynika, że nanotechnologie mają trzy wspólne cechy: Efektem końcowym są produkty, które wykazują właściwości i osiągają wyniki, które nie są możliwe lub łatwe do osiągnięcia przy użyciu konwencjonalnych technologii. I to jest kluczowe dla pytań dotyczących nowych zagrożeń: czy te same właściwości i zachowania prowadzą do nowych zagrożeń; ryzyka, które być może nie są odpowiednio identyfikowane i zarządzane przy użyciu obecnych podejść?

• Kontrola – zdolność do umieszczania małych ilości materii tam, gdzie jest ona potrzebna.

• Wykorzystanie – wykorzystanie tej zdolności do jakiegoś praktycznego celu.

• Wizualizacja — wykrywanie, gdzie materiał jest umieszczony i jak jest skonfigurowany w nanoskali.

Byłoby to pytanie akademickie, gdyby nie szybka i nieunikniona komercjalizacja nanotechnologii. Już teraz inwestycje w badania i rozwój doprowadziły do wejścia na rynek globalny ponad 300 rzekomo opartych na nanotechnologii produktów konsumenckich (PEN, 2006) (rys. 2). Obejmują one chipy komputerowe, artykuły sportowe i odzież, kosmetyki i suplementy diety. Stanowią one widoczny wierzchołek nanotechnologicznej góry lodowej. Szacuje się, że do 2014 r. globalna wartość produktów nanotechnologicznych przekroczy 2,5 bln USD (Lux Research, 2004).

Obecność wytworzonych nanomateriałów w miejscu pracy stanowi obecnie bezpośrednie wyzwanie dla skutecznego zarządzania bezpieczeństwem i higieną pracy. Niedawny raport Lux Research podkreślił, jak ważne jest, aby przemysł opracowujący produkty oparte na nanotechnologii reagował zarówno na rzeczywiste, jak i postrzegane zagrożenia dla środowiska, zdrowia i bezpieczeństwa, jeśli mają przetrwać (Lux Research, 2006b). A jednak wciąż niewiele wiadomo na temat tego, jakie mogą być bezpośrednie zagrożenia lub jak sobie z nimi radzić. Jeszcze mniej wiadomo na temat tego, w jaki sposób możemy przewidywać i zarządzać ryzykiem związanym z nowymi technologiami w nadchodzących latach.

WYTWORZONE NANOMATERIAŁY A ZAGROŻENIE DLA ZDROWIA

Chociaż zastosowania nanotechnologii są niezwykle zróżnicowane, istnieje wspólny wątek – chęć wykorzystania zależnych od skali właściwości nanostruktur w celu ulepszenia istniejących produktów i tworzenia nowych produktów. Nigdy nie będzie jednego uniwersalnego podejścia do bezpiecznej pracy z nanotechnologiami i nanomateriałami w miejscu pracy, ale ten związek między strukturą a funkcjonalnością stanowi przydatny uchwyt do rozpoczęcia badania zagrożeń dla zdrowia w miejscu pracy. Znaczenie struktury – a także chemii – w nanomateriałach inżynieryjnych zostało wymownie wykazane w badaniach profesora Z. L. Wanga (Wang et al., 2004). Rysunek 3 pokazuje mikrofotografie wielu celowo wykonanych materiałów nanostrukturalnych. W każdym przypadku chemia jest taka sama (ZnO), ale forma fizyczna jest bardzo różna. Struktura, a także chemia, w nanoskali określi zachowanie tych materiałów, w podobny sposób, w jaki zarówno struktura, jak i chemia określają właściwości produktów inżynieryjnych w skali makro - w tym wszystkiego, od proszków po narzędzia ręczne i budynki. W widocznej skali oczywiste jest, że struktura i chemia działają razem, aby produkt działał; Niebezpieczeństwo polega na tym, że ignorujemy to samo skojarzenie, gdy nie możemy fizycznie zobaczyć nanoinżynieryjnego materiału lub produktu.

Koncepcja, że zarówno chemia, jak i struktura są ważne w określaniu ryzyka dla zdrowia, nie jest nowa w higienie pracy: choroby płuc wynikające z narażenia na aerozol są związane na przykład z wielkością i składem cząstek (Maynard i Baron, 2004). W skrajnym przypadku azbest stanowi substancję, w której zarówno chemia, jak i struktura współdziałają w celu skonstruowania wysoce niebezpiecznego materiału w płucach: zmieniają skład lub morfologię, a zagrożenie jest zmniejszone.

Jeśli mamy zająć się potencjalnymi zagrożeniami stwarzanymi przez wytworzone nanomateriały, należy opracować i zastosować tę koncepcję struktury i chemii działających razem w celu określenia wpływu. Jednak pierwszym krokiem jest sprawdzenie jego ważności. Rozważmy na przykład następującą hipotezę:

Istnieje zależność między strukturą fizyczną i chemiczną wytworzonych nanomateriałów a zagrożeniem dla zdrowia, jakie stanowią.

Hipoteza wynika z powyższej dyskusji na temat znaczenia struktury i chemii. Bez walidacji jest to niewiele więcej niż interesująca dywersja. Istnieją jednak opublikowane badania, które pozwalają nam zacząć badać jego wartość.

Po pierwsze, rozważ rolę wielkości cząstek – podstawowy parametr strukturalny wielu nanomateriałów – i jego znaczenie dla potencjalnego wpływu niezwiązanych cząstek w skali nanometrowej na zdrowie (tj. cząstek w skali nanometrowej, które nie są silnie związane w stałej matrycy). Wdychane nierozpuszczalne cząstki osadzające się w okolicy pęcherzyków płucnych są zwykle usuwane przez fagocytozę i usuwanie ruchomych schodów śluzowo-rzęskowych; Translokacja do krwioobiegu lub układu limfatycznego i poza nim nie jest uważana za zwykłą ścieżkę klirensu. Czy zmienia się to przy małych średnicach cząstek? Kreyling i wsp. przeprowadzić badania translokacji nanocząstek z płuc szczurów, stosując ¹⁹²Cząstki podczerwieni, które są zarówno nierozpuszczalne, jak i łatwe do śledzenia (Kreyling et al., 2002). Wprowadzając cząstki o średnicy 80 nm do płuc zwierząt, odkryli znaczną masę materiału przemieszczającego się do wątroby. Jednak wskaźniki translokacji były niskie – rzędu 0,1%. Kiedy eksperyment powtórzono z cząstkami o średnicy 15 nm, wskaźniki translokacji były znacznie wyższe - od 0,3 do 0,5%. Chociaż wciąż niskie, dane zdecydowanie sugerują, że dyskretne nanometrowe cząstki mogą opuścić płuca niekonwencjonalną drogą.

Patrząc na inną część układu oddechowego, ostatnie badania z wykorzystaniem gryzoni sugerują, że osadzone dyskretne nanometrowe cząstki są zdolne do transportu z okolicy nosa dróg oddechowych do mózgu, przez opuszkę węchową, omijając w ten sposób barierę krew-mózg (Oberdörster i in., 2004; Elder et al., 2006). Chociaż nie jest wcale pewne, że ta zależna od wielkości cząstek droga narażenia jest znacząca u ludzi, podnosi ona szereg intrygujących możliwości przy badaniu możliwych związków między ekspozycją a chorobą.

Pozostając przy wielkości cząstek, ale przenosząc się na zewnątrz ciała, skóra jest tradycyjnie uważana za zapewniającą wysoce skuteczną barierę przed cząstkami. Jednak włączenie nanometrowych cząstek do kosmetyków i filtrów przeciwsłonecznych w ostatnich latach doprowadziło do tego, że założenie to zostało poddane pewnej analizie. Większość badań popiera ideę, że zdrowa, nienaruszona skóra działa jako dobra bariera – nawet dla nanocząstek (Lademann i in., 1999; Tsuji i in., 2006). Jednak badania wykazały potencjał cząstek submikrometrowych do penetracji zewnętrznych warstw mechanicznie zgiętej skóry w testach laboratoryjnych (Tinkle et al., 2003). Niedawno wykazano, że kropki kwantowe selenku kadmu o średnicy 4,6 nm (stosowane ze względu na ich wysoką wydajność fluorescencji i dobrze określony rozmiar) są zdolne do przenikania do skóry właściwej w próbkach skóry (Ryman-Rasmussen i in., 2006). Ale tutaj jest zastrzeżenie: penetracja zależała od formuły zawierającej kropki kwantowe, a także od wielkości i ewentualnie kształtu cząstek. Innymi słowy, cząstki o średnicy nanometrowej mogą być w stanie przeniknąć przez skórę, gdzie większe cząstki nie mogą, ale prawdopodobieństwo penetracji będzie zależeć od chemii, a także wielkości.

Wracając do płuc, badania z 1990 roku rzuciły ważne światło na zachowanie nanostrukturalnych cząstek w układzie oddechowym. Oberdörster i wsp. wystawiły szczury na dwie różne wielkości cząstek TiO₂ poprzez instalację wewnątrztrachialną i zmierzyły odpowiedź zapalną (Oberdörster i in., 1994). Chemia była na tyle podobna między dwoma wielkościami cząstek (cząstki o średnicy 25 nm i cząstki o średnicy 250 nm), aby oczekiwać tej samej zależności dawka-odpowiedź w funkcji zaszczepionej masy w każdym przypadku. Zamiast tego wykazano, że mniejsze nanometrowe cząstki są znacznie silniejsze dla danej masy. Najwyraźniej odpowiedź była związana z wielkością cząstek.

Piękno tych eksperymentów polegało na tym, że ponieważ zastosowano cząstki monodyspersyjne, wyniki można było ponownie zbadać pod względem różnych wskaźników ekspozycji. Wykreślenie odpowiedzi zapalnej jako powierzchni cząstek stałych w płucach szczurów - parametr związany ze strukturą materiału - wykazało zależność pojedyncza dawka-odpowiedź dla dwóch rozmiarów cząstek (Oberdörster, 2000). Innymi słowy, odpowiedź nie była dobrze scharakteryzowana przez samą chemię (reprezentowaną przez masę), ale przez strukturę cząstek (reprezentowaną przez pole powierzchni w tym przypadku).

Pomimo wyraźnych dowodów na związek między reakcją zapalną a strukturą cząstek w tym przypadku, naiwnością byłoby ignorowanie możliwego znaczenia chemii. Co się stanie, jeśli chemia powierzchni cząstek zostanie zmieniona – czy potencjał zagrożenia pozostanie taki sam, wzrośnie czy zmniejszy się? Porównanie odpowiedzi zapalnej na stosunkowo obojętne nierozpuszczalne materiały, takie jak TiO₂ i BaSO₄, z kwarcem krystalicznym wyraźnie pokazuje, że chemia powierzchni, jak również struktura, ma ważną rolę do odegrania (Maynard i Kuempel, 2005). W tym przypadku kwarc krystaliczny jest wyraźnie silniejszy niż ta sama powierzchnia TiO₂ lub BaSO 4 w płucach szczurów (ryc. 4).

Ostatni dowód, który należy tutaj rozważyć, dotyczy znaczenia struktury w bardziej złożonych materiałach w określaniu odpowiedzi biologicznej w płucach. SWCNT mają swoją odrębną morfologię, ale także łączą się w złożone większe struktury. Badania oceniające pogrubienie tkanek w płucach myszy wykazały unikalną odpowiedź na oczyszczone agregaty SWCNT. Ale wskazali również reakcję specyficzną dla struktury. Oczyszczony materiał SWCNT wprowadzony myszom poprzez aspirację gardłową wykazał szybkie pogrubienie tkanki w bliższych i dalszych obszarach płuc, przy dawkach tak małych jak 20 μg na mysz (Shvedova i in., 2005). Histopatologia odcinków płuc za pomocą mikroskopii świetlnej zidentyfikowała pogrubienie tkanki ziarniniakowatej w bliższych obszarach z widocznymi zwartymi agregatami SWCNT; Nie wykryto takich agregatów w dystalnej tkance wyrostka zębodołowego, która również wykazywała znaczne pogrubienie. Obecnie wydaje się, że odpowiedź w okolicy pęcherzyków płucnych była związana z agregatami SWCNT o bardzo otwartej strukturze. Nie tylko były one w stanie zdeponować i wywołać odpowiedź w innym regionie płuc na zwarte agregaty: nie były wykrywalne przy użyciu standardowych technik histopatologicznych.

Przykłady te to tylko kilka z wielu, które silnie sugerują związek między strukturą nanomateriałów a potencjalnym zagrożeniem (na przykład zob. Maynard i Kuempel, 2005; Oberdörster et al., 2005a,,b; Lam i in., 2006). Pomimo dobrych dowodów na taki związek, obecne badania nie są rozstrzygające - zakres badanych materiałów jest stosunkowo wąski, a niektóre pozornie sprzeczne badania zostały opublikowane. Na przykład Warheit i wsp. nie udało się wykryć istotnego związku między powierzchnią a reakcją zapalną u szczurów dla szeregu morfologii cząstek TiO₂ i chemii powierzchniowej (Warheit i in., 2006). Niemniej jednak te i inne badania nadają znaczną wagę hipotezie, że zagrożenie dla zdrowia związane z niektórymi zmodyfikowanymi nanomateriałami będzie zależało od chemii i struktury. Opublikowane badania nie wskazują jeszcze, w jaki sposób to potencjalne zagrożenie może mieć związek z ryzykiem.

WYTWORZONE NANOMATERIAŁY A ZAGROŻENIA DLA ZDROWIA

Jak dotąd mamy szereg "czerwonych flag", które wskazują, że niektóre wytworzone nanomateriały stanowią nowe lub nietypowe zagrożenie dla zdrowia. Aby jednak zająć się możliwym wpływem na zdrowie, musimy zrozumieć ryzyko dla zdrowia ludzkiego oraz sposób, w jaki można je kontrolować i zarządzać.

Zauważono już, że różnorodność nanotechnologii najprawdopodobniej uniemożliwi przyjęcie jednego uniwersalnego podejścia do ryzyka. Aby racjonalnie przeciwdziałać ryzyku, należy odróżnić nanotechnologie stanowiące wyraźne zagrożenie dla zdrowia od tych, które są mniej podatne na szkody. Raport Royal Society i Royal Academy of Engineering (The Royal Society and The Royal Academy of Engineering, 2004) na temat nanotechnologii z 2004 r. podkreślił nanotechnologie związane z niezwiązanymi cząstkami o średnicy poniżej 100 nm jako szczególnie interesujące dla zdrowia ludzkiego. Oberdörster i wsp. (2005b) wspierają ten nacisk na cząstki o średnicy poniżej 100 nm. Jednakże opublikowane badania toksyczności wyraźnie pokazują, że sama wielkość cząstek nie jest dobrym kryterium rozróżnienia między mniej lub bardziej niebezpiecznymi materiałami. Na przykład badania inhalacyjne z wykorzystaniem gryzoni wykazały, że cząstki TiO₂₀ o średnicy 2 nm miały większy wpływ na płuca zwierząt niż cząstki pigmentowe o tym samym składzie, mimo że obie wielkości cząstek były podawane jako aglomeraty o średnicy mikrometru (Bermudez i in., 2004).

Oberdörster i wsp. (2005a) zająć się potencjalnym wpływem nanostrukturalnych cząstek na zdrowie – tych o strukturach poniżej 100 nm – zamiast skupiać się wyłącznie na cząstkach o średnicy nanometrowej. Maynard i Kuempel (2005) sugerują ponadto, że zależne od struktury zachowanie nanomateriałów wskazuje na nacisk na cząstki nanostrukturalne, a nie nanocząsteczkowe. Jako przykład biorą otwarte aglomeraty SWCNT, które mogą mieć średnicę mikrometrów, ale wykazują strukturę w nanoskali, która może wpływać na ich zachowanie (ryc. 5).

W odniesieniu do narażenia inhalacyjnego Maynard i Kuempel proponują dwa kryteria identyfikacji nanomateriałów, które mogą stanowić wyjątkowe potencjalne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego: Kryteria te obejmują niezwiązane nanocząstki o średnicy (w proszkach, aerozolach i ciekłych zawiesinach); aglomeraty i agregaty nanometrów cząstek o średnicy – w których zachowana jest funkcjonalność oparta na strukturze nanoskali; aerozolowe ciekłe zawiesiny nanomateriałów; oraz ścieranie kompozytów nanomateriałowych za pomocą różnych mechanizmów (Maynard, 2006b).

• Materiał musi być w stanie oddziaływać z ciałem w taki sposób, aby jego nanostruktura była biologicznie dostępna (tj. musi nastąpić narażenie, a nanostruktura materiału musi być biologicznie dostępna po narażeniu).

• Materiał powinien mieć potencjał wywoływania reakcji biologicznej związanej z jego nanostrukturą (tj. potencjał ten powinien istnieć dla reakcji, która różni się od reakcji związanej z materiałem nienanoskalowym o tym samym składzie).

Zgodnie z konwencjonalnymi paradygmatami oceny ryzyka zrozumienie ryzyka stwarzanego przez te materiały będzie funkcją zarówno zagrożenia (obejmującego toksyczność i skutki zdrowotne), jak i narażenia (w tym dróg narażenia i dawki). Istnieje również trzeci element, który zasługuje na szczególną uwagę przy zajmowaniu się wytworzonymi nanomateriałami: charakterystyka. W przeciwieństwie do wielu konwencjonalnych materiałów, odpowiednie właściwości wytworzonych nanomateriałów mogą być nieoczywiste i nietrywialne do oszacowania. Tworząc ramy dla badań toksyczności nanomateriałów, Oberdörster i in. (2005a) zaleca szesnaście parametrów fizykochemicznych, które powinny być oceniane w testach toksyczności – dalekie od dwóch lub trzech zwykle mierzonych. Obejmują one zakres od powierzchni i chemii powierzchni do rozkładu wielkości cząstek i ładunku cząstek. Wytworzone nanomateriały są bardzo trudne do scharakteryzowania – nawet dwa materiały, które są teoretycznie takie same, mogą mieć subtelne, ale znaczące różnice, które determinują ich zachowanie. Na przykład wprowadzenie niewielkiego procentu zanieczyszczeń na powierzchnię cząstek nano-TiO₂ może zasadniczo zmienić ich skłonność do generowania wolnych rodników pod wpływem promieniowania UV (Wakefield et al., 2004). Zmiany w czasie, takie jak koagulacja, spiekanie i przemiany chemiczne, mogą również zmienić zachowanie. Bez rygorystycznej charakterystyki nanomateriałów prawie niemożliwe będzie interpretowanie badań toksyczności, porównywanie podobnych badań i opracowywanie modeli predykcyjnych zagrożenia związanego z nanomateriałami.

Charakterystyka jest równie ważna dla oceny narażenia. W idealnym świecie te same parametry interesujące dla określenia zagrożenia byłyby również wykorzystywane do oceny narażenia. Oczywiście stanowiłoby to niemożliwie duże obciążenie dla higienistek pracy. Zamiast tego bardziej praktyczne jest rozważenie trzech kluczowych wskaźników narażenia fizycznego - stężenia liczbowego, stężenia powierzchni i stężenia masy. Oberdörster i wsp. (2005a) oraz Maynard i Kuempel (2005) stwierdzają, że nadal nie ma wystarczających dowodów, aby preferować jeden wskaźnik narażenia nad innym – szczególnie w przypadku narażenia w powietrzu – oraz że w przypadku niepewności należy zmierzyć wszystkie trzy wskaźniki.

Pomiar ekspozycji na aerozol w odniesieniu do wszystkich trzech wskaźników jednocześnie jest ideałem, który nadal nie jest osiągalny bez użycia kosztownego i nieporęcznego sprzętu. Jednocześnie wysoce pożądane jest posiadanie pewnego sposobu pomiaru narażenia na wytworzone nanomateriały, który zwraca pojedynczą wartość, która jest istotna dla zrozumienia potencjalnego wpływu na zdrowie. Jednym ze sposobów podejścia do tej zagadki jest rozważenie reakcji instrumentu, która odzwierciedla obecną niepewność co do tego, co należy zmierzyć.

Rysunek 6 pokazuje te różne reakcje instrumentów graficznie. Uwzględniono również zmierzone reakcje dwóch komercyjnych instrumentów: przenośnej ładowarki dyfuzyjnej DC2000CE (EcoChem, USA) i elektrycznego detektora aerozolu (EAD, model 3070A, TSI Inc., USA). Oba te instrumenty wystawiają próbkowany aerozol na działanie jonów dodatnich i mierzą szybkość ładowania, zbierając cząstki w elektrometrze aerozolowym. Różnice leżą w metodzie ładowania aerozolu i przepływu aerozolu między wlotem do pobierania próbek a wykrywaniem ładunku.

Między 30 nm a 200 nm, DC2000CE [scharakteryzowany przez Ku i Maynarda (2005)] dobrze zgadza się z $α¯$ = 2 linia. EAD ma wyważoną odpowiedź znacznie bliższą $α¯$ = linia 1,5 [zmierzona przez Junga i Kittelsona (2005)]. Jednakże, ponieważ Jung i Kittelson zmierzyli również DC2000CE jako mający podobną reakcję do EAD, istnieje pewna niejasność co do tego, gdzie dokładnie leżą odpowiedzi instrumentów.

Pomimo tej niepewności, ładowanie dyfuzyjne jest wyraźnie technologią, która może zapewnić użyteczne pomiary ekspozycji nanostrukturalnych materiałów unoszących się w powietrzu. Co ciekawe, ostatnie badania wykazały, że instrument TSI można dostosować tak, aby pasował do stężenia powierzchni cząstek, które mogą osadzać się w płucach, poprzez włączenie dostrajanej pułapki jonowej (Wilson et al., 2004). Powstały instrument – obecnie dostępny w handlu jako Nanoparticle Surface Aerosol Monitor (NSAM, model 3550, TSI Inc., USA) – jest w stanie zasadniczo zmierzyć powierzchnię aerozolu, który może osadzać się w respirabilnych lub klatkach piersiowych układu oddechowego. Otwiera to możliwość badania dawki powierzchni do płuc, a nie ekspozycji. Nie jest jeszcze jasne, czy będzie to lepsze niż pomiar narażenia (lub potencjału dawki) w dłuższej perspektywie. Zachęcające jest jednak to, że istnieją technologie, które mają potencjał do zastosowania do wykonywania znaczących pomiarów narażenia na aerozol nanostrukturalny.

KONTROLOWANIE EKSPOZYCJI

O ile wypracowanie solidnego zrozumienia zagrożeń i narażenia pozwoli na ilościowe określenie ryzyka zawodowego związanego z wytworzonymi nanomateriałami, o tyle bezpieczne miejsca pracy będą zależeć od kontrolowania narażenia. Mamy tu do czynienia z dwoma wyzwaniami: skąd wiemy o skuteczności konwencjonalnych metod kontroli nanomateriałów unoszących się w powietrzu i jak możemy określić odpowiednie poziomy kontroli, jeśli nie ma wystarczających informacji dostępnych do ilościowej oceny ryzyka?

Spośród nich drugie wyzwanie jest bardziej złożone z tych dwóch. Chociaż istnieją ograniczone dane, nasze obecne rozumienie zachowania aerozoli sugeruje, że konwencjonalne kontrole, takie jak lokalna wentylacja wyciągowa, filtracja i respiratory, będą skuteczne w przypadku nanostrukturalnych cząstek unoszących się w powietrzu. Jesteśmy jednak dalecy od posiadania wystarczających informacji na temat zagrożeń związanych z wieloma nowymi nanomateriałami, aby ocenić, jakie poziomy kontroli są odpowiednie.

Wobec braku dobrych informacji ilościowych spektrum możliwych reakcji na kontrolowanie narażenia na nanomateriały jest ograniczone interpretacjami zasady ostrożności z jednej strony i brakiem działań z drugiej. Pierwszy z nich charakteryzuje się założeniem, że nowe materiały są wysoce niebezpieczne, dopóki nie zostanie udowodnione, że jest inaczej, podczas gdy drugi zakłada odwrotność: znikome zagrożenie, dopóki nie zostanie udowodnione, że jest inaczej. Oczywiście istnieją alternatywne podejścia w tym zakresie, chociaż w wielu przypadkach będą one wymagały zmiany perspektywy oceny ryzyka i zarządzania nim.

Potencjalnie użyteczną koncepcją, która może mieć pewne znaczenie dla nanomateriałów w miejscu pracy, jest pasmo kontrolne. Pierwotnie opracowany w przemyśle farmaceutycznym, pasma kontrolne umożliwiają podejmowanie decyzji na odpowiednich poziomach kontroli, które są oparte na produkcie i procesie, bez pełnej informacji na temat zagrożeń i narażenia (Oldershaw, 2001; Pieniądze, 2003). Zamiast zastępować konwencjonalną ocenę i kontrolę ryzyka, koncepcja ta umożliwia pragmatyczne podejście do kontrolowania narażenia tam, gdzie dostępne są ograniczone informacje. To właśnie ten aspekt podejmowania decyzji w oparciu o niekompletne informacje jest szczególnie atrakcyjny dla powstających nanotechnologii i wytworzonych nanomateriałów.

Wdrożenie pasm kontrolnych stosowanych obecnie poprzez kontrolę substancji niebezpiecznych dla zdrowia (COSHH) (Garrod i Rajan-Sithamparanadarajah, 2003) oraz innych systemów – które opiera się na powiązaniu zagrożenia materiałowego, zapylenia i ilości stosowanej do kontroli podejść – nie ma bezpośredniego zastosowania do wytworzonych nanomateriałów. Ale koncepcja jest. Na przykład możliwe jest przypisanie "wskaźnika wpływu" do wytworzonych nanomateriałów w oparciu o ich zagrożenie związane ze składem oraz perturbacje związane z ich nanostrukturą (na przykład powierzchnia, skład chemiczny powierzchni, kształt, wielkość cząstek itp.). Odpowiadający mu "wskaźnik narażenia" mógłby z kolei reprezentować ilość użytego materiału i jego skłonność do unoszenia się w powietrzu ("zapylenie"). Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego pasma kontrolnego, kombinacja dwóch wskaźników może być następnie powiązana z określonymi pasmami kontrolnymi (rys. 7).

Oczywiście jest to nadal na etapie koncepcyjnym i wymagałoby to znacznie więcej rozwoju, aby było wykonalne. Podkreśla jednak zdolność do opracowywania niekonwencjonalnych sposobów radzenia sobie z potencjalnym ryzykiem, które reagują na pojawiające się nanomateriały i wszystkie niepewności, które reprezentują.

ROZWIĄZYWANIE NIEPEWNOŚCI

Wreszcie, chociaż zaczynamy opracowywać sposoby podejścia do nanomateriałów inżynieryjnych w miejscu pracy, nie możemy uniknąć faktu, że istnieje przytłaczający poziom niepewności co do tego, jakie materiały i technologie stanowią potencjalne ryzyko, dlaczego tak się dzieje oraz w jaki sposób można skutecznie ocenić ryzyko i jak można nim skutecznie zarządzać. W dłuższej perspektywie bezpieczne nanotechnologie nie staną się rzeczywistością, jeżeli te niepewności nie zostaną systematycznie rozwiązane. A to oznacza prowadzenie badań strategicznych.

Podczas gdy wielu autorów podkreślało luki w naszej obecnej wiedzy na temat potencjalnych zagrożeń, było niezwykle niewiele prób wypełnienia tych luk w systematyczny sposób, który zapewnia konkretne odpowiedzi na konkretne pytania. Na przykład niedawny raport projektu dotyczącego nowych nanotechnologii w Waszyngtonie (PEN) pochwala działania rządu USA w zakresie finansowania badań związanych z ryzykiem, ale wskazuje, że nie ma nadrzędnej strategii badawczej, a tym samym nie ma pewności, że prowadzone są niezbędne badania ukierunkowane na ryzyko w celu wspierania powstających nanotechnologii (Maynard, 2006a ). W tym samym sprawozdaniu określono strategiczne ramy dla krótkoterminowych badań nanotechnologicznych ukierunkowanych na ryzyko, które dotyczą krytycznych kwestii.

Najpilniejsze priorytety podkreślone w raporcie PEN obejmują badania toksyczności, metody pomiaru, kontrolę, najlepsze praktyki i metody badawcze. Twierdzi się jednak, że inwestycje w długoterminowe priorytety są potrzebne również teraz, jeśli mamy zbudować wystarczającą wiedzę i zdolności, aby sprostać przyszłym wyzwaniom. Zidentyfikowane priorytety długoterminowe obejmują ustalenie powiązań między narażeniem na nanomateriały a chorobami oraz opracowanie metod przewidywania zagrożeń związanych z nowymi nanomateriałami inżynieryjnymi.

Aby osiągnąć poziom wiedzy niezbędny do wspierania "bezpiecznych" nanotechnologii, w sprawozdaniu podkreślono potrzebę ukierunkowanych badań dotyczących konkretnych i dobrze zdefiniowanych kwestii. Uznaje również potrzebę identyfikacji i wykorzystania badań związanych z ryzykiem w szerszej sferze nanonauki i nanotechnologii. Badania te, jak się argumentuje, muszą być prowadzone w ramach partnerstw i poprzez partnerstwa, jeśli mają odnieść sukces - między naukowcami, rządami, przemysłem i innymi podmiotami zainteresowanymi zapewnieniem bezpieczeństwa powstających nanotechnologii.

STRESZCZENIE

Nieuchronnie wokół nanotechnologii jest pewien szum – zarówno pod względem tego, co jest obiecane, jak i konsekwencji, których się obawiamy. A jednak, jako wschodząca technologia, nie jest łatwo ją odrzucić. Termin "nanotechnologia" może być chwilową modą, ale nasza zdolność do manipulowania materią w najmniejszych skalach będzie się poprawiać, prowadząc do coraz bardziej wyrafinowanych materiałów i urządzeń, które są projektowane w nanoskali. Będzie to nadal otwierać nowe, ekscytujące możliwości dla technologii, które mogą zmienić i poprawić nasze życie i świat, w którym żyjemy. Ale te same korzyści nieuchronnie przyniosą ze sobą nowe zagrożenia, które należy zidentyfikować i zarządzać nimi. Ponieważ osoby pracujące w powstających nanogałęziach przemysłu będą jednymi z pierwszych osób mających kontakt z nowymi materiałami, wyzwaniem, przed którym stoimy, jest zapewnienie tym ludziom bezpieczeństwa – jak wyprzedzić krzywą oraz ocenić i zarządzać ryzykiem tam, gdzie istniejąca wiedza może być tylko posunięta do tej pory. To trudne wyzwanie, ale nie niemożliwe. Reagując na nie, będziemy musieli przede wszystkim dostrzec potencjał nowych zagrożeń w niektórych powstających nanotechnologiach. Będziemy również musieli przesunąć istniejącą wiedzę tak daleko, jak to będzie miało służyć ochronie ludzi. Tam, gdzie istniejąca wiedza zawodzi, potrzebne są nowe badania, aby wypełnić luki: muszą one być zarządzane strategicznie i ukierunkowane na rozwiązywanie konkretnych problemów w odpowiednim czasie. Niepodjęcie tych kroków ostatecznie doprowadzi do zagrożenia zdrowia ludzi i upadku pojawiających się nanotechnologii. Jednak dzięki dalekowzroczności, solidnej nauce i badaniom strategicznym mamy możliwość zapewnienia, że powstające nanotechnologie są tak bezpieczne, jak to tylko możliwe, a jednocześnie osiągają swój pełny potencjał.

Artykuł ten oparty jest na Warner Lecture, wygłoszonym przez autora na dorocznej konferencji British Occupational Hygiene Society, Newcastle upon Tyne, kwiecień 2006.

ODWOŁANIA