Rizika nanovlákenných

materiálů

Eva Kuželová Košťáková

KNT, FT, TUL

Literatura: Filipova, Z., Kukutschova, J., Mašláň, M.: Rizika

nanomateriálů, Univerzita Palackého v Olomouci, dostupné na World

Wide Web na adrese:

http://fyzika.upol.cz/cs/system/files/download/vujtek/rizika.pdf

(13.5.2013)

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)

http://nanooze.blogspot.cz/2008/09/nanotechnology-materials-from-volcanoes.html

Vulkanické horniny

A transmission electron microscope

reveals the nanostructures of graphitic

diesel soot sampled under high engine

loads.

http://www.transportation.anl.gov/engines/

diesel_pm.html

Elementární uhlík ve formě sazí o

velikostech okolo 50nm.Zplodiny z výfuku dieselového spalovacího motoru

bez katalyzátoru v klidovém stavu na PVB

nanovláknech

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: 222–227.

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.

http://www.nanoimpactnet.eu

http://www.bezpecnostpotravin.cz/kategorie/nanotechnologie.aspx

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

dostupná opatření pro snížení potenciálních rizik.

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 www.nanotechproject.org

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)

Aglomeráty CNTs.

Scanning electron microscopy

images of CNT powder at two

magnifications: (A) Nanocyl™

NC7000, (B) Baytubes® C150P,

(C) FutureCarbon CNT-MW, (D)

Graphistrength® C100.

http://www.sciencedirect.com/sc

ience/article/pii/S000862231000

2538

Nejlepší

dispergovatelnost ve

vodě Nanocyl 7000.

Odlišnost nanomateriálů od klasických materiálů

Nanotoxikologie – klíčové parametry

Nelze vycházet jen z koncentračního vyjádření (např.

mg/dm3)

„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).

„Kontakt spotřebitele s produkty“ - expozice, dávka, doba expozice, příjem

nanočásticGravitační působení je zanedbatelné = vysoká

mobilita

„Kontakt spotřebitele s produkty“ - expozice, dávka, doba expozice, příjem

nanočástic

Expozice pracovní

– produkce nanomateriálů není hlavním cílem (svařování,

mechanické zpracování kovů, spalovací procesy atd.)

- souvisí přímo s používáním nanomateriálů (výroba,

přeprava, 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.

„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.

„Kontakt spotřebitele s produkty“ - expozice, dávka, doba expozice, příjem

nanočástic

Silver Nanoparticles on Fibers.

http://www.sio2.ca/technology/particle-free-technology/částice stříbra na PES vláknech

„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.

„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

„Kontakt spotřebitele s produkty“ - expozice, dávka, doba expozice, příjem

nanočástic

Místo - Kudy pronikne nanočástice do organismuNanočástice mohou vnikat do organismu skrz:

PLÍCE (krevní oběh – mozek)

KŮŽI (lymfatický systém)

OČI, NOS (mozek)

TRÁVÍCÍ TRAKT (krevní oběh)

Intravenózně (vpichem do krve)

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

„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

„Kontakt spotřebitele s produkty“ - expozice, dávka, doba expozice, příjem

nanočástic

Místo - Kudy pronikne nanočástice do organismu

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

Mechanismy toxického účinku nanočástic

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,

povr-

chové vlastnosti (složení, náboj, adsorbované biomolekuly), přítomnost

zne-

čištění, rezidua katalyzátorů

• lipofilita – hydrofobicita (jsou důležitým ukazatelem pro distribuci a aku-

mulaci ve tkáních),

• biodegrabilita a persistence.

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

http://www.nanopaprika.eu/photo/las

er-generated-silver

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).

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.

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).

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)

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).

Snímek dokazující, že

uhlíková nanotrubice je

schopna procházet do

lidské buňky.

Makrofága nepřijme čistou

uhlíkovou nanotrubici ale

přijme uhlíkovou

nanotrubici „zabalenou“ do

fosfolipidů.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn300626q

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).

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, 17194–17205

http://www.pitt.edu/~astar/Star_research.htm

Toxicita ultrajemných částic i nanočástic závisí hlavně

na:

A)Počtu (celkové ploše povrchu) nanočástic v těle

B)Chemické reaktivitě nanočástic

PROČ SE OBÁVAT

-Vysoká mobilita nanočástic

-Chybí spolehlivé mechanismy

detekce

-Vlastnosti nanomateriálů se

velmi těžko předvídají

-Nejsou dlouhodobé

zkušenosti

PROČ SE NEOBÁVAT

-Stabilita v roztocích

-Vysoká ochota a tendence k

agregaci - slukování

Společenské aspekty nanotechnologií

Postoj veřejnosti je nejistý – př. geneticky modifikované výrobky

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.

www.pardam.cz

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.

RIZIKA PŘI ELEKTROSTATICKÉM ZVLÁKŇOVÁNÍ

Toxická rozpouštědla!

Dimetylformamid, dichlormetan, dichloretan, chloroform,

hexafluoropropanol …

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!!!

Testování nanomateriálů – zdravotní rizika

Označení máme, ale je zřejmé jak testovat rizika

nanomateriálů (včetně nanovláken)?

Shrnutí

Textilní nanomateriály

Nanovlákna (1D nanomateriály)

Pouze syntetická vlákna!

Povrchové úpravy vlákenných

materiálů v měřítku nanometrů

Polymerní

nanovlákna

Anorganická

vlákna

Elektrostatické

zvlákňování

Uhlíková

nanovlákna -

nanotrubice

plazma Tenké

filmy

Zdravotní rizika

Děkuji za pozornost!16.5.2018 Sportovní den –rektorské volno

23.5.2018 předtermín nebo

přednáška na požadované téma (téma prosím sdělte na email

eva.kostakova@tul.cz do 16.5.2018