纳米材料对人体健康有潜在危害吗？了解风险和安全处理

是的，纳米材料可能对健康造成重大危害，这是纳米毒理学领域的核心研究方向。与大尺寸材料不同，纳米尺度材料独特的物理化学性质——特别是其微小尺寸和高表面积与体积比——使其能够以复杂且有时有害的方式与生物系统相互作用。主要的暴露途径包括吸入、食入和皮肤接触，其中吸入是全身吸收最直接的途径。

纳米材料的潜在危害并非仅由其化学成分决定。相反，风险是其特定物理特性——包括尺寸、形状、表面电荷和涂层——的直接函数，这些特性决定了它如何与细胞、组织和器官相互作用。

为什么尺寸和尺度改变一切

纳米材料带来新的毒理学挑战的根本原因在于，经典毒理学的规则并非总是适用。它们的行为受制于在更大尺度上微不足道的特性。

纳米颗粒的极小尺寸（通常定义为至少一个维度在1-100纳米之间）使其能够绕过人体许多天然防御机制。

它们可以被吸入肺部深处的肺泡区域，在那里它们可以穿过气血屏障进入血液。一旦进入循环系统，它们可以随血液流向全身，并积聚在肝脏、脾脏甚至大脑等次级器官中。

此外，纳米颗粒足够小，可以进入单个细胞甚至线粒体和细胞核等亚细胞区室，在那里它们可以直接干扰关键的细胞功能并损害DNA。

对于给定质量的材料，纳米颗粒集合的表面积远大于相同材料的单个块体。这显著增加了它们的化学和生物反应性。

这种高表面积提供了更多的催化反应位点，可以生成有害分子，例如活性氧（ROS），这是纳米毒性的主要驱动因素。

虽然影响可能很复杂，但大多数纳米材料引起的损伤都可以追溯到几个核心生物机制。

纳米毒性最常见的机制是诱导氧化应激。许多纳米材料，由于其高表面反应性，可以在细胞内引发ROS的过量产生。

过量的ROS会压倒细胞的天然抗氧化防御系统，导致脂质、蛋白质和DNA的损伤。这种细胞损伤反过来又会引发持续的炎症反应，这是慢性疾病发展的关键因素。

某些纳米材料，特别是那些具有高长径比（细长）的材料，如碳纳米管，可能对细胞造成物理机械损伤。这类似于石棉纤维的已知机制。

当称为巨噬细胞的免疫细胞试图吞噬这些长纤维时，它们无法完全包围它们。这个过程，被称为“受挫吞噬”，会引发慢性炎症信号的释放，导致组织瘢痕形成，并可能导致癌症，如间皮瘤。

纳米颗粒可以作为其他有毒物质的载体。它们可以从制造过程中吸附重金属污染物或从环境中吸附污染物到其巨大的表面上。

通过深入人体组织，这些纳米颗粒可以将它们的有毒载荷输送到原本会受到保护的敏感区域，充当其他有害化合物的“特洛伊木马”。

将所有“纳米材料”一概归类为有害是严重的错误。毒性与材料的特性高度相关。

球形纳米颗粒通常比纤维状或针状纳米颗粒的风险不同，通常更低。如前所述，高长径比纳米材料由于纤维范式而引起关注，而球形纳米颗粒更容易被人体清除机制处理。

纳米颗粒的表面决定了它与细胞膜的相互作用。例如，带正电荷的表面可能对带负电荷的细胞膜更具破坏性，导致更高的毒性。

相反，工程师可以有意应用表面涂层（如聚乙二醇，或PEG）以使纳米颗粒更具“生物相容性”。这可以有效地屏蔽活性核心材料，使其在生物学上惰性并降低其毒性。

风险概况会根据纳米颗粒是生物持久性还是生物可降解性而发生显著变化。不会分解的材料，如金纳米颗粒或碳纳米管，会随着时间在体内积聚，引起对长期影响的担忧。

相比之下，某些氧化锌或氧化铁纳米颗粒等材料可以溶解或被人体代谢。虽然这可能会释放出可能具有自身毒性的离子，但它避免了长期生物累积的问题。

积极主动的方法要求不将“纳米材料”视为单一类别，而是根据其具体特性和使用环境进行评估。这有助于制定更准确有效的风险管理策略。

通过理解支配纳米生物相互作用的原理，我们可以负责任地创新，利用纳米技术的巨大益处，同时保护人类健康。