21..06 Диплом Кольцова (1220065), страница 2
Текст из файла (страница 2)
К наноматериалам и наноструктурам относят разнообразные объекты, величина которых хотя бы в одной из трех размерностей меньше 100 нм. Они могут быть трехмерными (фулероны, нанокристаллы), двухмерными (нанотрубки) и одномерными (нанопленки). По происхождению бывают два вида наноструктур: природные и искусственные. К природным наноструктурам относятся вирусы малых размеров, молекулы ДНК. Искусственные наноструктуры создаются на основе современных наукоемких технологических процессов. Крупномасштабное производство наночастиц основано на трех механизмах их образования: конденсации из газовой фазы, осаждения из коллоидного раствора и дезинтеграции твердого вещества. Кроме полезных нанопродуктов, в ряде производств возникают побочные техногенные наночастицы. Они содержатся в дымах металлургических и химических предприятий, в выхлопных газах бензиновых и дизельных двигателей, в аэрозолях конденсации, образующихся при газо и электросварочных работах. К слову сказать, первичные размеры частиц табачного дыма обычных сигарет целиком располагаются в области нановеличин. Ведущими в характеристике наночастиц являются свойства поверхности. От них зависит их стабильность и реакционная способность, полупроводниковые, магнитные, оптические и механические свойства, а также особенности биологического действия. Проблемы для медицины создают как уникальные свойства, так и значительное разнообразие наночастиц. На сегодняшний день наиболее широкое практическое применение имеют три их группы. В количественном отношении пальма первенства принадлежит, по-видимому, углеродным наночастицам. Самая известная из них – фулерон. Это молекула углерода, состоящая из шестидесяти атомов. По виду она похожа на футбольный мяч, сшитый из правильных многоугольников. Другая многочисленная разновидность – нанотрубки из правильных углеродных шестиугольников с соотношением длины к диаметру больше 3:1. Такие разновидности углеродных наноструктур различает механическая прочность, превышающая прочность стали, химическая инертность, электропроводность, каркасное (полое) строение с толщиной стенки в одну молекулу. Во вторую группу, имеющую широкое коммерческое применение, входят наночастицы оксидов металлов, преимущественно TiO2 , ZnO, Al2O3 . Они обладают каталитическими, полупроводниковыми и другими уникальными свойствами и используются в микроэлектронике, энергетике, химической промышленности. Третью группу составляют композиционные наноматериалы, не содержащие ни углерод, ни металлы. Типичным представителем этой группы является многотоннажный технический продукт – аэросил, представляющий собой аэрозоль конденсации диоксида кремния, получаемый при сжигания SiCl4 , либо кремнийорганических моно- меров в контролируемой среде. Наночастицы аэросила имеют удельную поверхность 175–380 м2 /г, средний эквивалентный диаметр 0,02–0,01 мкм (20–10 ангстрем) и отличаются значительной монодисперсностью: диаметр всех его частиц укладывается в диапазон 0,005–0,05 мкм (5–50 ангстрем). Аэросил используется как наполнитель в производстве очень прочных резиновых шин, как загуститель при получении машинного масла, а также в пищевой, фармацевтической и парфюмерно- косметической промышленности.
2.2 Пути проникновения наночастиц в организм человека
Сейчас большое внимание уделяется неорганическим наночастицам, имеющим высокий коммерческий потенциал с перспективой массового производства. Наночастицы устойчивы и могут накапливаться как в живой ткани [4], так и в окружающей среде [3]. Технология наночастиц имеет две стороны: с одной стороны, благодаря своим специфическим свойствам, определенные наночастицы могут найти применение в наномедицине [14, 15]. С другой стороны, те же самые свойства являются потенциально опасными [2,7]. Однако для того, чтобы наночастицы причинили вред здоровью человека, они прежде должны попасть в организм.
Поверхность кожи площадью в 2 м² представляет собой одну из возможных тропинок в организм человека. Исследования показывают, что здоровая кожа представляет собой надежный барьер, но с травмированной кожей дело обстоит иначе. Например, в результате солнечного ожога кожный покров повреждается, и в этом случае специалисты не советуют подвергать кожу воздействию, которое можно избежать.
Желудочно–кишечный тракт (ротовая полость, пищевод, пищеварительный аппарат) имеет гораздо большую площадь - около 2000 м2, однако в научной литературе нет описаний того, как стенки сосудов желудочно–кишечного такта впитывают или пропускают неорганические наночастицы, если только они не будут созданы для этого целенаправленно. По–другому обстоит дело с наноразмерной массой, например, жиросодержащими капельками, пищей для клеток, которую они получают от мелких капиллярных сосудов. Для внутривенного питания также используются наноразмерные капельки, получаемые искусственным способом при помощи сопла высокого давления. Посредством капелек также осуществляется транспортировка веществ. Обонятельный эпителий — слизистая оболочка носа — площадь которого составляет всего лишь 5 см2, привлекает особое внимание, так как находится близко к головному мозгу.
Легкие, активная площадь которых достигает 140 м2, считаются в настоящий момент самым важным окном для проникновения неорганических наночастиц в организм. Способность различных частиц проникать в легкие уже известна благодаря исследованиям курильщиков. Существует целый ряд заболеваний, хорошо изученных в контексте пылевой нагрузки на легкие, которые могут иметь большое значение для эпидемиологи наночастиц. Площадь внутренней поверхности легких примерно равна размерам теннисного корта, это предоставляет потенциально опасным частицам прекрасную возможность для проникновения в организм. Вероятность того, попадут ли они в организм, зависит от вида дыхания: занятия спортом при высокой концентрации частиц являются неблагоприятными
2.3 Ингаляционный путь поступления наночастиц в организм человека
Частицы, находящиеся в воздухе, практически беспрепятственно попадают в глотку и бронхи. Частицы размером 5 –10 мкм оседают здесь, остальные направляются дальше. Часть из них остается в мелких бронхах, другие доходят до легочных пузырьков. Частицы диаметром около 500 нм практически не задерживаются в легких, и большая часть из них снова выдыхается. По мере уменьшения размеров до 20 нм значительно увеличивается количество частиц, оседающих по внешним краям легких. То, в каком виде частички останутся в легких, зависит не только от их размера, но и от вида дыхания. Медленное и глубокое дыхание способствует попаданию пыли в легкие. Проникшие частички, конечно, не навсегда остаются в организме. Клетки здоровых бронхов имеют реснички, которые при помощи синхронных движений направляют чужеродные вещества наверх в гортань, оттуда они попадают в желудочно–кишечный тракт, после чего перевариваются и выводятся из организма. Еще один защитный механизм: в органах дыхания живут макрофаги — клетки – пожиратели, атакующие чужеродные вещества, бактерии и вирусы. Однако мелкие наночастицы часто остаются ими не замеченными. Ученые Института ингаляционной биологии GSF установили, что вдыхаемые наноразмерные частицы могут оседать в печени, сердце и даже в головном мозге крыс.
Среди ученых разгораются жаркие споры по поводу того, как частицы попадают в систему кровообращения и внутренние органы, и в какой степени результат лабораторных опытов и экспериментов на животных применимы к людям. В качестве возможных путей проникновения наночастиц в организм называются, среди прочего, нейронная сеть (например, через обонятельный нерв в головной мозг), лимфатическая система или перегородка толщиной в 0,5 мкм между легочными пузырьками и кровеносными капиллярами. Поврежденная легочная ткань является еще одной возможностью для проникновения наночастиц в организм. Физико–химическая структура оказывает при этом большое влияние на поведение частиц в организме. Сверхмелкие пылинки ведут себя иначе, чем промышленные наночастицы. Информация относительно их взаимодействия должна быть еще получена в рамках предстоящих научны исследованиях.
2.4 Влияние наночастиц на сердечно-сосудистую систему человека
Из научных работ и исследований по мелкодисперсной пыли известно, что обычно при попадании наночастиц в систему кровообращения их атакуют и обезвреживают макрофаги — клетки–пожиратели, своего рода «полиция» иммунной системы. Но из–за малых наночастиц это часто не происходит. В этом случае частицы оказывают воздействие даже на сердце. Ученые института GSF и ветеринары Мюнхенского университета им. Людвига и Максимилиана попытались изучить эти уникальные взаимосвязи. Ими была обнаружена связь между частотой инфарктов сердца или внезапной остановки сердца, и необычно высокой концентрацией наночастиц в атмосфере, как это замечено, например, при увеличении объема дорожного движения или инверсии в метеорологии. Взаимосвязь между этими двумя феноменами не имеет научного объяснения, существует лишь предположение, что определенную роль здесь играют мелкие и сверхмелкие пылинки. Возможное объяснение этому: во время экспериментов на животных им в кровь вводились инъекции с большой концентрацией наночастиц. Реакция тромбоцитов заключается в ускорении потока крови, это повышает риск тромбоза и, тем самым, вероятность инфаркта сердца. Если наночастицы, содержащиеся в мелкой пыли, оказывают непосредственное воздействие на клетки сердечной мускулатуры и проводящую систему сердца, изменяется баланс кальция, в результате чего сердце больше не может сжиматься в достаточной степени. От концентрации ионов кальция зависят биоэлектрические процессы, которые способствуют сердцебиению, и наночастицы могут вызывать нарушения сердечного ритма. В какой степени результаты этих экспериментов применимы на практике в настоящий момент до конца не известно. Результаты подобных исследований не дают однозначного ответа на этот вопрос.
Оказывать влияние на сердце могут и те наночастицы, которые остались в легочных пузырьках. Они воздействуют на рецепторы поверхностных пузырьков, связанных с вегетативной нервной системой, и с функцией сердечного ритма. В результате регуляция сердечного ритма становится менее гибкой, и это мешает сердцу адекватно адаптироваться к различным нагрузкам. Еще одно возможное воздействие: высокая концентрация наночастиц, встречающаяся, например, при неблагоприятных дорожных условиях или при лесных пожарах, может, по мнению ученых, вызывать воспалительные процессы в легочной ткани, приводящие к выходу медиаторов. Это, в свою очередь, увеличивает способность крови к свертыванию и способствует быстрой закупорке кровеносных сосудов. Несомненным остается тот факт, что большая концентрация определенных частиц пыли, находящихся в длительном контакте с человеческим организмом, может оказать на него вредное воздействие.
2.5 Влияние наночастиц на экосистемы
Наночастицы стабильны, не подвергаются биотрансформациям и не выводятся из клетки, что вызывает в клетках стресс и их разрушение. В литературных источниках есть информация о том, что наночастицы могут оказывать протективное воздействие на живые организмы, увеличивая резистентность организма к различным токсикантам. Один из первостепенных вопросов, на который необходимо было получить ответ, касается эффектов наночастиц в отношении различных живых организмов, являющихся представителями различных трофических уровней. В этом плане весьма актуально изучение влияния наночастиц металлов на земноводных, в частности, на их растительноядные личиночные стадии - консументов первого порядка.
Учеными Кубанского Государственного Университета было проведено исследование, целью которого являлось изучение выживаемости головастиков, темпа роста и темпа развития при экспозиции в присутствии наночастиц кобальта, никеля, меди и железа, а также при добавлении указанных наночастицы в растворы сточной воды сахарного завода низких концентраций (10 и 25%).
В Краснодарском крае в настоящее время действует 15 сахарных заводов, очистка производственных сточных вод на них осуществляется на полях фильтрации и в земляных отстойниках. На ряде заводов края, поля фильтрации которых размещены на тяжелых суглинистых и глинистых грунтах, очистка происходит путем отстаивания и осветления. Со сточными водами заводов в пруды-отстойники попадают, кроме органического осадка такие вещества, как хлориды, сульфаты, фосфаты, нитриты, нитраты, соединения кальция, магния, ПАВы и нефтепродукты. Попадание сточных вод сахарных заводов в русла рек является причиной заморных явлений рыб и нарушения экологического состояния водной среды (газового режима и содержания органических веществ и механических примесей). В прудах-отстойниках сахарного завода обитают взрослые озерные лягушки (Rana ridibunda). В ранее проведенных исследованиях было показано, что сравнительно невысокие концентрации стоков (10-25%) не оказывают на них отрицательного влияния. В связи с этим решено было выяснить, какое влияние оказывают данные концентрации на ранние стадии онтогенеза озерной лягушки.
Эксперимент проходил с 25 апреля до 10 августа 2009г. Икра озерной лягушки была взята из условно чистого водоема, находящегося на территории Ботанического сада Кубанского государственного университета. Из икры в чистой воде были получены головастики. Плотность посадки головастиков в каждый вариант опыта составляла 10 особей на 1л воды или раствора. Животных содержали в 3-литровых емкостях: контрольных - в отстоянной водопроводной воде, а опытных в двух концентрациях сточных вод сахарных заводов – 10%-ной и 25%-ной. Растворы разбавляли отстоянной водопроводной водой. К каждому из 3 исследуемых вариантов (контроль и 2 концентрации сточных вод) были добавлены нанопорошки оксидов железа, меди, никеля и кобальта. Размеры наночастиц металлов: оксид кобальта и оксид никеля - 11 нм, оксид меди - 14 нм, оксид железа II - 22,8 нм. Удельная поверхность соответственно - 100, 79, 70 и 50 м2/г . Для всех оксидов металлов была использована одинаковая концентрация - 20 мг суспензии на 1 л раствора [3].
Эксперимент проводили в лабораторных условиях по стандартной методике, до завершения метаморфоза в контроле. Фиксировали сроки наступления основных стадий развития и метаморфоза. Весь полученный материал обработан соответствующими статистическими методами. Ученые предположили, что поступление наночастиц происходило через кожу, кроме того, на более поздних стадиях развития было возможным пероральное поступление - с кормом (вареные листья одуванчика). Всего в контроле и опыте было использовано 360 головастиков озерной лягушки.
Полученные данные свидетельствуют о неоднозначном влиянии наночастиц оксидов меди, никеля, железа и кобальта на смертность головастиков озерной лягушки. Добавление оксидов железа, кобальта и никеля в отстоянную водопроводную воду в среднем увеличило скорость гибели головастиков по сравнению с контролем в 2 раза. Ни в одном из вариантов опыта не была достигнута 100%-ная смертность, хотя 50%-ная была отмечена под действием всех трех оксидов (рисунок 2.2). Исключение составил оксид меди: его добавление вызывало очень быстро наступавшую (в течение 15 дней) 100%-ную гибель головастиков.
Рисунок 2.2 Смертность головастиков озерной лягушки в контроле
и при действии наночастиц оксидов металлов
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
