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關於作者： "第1部分纳米技术的安全问题 1 纳米尺寸与纳米结构在纳米安全性中的作用 自2003年《自然》（Nature）、《科学》（Science）发起纳米安全性的讨论以来，纳米材料的生物学效应与安全性研究发展迅速，已经形成一个新的学科——纳米毒理学。美国和欧洲分别创办了“纳米毒理学”专业学术刊物《纳米毒理学》（Nanotoxicology）和《颗粒和纤维毒理学》（Particle amp; Fibre Toxicology），很快就进入了SCI期刊行列，并且影响因子超过了毒理学领域具有60年历史的两大代表性刊物：《美国毒理学会会刊》Toxicological Sciences和《欧洲毒理学会会刊》Toxicology Letters。尽管如此，在纳米毒理学领域，目前能够归纳出具有系统性、普遍性的规律性知识还很有限。想要对纳米生物安全性问题做出科学合理、客观公正的评价，还需要开展更深入、更系统的纳米毒理学研究，尤其是体内实验的验证以及纳米毒理学机制相关的研究。 随着公认的研究方法的发展，尤其是分析方法的建立，纳米毒理学由最初研究数据矛盾多和可比性差的状况，逐渐形成成熟的研究领域，成为纳米科学与生命科学和医学交叉产生的一个新的分支学科。纳米毒理学是研究在纳米尺度下物质新出现的纳米特性对生命体系所产生的毒理学效应［1，2］。其目的是以科学的方式描述纳米物质纳米颗粒在生物环境中的生物学行为以及毒理学效应，不仅是为了揭示物质在纳米尺度下的生物学效应，同时也是低毒性纳米材料的设计及纳米技术安全应用的基础和保障。 与经典毒理学不同之处在于，纳米毒理学主要研究发生在纳米表面与生物界面之间的表界面相互作用过程［3］，比如，纳米材料表面与生物成分表面如蛋白质、膜、磷脂、内吞小泡、细胞器、DNA 和生物流体等之间的物理化学相互作用的动态过程，这些过程既包含纳米材料与生物系统中各种生物分子之间，在纳米尺度上发生的动力学和热力学反应，也包含传统的毒理学过程图1.1。纳米颗粒与蛋白质，生物膜、细胞、DNA 和细胞器作用的界面反应，导致纳米颗粒被蛋白质包裹、膜包裹以后，再进入细胞并发生进一步的生物催化反应。这些过程可能导致生物相容性或生物有害性的双重结果。产生完全迥异的双重结果的主要原因，是纳米材料独特的物理化学性质，如小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，以及生物分子在纳米颗粒表面可能被诱导产生相变、自由能释放、结构改变等界面反应的发生。因此，理解“纳米生物”系统界面反应与纳米颗粒的尺寸、结构、表面化学等关系，对预测纳米颗粒的结构性质与其生物活性的相关性，设计安全的纳米材料，都非常重要。 图1.1纳米颗粒与脂质双分子层的相互作用界面［3］ 1.1纳米尺寸效应关系 1.1.1急性毒性的纳米尺寸效应 在城市环境和某些工作环境场所中，存在浓度极高的粒径＜100nm的空气传播颗粒物。根据流行病学研究的发现，大气环境中的超细颗粒纳米颗粒比微米颗粒对人体健康造成的危害更大。引起心血管系统和呼吸系统疾病死亡的危险性与空气中的细颗粒密切相关，在呼吸相同质量的颗粒物的情况下，尺寸越小，毒性越大［4］。这是人们为何高度关注并不断讨论纳米材料对呼吸系统和心血管系统的毒性影响的重要原因。聚四氟乙烯PTFE作为低摩擦材料和电绝缘体被广泛应用于工业中，因其化学稳定性和耐热性而被认为是无毒或生理、化学惰性的材料。然而，最近发现PTFE经过加热产生的烟雾主要由纳米颗粒组成，其毒性大小具有尺寸依赖性［5，6］。2009年6月，北京朝阳医院的医生在《欧洲呼吸病杂志》（European Respiratory Journal）上报道了中国工厂操作含纳米颗粒涂料的工人死亡的案例［7］。最近，我们研究发现，实际上引起工人死亡的真正原因与涂料中含有的纳米颗粒关系甚少。致使工人死亡的真正原因，不是涂料中的纳米颗粒而是加热产生的有机溶剂蒸气。然而，该事件已引发了《科学》、《自然》、《自然?纳米技术》（Nature Nanotechnology）等期刊及公众媒体对纳米材料安全性问题的高度关注。美国国家职业安全与健康研究院NIOSH的测试表明，在实验室规模的碳纳米管CNTs生产过程中，空气中单壁碳纳米管SWCNTs的峰值浓度约为53mgm3，多壁碳纳米管MWCNTs约为480mgm3，工人每只手套上沉积的SWCNTs可达0.2～6mg［8~10］。这些碳纳米管将成为工作环境中的职业人群吸入纳米颗粒的主要来源。 一部分人造纳米颗粒具有与大气中的纳米颗粒相类似的生物学效应。例如，有报道称纳米颗粒进入血液，与血细胞反应可以形成血栓 ［11］。不同类型的纳米颗粒对心血管系统和呼吸系统产生的毒性均存在“温和—严重—急性”几个层次。尺寸与比表面积密切相关，且与纳米材料引起肺炎和氧化应激的潜力直接相关，已成为纳米毒理学研究中的重要因素，例如成为决定纳米颗粒在体内沉积部位的关键因素。尺寸小于50nm颗粒经吸入暴露，呼吸道沉积率非常高。在沉积纳米颗粒的体内迁移过程中，颗粒尺寸也扮演着重要角色。例如，粒径在10～50nm的颗粒易从呼吸道的肺泡区域迁移到肺间隙位置或中枢神经系统等其他组织器官中。在纳米毒理学中，人们已普遍认识到“尺寸效应”关系的重要作用。对金属纳米颗粒以及其他高反应性的纳米颗粒，尺寸影响毒性的根源可以归因于纳米尺度下的物质表面的原子缺陷引起的纳米表面具有的大量活性位点和超高反应活性。 对于颗粒形状的纳米物质（纳米颗粒），由于其分散程度与表面积密切相关，因此，评价毒理学效应时比表面积每克样品的表面积通常是一个很重要的剂量单位，同等质量、同一物质的比表面积随尺寸减小而增大。当颗粒物的尺寸lt;100nm时，其表面分子（或原子）数目占总分子（或原子）的百分比与颗粒尺寸呈负相关。小尺寸颗粒的表面分子（或原子）数目会急剧增加［12，13］。例如，直径30nm的颗粒其表面分子约占10%，直径小到10nm约占20%，而直径小到3nm时表面分子增加到50%。材料的反应活性很大程度上和颗粒表面的分子或原子数目直接相关，因此，它成为决定纳米颗粒化学性质和生物效应的关键因素。 纳米颗粒巨大的比表面积与其高反应活性直接相关。因此，在生物体的微环境中，与化学相同组成的微米颗粒相比，纳米颗粒表现出较高的反应活性，成为体内产生生物毒性的潜在诱因。我们研究了工业用途广泛的金属纳米材料，如纳米铜、纳米锌等，利用动物实验对它们的急性毒性进行了系统研究［14~20］，同时用相应的微米材料作为对照，可以明确地解释纳米特性本身所带来的毒理学效应，有利于发现它们到达纳米尺寸以后的毒理学行为的变化规律。小鼠暴露在铜、锌纳米颗粒与相同剂量的微米颗粒后所发生的急性毒理学效应有很大的差别［14~20］，显示出明显的尺寸依赖性：急性毒性随颗粒尺寸的减小而成增大 图1.2。铜纳米颗粒进入消化道后，在胃液的酸性环境pH约为2中，随着颗粒尺寸的减小，超高反应活性的纳米金属颗粒迅速转化成离子状态，产生铜离子过载毒性。与此同时，由于纳米铜的离子化速率比微米铜的大，纳米铜比微米铜消耗体内氢离子的速度快很多［16，19，20］，导致碱中毒。因此，纳米铜的毒性来源有两方面：一方面体内铜离子过载而产生毒性，引起许多功能性蛋白的结构丧失，另一方面，因为消耗生物微环境中大量的氢离子而导致碱中毒。这些因素是铜纳米颗粒产生高毒性的原因，而微米铜没有类似的毒理学反应。 图1.2铜颗粒的急性毒性与纳米尺寸的相关性 实验结果显示，铜微米颗粒17μm、铜纳米颗粒23.5nm，以及铜离子CuCl2?2H2O在小鼠经口暴露的半数致死量（LD50）分别为413mgkg体重、gt;5000mgkg体重、110mgkg体重［19］。从暴露小鼠器官脾、肾形态学变化" 目錄： "从书序／i 丛书导论v 第1部分纳米技术的安全问题 l 1纳米尺寸与纳米结构在纳米安全性中的作用3 2.纳米材料的安全性研究及其评价 22 3.纳米材料生物效应研究和安全性评价前沿32 4.人造纳米颗粒呼吸系统毒性及生物效应的研究进展44 5.纳米材料在环境领域的应用及其环境生物效应59 6.纳米技术的标准化进程和伦理问题 72 7.纳米技术T作场所的安全性问题 77 8.纳米安全性研究的方法论思考 87 第2部分 纳米技术的哲学与伦理问题 95 9.纳米伦理：研究现状、问题与挑战 97 10.纳米技术伦理与社会研究的兴起与发展 118 11.纳米技术：从可能性到可行性 137 12纳米伦理学的三个维度 147 13哲学与纳米技术伦理学 160 14纳米技术伦理问题研究的几种进路 168 15人类利用药物增强的伦理考量 178 16纳米技术在食品中的应用、风险与风险防范190 第3部分纳米技术安全与伧理问题的善治 20l 17纳米技术风险管理的哲学思考 203 18更早的参与，更好的科技？ ——简述欧美纳米技术的上游参与 215 19.纳米技术ELSI研究的国际学术力量分布及 社会动力分析 224 20我国公众对纳米技术的认知分析 ——基于大连地区纳米技术公众认知的实证调查233 21公众对纳米技术利益与风险的评估 242 22纳米技术的善治：政府调控与公众参与 252 23欧美纳米技术研究行为准则比较分析 259 24纳米技术善治的“第三种力量” ——非政府组织在纳米伦理讨论中的作用269 附录 国外纳米安全与伦理文件汇编 277 附录1纳米技术与伦理——政策和行动 279 附录2 欧盟负责任的纳米科学和纳米技术研究行为守则287 附录3 负责任的纳米准则 293 附录4 美国国家纳米基础研究联盟 NNIN实验室研究人员 伦理责任简明指南 298 附录5 欧洲碳纳米管生产者协会 PACTE碳纳米管生产使用行为 准则 307 附录6 德国BASF公司的纳米技术行为守则 310 附录7德国化学会守则接触纳米材料的工作场所行为指南313 中英文摘要 323 后记 345 作者简介 347 Preface i Introductionv Section l Size and Structure Effects in the Nanotoxic Response of Nanomaterials 3 Section 2 Safety and Risk Assessment of Nanomaterials 22 Section 3 Progress in Biological Effects and Safety Assessment of Nanomaterials 32 Section 4 Research Advances on the Toxic Effects of Manufactured Nanoparticles on the Respiratory System 44 Section 5 The Application and Biological Effects of Nanomaterials in 59 Section 6 The Process of Standardization of Nanotechnology and 72 Section 7 Safety Issues of Nanotechnology in the Workplace 77 Section 8 Thoughts on the Methodology of Nanosafety Research 87 Part 2 Philosophical and Ethical Issues in Nanotechnology 95 Section 9 Nanoethics: Research Progress， Problems and Challenges 97 Section 10 The Emergence and Development of the Ethic and Social Studies of Nano Science and Technology 118 Section 11 Nanotechnology: From Possibility to Feasibility 137 Section 12 Three Dimensions of Nanoethics 147 Section 13 Philosophy and Ethics of Nanotechnology 160 Section 14 Four Approaches to Nano-ethical Research 168 Section 15 The Ethical Considerations of Human Medicinal Section 16 The Application of Nanotechnology in Food， Risks and Nanomaterials 190 Part 3 Nanotechnology Safety and Ethical Issues of Good Governance 201 Section 17 Philosophical reflections on the management of nanotechnologicalrisks 203 Section 18 Can Earlier Involvement Lead to Better Technology? Description of Nanotechno logy Upstream Involvement 215 Section 19 International Academic Distribution and Social Power Analysis on Nanotechnology ELSI Research 224 Section 20 Analysis of Public Perception of Nanotechnology 233 Section 21 Public Assessment of Benefits and Risks of Section 22 The Ethical Governance of Nanotechnology and Public 252 Section 23 Comparative Analysis of Nanotechlogy Research Code of Conduct in Europe and the US 259 Section 24 ""The Third force"" of Good Governance of Nanotechnology The Role of NGOs in the Ethical Discussion of Appendix Policies and Code of Ethics on Nanosafety from Abroad 277 1 Nanotechnologies and Ethics-Policies and Actions 279 2 The EU Code of Conduct for Responsible Nanosciences and 287 4 A Short Guide on Ethical Responsibilities of Nanotechnology Researchers USNational Nanotechnology Infrastructure Network 298 5 Producers Association of Carbon nanoTubes in Europe PACTE Code of Conduct for the Production and Use of Carbon Nanotubes 307 6 Nanotechnology Code of Conduct-BASF 310 7 Code of Conduct of the German Chemical Society 313 Postscript 345 About the Author 347" 內容試閱： "第1部分纳米技术的安全问题 1 纳米尺寸与纳米结构在纳米安全性中的作用 自2003年《自然》（Nature）、《科学》（Science）发起纳米安全性的讨论以来，纳米材料的生物学效应与安全性研究发展迅速，已经形成一个新的学科——纳米毒理学。美国和欧洲分别创办了“纳米毒理学”专业学术刊物《纳米毒理学》（Nanotoxicology）和《颗粒和纤维毒理学》（Particle amp; Fibre Toxicology），很快就进入了SCI期刊行列，并且影响因子超过了毒理学领域具有60年历史的两大代表性刊物：《美国毒理学会会刊》Toxicological Sciences和《欧洲毒理学会会刊》Toxicology Letters。尽管如此，在纳米毒理学领域，目前能够归纳出具有系统性、普遍性的规律性知识还很有限。想要对纳米生物安全性问题做出科学合理、客观公正的评价，还需要开展更深入、更系统的纳米毒理学研究，尤其是体内实验的验证以及纳米毒理学机制相关的研究。 随着公认的研究方法的发展，尤其是分析方法的建立，纳米毒理学由最初研究数据矛盾多和可比性差的状况，逐渐形成成熟的研究领域，成为纳米科学与生命科学和医学交叉产生的一个新的分支学科。纳米毒理学是研究在纳米尺度下物质新出现的纳米特性对生命体系所产生的毒理学效应［1，2］。其目的是以科学的方式描述纳米物质纳米颗粒在生物环境中的生物学行为以及毒理学效应，不仅是为了揭示物质在纳米尺度下的生物学效应，同时也是低毒性纳米材料的设计及纳米技术安全应用的基础和保障。 与经典毒理学不同之处在于，纳米毒理学主要研究发生在纳米表面与生物界面之间的表界面相互作用过程［3］，比如，纳米材料表面与生物成分表面如蛋白质、膜、磷脂、内吞小泡、细胞器、DNA 和生物流体等之间的物理化学相互作用的动态过程，这些过程既包含纳米材料与生物系统中各种生物分子之间，在纳米尺度上发生的动力学和热力学反应，也包含传统的毒理学过程图1.1。纳米颗粒与蛋白质，生物膜、细胞、DNA 和细胞器作用的界面反应，导致纳米颗粒被蛋白质包裹、膜包裹以后，再进入细胞并发生进一步的生物催化反应。这些过程可能导致生物相容性或生物有害性的双重结果。产生完全迥异的双重结果的主要原因，是纳米材料独特的物理化学性质，如小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，以及生物分子在纳米颗粒表面可能被诱导产生相变、自由能释放、结构改变等界面反应的发生。因此，理解“纳米生物”系统界面反应与纳米颗粒的尺寸、结构、表面化学等关系，对预测纳米颗粒的结构性质与其生物活性的相关性，设计安全的纳米材料，都非常重要。 图1.1纳米颗粒与脂质双分子层的相互作用界面［3］ 1.1纳米尺寸效应关系 1.1.1急性毒性的纳米尺寸效应 在城市环境和某些工作环境场所中，存在浓度极高的粒径＜100nm的空气传播颗粒物。根据流行病学研究的发现，大气环境中的超细颗粒纳米颗粒比微米颗粒对人体健康造成的危害更大。引起心血管系统和呼吸系统疾病死亡的危险性与空气中的细颗粒密切相关，在呼吸相同质量的颗粒物的情况下，尺寸越小，毒性越大［4］。这是人们为何高度关注并不断讨论纳米材料对呼吸系统和心血管系统的毒性影响的重要原因。聚四氟乙烯PTFE作为低摩擦材料和电绝缘体被广泛应用于工业中，因其化学稳定性和耐热性而被认为是无毒或生理、化学惰性的材料。然而，最近发现PTFE经过加热产生的烟雾主要由纳米颗粒组成，其毒性大小具有尺寸依赖性［5，6］。2009年6月，北京朝阳医院的医生在《欧洲呼吸病杂志》（European Respiratory Journal）上报道了中国工厂操作含纳米颗粒涂料的工人死亡的案例［7］。最近，我们研究发现，实际上引起工人死亡的真正原因与涂料中含有的纳米颗粒关系甚少。致使工人死亡的真正原因，不是涂料中的纳米颗粒而是加热产生的有机溶剂蒸气。然而，该事件已引发了《科学》、《自然》、《自然?纳米技术》（Nature Nanotechnology）等期刊及公众媒体对纳米材料安全性问题的高度关注。美国国家职业安全与健康研究院NIOSH的测试表明，在实验室规模的碳纳米管CNTs生产过程中，空气中单壁碳纳米管SWCNTs的峰值浓度约为53mgm3，多壁碳纳米管MWCNTs约为480mgm3，工人每只手套上沉积的SWCNTs可达0.2～6mg［8~10］。这些碳纳米管将成为工作环境中的职业人群吸入纳米颗粒的主要来源。 一部分人造纳米颗粒具有与大气中的纳米颗粒相类似的生物学效应。例如，有报道称纳米颗粒进入血液，与血细胞反应可以形成血栓 ［11］。不同类型的纳米颗粒对心血管系统和呼吸系统产生的毒性均存在“温和—严重—急性”几个层次。尺寸与比表面积密切相关，且与纳米材料引起肺炎和氧化应激的潜力直接相关，已成为纳米毒理学研究中的重要因素，例如成为决定纳米颗粒在体内沉积部位的关键因素。尺寸小于50nm颗粒经吸入暴露，呼吸道沉积率非常高。在沉积纳米颗粒的体内迁移过程中，颗粒尺寸也扮演着重要角色。例如，粒径在10～50nm的颗粒易从呼吸道的肺泡区域迁移到肺间隙位置或中枢神经系统等其他组织器官中。在纳米毒理学中，人们已普遍认识到“尺寸效应”关系的重要作用。对金属纳米颗粒以及其他高反应性的纳米颗粒，尺寸影响毒性的根源可以归因于纳米尺度下的物质表面的原子缺陷引起的纳米表面具有的大量活性位点和超高反应活性。 对于颗粒形状的纳米物质（纳米颗粒），由于其分散程度与表面积密切相关，因此，评价毒理学效应时比表面积每克样品的表面积通常是一个很重要的剂量单位，同等质量、同一物质的比表面积随尺寸减小而增大。当颗粒物的尺寸lt;100nm时，其表面分子（或原子）数目占总分子（或原子）的百分比与颗粒尺寸呈负相关。小尺寸颗粒的表面分子（或原子）数目会急剧增加［12，13］。例如，直径30nm的颗粒其表面分子约占10%，直径小到10nm约占20%，而直径小到3nm时表面分子增加到50%。材料的反应活性很大程度上和颗粒表面的分子或原子数目直接相关，因此，它成为决定纳米颗粒化学性质和生物效应的关键因素。 纳米颗粒巨大的比表面积与其高反应活性直接相关。因此，在生物体的微环境中，与化学相同组成的微米颗粒相比，纳米颗粒表现出较高的反应活性，成为体内产生生物毒性的潜在诱因。我们研究了工业用途广泛的金属纳米材料，如纳米铜、纳米锌等，利用动物实验对它们的急性毒性进行了系统研究［14~20］，同时用相应的微米材料作为对照，可以明确地解释纳米特性本身所带来的毒理学效应，有利于发现它们到达纳米尺寸以后的毒理学行为的变化规律。小鼠暴露在铜、锌纳米颗粒与相同剂量的微米颗粒后所发生的急性毒理学效应有很大的差别［14~20］，显示出明显的尺寸依赖性：急性毒性随颗粒尺寸的减小而成增大 图1.2。铜纳米颗粒进入消化道后，在胃液的酸性环境pH约为2中，随着颗粒尺寸的减小，超高反应活性的纳米金属颗粒迅速转化成离子状态，产生铜离子过载毒性。与此同时，由于纳米铜的离子化速率比微米铜的大，纳米铜比微米铜消耗体内氢离子的速度快很多［16，19，20］，导致碱中毒。因此，纳米铜的毒性来源有两方面：一方面体内铜离子过载而产生毒性，引起许多功能性蛋白的结构丧失，另一方面，因为消耗生物微环境中大量的氢离子而导致碱中毒。这些因素是铜纳米颗粒产生高毒性的原因，而微米铜没有类似的毒理学反应。 图1.2铜颗粒的急性毒性与纳米尺寸的相关性 实验结果显示，铜微米颗粒17μm、铜纳米颗粒23.5nm，以及铜离子CuCl2?2H2O在小鼠经口暴露的半数致死量（LD50）分别为413mgkg体重、gt;5000mgkg体重、110mgkg体重［19］。从暴露小鼠器官脾、肾形态学变化"

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