سمیت نانومواد

۱-مقدمه

نانومواد به دلیل اثرات اندازه کوانتومی و سطح وسیع نسبت به حجم، دارای خصوصیات منحصر به فردی هستند که بر روی سمیت آن‌ها تاثیر می‌گذارد. تحقیقات اخیر نشان می‌دهد موادی که در حالت توده بی‌ضرر هستند، در ابعاد نانو واکنش‌پذیری آن‌ها افزایش می‌یابد و می‌توانند اثرات سمی، خطرناک و مضرداشته‌ باشند. نانوسمیت‌شناسی^[۱] به مطالعه‌ برهمکنش نانومواد و سامانه‌های زیستی (ذراتی با اندازه متوسط کوچکتر از ۱۰۰ نانومتر حداقل در یک بعد)[۱]و پتانسیل خطرات نانومواد بر سلامت انسان می‌پردازد[۲].

ابعاد نانومتری با بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی مواد، برهمکنش نانومواد با بافت زنده را افزایش می‌دهد. نانوذرات با عبور از غشاهای زیستی، وارد سلول‌ها، بافت‌ها، پوست، اندام‌های تنفسی، گوارشی و غیره می‌شوند. در داخل سلول، ضمن القاء جهش در ماده ژنتیکی میتوکندری و هسته، ساختار اندامکی آن‌ها را تخریب کرده و درنهایت باعث مرگ سلولی می‌شوند. مطالعات انجام شده بر روی حیوانات، اثرات ریوی ناشی از استنشاق نانومواد مانند التهاب، فیبروز^[۲] و سرطان‌زایی برخی از نانوذرات را نشان داده‌ است. تماس پوستی با نانومواد و قرار گرفتن در معرض بلع نیز نگران کننده ‌است [۱]. در این مقاله قصد داریم اثرات سمیت نانومواد را بررسی کنیم.

۲- خطرات نانومواد

خطر مواجهه با نانوذرات، تا حد زیادی به وضعیت مواد بستگی دارد. نانومواد موجود در یک ماتریکس جامد، در صورت عدم برش و خردشدن، خطرات بالقوه‌ی کمتری دارند. هنگام کار کردن با نانوذرات موجود در یک محلول، تشکیل آئروسل نانوذرات در اثر هم‌زدن، مخلوط‌کردن یا سونیکاسیون، باعث ایجاد خطر می‌شود. بیشترین خطر مواجهه با نانوذرات در هنگام استفاده از پودر خشک نانومواد، به وجود می‌آید[۳].

۱-۲- تهدیدهای سلامتی

هرچند تعیین دقیق‌ترین پارامتر سمیت‌زای نانوذرات مشکل است، اما با توجه به مطالعات، نانومواد با نسبت سطح بالا ^[۳](HARNs)و انحلال‌پذیری کم در آب، تاثیرات منفی بر سلامتی بدن ایجاد می‌کنند [۳]. جدول۱، به‌طور خلاصه پارامترهای سمیت‌زای برخی نانومواد را نشان می‌دهد.

جدول۱- طبقه‌بندی ویژگی‌های خطرناک برخی نانومواد[۳]

قرار گرفتن در معرض نانومواد در سه حالت صورت می‌گیرد. مواجهه شغلی، شامل اشخاصی می‌شود که در کارخانه یا آزمایشگاه‌های تحقیقاتی با نانومواد کار می‌کنند. مواجهه مصرف کننده، برای افرادی است که از محصولات تولید شده با کمک فناوری نانو مثل محصولات آرایشی، بهداشتی، درمانی و غیره استفاده می‌کنند. مواجهه زیست‌محیطی، مربوط به ریز آلاینده‌های آب، هوا و خاک است[۴]. برای جلوگیری از خطرات ناشی از مواجهه با نانوذرات باید بدانید که سه راه اصلی برای ورود نانوذرات به بدن انسان وجود دارد: تنفس، تماس پوستی و بلع گوارشی.

شکل۱- راه‌های ورود نانوذرات به بدن انسان و بیماری‌های مربوط به آن[۳]

۱-۱-۲- تنفس

به‌طور کلی، نانوذراتی که در هوا وجود دارند چه به صورت آئروسل^[۴] و چه به شکل ذرات معلق از پودرهای خشک، به دلیل اندازه‌ی کوچک به سهولت می‌توانند در مسافت‌های طولانی منتقل شوند. شایع‌ترین راه ورود نانوذرات به بدن انسان از راه تنفس در محیط کار است[۵]. ریز ذراتی که با اندازه‌‌‌ی ۲/۵ میکرومتر استنشاق می‌شوند، در مجاری هوایی فوقانی مستقر شده و توسط لایه مخاطی با سرفه، عطسه یا بلع بیرون رانده می‌شوند. ریزذرات کمتر از ۲/۵ میکرومتر می‌توانند به عمق بیشتری در لوله تنفسی نفوذ کنند و فقط با ماکروفاژهای ششی حذف می‌شوند[۶]. با این حال، ذرات نانو با اندازه کمتر از ۱۰۰ نانومتر، قابلیت نفوذ و پراکندگی بیشتری در ریه دارند[۲]. بنابراین اگرچه دستگاه تنفس با عملکرد فیلتراسیون به عنوان یکی از سدهای اولیه ورود نانوذرات به بدن عمل می‌کند، اما بسته به اندازه، احتمال عبور برخی از نانوذرات وجود دارد[۷].

فیلتراسیون نانوذرات باعث آسیب به ریه‌ها می‌شود. نانوذرات با توجه به شکل، اندازه، میزان آگلومره شدن و بارهای الکتریکی، در خانه‌های ششی رسوب‌های بزرگی ایجاد می‌کنند. با افزایش فعالیت، به علت بالا رفتن تعداد تنفس و تغییر تنفس دهانی به تنفس بینی، تراکم ورودی نانوذرات بیشتر می‌شود.ضخامت دیواره مویرگ‌ها و خانه‌های ششی تقریباً ۰/۵ میکرومتر است و این امر باعث می‌شود ذرات موجود در هوا، با اندازه‌های میکرو و نانو به راحتی وارد گردش خون شوند. در مطالعات حیوانی مشاهده شده‌است که نانوذرات با قطر متوسط ۳۵-۳۷ نانومتر، در بینی ته‌نشین شده و از مسیر عصبی (عصب بویایی و ۳قلو) می‌توانند به مغز راه یابند[۵]. شکل ۲ نشان‌دهنده‌ تاثیرات احتمالی نانوذرات بر بدن انسان، از راه استشاق است.

شکل۲- اثرهای احتمالی استنشاق نانوذرات[۸]

۲-۱-۲- پوست

پوست سالم نسبت به سیستم تنفسی، سد قوی‌تری دربرابر ورود نانوذرات به بدن است. هرچند بریدگی یا خراش پوستی می‌تواند ورود نانوذرات را تسهیل کند[۷]. نانوذرات می‌توانند از طریق زخم یا ازکنار برخی ضمائم پوستی نظیر منافذ و فولیکول‌های مو[۹]، وارد لایه درم^[۵] پوست که حاوی عروق خونی است، شوند و از آنجا به درون خون و غده‌های لنفاوی مهاجرت کنند. نانوذرات با افزایش استرس اکسیداتیو و با تولید سیتوکین‌های التهابی، باعث مرگ سلولی ‌می‌شوند[۵]، بنابراین برای سلول‌ها و بافت‌ها بسیار سمی می‌توانند باشند.

شکل۳- راه‌های نفوذ نانومواد از پوست[۹]

عواملی مانند اندازه، شکل، انحلال‌پذیری در آب و پوشش سطحی، به میزان زیادی بر پتانسیل نانوذرات جهت نفوذ به پوست اثر می‌گذارد[۵]. اما به طور متوسط ذرات بزرگتر از ۲۰ نانومتر نمی‌توانند از لایه اپیدرم زنده پوست عبور کنند[۷].

جدول۲- نفوذ نانومواد به پوست[۳]

۳-۱-۲- بلع و گوارش

بلعیدن و ورود نانوذرات از راه گوارش کمترین خطر در محیط آزمایشگاه محسوب می‌شود و معمولا در اثر تماس تصادفی دست به دهان می‌تواند صورت بگیرد. بنابراین با رعایت مسائل بهداشت و ایمنی محیط کار، استفاده از دستکش و لباس کار مخصوص، شستشوی دقیق دست‌ها پس از اتمام کار، تا حد زیادی از خطرات ناشی از ورود گوارشی نانوذرات جلوگیری می‌شود[۳]. با توجه به این‌ که حفره دهان و بینی به هم ارتباط دارد، ورود گوارشی نانوذرات، تا حد زیادی به سیستم تنفسی و استنشاق نانوذرات نیز مرتبط است. نانوذراتی که با فیلتراسیون لایه موکوزی دستگاه تنفسی به سمت بیرون رانده می‌شوند، ممکن است از طریق بلع وارد حفره گوارشی بدن شوند[۵]. سرتاسر لوله‌ی گوارش با سلول‌های جذبی مواد غذایی پوشش داده شده است، بنابراین نانوذرات وارد شده به دستگاه گوارش، نسبت به پوست و سیستم تنفسی، با سهولت و به میزان زیادی جذب گردش خون می‌شوند[۷].

مطالعات حیوانی نشان داده ‌است که ذرات نانو، پس از این که از ریه، پوست و سیستم گوارش، وارد خون می‌شوند، توسط سلول‌ها برداشت شده و در قلب، مغز، طحال، کلیه، مغز استخوان و کبد رسوب می‌کنند[۸].

۲-۲- خطر انفجار و آتش سوزی

آتش‌سوزی یکی از محوری‌ترین مسائل مربوط به بحث ایمنی، بهداشت و محیط زیست است. مقیاس نانو با تغییر خواص و ویژگی‌های سطحی مواد، موجب افزایش سطح تماس ذرات با هوا، رسانایی الکتریکی و واکنش‌پذیری برخی نانوذرات می‌شود[۲]. بنابراین در صورت بی‌توجهی در زمان انبار، حمل و نقل و کار با مواد نانو، امکان انفجار و حریق‌های گسترده وجود دارد. فلز نقره در اثر عوامل مکانیکی و الکتریسیته ساکن، امکان انفجار ندارد و در صورت آتش‌سوزی از اسپری آب و کف برای اطفاء حریق می‌توان استفاده کرد. اما نانوذرات نقره به راحتی در هوا می‌سوزند. در اثر سوختن، گاز سمی اکسید فلز در فضا منتشر می‌شود و برای اطفاء حریق باید از پودر خشک استفاده شود [۱۱]. در جدول۳، تفاوت‌های ساختاری و ویژگی‌های ایمنی فلز نقره و نانوذرات نقره ذکر شده است.

جدول۳- مقایسه بین فلز نقره و نانونقره[۱۱]

اگر در اثر کار نا ایمن، غبار و ذرات نانو در فضا معلق بمانند، ممکن است انفجار غبار صورت بگیرد. فعالیت کاتالیستی بسیاری از نانومواد نیز می‌تواند منجر به آتش سوزی شود[۵]. با توجه به پنج ضلعی آتش (شکل۴)، غبار حاوی ذرات کربن و فلز، تحت شرایطی که در یک غلظت و پراکندگی کافی به اندازه زیاد هوادهی شوند و یک منبع احتراق نیز وجود داشته باشد، می‌توانند منفجر شوند.

شکل۴- پنج‌ضلعی آتش

نانوذرات فلزی انفجارهای شدیدتری نسبت به نانومواد کربن دارند و مسیر واکنش شیمیایی آنها از نظر کیفی متفاوت است. مطالعات انجام شده بر روی نانوذرات آلومینیوم و نانوذرات تیتانیوم نشان می‌دهد که خطرات انفجاری دارند[۱۲].

۳-۲- آلودگی محیط زیست

درواقع تا به امروز، تکنیک‌های کمی تحلیلی، برای اندازه‌گیری نانوذرات در سیستم‌های طبیعی، به تعداد محدودی موجود است. بنابراین در مورد میزان، توزیع و تأثیر نانوذرات مهندسی شده بر حیوانات و گیاهان محیط زیست اطلاعات زیادی در دست نیست. شرایط آب و هوایی مانند رطوبت، دما، سرعت جریان باد، ارتفاع جغرافیایی و ماهیت نور می‌توانند بر ویژگی‌های خاصی از نانوذرات که باعث سمیت آن‌ها می‌شوند تاثیر بگذارند. در دماهای بالاتر و سرعت بیشتر جریان باد، پراکندگی نانوذرات در محیط زیست و میزان جذب آن‌ها در بافت‌های گیاهی و جانوری افزایش می‌یابد[۱۳]. نانوذرات با ایجاد سمیت برای گونه‌های مختلف موجودات زنده، تاثیرات مخربی بر زنجیره غذایی می‌گذارند. برای مثال مواجهه نانوذرات با میکروارگانیسم‌های موجود در خاک و آب‌های زیرزمینی اثرات سمی دارد. در ادامه ماهی‌ها، حشرات یا پستانداران با مصرف میکرو ارگانیسم‌های تحت تأثیر نانوذرات، تحت تاثیر خطرات احتمالی آنها قرار می‌گیرند.

۱-۳-۲- محیط آب

مصرف نانومواد در تولید محصولات آرایشی و ضدآفتاب، باعث ورود نانوذرات به محیط‌های آبزیان می‌شود[۱۴]. نانوذرات از طریق سیستم آبشش، گوارش و یا پوست وارد آبزیان شده و بسته به ماهیت نانوذرات، اندازه و شکل، مکانیسم‌های متفاوتی برای سمیت‌زایی در گونه‌های مختلف آبزیان ایجاد می‌کنند. در یک مطالعه از گورخرماهی برای مواجهه با نانوذرات نقره، مس، نیکل و آلومینیوم به عنوان مدل استفاده کردند. در نتیجه‌ی این آزمایش‌ها، تاثیرات خطرناک نانوذرات نقره نشان داده شد[۱۵]. اثرات نامطلوب سمی بودن نانوذرات کلوئید نقره بر ماهی قزل‌آلای رنگین‌کمانی، دافنی‌ ماگنا و ماهی گامبوزیا گزارش شده‌است. کلوئید نانوذرات نقره با اثر استرس‌زایی تولیدمثلی، باعث دفع بچه‌ماهیان و تخم‌های نارس از ماهیان ماده می‌شود. مشکلات تنفسی ماهیان در اثر واکنش نانوذرات با لایه‌های آبشش، باعث خفگی ماهی می‌شود. بنابراین از رهایش عمدی یا تصادفی نانوذرات نقره به زیست‌بوم‌های آبی باید جلوگیری کرد[۱۳].

شکل۵- مواجهه و سمیت نانوذرات در محیط‌های آبی[۱۵]

۲-۳-۲- محیط خاک

رها‌سازی نانوذرات ممکن است از منابعی مانند تأسیسات تولید، محل‌های دفن زباله یا تصفیه‌خانه‌های فاضلاب، به صورت عمدی یا تصادفی صورت ‌گیرد. خاک حاوی تعداد زیادی میکروارگانیسم است. مواجهه با غلظت‌های بالای نانوذرات نقره برای یک مدت طولانی ممکن است رشد جمعیت میکروبی را به صفر برساند. این ذرات همچنین بر سیستم ایمنی کرم‌های خاکی اثر می‌گذارد. نانوذرات ZnO تاثیرات نامطلوبی بر باروری کرم‌های خاکی دارند. نانوذرات سزیوم، بسته به اندازه و غلظت، فرآیند دنیتریفیکاسیون باکتری‌های خاک را مختل می‌کند[۱۵].

۴-۲- رادیواکتیویته

نانوذرات مهندسی‌شده رادیواکتیو، کاربردهایی در تشخیص پزشکی، تصویر برداری پزشکی و بهداشت محیط دارند و برای کاربردهایی در زمینه پزشکی هسته‌ای مورد بررسی قرار می‌گیرند[۵]. نانوذرات رادیواکتیو با چالش‌های ویژه‌ای همراه هستند. زیرا توکسوکینتیک نانوذرات به خواص فیزیکی و شیمیایی آنها از جمله اندازه، شکل و شیمی سطح بستگی دارد. با این حال، روش‌های کنترل و ایمنی موثری برای کار با نانومواد رادیواکتیو وجود دارد.

۳-جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

امروزه کاربرد نانوتکنولوژی در زمینه‌های علمی و صنعت، بیش از پیش گسترش یافته است. به کارگیری نانومواد جهت استفاده‌های دارویی و تشخیصی، کشاورزی، نساجی و غیره باعث افزایش رهاسازی نانوذرات در بدن انسان و محیط زیست می‌شود. خطرات سلامتی و ایمنی نانومواد، شامل سمیت بالقوه انواع نانوذرات و هم‌چنین خطرات ناشی از آتش‌سوزی و انفجار غبار است. عوامل زیست‌محیطی مختلف، می‌توانند در سمیت نانوذرات نقش داشته باشند.

نانوذرات در مواجهه با افراد از سه راه اصلی تنفس، تماس پوستی و بلع گوارشی وارد اندام‌های مهمی چون ریه، پوست و سیستم گوارشی می‌شود. این اندام‌ها در ارتباط با بستر‌های عروقی قرار دارند بنابراین نانوذرات با ورود به خون در سرتاسر بدن منتشر می‌شوند و پس از جذب سلولی، در قلب، مغز، طحال، کلیه، مغز استخوان و کبد رسوب می‌کنند. به علاوه بعضی از این نانوذرات می‌توانند با القاء استرس اکسیداتیو به DNA آسیب زده و باعث ایجاد سرطان شوند.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۴- مراجع

[۱]حسین قنبری، سازگاری زیستی در مقیاس نانو، اول، تعالی اندیشه، سال۱۳۹۴.

[۲]شهناز باکند، علی اصغر فرشاد، مروری بر فناوری نانو و سم شناسی نانوذرات، سلامت کار ایران، شماره ۱و۲، سال۸۶،صفحه۱-۳

[3]Nanomaterials Safety Guidelines, environmental health andsafty,concordiauniversity

[۴]عمید رهی، نغمه ستاراحمدی، حسین هلی، سمیت نانو مواد- تاثیر خواص فیزیکوشیمیایی، دانشگاه علوم پزشکی شهید صدوقی یزد، شماره ۶، سال۹۳، صفحه های ۱۷۳۴-۱۷۵۴

[5]Hodson, Laura, Mark Methner, and Ralph D. Zumwalde. "Approaches to safe nanotechnology; managing the health and safety concerns associated with engineered nanomaterials." (2009).

[۶]فریده گلبابایی، عبدالرسول رحمانی، دستورالعمل بهداشت و ایمنی کار با نانومواد در محیط‌های آزمایشگاهی، شبکه ایمنی نانو ایران، سال ۹۲

[۷]سیامک علیپور، محمد مالکی، مروری بر سمیت نانومواد و ایمنی در محیط کار و آزمایشگاه، فصلنامه علمی، شماره ۲، سال ۹۶، صفحات ۶۹-۷۷

[۸] معصومه تاران، قاسم عموعابدینی،فائزه کاشانیان، بررسی سمیت نانوذرات در مواجهه با سلول، ایمنی زیستی، شماره اول، سال ۹۲، صفحه های ۵۵ تا ۷۰

[9]Oberdörster, Günter, Eva Oberdörster, and Jan Oberdörster. "Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles." Environmental health perspectives 113.7 (2005): 823-839.

[10]Shaker, Dalia S., et al. "Nanoemulsion: A Review on Mechanisms for the Transdermal Delivery of Hydrophobic and Hydrophilic Drugs." ScientiaPharmaceutica 87.3 (2019): 17.

[۱۱] احمد ظهیر میردامادی، یداله بالاور، دانش آزمایشگاهی ایران، شماره ۱، سال۹۶، صفحه ۳۳-۳۶

[12]Turkevich, Leonid A., et al. "Potential explosion hazard of carbonaceous nanoparticles: screening of allotropes." Combustion and flame 167 (2016): 218-227.

[۱۳]ژینو حسینی، لیلا حبیبی، علی جوهری، ایمان سوری نژاد، بررسی سمیت حاد کلوئید نانوذرات نقره سنتتیک تولید شده از طریق سایش لیزری، بوم شناسی آبزین،شماره چهارم، سال۹۳، صفحه ۳۰-۳۴

[14]Popov, A. P., et al. "TiO2 nanoparticles as an effective UV-B radiation skin-protective compound in sunscreens." Journal of Physics D: Applied Physics 38.15 (2005): 2564.

[۱۵]فرشید سلیمانی، ایرج نبی پور، فاطمه فرجی، سینا دوبرادران، اثرات نانوذرات بر انسان و محیط زیست : مروری بر سمیت، مواجهه، راه‌های کنترل خطرات و چشم‌اندازهای آینده، طب جنوب، شماره سوم، سال۹۴، صفحه ۶۳۰- ۶۶۳

۵- پاورقی‌ها

[1]Nanotoxicology

[2] Fibrosis

[3] high aspect ratio nanomaterials

[4]Aerosol

[5]Derm