納米tio2生物效應(yīng)的研究進(jìn)展【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　生物技術(shù)</b></p><p>　　納米TiO2生物效應(yīng)的研究進(jìn)展</p><p>　　摘要：介紹了納米二氧化鈦的結(jié)構(gòu)、作用機(jī)制及其研究的主要方面。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的大量閱讀與整合，結(jié)果表明隨著納米二氧化鈦的廣泛應(yīng)用，其引起的生物效應(yīng)受到

2、我們的關(guān)注，目前對(duì)納米二氧化鈦的研究作用機(jī)理還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未被充分揭示，研究?jī)H局限于少數(shù)生物。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：納米TiO2 作用機(jī)制 生物效應(yīng)</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　納米材料是指具有特殊性能的，并且其幾何尺寸達(dá)到納米級(jí)水平的材料。1納米(nm)是10-9m。當(dāng)前對(duì)納米材料的定義

3、是：粒徑為1-100nm的納米粉、納米線，以及厚度為1-100nm的納米薄膜，并且會(huì)產(chǎn)生納米效應(yīng)的材料[1]。納米材料由于其在傳導(dǎo)性、反應(yīng)性和光敏性上表現(xiàn)出與眾不同的特性，使得納米科學(xué)與信息科學(xué)和生物科學(xué)并列，成為21世紀(jì)的三大支柱學(xué)科，納米技術(shù)的發(fā)展也被稱為“工業(yè)革命”[2]。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料的種類越來(lái)越多，不同的納米材料已廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，如填料、光電子、酶、半導(dǎo)體、化妝品、催化劑、醫(yī)學(xué)影像及藥物載體等[3,4]

4、。納米TiO2是納米材料中應(yīng)用十分廣泛的材料之一，在日用化妝品、涂料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，并且由于其光物理性質(zhì)而應(yīng)用于工業(yè)添加劑[5]。本文就常見(jiàn)的納米二氧化鈦的結(jié)構(gòu)、特性及其應(yīng)用進(jìn)行了概述，并對(duì)其作用特點(diǎn)及生物效應(yīng)等幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。</p><p>　　1 納米TiO2概述</p><p>　　納米二氧化鈦是指特征維度尺寸在納米數(shù)量級(jí)的二氧化鈦顆粒，它具有比表面積大、磁性強(qiáng)、

5、光吸收性好，熱導(dǎo)性好、分散性好等性能，因而備受國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。納米TiO2有三種晶體結(jié)構(gòu)，即銳鈦礦、金紅石及板鈦礦，它們組成結(jié)構(gòu)的基本單位是TiO6八面體[6]。</p><p>　　之前一直認(rèn)為二氧化鈦是低毒粉塵，在許多粉塵的毒理學(xué)研究中，常常被用作無(wú)毒的對(duì)照。2002年美國(guó)食品與藥品管理局(FDA)認(rèn)可TiO2為安全物質(zhì)，對(duì)人體并不會(huì)造成傷害。在日本，TiO2被厚生省法令指定作為食品添加劑之一。如今，納米

6、TiO2已經(jīng)在建筑、環(huán)保、化妝品、醫(yī)學(xué)、多功能材料、抗菌劑等諸多方面均有重要用途。但是從今近幾年的研究結(jié)果來(lái)看，即使是無(wú)毒或者低毒的材料，其納米顆粒也可能會(huì)變得有毒。納米二氧化鈦毒理作用主要與粒子的尺度有關(guān)[7]。</p><p>　　2 納米TiO2作用機(jī)制</p><p>　　目前對(duì)納米TiO2的生物毒性作用機(jī)制尚未完全了解，但其具有的光學(xué)催化特性、活性氧簇ROS的產(chǎn)生及體內(nèi)氧化應(yīng)激反

7、應(yīng)的增強(qiáng)可能是其最主要的致毒作用機(jī)制[8]。</p><p><b>　　2.1 自由基機(jī)制</b></p><p>　　有關(guān)納米材料的各種體內(nèi)體外化學(xué)試驗(yàn)都表明其可以產(chǎn)生活性氧自由基，納米TiO2在曝露于光、紫外線、過(guò)度金屬等條件下均可以生成ROS[9,10]。因?yàn)榫€粒體是自由基活化組織，因此可能改變ROS的產(chǎn)生，負(fù)載或干擾機(jī)體抗氧化防御機(jī)制。</p>

8、<p><b>　　2.2 分子機(jī)制</b></p><p>　　納米TiO2顆粒沉積在肺部后，可能破壞細(xì)胞膜或直接通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，并與細(xì)胞內(nèi)的脂質(zhì)、蛋白和核酸等生物大分子結(jié)合，從而改變生物大分子的相應(yīng)功能。其衍生物能產(chǎn)生超氧自由基，這些自由基通過(guò)脂質(zhì)破壞細(xì)胞膜，使細(xì)胞失去正常的功能。Moller等[11]研究了幾種納米顆粒對(duì)巨噬細(xì)胞骨架的影響，發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量濃度的納米顆粒會(huì)

9、使細(xì)胞骨架的正常功能喪失，表現(xiàn)為增加細(xì)胞的硬度，阻止細(xì)胞之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)，破壞巨噬細(xì)胞的吞噬能力，導(dǎo)致肺部慢性炎癥，干擾細(xì)胞增殖。</p><p>　　2.3 侵入機(jī)體細(xì)胞和組織的機(jī)制</p><p>　　納米TiO2進(jìn)出細(xì)胞的方式主要有三種：一是胞飲作用，表現(xiàn)為存在于液體中被細(xì)胞所胞飲；二是胞吞作用，通常為有機(jī)體內(nèi)的納米顆粒；三是吞噬作用，從而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。對(duì)納米TiO2研究結(jié)果表明，納米

10、材料尺寸效應(yīng)對(duì)于其活性的影響是非常顯著的，尺寸越小表面原子活性越高，與細(xì)胞接觸的區(qū)域越多，就越有利于納米顆粒的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，更容易引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變，納米TiO2的效應(yīng)也就越強(qiáng)。</p><p>　　2.3.1 呼吸道沉積侵入</p><p>　　吸人納米顆粒與空氣分子發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生擴(kuò)散是主要沉積機(jī)制，在正常呼吸情況下，納米尺寸大小顆粒在肺沉積量基本呈現(xiàn)U字形[12]。納米顆粒在呼吸道沉積

11、有2種途徑侵入機(jī)體：一種是經(jīng)呼吸道上皮細(xì)胞進(jìn)入間質(zhì)，到血或淋巴分布全身；另一種類似于神經(jīng)病毒的侵入機(jī)制，是通過(guò)呼吸道上皮細(xì)胞中末端神經(jīng)攝入，再通過(guò)軸索轉(zhuǎn)移到神經(jīng)節(jié)和中樞神經(jīng)結(jié)構(gòu) [13]。</p><p>　　2.3.2 表皮和消化道侵入</p><p>　　納米TiO2顆粒越小，侵入越多，150nm-500nmTiO2顆粒就可以通過(guò)完整表皮和消化道，進(jìn)入血液和肝臟等器官。與呼吸道上皮細(xì)胞

12、中末端神經(jīng)一樣，表皮中感覺(jué)神經(jīng)末梢也可以攝入納米顆粒[14]。</p><p>　　3 納米TiO2的生物效應(yīng)</p><p>　　納米TiO2由于其產(chǎn)量高，應(yīng)用廣泛，因而對(duì)其毒性的研究也比較多。今年來(lái)關(guān)于納米TiO2生物效應(yīng)的研究主要有以下方面：</p><p><b>　　3.1鼠類實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　

13、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的感染性實(shí)驗(yàn)、藥學(xué)實(shí)驗(yàn)、營(yíng)養(yǎng)及代謝性疾病實(shí)驗(yàn)和腫瘤的研究實(shí)驗(yàn)等都需要用到鼠類，許多學(xué)者也是以老鼠為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物來(lái)研究納米顆粒的生物效應(yīng)。</p><p>　　3.1.1 TiO2納米顆粒的吸入實(shí)驗(yàn)</p><p>　　1994年，Oberdorster等[15]報(bào)道了TiO2兩種納米顆粒的亞慢性吸入毒性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，20nm與250nm的TiO2都在大鼠的呼吸道發(fā)生了沉積，肺巨噬

14、細(xì)胞對(duì)250nmTiO2顆粒清除的半衰期為177d，而20nm顆粒，巨噬細(xì)胞對(duì)其清除的半衰期為541d，在肺部停留的時(shí)間較長(zhǎng)，并且發(fā)生了明顯的炎癥反應(yīng)。此次研究結(jié)果同時(shí)也證明了納米TiO2的生物活性和尺寸效應(yīng)相關(guān)。</p><p>　　3.1.2 TiO2納米顆粒的氣管染毒實(shí)驗(yàn)</p><p>　　2004年，Renwick等[16]報(bào)道經(jīng)大鼠支氣管分別注入29nm和250nm兩種TiO2

15、納米顆粒，發(fā)現(xiàn)在24h之后可引起肺液中的谷氨酰基轉(zhuǎn)移酶、乳酸脫氫酶和蛋白質(zhì)含量明顯升高，巨噬細(xì)胞的吞噬能力降低。</p><p>　　Afaq等[17]報(bào)道了超細(xì)納米TiO2使得大鼠肺泡巨噬細(xì)胞增多，胞內(nèi)谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶的活性升高，但沒(méi)有阻止脂質(zhì)過(guò)氧化以及過(guò)氧化氫的生成。研究還發(fā)現(xiàn)，肺部組織間質(zhì)化，上皮組織的滲透性增加。結(jié)果表明，受納米TiO2作用時(shí)，盡管細(xì)

16、胞啟動(dòng)了自我保護(hù)機(jī)制，卻未能消除其產(chǎn)生的毒副作用。</p><p>　　3.1.3納米TiO2對(duì)小鼠腦毒性實(shí)驗(yàn)</p><p>　　2007年，王江雪等[18]用50mg/kg的劑量給CD雌性小鼠隔天鼻腔滴注TiO2水懸浮液，檢測(cè)TiO2在小腦中的蓄積和對(duì)小腦單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的影響，結(jié)果表明，TiO2能經(jīng)鼻粘膜吸收進(jìn)入小腦并存在于腦組織，影響腦中單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的代謝。</p>

17、<p>　　李俊綱等[19]在2008年做實(shí)驗(yàn)了解注入到小鼠氣管內(nèi)的納米TiO2顆粒對(duì)腦部的毒性。將納米TiO2注入到小鼠氣管內(nèi)。結(jié)果表明，小鼠大腦勻漿中H2O2的濃度隨著納米TiO2顆粒注入劑量的增加而增加。小鼠大腦的病理學(xué)觀察表明，TiO2納米顆粒對(duì)大腦造成的損傷主要表現(xiàn)為組織內(nèi)溢血、血腦屏障的破壞和組織壞死。</p><p>　　3.2 DNA及基因體內(nèi)毒性</p><p>

18、;　　研究人員給成年年雄性小鼠飲用不同濃度的TiO2納米微粒溶液5天，而后檢測(cè)了一系列可能反應(yīng)其基因毒性的指標(biāo)。首先，他們檢測(cè)了小鼠的骨髓細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)DNA雙鏈斷裂的細(xì)胞數(shù)目隨著服用劑量的升高而升高。緊接著檢測(cè)了外周血細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)最高劑量組小鼠的紅細(xì)胞和白細(xì)胞分別出現(xiàn)DSB和染色體損害的比例大大升高。接下來(lái)又檢測(cè)了肝細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)500 mg／kg劑量組出現(xiàn)氧化性DNA傷害的細(xì)胞比例較對(duì)照組顯著增加。上述結(jié)果均說(shuō)明：TiO2納米微粒能引起DNA

19、損傷。</p><p><b>　　3.3 細(xì)菌實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　Lu等[20]用納米TiO2培養(yǎng)大腸桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腸桿菌細(xì)胞壁被降解，細(xì)胞膜出現(xiàn)損傷，細(xì)胞的通透性受到破壞，細(xì)胞內(nèi)容物外流，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。</p><p>　　3.4 水生生物實(shí)驗(yàn)</p><p>　　納米TiO2可以在魚(yú)體內(nèi)富集。張

20、學(xué)治等[21]發(fā)現(xiàn)鯉魚(yú)對(duì)納米TiO2的生物富集主要集中在魚(yú)鰓、內(nèi)臟等部位，肌肉部分富集相對(duì)較少。</p><p>　　另外在水藻的培養(yǎng)試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：隨著納米TiO2濃度的增加，細(xì)胞的密度減少；尺寸越大，脂質(zhì)過(guò)氧化就越大；葉綠素的變化則不受尺寸的影響；顆粒能吸附在水藻細(xì)胞表面上，所能吸附的顆粒重量為自身重量的2.3倍。</p><p><b>　　4 結(jié)語(yǔ)</b><

21、;/p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)對(duì)納米TiO2的生物效應(yīng)研究還處于起步階段，國(guó)外研究的歷史也只有20年左右[22]。根據(jù)已有的研究證實(shí)：</p><p>　　(1). 納米TiO2具有尺寸效應(yīng)，其粒徑越小，對(duì)生物的毒性效應(yīng)越大，濃度超出一定的范圍也會(huì)引起生物的效應(yīng)。</p><p>　　(2). 目前研究納米TiO2顆粒對(duì)生物的影響及生物效應(yīng)的受試生物主要為小鼠和細(xì)胞，對(duì)

22、水生生物及細(xì)菌的研究較少。</p><p>　　(3). TiO2的生物效應(yīng)研究局限于毒性的表征，對(duì)其作用機(jī)制的研究不夠深入，對(duì)其分析相對(duì)薄弱。</p><p>　　納米技術(shù)是把雙刃劍，高科技納米材料生產(chǎn)使用可能給人們帶來(lái)潛在的健康危害負(fù)面影響。就在人們逐漸認(rèn)識(shí)納米科學(xué)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和其潛在的巨大市場(chǎng)的同時(shí)，2003年4月，Service[23]在Science上發(fā)表文章開(kāi)始討論納米材料的生物

23、效應(yīng)，及其對(duì)環(huán)境、健康的影響問(wèn)題。隨著規(guī)模化生產(chǎn)和納米產(chǎn)品的普及，納米材料將會(huì)進(jìn)入我們的土壤、空氣和水環(huán)境，進(jìn)而有可能進(jìn)入生物體內(nèi)[24]，環(huán)境中的生物降解納米粒子可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器積聚納米顆粒，如細(xì)胞內(nèi)基因的改變 [25]。美國(guó)、英國(guó)和日本等國(guó)家多年前就已經(jīng)著手于富勒烯、單壁和多壁碳納米管以及氧化鈰納米材料的安全性評(píng)估[26]。我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)開(kāi)始高度關(guān)注納米生物效應(yīng)與安全性的研究，已從生物整體水平、細(xì)胞水平、分子水平和環(huán)境等

24、幾個(gè)層面開(kāi)展納米生物效應(yīng)的研究工作[27]。預(yù)計(jì)在未來(lái)的研究中，納米技術(shù)研究和材料應(yīng)用將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。</p><p>　　對(duì)納米材料的生物效應(yīng)的研究，不會(huì)影響納米技術(shù)的發(fā)展，有可能指導(dǎo)重新設(shè)計(jì)、制造毒性較小的納米材料。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 白春禮. 納米科技及其發(fā)展前景[J]. 科學(xué)通

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