Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии»

УДК 504.75

Лучинин В. В., Хмельницкий И. К.,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии»

Ключевые слова: наноматериалы, нанобезопасность, нанотоксикология, безопасность производства

В статье представлены структура и краткое содержание дисциплины «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии», в которой рассматриваются правовые, физико-химические и токсикологические аспекты безопасности материалов и процессов наноиндустрии, а также техническое обеспечение безопасности при производстве нанопродукции.

В настоящее время во всем мире всевозрастающее внимание уделяется перспективам развития нанотехнологий, т. е. технологий направленного получения и применения веществ и материалов с характеристическими размерами базовых элементов менее 100 нм.

Поскольку вещество в виде наночастиц и наноматериалов обладает свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в форме макроскопических дисперсий или сплошных фаз, наноматериалы представляют собой принципиально новый фактор, воздействующий на организм и среду его обитания. Это ставит на повестку дня разработку методов оценки риска возможного негативного воздействия наноматериалов на здоровье человека и организацию контроля их оборота.

Основными причинами возникновения угроз, связанных с процессами и материалами наноиндустрии, являются [1]:

• малые геометрические размеры наночастиц и, как следствие, их высокая проникающая способность, реакционная и адсорбционная активность при отсутствии у человека, животных и растений эволюционно выработанных защитных механизмов противодействия;

• многообразие структуры и состава наночастиц и нанокомпозиций и, как следствие, сложность их идентификации и количественной характеризации;

• развитие междисциплинарных исследований, стимулирующих создание конвергентных систем, основанных на искусственной интеграции объектов органической (в том числе живой) и неоргани-

ческой природы в отсутствие надежной информации о механизмах их взаимодействия и патогенных проявлениях, в том числе при длительной аккумуляции;

• экономически стимулированное резкое искусственное ускорение технологической эволюции в области процессов нанотехнологии, наноматериалов и производства продукции на их основе в отсутствие необходимой нанотехнологической культуры у разработчиков, производителей, органов сертификации и санитарно-эпидемиологического контроля;

• новизна продукции наноиндустрии при возможной высокой экономической эффективности финансовых вложений, что создает соблазн у определенной группы, как правило, «молодых» небольших компаний достижения быстрого результата без оценки риска и последствий;

• малые массогабаритные и энергетические показатели ряда нанотехнологических процессов и возможность их «скрытной» реализации, что стимулирует возникновение тенденций к использованию нанотехнологий и наноматериалов для реализации преднамеренных террористических проявлений.

За рубежом и в Российской Федерации проблема безопасности наноматериалов в настоящее время широко исследуется. Это, в свою очередь, ставит задачу формирования учебного курса для подготовки повышения квалификации или переподготовки кадров в интересах наноиндустрии.

В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете был разработан учебно-методический комплекс по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии» в рамках создания учебно-методического обеспечения для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Нанотехнологии».

Задача данного курса — изложить студентам основные причины возникновения угроз, связанных с развитием наноиндустрии, а также рисков для людей, животных, растений и окружающей

3!

Медико-технический менеджмент и образование

среды вследствие развития процессов наноиндуст-рии и производства наноматериалов. Предметом рассмотрения являются механизмы воздействия процессов наноиндустрии на биологические объекты, основные направления нейтрализации угроз, возникающих при использовании продуктов наноиндустрии и разработке технологий их создания, а также методы предварительной оценки указанных рисков. Важный элемент дисциплины — это формирование представлений о мерах по нейтрализации и уменьшению вероятности наноугроз, а также выработке навыков проектирования элементов технологических циклов производств наноматериалов, нано- и микросистем с минимально допустимыми рисками для человека и окружающей среды.

Для организации учебно-методического обеспечения дисциплины в СПбГЭТУ подготовлено к выходу учебно-методическое пособие «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии».

Данное пособие состоит из трех основных разделов, в которых представлены:

• правовые основы безопасности;

• физико-химические и токсикологические аспекты безопасности наноматериалов и процессов наноиндустрии;

• технические аспекты обеспечения безопасности при производстве нанопродукции.

Правовые основы безопасности. В этом разделе рассмотрены правовые документы, регулирующие деятельность в области безопасности наноинустрии:

• Закон РФ «О безопасности» (24.12.93, № 2288);

• Федеральный закон «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (21.12.94, №№ 68-ФЗ);

• Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (21.07.97, № 116-ФЗ);

• Указ президента РФ «О концепции национальной безопасности» (17.12.97, № 1300);

• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы» [2];

• Информационное письмо Роспотребнадзора «О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы» [3];

• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» [4].

Проблема безопасности наноматериалов в настоящее время широко исследуется в США (Food and Drag Administration), Евросоюзе, а также в ряде международных организаций (ВОЗ, ILSI).

В России исследования по проблеме нанобезо-пасности проводятся по инициативе Роспотребнадзора с конца 2006 г. По заданию Роспотребнадзора

был разработан проект «Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» [4], которая была утверждена Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. Также были разработаны Методические рекомендации «Оценка безопасности наноматериалов» [5], предназначенные для использования в органах санитарно-эпидемиологического контроля в целях определения безопасности наноматериалов и продуктов нанотехнологий для здоровья человека.

Хотя национальные стандарты большинства стран (в том числе и РФ) по нанотехнологиям находятся в стадии разработки, Международная организация по стандартизации (ISO) выпустила документ, описывающий воздействие нанотехнологий на здоровье и безопасность (ISO/TR 12885:2008, Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies). В данном документе представлены рекомендации исследователям и производственникам по безопасности персонала и потребителей при производстве, хранении, использовании и ликвидации промышленных наноматериалов [6].

Физико-химические и токсикологические аспекты безопасности наноматериалов и процессов наноиндустрии. В этом разделе рассматриваются физико-химические характеристики наночастиц, определяющие их потенциальную токсичность, токсикологическое воздействие на организм человека, а также изложены вопросы оценки рисков, связанных с наноиндустрией, и их предотвращения.

По данным литературы можно выделить следующий ряд физико-химических особенностей веществ в наноразмерном состоянии [4, 5].

Увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны. Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводят к изменению их химических потенциалов и, следовательно, к изменению растворимости, реакционной и каталитической способности наночастиц и их компонентов.

Большая удельная поверхность наноматериалов. Очень высокая удельная поверхность (в расчете на единицу массы) наноматериалов увеличивает их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства.

Небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц. Наночастицы вследствие своих небольших размеров могут связываться с нуклеиновыми кислотами, белками, встраиваться в мембраны, проникать в клеточные органеллы и тем самым изменять функции биоструктур. При этом наночастицы могут не вызывать иммунный ответ и не элиминироваться защитными системами организма.

Высокая адсорбционная активность. Из-за своей высокоразвитой поверхности наночастицы об-

ладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, т. е. способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Возможны, в частности, адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних.

Высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы не распознаются защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, микроорганизмах, к передаче по пищевой цепи, что увеличивает их поступление в организм человека.

Таким образом, все эти факторы свидетельствует о том, что наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии, в связи с чем они должны быть отнесены к новым видам материалов, а следовательно, и продукции. При этом характеристика потенциального риска для здоровья человека и состояния среды обитания становится обязательной.

При оценке безопасности наноматериалов в первую очередь следует учитывать их воздействие на такие важнейшие биологические характеристики, как проницаемость биомембран, генотоксичность, активность окислительно-восстановительных процессов, включая перекисное окисление липидов, биотранформация и элиминация из организма.

Определяющим моментом в оценке риска является установление возможной токсичности наноматериалов. Считается, что существуют три основных пути поступления наноматериалов в организм человека: ингаляционный, через кожу и перорально.

В настоящее время нет надежных и убедительных данных о распределении наночастиц и наноматериалов по органам и тканям. Наиболее изучен ингаляционный путь поступления наноматериалов. При этом установлено, что некоторые наноматериалы, поступающие с воздухом, в дальнейшем могут определяться в различных органах и тканях, в том числе мозге, что не исключает возможности их проникновения через гематоэнцефалический барьер [5].

В исследованиях указывается, что наноматериалы могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен. Даже однократная ингаляция углеродных нанотрубок и наночастиц некоторых других типов вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в легочной ткани с последующим некрозом клеток и развитием фиброза, что способно привести к канцерогенезу.

Наноматерналы обладают нейротоксичностью, том числе, по-видимому, за счет прохождения че-

рез гематоэнцефалический барьер, вызывающей окислительный стресс в клетках мозга. Кардиоток-сичность и гепатотоксичность наноматериалов также определяются развитием окислительного стресса и воспалительной реакции.

Имеются также сведения, что наночастицы могут неблагоприятно влиять на систему свертывания крови. В отношении генотоксичности, эмбрио-токсичности, мутагенности, канцерогенности, ал-лергенности, влияния на гормональный и иммунный статус достоверные данные в литературе отсутствуют.

С другой стороны, в литературе рассматривается возможность применения наноматериалов в качестве селективных переносчиков лекарств к органам и тканям, а также некоторых нутриентов в виде наночастиц или в комплексе с инертными нанома-териалами-носителями в целях обогащения пищевых продуктов для профилактики алиментарно зависимых состояний у населения. Однако эффективность использования в питании человека продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, в настоящее время не изучена, а метаболизм наномате-риалов-носителей неизвестен, что обусловливает необходимость оценки биодоступности и усвояемости таких компонентов, а также их безопасности.

Таким образом, в настоящее время токсичность различных наноматериалов изучена крайне недостаточно, в том числе нет данных по метаболизму и механизму их действия на определеные критические органы и системы [4, 5].

Полная система оценки риска наноматериалов включает обширный комплекс физико-химических, биохимических, молекулярно-биологи-ческих, токсикологических тестов и специальных исследований, позволяющих провести всестороннюю оценку их воздействия на биологические объекты.

Возникает вопрос, во всех ли случаях имеется необходимость в проведении такого широкомасштабного исследования? Эта проблема особенно актуальна в свете того, что номенклатура создаваемых новых наноматериалов и продуктов нанотехнологий в обозримом будущем будет быстро расширяться. Согласно методологии оценки риска можно сформулировать условия, в соответствии с которыми тот или новый материал может быть отнесен к группе продукции с низкой, средней или высокой потенциальной опасностью. Наноматери-ал, отнесенный к группе объектов с низкой потенциальной опасностью, оценивается по имеющимся показателям для составляющих его компонентов в традиционной форме, и исследований по специфическому биологическому действию компонентов в виде наночастиц не требуется. Средний уровень потенциальной опасности означает, что необходимы общетоксикологическая оценка материала и некоторые виды специальных исследований. Наконец, при высоком уровне потенциаль-

ной опасности проводится полный комплекс необходимых исследований.

Алгоритм оценки уровня потенциальной опасности основывается на фундаментальных характеристиках тестируемого материала (рис. 1) [7].

Технические аспекты обеспечения безопасности при производстве нанопродукции. Рассматриваются методы производства и исследования наноматериалов, а также технические средства для обеспечения безопасности при производстве нанопродукции.

Наноматериалы являются весьма сложными объектами для изучения. Это связано с малыми размерами структурных составляющих, спецификой многих физических свойств, большой протяженностью границ и поверхностей раздела фаз, присутствием разупорядоченных и аморфных составляющих, формированием метастабильных и неизвестных до сих пор фаз, высокой реакционной способностью. В нанопорошках наблюдается также сильное агрегирование частиц. Прочность агрегатов в зависимости от условий получения может быть настолько высокой, что разделение их на исходные частицы требует принятия специальных мер.

В связи с этим многие методы изучения крупнокристаллических материалов не применимы для наноразмерных систем. Требуются высокочувствительные методы обнаружения, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах. При этом должны использоваться методы оценки, позволяющие, что очень важно, отличить наноматериалы от их химических аналогов в виде сплошных фаз или макроско-

пических дисперсий. Перечень используемых методов представлен в таблице.

Особое внимание уделено разработке системы мероприятий по обеспечению безопасности используемых нанотехнологий и снижению неблагоприятных влияний наноматериалов на здоровье работников, непосредственно занятых в их производстве или контактирующих с ними в процессе производства другой продукции.

Рассмотрены превентивные меры, направленные на снижение воздействия наночастиц при их производстве:

1) модификация технологических процессов; изоляция и автоматизация процессов производства и переработки наноматериалов;

2) использование чистых помещений (турбулентно вентилируемых и с однонаправленным потоком воздуха), в которых количественно контролируется концентрация аэрозольных частиц и которые построены и используются так, чтобы свести к минимуму поступление, генерацию и накопление частиц внутри помещения (при необходимости контролируются другие параметры, например температура, влажность и давление); применение различных способов очистки воды и воздуха (рис. 2);

3) использование индивидуальных средств защиты (рис. 2):

• дыхательных путей — респираторы, противогазы;

• кожного покрова — защитная одежда, спецкостюмы;

• глаз — очки, маски.

Г

Объем производства

> 1 т/г

или

Образуются ли аэрозоли в ходе производства

или

Возможна ли прямая экспозиция материалом на персонал производства, потребителей продукции, население

Нет

Токсикологические данные: токсичность; биологические эффекты; способность вызывать окислительный стресс, генетические, эндокринные нарушения, аллергизацию

Экотоксикологические данные:

накопление в среде обитания и организмах животных и растений или возможность переноса на дальние расстояния и (или) передачи по пищевым цепям

Да или неизвестно

Высокий уровень опасности

Рис. 1\ Алгоритм оценки уровня потенциальной опасности

Таблица 1 Методы, рекомендуемые для оценки физико-химических характеристик наноматериалов

Характеристика Метод

Элементный состав Атомная спектроскопия Масс-спектрометрический анализ

Кристаллическая структура Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ

Размер и форма первичных частиц, а также структурных элементов

Рис. 2 Технологическое и измерительное оборудование для контроля производственных помещений наноиндустрии и индивидуальные средства защиты: а — вытяжное оборудование

Заключение

Таким образом, разработанные методические материалы по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии» призваны оказать помощь студентам, аспирантам и преподавателям технических вузов в осмыслении, анализе и системном усвоении правовых, физико-химических, токсикологических и технических основ безопасности наноматериалов и процессов наноиндустрии.

I Л и т е р а т у р а

1. Лучинин В. В. Наноиндустрии и безопасность// Наноиндустрия. 2008. № 3. С. 4-9.

2. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ № 54 от 23.07.2007 г. «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы».

3. Информационное письмо Роспотребнадзора № 0100/4502-07-02 от 02.05.2007 г. «О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы».

4. Постановление Главного санитарного врача РФ, № 79 от 31.10.2007 г. «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов».

5. Оценка безопасности наноматериалов: Метод. рекомендации. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии, 2007. 59 с.

6. ISO/TR 12885:2008. Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies. ISO. 2008. 79 p.

7. Industrial Application of Nanomaterials — Chances and Risks//Technological Analysis. Germany: Zukunftige Technologien Consulting der VDI TZ GmbH, 2004.119 s.