Nanočástice – jejich vliv na

lidský organismus

Ing. Karla Barabaszová, Ph.D.

Mgr. Jana Kukutschová, Ph.D.

Centrum nanotechnologií na VŠB-TUO

Založeno v r. 2007 jako vysokoškolský ústav na VŠB-TU Ostrava

Centrum nanotechnologií jako první v ČR začalo spolu s fakultami HGF, FMMI, FS vyučovat nový studijní

program „Nanotechnologií“

Komplexní vývoj nanotechnologií a nano-materiálů od počítačového

modelování přes technologii přípravy až po testování vlastností

Vývoj analytických a diagnostických metod pro studium vlastností

nanomateriálů

Jako jediné pracoviště v ČR se zabýváme vlivem nanočástic na zdraví (nanopatologie)

Ve škále nanorozměrů se hmota chová jinak než ve škále makrorozměrů a má odlišné vlastnosti. Využití těchto vlastností v materiálech, prvcích nebo systémech skýtá nové aplikační výstupy.

uměle vytvořené nanostruktury májící zásadní význam pro funkci a vlastnosti materiálu.

materiály, jejichž nové vlastnosti jsou určeny charakteristickými znaky o rozměrech mezi 1 - 100 nm, přinejmenším v jednom směru.

NanomateriálNanomateriályy

Struktury nanomateriálů:3D nanotečky, nanočástice (všechny rozměry nano)

2D nanodestičky, vrstvy, filmy (dva rozměry nano)

1D nanodráty, trubičky, vlákna (jeden rozměr nano)

Jaderná energie, biotechnologie, toxické látky – všechny tyto technologická rizika mají svůj

univerzálně platný znak. Tak proč ne také (potenciálně nebezpečné)

nanotechnologie?

Hazard !!!

Znak nanohazardu

ETC Group (Action Group on Erosion, Technology and Concentration) - kanadská společnost, která se orientuje na podporu udržitelného

rozvoje v oblasti kultury, ekologie a lidských práv.

www.etcgroup.org

Vyhlášena soutěž – navržení znaku nanohazardu.

Vybrány 3 vítězné návrhy:

Hodnocení rizik nanomateriálů

Zdroje (<100 nm)

• Přírodní – požáry, vulkanická činnost

•Vedlejší produkty – dieslové emise, svařování,

pyrometalurgie, smažení, aj.

• Syntetické – oxidy kovů (TiO2, ZnO, ...), fullereny, aj.

Nanočástice v pracovním prostředí

Osud nanomateriálu v prostředí

Cesty expozice, distribuce a degradace nanočástic v přírodě

Spodní voda

Vzduch

Příroda a lidé Ukládání

Příroda a lidé

UV degradace

Dekontaminace

Sorpce na organických materiálech

Prášení

Půda, flóra a fauna

FiltraceBiodegradace?

Voda

Biodegradace? Chemická degradace?

Sediment

Bentické organismy

Loužení

Potravinový řetězec

Potravinový řetězec

Saze z dieselových motorůZnečištění ovzduší prachovými částicemi: 42% doprava, 22% průmysl, 11% elektrárny, 9% domácnosti.

U.S.-EPA: Emise prachových částic z dopravy – cca 210 000 t/rok (1999). - hlavní složky: organické sloučeniny, elementární uhlík - zdroje: diesel. motory (72%) a benzínové motory (28%).

Většina prachových částic emitovaných spalováním nafty v dieselových motorech spadá do frakce pod 1 µm.

Toxikologicky významné parametry

Particle content 10 µg cm-3

Rizikové vlastnosti:

• hmotnost → absence gravitačního působení• povrch → reaktivita (ROS)• velikost → schopnost difundovat přes biomembrány

Problémy nanotoxikologie

• Dozimetrie – jak vyjadřovat dávku (např. hmotnost, velikost, povrch, počet částic) ?

• Jak zjistit zda je daný materiál vpraven do detekčního organismu v požadované formě?

• Je problematické detekovat a kvantifikovat nanomateriály v buňkách a tkáních.

• Potřeba charakterizovat nanomateriály ve všech fázích toxikologického hodnocení.

• Jaké jsou nejvhodnější sledované parametry v testech toxicity (biochemické, genetické nebo morfologické změny) ?

• Je možná extrapolace výsledků testů na zvířatech z hlediska vlivu na zdraví člověka ?

Inhalační expoziceNanočástice – snadno suspendovatelnéInhalace - nejčastější druh expozice.

Rozdělení velikostí částic• Inhalovatelná frakce (< 100 μm)

částice schopné vstoupit do dých. traktu (vdechnuty nosem, ústy)

• Thorakální frakce (< 10 μm) → do plic

• Respirabilní frakce (< 5 μm) transport až do plic. sklípků

Průměr [μm] Záchyt [%]

10 1005 50

3.5 252 10

Účinnost odchytu částic řasinkovým epitelem

Částice (<100 nm) – po inhalaci:

- do 60 s → alveoly

- do 60 min → jaterní tkáň

Chronická inhalace nanočástic (< 100 nm)

– testy toxicity

Testovací organismus – potkan (extrémně citlivý na vznik zánětlivých procesů po expozici částicím)

Materiál – kovy a jejich oxidy (Ni, Cd)

nanočástice TiO2

SEM snímek plíce potkana demonstrující zúžení v oblasti přechodu průdušek v alveolární část plic.

SEM snímek depozice inhalovaných částic v alveolární části.

Dermální expozice

Opalovací krémy

Nanočástice TiO2 a ZnO - součást opalovacích krémů díky své schopnosti

odrážet UVA a UVB záření. Účinnost těchto ochranných filmů závisí na velikosti a množství částic dispergovaných v emulzi. Častěji se používají anorganické sloučeniny v důsledku nižší toxicity a chemické stability během expozice UV záření.

Nano Ag

• Dermální aplikace - antibakteriální účinky, (součást mastí, náplastí aj.) – léčebné použití

• Dermální a orální expozice – netoxická pro člověka, toxická pro zvířata

• Inhalace – akutní zdravotní dopady na člověka i zvířata

• Nanostrukturované Ag – vykazuje vyšší toxicitu v In.vitro testech inhalační toxicity.

Soto K. F., et a.l.: Comparative in vitro cytotoxicity assessment of some manufacturednanoparticulate materials characterized by transmissionelectron microscopy. J. Nanopart. Res. 7(145-169), 2005.

Porovnání účinků Ag-částic na člověka a zvířata (In Tox. Profile for Silver, ATSDR U.S.)

Nanočástice a ultrajemné nanočástice

v lidském organismu

BLOOD

Oberdörster G., et. al: Environ. Health Persp. 113(7):823-839. 2005.

Hlavní nedostatky Hlavní nedostatky informacíinformací

• Není standardizována nomenklatura nanočástic.

• Nejsou vhodné metody pro měření expozic na pracovních místech.

• Pro posuzování expozic kůží nebo perorálně nejsou vhodné metody.

• Chybí zhodnocení efektivity řízení expozic při výrobě a zpracování.

Závěry ?Závěry ?• Panika není na místě !!!

• Nebezpečí vzniku psychologického odmítání nanomateriálů

• Průmysl je odpovědný za posuzování možných rizik z výroby a používání nanomateriálů

• Předpokládá se samostatná legislativa

Nanotechnologie:→ nové příležitosti pro zlepšování kvality života,→ potenciál pro dosud nepoznané ekologické důsledky.