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镍基纳米材料(NBNs)应用广泛,但存在健康风险。本文综述其毒性、机制及预防策略。
# 镍基纳米材料:毒性、风险与应对策略的全面剖析
镍基纳米材料(NBNs)的崛起与隐忧
随着纳米技术的蓬勃发展,纳米材料(NMs)在众多领域大放异彩,其中镍基纳米材料(NBNs)凭借独特的化学和物理性质,在材料科学、生物医学、能源等多个领域展现出巨大的应用潜力。比如,镍纳米颗粒(Ni NPs)可作为高效催化剂参与化学反应,在电子应用中用于生产导电墨水和电极材料,还能在生物医学领域实现靶向药物递送和磁共振成像。镍化合物纳米材料种类丰富,像氧化镍纳米颗粒(NiO NPs)、硫化镍纳米颗粒(如 NiS)、镍铁氧体(NiFe2?O4?)等,它们在不同领域也发挥着关键作用。
然而,NBNs 的广泛使用引发了一系列问题。职业环境中,工人可能通过皮肤接触或吸入含镍的气溶胶、烟雾、灰尘等暴露于 NBNs,已有工人在接触 Ni NPs 粉末后出现喉咙刺激、鼻塞等症状。而且,NBNs 在环境中的扩散也令人担忧,其潜在的环境和健康风险不容忽视。
NBNs 的理化性质:独特之处与潜在影响
NBNs 的理化性质复杂多样,主要包括 Ni NPs、NiO NPs、镍铁氧体 NPs、硫化镍 NPs 等多种类型。它们可被合成纳米球、纳米棒、纳米片和纳米花等不同形状,每种形状都影响着其催化性能 。
NBNs 的化学组成也十分关键,通过掺杂其他元素或与其他纳米材料形成复合材料,能提升其性能。表面改性同样重要,常见的表面改性技术包括涂覆保护层(如氧化物涂层、聚合物涂层)、构建核壳结构等,这不仅能增强其在催化、传感、储能和生物医学等领域的应用性能,还会影响其环境和健康效应。
影响 NBNs 毒性的多面因素
尺寸效应
尺寸是影响 NBNs 毒性的重要因素之一。一般来说,较小的纳米颗粒(NPs)因具有更大的表面积、更强的细胞摄取能力,更易诱导氧化应激和其他有害生物效应,毒性更高。研究发现,NiO NPs 对肾脏的毒性比微米级的 NiO 更强,且粒径越小,肾毒性越明显。对于纤维状 NBNs,其长度也会影响毒性,较长的镍纳米线可引发强烈的炎症反应,而短纳米线则不会。
组成差异
纳米材料组成的变化会显著影响其毒性。研究表明,通过改变 NBNs 的组成,如合成不同的 NP 混合物或进行掺杂,可以改变其生物活性和毒性。例如,Cu/Ni 混合 NP 对人肝癌细胞系(HepG2)的抑制率高于单一的 CuO NPs 和 NiO NPs 。
表面改性作用
表面化学对 NPs 的团聚状态和生物相互作用有重要影响。表面改性可以改变 NBNs 的生物效应,如碳涂层修饰 Ni NPs 能减轻其对肺部的炎症和损伤 。
溶解特性影响
金属纳米材料释放的有毒金属离子是影响其毒性的关键因素。NiO NPs 由于溶解缓慢,会产生较高浓度的Ni2+离子,从而导致更强的肺毒性 。
其他因素
NBNs 的浓度、剂量和暴露时间也与毒性密切相关,通常毒性随浓度增加和暴露时间延长而增强。此外,环境因素如 pH 值、离子强度、光照等也会影响 NBNs 的毒性,例如,与环境污染物共同暴露时,可能产生协同毒性 。
NBNs 的暴露途径:多渠道的潜在威胁
吸入途径
吸入是 NBNs 进入人体的重要途径。NPs 可避开呼吸道的黏液纤毛防御,沉积在肺泡区域,进而影响心血管系统和大脑等器官。已有工人因接触纳米级镍颗粒而患上职业性哮喘,甚至有人因吸入 Ni NPs 死亡 。
摄入途径
摄入 NBNs 的风险因产品标签不当或包装不完善而增加。在牙科和食品工业中,Ni NPs 的使用可能导致人体经口暴露,对健康造成潜在威胁 。
皮肤接触途径
纳米材料能够穿透皮肤屏障,引发多种生物反应,如镍诱导的接触性皮炎。有工人在处理 Ni NPs 时未采取防护措施,从而患上接触性皮炎 。
静脉注射途径
在医学领域,静脉注射 NBNs 可用于药物递送和成像等,但也存在急性和长期毒性反应、免疫系统过敏或抑制等风险 。
NBNs 的毒代动力学与毒效学:体内的复杂旅程与作用机制
吸收、分布与摄取
不同的暴露途径导致 NBNs 在生物体内的吸收和分布模式各异。通过呼吸暴露,NBNs 可影响大鼠血清中的代谢物和代谢途径;经口摄入后,它们会在肝脏和肾脏等器官积累 。
作用机制
NBNs 的毒性机制复杂多样,主要包括氧化应激、细胞凋亡、炎症、内质网应激、基因毒性等。例如,Ni NPs 可通过氧化应激损伤诱导细胞凋亡,NiO NPs 能引发肺部炎症和纤维化 。
生物转化、清除与排泄
NBNs 在动物体内会发生生物转化,影响其生物利用度、分布和毒性。它们主要通过肾脏和粪便排出体外,但这个过程较为复杂,可能对肾脏功能产生影响 。
NBNs 对各器官系统的毒性影响:全方位的危害
呼吸系统
NBNs 可导致肺部炎症、氧化应激和组织损伤,长期暴露可能增加患慢性呼吸道疾病和肺癌的风险。在人体肺细胞实验中,NBNs 可降低细胞活力,引发细胞凋亡和 DNA 损伤 。
循环系统
NBNs 会影响循环系统,导致氧化应激、炎症、内皮功能障碍和血管损伤。例如,NiTi 合金中的Ni2+离子和 NiTi NPs 可能引发炎症和血管生成,影响支架的安全性 。
消化系统
摄入 NBNs 可导致胃肠道炎症、氧化应激和肠道微生物群紊乱。研究表明,NiO NPs 对肠道上皮细胞具有细胞毒性,会导致细胞活力下降和 DNA 损伤 。
免疫系统
NBNs 能触发免疫反应,导致炎症和免疫细胞激活,长期暴露可能引发慢性炎症和自身免疫疾病 。
神经系统
部分 NBNs 可穿过血脑屏障,引起神经炎症、神经毒性和神经元损伤,影响神经功能 。
肾脏系统
NBNs 易在肾脏积累,导致氧化应激、炎症和细胞损伤,影响肾脏功能 。
皮肤系统
NBNs 可穿透皮肤,造成氧化应激、炎症和细胞损伤,引发皮炎和过敏反应 。
生殖系统
Ni NPs 会影响生殖系统,导致生殖毒性和胚胎毒性,如降低精子数量和质量,影响卵巢功能 。
NBNs 的监管与风险评估:保障健康与环境的防线
易感人群
从事 NBNs 生产、处理和加工的工人,以及儿童、孕妇、过敏人群和免疫力低下者等,都是 NBNs 暴露的易感人群 。
相关法规
全球各国和组织制定了一系列法规来控制镍的环境和健康风险,包括空气质量、水质、废物管理和职业安全等方面的规定 。
减少暴露的措施
为减少 NBNs 的暴露,可采取多种措施,如减少其在工作场所的释放,提供个人防护设备,加强工人培训等 。
降低毒性的策略
通过表面改性、控制释放机制和提高生物降解性等策略,可以降低 NBNs 的毒性。一些天然化合物和纳米材料也能减轻 NBNs 的毒性 。
总结与展望:前行之路与挑战
本综述全面阐述了 NBNs 的毒性、暴露途径、健康和环境影响、毒性机制及监管方面的内容。随着 NBNs 在各个领域的应用不断拓展,其安全性评估变得至关重要。未来,需要进一步研究新型 NBNs 的毒性,开发更有效的生物模型和分析技术,加强跨学科合作和监管,以确保 NBNs 的安全使用。
虽然目前对 NBNs 的研究取得了一定进展,但仍面临诸多挑战。例如,一些 NBNs 的中间产物和降解产物的毒性尚不明确,现有的解毒策略还不够完善。因此,持续的研究对于保障人类健康和环境安全至关重要 。
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