3.7.1 Nanodelci silicijevega dioksida
Nanodelce silicijevega dioksida (SiO2) najdemo v gradbeništvu v visoko zmogljivih betonskih mešanicah za povečanje kohezije betona, v barvah in premazih. Nanodelci SiO2
se razvijajo za biomedicinske namene, za zdravljenje raka, prenos zdravil do organov in izdelke za zdravstveno nego. Barve in premazi vsebujejo delce SiO2, zaradi česar površine preprečujejo umazanijo, grafite ali prstne odtise. Lotus-effect ™ je patentiral nemški znanstvenik dr. Wilhelm Barthlott in se sklicuje na idejo konstrukcije površin z mikroskopskimi dvignjenimi samočistilnimi površinami, posledično umazanija in tekočine ne morejo priti na površino in se od nje odbijajo [2]. Nanodelci SiO2 se lahko nahajajo v amorfni ali kristalinični obliki. V aplikacijah se po navadi uporablja amorfna oblika. Raziskave so pokazale, da je kristalinična oblika za razliko od amorfne oblike toksična. Z manjšanjem velikosti postaja SiO2 čedalje bolj toksičen material z negativnimi učinki na organizme že v koncentracijah velikosti nekaj mg/L. Testi in-vitro na človeških jetrnih celičnih linijah so pokazali, da so nanodelci SiO2 citotoksični in lahko povzročijo apoptozo celic. Toksičnost delcev je odvisna od njihove velikosti, kristaliničnosti, koncentracije in časa izpostavljenosti.
Anja Kočman, Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov
12
Po vdihavanju nanodelcev s kristalinično obliko se je v telesu testnih podgan pojavil vnetni odziv z različnimi genotoksičnimi učinki, pri tem se je zvišala koncentracija fibrionogena in spremenila viskoznost krvi. Testi in-vitro na človeških pljučnih celičnih linijah so pokazali, da lahko nanodelci SiO2 povzročijo vnetje, fibrozo, poškodbe pljučnega tkiva ter celo poškodbe genskega materiala. Testi in-vitro na rakastih celicah bronhoalveolarnega pljučnega tkiva so pokazali, da viabilnost celic znatno pada z vsebnostjo nanodelcev in je odvisna od njihove velikosti. Pri teh rakastih celicah se je po izpostavljenosti povečala tudi koncentracija reaktivnih kisikovih spojin, ki povzročajo peroksidacijo lipidov in poškodbe celičnih membran. Raziskave so prav tako pokazale, da nanodelci SiO2 preprosto prehajajo skozi kožo, se akumulirajo po celotnem organizmu ter povzročajo enake stranske učinke kot nanodelci, ki vstopijo v organizem z vdihavanjem [33].
3.7.2 Srebrovi nanodelci
Srebrovi nanodelci se proizvajajo in uporabljajo v različnih izdelkih in aplikacijah zaradi dobre protimikrobne aktivnosti ionske oblike Ag+, četudi srebro v prosti ionski obliki predstavlja eno izmed najbolj ekotoksičnih kovin. Uporabljeni so na različnih področjih, od elektronike in tekstilstva do biomedicine in farmacije, kljub temu obstaja malo raziskav o njihovi toksičnosti ter usodi v organizmih in ekosistemih. Izpostavljenost delavcev in potrošnikov je zaradi razširjenosti uporabe relativno velika. Potrebni so nadaljnji podatki o izpostavljenosti in toksičnosti za ljudi [2]. Dokazano je, da se ionska oblika srebra izloča iz kompozitnih polimerov, ki vsebujejo srebrove nanodelce. Z eksperimenti so pri testnih podganah po vdihavanju našli srebrove nanodelce porazdeljene po celem telesu. S testi in-vitro so pokazali, da vplivajo na delovanje mitohondrijev in poškodujejo deoksiribonukleinske kisline (DNA), vendar še ni pojasnjeno, katera oblika srebrovih nanodelcev povzroča te učinke. Srebrovi nanodelci, ki v telo vstopijo z vdihavanjem, so v večini v ionski obliki in manjši delci so bolj toksični od večjih delcev. Glavni mehanizem toksičnosti je povezan z večjo vsebnostjo genotoksičnih reaktivnih kisikovih spojin oziroma nastankom reaktivnih prostih radikalov, ki v večjih koncentracijah povzročijo oksidativni stres in vodijo do odmrtja celic [33].
3.7.3 Ogljikove nanocevke
Razvoj nanotehnologije je leta 1991 prinesel ogljikove nanocevke (CNT), ki imajo cilindrično obliko, zgrajeno iz heksagonalno povezanih ogljikovih atomov. Obstajajo različne vrste nanocevk: enostenske (SWCNT), dvostenske (DWCNT) in večstenske (MWCNT), ki se razlikujejo po številu plasti grafita (slika 6). Njihova majhna velikost, struktura in topologija jim dajejo edinstvene mehanske lastnosti, kot so visoka stabilnost, trdnost in togost ter posebne električne, toplotne in optične lastnosti, zaradi katerih imajo sloves enega najobetavnejših nanomaterialov. Najbolj trendni in trženi nanotehnološki izdelki so zgrajeni iz MWCNT.
Anja Kočman, Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov
13
Vendar so dokazali, da škodljivo vplivajo na zdravje, in sicer povzročajo azbestu podobne učinke. Znanstveniki so poročali, da se je pri laboratorijskih glodalcih, ki so bili izpostavljeni MWCNT, s časom razvil mezoteliom. MWCNT so lahko patogene, ker so vlakna dovolj tanka, da pridejo mimo zgornjih dihalnih poti v območja pljuč, kjer kisik difundira v krvni obtok, prav tako so dovolj dolga, da povzročajo škodo v pljučih, saj uničujejo naravno obrambo, so tudi trpežna, saj se v telesu zadržijo dlje časa, ne da bi jih telo raztopilo ali razgradilo. Zadrževanje dolgih vlaken povzroča poškodbe v pljučih, kot so vnetja, nastanek granulomov in fibrozo (slika 7). S časom se stanje poslabša, ker vlaken ni mogoče odstraniti iz pljuč, in lahko pride do nastanka mezotelioma. Ogljikove nanocevke lahko ravno tako prehajajo skozi posteljico in vplivajo na plod. Značilnosti premer, dolžina, bioobstojnost so znane kot paradigma vlaken. Ogljikove nanocevke MWCNT‑7 je Mednarodna agencija za raziskave raka (IARC) razvrstila v skupino 2B med morebitno rakotvorne za ljudi [17]. Pomisleki glede nevarnosti CNT se pojavljajo ne le zaradi njihove nanostrukture, ampak tudi dejstva, da so te strukture vlaknaste.
Vlakna ožja od 3 μm, lahko prodrejo vse do pljučnih mešičkov, s tem ko so vlakna, daljša od 15 μm, predolga in jih makrofagi ne morejo odstraniti [26], [34]. MWCNT je mogoče izdelati z različnimi metodami in pogoji obdelave, zato je na delovnih mestih potrebna posebna previdnost. Za delavce je ključno, da dobijo dovolj informacij o procesih, pri katerih bi jim lahko bili izpostavljeni. Čeprav še ni znanstvenega soglasja o odmerku in času, potrebnem za povzročanje škodljivih vplivov na zdravje, jim delavci v nobenem primeru ne smejo biti izpostavljeni [2], [15].
Slika 6: Enostenske in večstenske ogljikove nanocevke [2].
Slika 7: Prikazuje večstensko ogljikovo nanocevko v pljučnem mešičku [35].
Anja Kočman, Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov
14
Znanstvenikom je s preobdelavo uspelo spremeniti površinske lastnosti nanocevk in s tem izrazito vplivati na zmanjšanje njihove toksičnosti. Za ogljikove nanocevke je bilo izdanih več kot 5000 patentov in proizvedenih več kot 50.000 različic. Veliko število proizvedenih nanomaterialov prispeva k nerazumevanja vseh vplivov na zdravje in varnost [9], [15]. Treba se je izogibati posploševanju o toksičnosti nanomaterialov na osnovi ogljika, saj to niso posamezni nanomateriali, temveč razredi z različnimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi, ki se posledično razlikujejo tudi po toksičnosti [36].
3.7.4 Nanodelci titanovega dioksida
Nanodelci TiO2 imajo izjemne karakteristike, zato so med najbolj vsestransko uporabnimi nanomateriali. Pojavljajo se v treh alotropnih modifikacijah kot anatas, rutil in brukit.
Običajno so mešanica anatasne in rutilne oblike. Nanodelci TiO2 so stabilni in odporni proti kemikalijam. Za njih je značilno, da so zmerno toksični, povzročajo vnetni odziv v pljučih. V anatasni obliki imajo nanodelci večji učinek toksičnosti kot v rutilni obliki.
Nanodelci velikosti okoli 20 nm, lahko sprožijo oksidativne poškodbe DNA in peroksidacijo lipidov. Trenutno razumevanje njihove toksičnosti je v veliki meri odvisno od omejenega števila poskusnih študij na živalih ali celičnih kulturah, zato je potrebna ekstrapolacija na izpostavljenost ljudi. Epidemiološke študije doslej niso odkrile pomembnih povezav med poklicno izpostavljenostjo in povečanim tveganjem za pojav raka [33], [37].
Anja Kočman, Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov
15