Możliwe zagrożenia ze strony nanomateriałów

Jedną z najczęściej wyrażanych obaw związanych z niekorzystnym wpływem nanotechnologii na zdrowie, bezpieczeństwo oraz środowisko naturalne jest potencjalna toksyczność nanocząsteczek. Zasadniczym powodem dyskusji nad toksycznymi właściwościami nanocząsteczek jest fakt, iż nie są one jedynie mniejszą wersją swoich odpowiedników w świecie makro, lecz istotnie się od nich różnią, zarówno pod względem właściwości fizycznych, jak i chemicznych. Z tego też względu o ich toksyczności nie należy wnioskować na podstawie zachowania cząsteczek tych samych substancji w większej skali.²⁹²

291 R. Doubleday, Risk, public engagement and reflexivity: alternative framings of the public dimensions of nanotechnology, Health, Risk & Society, June 2007, s. 213.

Ludzie od zawsze narażeni byli na działanie niezwykle małych cząsteczek, występujących nierzadko w wysokich stężeniach. Cząsteczki te, z uwagi na swoją dużą mobilność w środowisku, mogły przedostawać się do organizmu człowieka poprzez płuca, skórę, a także jelita. Jak się później okazywało, część z nich wykazywała właściwości toksyczne. Dla oceny możliwej toksyczności wytwarzanych sztucznie nanocząsteczek i nanorurek oraz ich wpływu na zdrowie ludzi niezwykle ważne jest więc zrozumienie zachodzących tam mechanizmów. Istotnych informacji dostarczają trzy typy cząsteczek: minerały kwarcowe, azbest oraz cząsteczki wchodzące w skład zanieczyszczeń powietrza.²⁹³

Kwarc to minerał, z którym styczność miało wiele milionów pracowników, na przykład w kopalniach oraz kamieniołomach. Kilkuletnie narażenie²⁹⁴ na cząsteczki o wielkości mikrometrów, w stężeniach rzędu miligramów na metr sześcienny powietrza, doprowadzało nierzadko do potencjalnie śmiertelnej odmiany fibrozy płuc. Późniejsze badania toksykologiczne prowadzone na szczurach pokazały, iż względnie niewielkie narażenie na mikrocząsteczki kwarcu wywołuje u nich poważne zapalenie płuc oraz nowotwory. Wskazywano tu na związek z wysoce reaktywną powierzchnię kryształu kwarcu, która sprzyja wytwarzaniu reaktywnej formy atomów i cząsteczek - tzw. wolnych rodników, prowadząc do uszkodzeń mechanizmów obronnych komórek.²⁹⁵

Azbest to naturalny, włóknisty minerał, w dalszym ciągu obecny w konstrukcji wielu budynków. Jego wdychanie przez pracowników powodowało kilka różnych chorób płuc, z których większość okazywała się śmiertelna. Badania nad azbestem i innymi włóknami doprowadziły do kolejnych istotnych dla toksykologii wniosków. Wykazano bowiem, iż toksyczność tych cząsteczek zależna jest od dwóch czynników fizycznych - długości i średnicy - oraz dwóch chemicznych - aktywności powierzchni i trwałości.²⁹⁶

Źródłem cząsteczek w składzie zanieczyszczeń powietrza może być aktywność wulkanu, pożary lasów, a współcześnie skażenie przemysłowe i transportowe. Zainteresowanie naukowe skażeniem środowiska rozpoczęło się po katastrofalnym epizodzie związanym z wystąpieniem smogu w Londynie w grudniu 1952 roku, w rezultacie czego w ciągu dwóch tygodni zmarło ponad 4 tys. osób. Stężenie cząsteczek wynosiło wtedy kilkanaście miligramów na metr sześcienny, a większość z nich była wielkości nanometrów. Od roku

293 Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, op. cit., s. 36.

294 W terminologii związanej z szacowaniem i kontrolowaniem ryzyka, narażenie definiuje się jako stężenie substancji w odpowiednim medium (powietrze, żywność, woda) pomnożone o czas trwania styczności. (Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, op. cit., s. 35.)

295 Ibidem, s. 36-37. 296 Ibidem, s. 37-38.

1980 seria badań epidemiologicznych dostarczyła dowodów na to, iż narażenie na cząsteczkowe frakcje zanieczyszczeń powietrza wiąże się z chorobami serca oraz płuc i jest odpowiedzialne za wymierną część chorób oraz zgonów w obszarach zurbanizowanych.²⁹⁷

Obecnie, w sytuacji braku wystarczających informacji na temat wpływu nanocząsteczek na zdrowie, środowisko oraz bezpieczeństwo, uzasadniona wydaje się analogia do powyższych przypadków. Wiedza wyprowadzona z badań nad zanieczyszczeniem powietrza oraz pyłem mineralnym prowadzi do zasadniczej konkluzji, iż głównymi determinantami toksyczności nanocząsteczek są: całkowita powierzchnia, chemiczna reaktywność powierzchni, zdolność do brania udziału w reakcjach prowadzących do uwolnienia wolnych rodników, a także wymiary fizyczne cząsteczki, umożliwiające przenikanie do narządów oraz komórek, lub zapobiegające usuwaniu cząsteczek z organizmu.²⁹⁸

W związku ze swoim rozmiarem, a tym samym dużą powierzchnią zewnętrzną, nanocząsteczki mogą pociągać za sobą zagrożenie toksycznością. Ponadto istnieje prawdopodobieństwo przenikania wytwarzanych sztucznie nanocząsteczek w głąb tkanek oraz przez naturalne bariery ochronne, takie jak pomiędzy krwią a mózgiem.²⁹⁹ Wystąpienie toksyczności zależne będzie jednak od wdychania lub absorpcji do organizmu bardzo dużej ilości nanocząsteczek, co może mieć miejsce na przykład przy procesach produkcji. Wdychanie niewielkiej ich liczby nie powinno natomiast stwarzać znaczącego ryzyka.³⁰⁰

Wśród wielu niewiadomych dotyczących zagrożeń ze strony nanomateriałów są między innymi środowiskowe efekty oddziaływania nanosrebra, a także jego wpływ na zdrowie ludzi. Srebro w postaci nanocząsteczek wykazuje właściwości przeciwbakteryjne, dzięki czemu znajduje coraz liczniejsze zastosowania w produktach, które powinny być wolne od zarazków, jak smoczki dziecięce, pralki, lodówki, pościel, bielizna, a także przy produkcji żywności. Może ono przy tym różnić się swoją formą, kształtem, możliwymi połączeniami z innymi materiałami oraz posiadanymi osłonkami. Okazuje się natomiast, iż stosowana często w tego typu produktach forma jonowa nanosrebra jest w warunkach laboratoryjnych jednym z najbardziej toksycznych metali.³⁰¹ Szacuje się również, że z ponad jednej trzeciej produktów zawierających nanosrebro może ono migrować do środowiska, co przy rosnącej

297 Ibidem, s. 38-39. 298 Ibidem, s. 41.

299 M. Berger, Nanotechnology and toxicity: the growing need for in vivo study, Nanowerk, 18.01.2008, http://www.nanowerk.com/

300 Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, op. cit., s. 42.

301 S. Luoma, Silver nanotechnologies and the environment: old problems or New challenges?, Project on Emerging Nanotechnologies, September 2008, s. 1, http://www.nanotechproject.org/

popularności tego typu produktów oznaczać może znaczne jego ilości, prowadząc do zaburzenia równowagi ekosystemu.³⁰²

Sporo kontrowersji wzbudza fakt wykorzystania nanocząsteczek tlenku cynku oraz ditlenku tytanu w kremach do opalania, będące jednym z najczęstszych zastosowań nanotechnologii w produktach konsumpcyjnych. Istnieją bowiem dowody na to, iż pod wpływem promieniowania UV tlenki metali w postaci nanocząsteczek mogą emitować fotoelektrony, które wzbudzają reaktywną formę nadtlenków oraz wolnych rodników, co mogłoby w konsekwencji prowadzić do uszkodzenia DNA. Nie wiadomo jednak, czy nanocząsteczki w kosmetykach mogą przenikać komórki skóry, a nawet jeśli, to czy promieniowanie UV dosięgną nanocząsteczki na tej głębokości.³⁰³ Branża kosmetyczna argumentuje, iż produkty zawierające nanocząsteczki są w pełni bezpieczne, gdyż jak dotąd nie zgłoszono żadnego problemu. Także w tym wypadku za wcześnie jest jednak, aby jednoznacznie określić, czy ryzyko istnieje czy też nie, bowiem wszystkie metody oceny ryzyka dla nanomateriałów są nadal w fazie analiz.304

Równie istotna, co w przypadku nanocząsteczek wydaje się także kwestia potencjalnej toksyczności nanorurek węglowych. Głównym tego powodem jest fakt, że im więcej produktów zawierających nanorurki węglowe pojawia się na rynku, tym większe jest prawdopodobieństwo, iż cząsteczki uwolnione zostaną w ich cyklu życia, szczególnie na etapie produkcji lub pozbywania się produktu. Ponadto nanorurki znaleźć mogą zastosowanie w licznych układach biologicznych oraz medycznych. Z uwagi na interesujące właściwości strukturalne, chemiczne, elektryczne oraz optyczne, nanorurki węglowe wykorzystywane są przez wiele zespołów badawczych z zamiarem podniesienia wydajności biologicznej detekcji, obrazowania i terapii. W wielu przypadkach mogą więc być one celowo wstrzykiwane lub wszczepiane do organizmu.³⁰⁵

Niepokojące są również sygnały mówiące o tym, że nanocząsteczki i nanorurki mogą być bardzo mobilne w środowisku, swobodnie rozprzestrzeniając się w powietrzu oraz wodzie, gdzie przechodzić mogą przez większość stosowanych obecnie systemów filtracyjnych³⁰⁶. Jednocześnie wskazuje się na duże prawdopodobieństwo, iż gleba oraz organizmy wodne       

302 Ibidem, s. 5.

303 C. Garber, M. Berger, Does coating nanoparticles make them safe(r) for cosmetics?, Nanowerk, 30.10.2007, http://www.nanowerk.com/

304 M. Berger, EU looks at the safety of nanomaterials in cosmetic products, Nanowerk, 05.05.2008, http://www.nanowerk.com/

305 M. Berger, Biodegradation of carbon nanotubes could mitigate potential toxic effects, Nanowerk, 10.11.2008, http://www.nanowerk.com/

będą przejmować wytworzone sztucznie nanocząsteczki, które przedostały się do środowiska naturalnego. W rezultacie nanocząsteczki, wspólnie z innymi związkami chemicznymi, mogą wieloma drogami docierać do ludzi oraz innych organizmów żywych. W zależności od właściwości powierzchniowych nanocząsteczek, substancje te, poprzez wejście do łańcucha pokarmowego prowadzić mogą do bioakumulacji i spożywania ich przez organizmy położone wyżej w łańcuchu.³⁰⁷