Нанотехнологічні фактори ризику для здоров'я населення Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

NANOTECHOLOGICAL FACTORS OF RISK THE HEALTH

OF POPULATION

Grebnyak N.P., Ermachenko A.B.

НАНОТЕХНОЛОПЧН1 ФАКТОРИ РИЗИКУ ДЛЯ ЗДОРОВ'Я НАСЕЛЕННЯ

e-

ГРЕБНЯК М.П., 6РМАЧЕНКО О.Б.

Донецький нацюнальний медичний унiверситет iM. М. Горького

УДК 616:613:504.61]:008

Ключовi слова: нанотехнологГГ, наночастинки, фiзико-хiмiчнi властивостi, медико-бюлопчна дiя.

НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РИСКА ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ Гребняк Н.П., Ермаченко А.Б. Рассмотрена проблема гигиенической значимости нанотехнологий и наноматериалов. Установлена взаимосвязь между химико-физическими характеристиками наночастиц и медико-биологическим эффектом.

NANOTECHOLOGICAL FACTORS OF RISK THE HEALTH OF POPULATION Grebnyak N.P., Ermachenko A.B. The problem of hygienically meaningfulness of nanotechology and nanomaterials is considered. Interconnection between chemical and physical descriptions of nanoparticle and edical-biological effect is set.

© Гребняк М.П., брмаченко О.Б. СТАТТЯ, 2011.

ауково-техннна революцт зумо-вила появу нанотехнолопй (НТ). Нанотехнологи — сукупнють ме-тод1в i процеав цтеспрямовано-го створення, отримання та ви-користання речовин i матерiалiв у нанометровому дiапазонi (до 100 нм), як мають особливi вла-стивостi. Верхня межа наногалу-3i вiдповiдаe найменшим еле-ментам великих нтегральних схем у комп'ютернiй технщк Наночастинки (НЧ) посiдають про-мiжне положення мiж окремими атомами та макроттами.

Завдяки унiкальним властиво-стям НТ належать до найбтьш перспективних технологiй. Об-сяги фнансування Ух стрiмко зростають, до 2015 року прогно-зуеться витратити на розробку Ух та впровадження у виробництво понад 20 трильйоыв доларiв США. Враховуючи, що забруд-нення навколишнього середови-ща речовинами антропогенного походження прямо пропорцмно

залежить вiд 1х використання у народному господарствi, НЧ по-сядуть чiльне мiсце в якост по-лютантiв [2-4, 7, 11].

У сучасний перюд широке за-стосування НТ знайшли у ба-гатьох галузях: мiкроелектронiцi, енергетиц^ хiмiчнiй i харчовiй промисловостi тощо (рис. 1). Ни-нi створено таю наноматерiали: фулерени, лiпосоми, наносфери, нанострижы, нанотрубки, нано-дротинки, дендримери, нано-плiвки, нанокомпозити, нанокри-стали, нанопорошки, нанокапсу-ли, нанобiосенсори, нанороботи, нанопристроУ, нанобiоматерiали, наноструктурнi рiдини, фармако-логiчнi нанопрепарати, спещаль-нi жилети захисту вiд куль.

НЧ у хiмiчному вiдношеннi яв-ляють собою сполуки, в яких ато-ми зв'язан подiбно ароматич-ним сполукам одинарними або подвмними зв'язками. Разом з цим НЧ суттево вiдрiзняються вщ класичних хiмiчних сполук [1, 2,

Рисунок 1

Шляхи використання нанотехнолопй

№ 1 2011 Environment & Health 52

6, 8-11]. До спец^чних рис на-номатерiалiв належать наявнiсть двомфно'У метастабiльноí фази; поява протяжних площин елек-тронного сполучення, що сприяе делокалiзацiУ електронiв; наве-дення дипольного моменту i поява мiжмолекулярного сполучення впродовж двомiрних меж внаслщок двомiрних шарiв; ке-рованють фiзичними i хiмiчними властивостями; вщмны вiд об'емноУ речовини квантовi вла-стивостi; змiна бiологiчноУ вла-

Г1ПвН1ЧН1 ПРОБЛЕМИ НАНОТЕХНОЛОГ1Й —

Таблиця

Характеристика наночастинок за хiмiко-фiзичним та медико-бiологiчним ефектами

е

Ознака Хiмiко-фiзичний ефект Медико-бiологiчний ефект

Висока питома поверхнють Збiльшення адсорбцiйноí eмностi та хiмiчноУ реакцiйноí здатностi Пошкодження бюлопчних мембран внаслiдок збтьшення продукцiУ вiльних радикалiв i активних форм кисню. Збтьшення токсичних наслщюв у результат адсорбцiУ контамiнантiв i полегшення Ух транспорту у кл^ини.

Велика кривизна НЧ Змiна топологií зв'язку атс^в на поверхнi Пiдвищення мiграцiУ забруднень внаслiдок пщвищення розчинностi, реакцiйноУ та каталiтичноУ здатност НЧ.

Наявнiсть нано-структурованоУ поверхнi Фулерени з парним числом атс^в вуглецю Порушення мiкробiологiчних процесiв очищення Грунту i води внаслiдок антимiкробноУ дiУ.

Гiдрофобнiсть Пщсилюють процеси адсорбцií екотоксикантiв на НЧ Пiдвищення здатностi проникнення через бар'ери оргаызму.

Незначнi розммри НЧ Легкють проникнення до клiтинних органел. Зниження доступност для розпiзнавання захисними системами оргаызму Порушення/змiна функцiй бюструктур. Збть-шення можливостi потрапляння до оргаызму людини внаслiдок накопичення Нч у рослинах i тваринах (зменшення елiмiнацiУ i бiотрансформацiУ).

Наявнiсть у вуглецевих НЧ здатност електрично-заряджених структур Змiна структурно-енергетичного стану води внаслщок донорно-акцепторноУ взаемодп з НЧ Перенесення токсичних сполук до активних центрiв рецепторiв, формування надмiрно вiльних радикалiв поблизу активних центрiв.

Велика протяжнють меж на поверхнi роздту фаз Бiологiчно-активнi системи i матерiали для цiлей медицини, фармакологи, харчовоУ та парфумерноУ промисловостi.

Можливiсть формування метастабiльних фаз Бюлопчно-активы системи i матерiали для цтей медицини, фармакологiУ, харчовоУ та парфумерноУ промисловостг

Поява сферичност цилiндричних протяжних площин електронних сполук Збудження колективних електронних i коливальних станiв, сприяння делокалiзацiУ електронiв, конденсацiя надмiрних електронiв в активних дiлянках двомiрноУ структури НЧ Дисфункцiя i морфологiчнi змши еритроцитiв, кардiоцитiв, гепатоцитiв тощо. Мтохон^альна пролiферацiя внаслiдок порушень електронного транспорту. Переддепресшна гiперактивнiсть, депресiя функцiй мтохондрш та зниження синтезу макроергiв i порушення енергозалежного клiтинного транспорту.

Ненасиченють зв'язкiв у наноструктурi Реак^я вiдняття електронiв та замщення введених груп

Утворення у водi сольватних сполук зi змiною складу i структури моношару Пiдвищення швидкостi сорбцп води на поверхнi наноструктури Радикально-кататтичне окиснення бiлкових структур внаслiдок утворення втьних радикалiв i синглетного кисню.

Акцепторнi властивостi Утворення донорно-акцепторних комплексiв. lнтеркапсуляцiя НС у водк Утримання радикалiв у сольватнм оболонцi НЧ. Схильнiсть до арегування Доставка токсичних сполук до активних центрiв рецепторiв внаслiдок розпаду оргаычних сполук без Ух розпадання. Формування додаткових втьних радикалiв у навколишньому середовищi та деградацiя бiлкових структур. Поява мембранотропноУ активностi.

Електростатичне утримання адсорбата Сорбцiйне утримання токсичних речовин Скидання сорбованих сполук i пакетний вихiд електроыв бiля активних центрiв рецепторiв.

Значна спорiдненiсть з електронами Активне зв'язування втьних радикалiв Провокування алерпчноУ вiдповiдi.

Значна електронегативнють (сильнi окислювачi) Приеднання радикалiв рiзноУ хiмiчноУ природи Утворення широкого класу хiмiчних сполук з рiзноманiтними фiзико-хiмiчними властивостями.

е

53 Еоттошшт & Иеаьти № 1 2011

стивостi НЧ у зовнiшнiх полях (у т.ч. в оргаызмО; надзвичайно значна номенклатура структур-них аналопв НЧ (табл.).

Безпечнiсть наноматерiалiв залежить вiд механiзму ТхньоТ па-тогенетично( дií (рис. 2). До най-поширенiших шляхiв потраплян-ня НЧ до оргаызму людини належать Ыгаляцмний та перораль-ний. Провщними механiзмами Тх доставки до оргаыв е гематоген-ний, лiмфатичний та нейрональ-ний транспорт. НЧ зумовлюють такi механiзми ушкодження: ок-сидативний стрес, системна циркулящя наноструктур в орга-ызм^ а також генотоксичний, му-тагенний i органотоксичний ефекти. За дм наночастинок роз-риваються гострi ^або вiддаленi наслщки.

З гiгiенiчних позицм найбiльше значення мае застосування нанотехнолопй при виробництвi харчових продук^в та у фарма-кологií. Ппеычно значимою проблемою нанотехнологiй у харчо-вому виробництвi е необхщнють оцiнки ризикiв, зумовлених по-тенцмно-токсичними НЧ у про-довольчiй сировин та íжi. Най-ширше застосовуються у вироб-ництвi харчових продук^в на-ноiнкапсуляти, нанонутрiенти, наноматерiали для упаковки, на-ноструктурованi харчовi добавки, транспорты наносистеми, наносенсори та нанодатчики.

Метою наноЫкапсуляци е по-долання несумiсностi рiзних н

гредiентiв, захист вiд деградаци пiд дiею ферментiв ШКТ, пщви-щення бiодоступностi незамн них компонент харчування i бiологiчно активних речовин. Найчастше наноiнкапсуляцiя здiйснюеться з нутрiентами з ви-сокою бiологiчною цныстю, ферментами, бiологiчно актив-ними i харчосмаковими речови-нами. Важливе мюце у забезпе-ченнi у складi комплексного продукту несумiсних харчових речовин посщають лiпiднi нанокапсу-ляти (нанолiпосоми, архаесоми, нанокохлеати). Характерною ри-сою нанонутрiентiв е диспергу-вання алiментарних речовин до частин <100 нм, що дозволяе пщвищити бiодоступнiсть у ме-таболiчному конвеерк

Чiльне мiсце у використаннi нанотехнолопй посщае збть-шення термiнiв придатност харчових продуктiв шляхом пщви-щення бар'ерних функцiй паку-вального матерiалу [3, 5, 10]. Основы мехаызми згаданого процесу полягають у зниженн мiкробноí контамiнацií (за раху-нок зменшення розмiрiв пор) та впливу УФ-випромнювання на продукт (за рахунок його погли-нання НЧ), попередження мiкро-бiологiчного псування (пщ час мiграцií у них НЧ антимiкробних речовин), пiдвищення газо-бар'ерного потен^алу (модифн кацiя частинами наноглини), захист вщ висихання (тоню птвки воскiв та парафiнiв). Слщ вщзна-

Механiзм патогенетично'Г дм наночастинок

Рисунок 2

Щ О.

I

I

^

I

со

£

О §

ск

I I

3 _

о 1=

>

со л

I-

о о

X

л

¡4 О

л

т I

чити, що ламiнарне розмщення частин наноглини перешкоджае процесам дифузи О2 iз зовнш нього середовища у продукт та зберiгае вщ перекисного окис-нення олií, запоб^ае виходу молекул СО2 iз газованих напоíв. Прiоритетними видами нанома-терiалiв для пiдвищення бар'ерних властивостей упаковки е на-норозмiрнi дюксид титану, оксид цинку, колощне срiбло, наноглини, вiск та парафЫи.

Наномаркування упакування харчових продук^в здмснюють-ся з метою Ыформування спожи-вачiв про íхню вщповщнють ви-могам безпеки. Iнтелектуальнi упаковки з вбудованими нано-сенсорами можуть контролюва-ти температуру, волопсть, появу мкробно!' контамiнацií, вплив УФ-опромЫення. Негативнi нас-лiдки використання НЧ пов'язан з íхньою мiграцiею з упаковки у харчовий продукт, а також зi збiльшенням викиду НЧ у при-родне середовище.

Фармацевтичне використання нанотехнолопй, в основному, пов'язане з нанолтосомами. Нанолтосоми — двошаровi лн пiднi бульбашки розмiром 30100 нм, що не змЫюють нано-розмiр протягом усього перюду збер^ання i використання та мн стять у собi фармацевтичнi ре-човини. Вони здатн Ыкорпору-вати залежно вщ розмiщення у структурi гщрофтьних та гщро-фобних молекулярних групувань жиророзчинн та водорозчиннi матерiали.

Вихщ iнкапсульованих компо-нентiв здiйснюеться за певних умов в органiзмi (рН, ферменти тощо). Фармакологiчнi ефекти нанолтосом зумовленi бюсумю-нiстю íхнього матерiалу, можли-вiстю регуляци íхнього лодного складу та вибiрнiстю депонуван-ня вщносно клiтин, що знахо-дяться у стан гiпоксií. Спектр використання передбачае л^ван-ня у випадках вiрусних, онколо-гiчних, серцево-судинних, ней-родегенеративних, стоматоло-гiчних хвороб.

Висновки

1. В останн роки у свт постiй-но зростае увага до нанотехно-логiй, тобто цтеспрямованого отримання й використання речо-вин з розмiром менше 100 нм. Враховуючи iнтенсивне зростан-ня темпiв споживання íх у народному господарств^ наночастин-ки посядуть чтьне мiсце в якост полютантiв.

2. Хiмiко-фiзичнi характеристики наночастинок детермЫу-ють широкий спектр медико-бю-логiчних ефектiв в органiзмi лю-

№ 1 2011 Еоттошшт & Иеаьти 54

дини внаслiдок високо1 проник-ливостi та прямоТ дií на внутрш ньоклiтиннi структури.

3. До прюритетних завдань п-гieнiчноí науки належить формування втизняноТ системи нано-безпеки у процесi державного саытарно-епщемюлопчного на-гляду.

Л1ТЕРАТУРА

1. Бурлев М.Я. Нанотехноло-гия в прикладной биотехнологии // Biomedical and Biosocial Antro-pology. — 2009. — № 13. — P. 99101.

2. Малышева А.Г. Проблемы химико-аналитических исследований при гигиенической оценке наноматериалов и нанотехноло-гий // Гигиена и санитария. — 2008. — № 6. — С. 16-20.

3. Невзорова В.В., Гмошин-ский И.В., Хотимченко С.А. Проблемы оценки безопасности на-номатериалов, применяемых в упаковке пищевых продуктов // Вопросы питания. — 2009. — Т. 78, № 4. — С. 54-60.

4. О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы: Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации № 54 от 23.07.2007. — М., 2007.

5. О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы: Информ. письмо Роспотребнад-зора № 0100/4502-07-02 от 02.05.2007. — М., 2007.

6. Рахманин Ю.А., Стехин А.А., Яковлева Г.В. Влияние квантовых состояний нанообъектов на биологические системы // Гиг. и сан. — 2008. — № 6. — С. 4-16.

7. Русаков Н.В. Эколого-гиги-енические проблемы отходов наноматериалов // Гигиена и санитария. — 2008. — № 6. — С. 20-21.

8. Чечеткин В.Р., Прокопенко Д.В., Макаров А.А., Заседате-лев А.С. Биочипы для медицинской диагностики // Рос. нано-технол. — 2006. — Т. 1, № 1. — С.13-27.

9. Яковлева Г.В., Стехин А.А. Особенности токсических свойств нанообъектов// Гигиена и санитария. — 2008. — № 6. — С. 2126.

10. Down on the Farm: the impact of Nano-Scale Technologies on Food and Agriculture / ETC Group Report. — Ottawa, 2004.

11. Draft opinion of the scientific committee on the potential risks arising from nanoscience and na-notechnologies on food and feed safety. — European Food Safety Authority, 2008. — 35 p.

Надiйшла до редакцИ 25.05.2010.

CHARACTERISTIC AND STABILITY OF ANTIMICROBIAL EFFECT OF SILVER NANOPARTICLES IN COLLOID SOLUTIONS

Mikhienkova A., Mukha Yu.

НАНОЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА: ХАРАКТЕРИСТИКА И СТАБИЛЬНОСТЬ АНТИМИКРОБНОГО ДЕЙСТВИЯ КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ

ричиной бурного развития на-нотехнологий является наличие у наночастиц (НЧ) сочетания уникальных свойств, которые обусловливают их эффективное использование не только в промышленности, но и в медицине [1-3].

При получении наночастиц возникает ряд трудностей. Хорошо известно, что НЧ серебра быстро окисляются при контакте с воздухом с образованием оксидного слоя вокруг НЧ. Кроме того, НЧ легко агрегируют в растворах, что приводит к снижению их активности. Поэтому до настоящего времени остается актуальным вопрос стабилизации растворов НЧ серебра [4, 5]. С медицинских позиций важен подбор таких стабилизаторов, которые не снижают антимикробной активности НЧ серебра.

На сегодня разработано много методов получения НЧ [6]. Среди них наиболее распространенным и доступным является химический с применением восстановителей те-траборгидрида натрия, цитрата натрия, глюкозы и др.

В данной работе представлено экспериментальное изучение антимикробных свойств наноразмерного серебра в

НАНОЧАСТИНКИ СР1БЛА: ХАРАКТЕРИСТИКА I СТАБ1ЛЬН1СТЬ АНТИМ1КРОБНО1ДИКОЛО1ДНИХ РОЗЧИН1В М'1х'енкова А.1., Муха Ю.П.

У ходi експериментального досл'1дження було встановлено, що отриманий хiмiчним методом колоДний розчин наночастинок срiбла розмiром 8-12 нм i концентра^ею базового розчину 0,0016% проявляв антимiкробну активнiсть вДносно тест-мiкроорганiзмiв E. coli, P. aeruginosa, S. aureus i C. albicans, яка залежала вд низки чинниюв. В якост стаб'т'1зуючих речовин використовували сумiш поверхнево-активно'1 речовини додецилсульфату натрiю i полiмеру полiвiнiлпiролДону. Було вивчено вплив походження стаб'1л '1зуючих речовин на збереження антимiкробноi активност дослдних розчинiв, а також показана iхня стабiльнiсть протягом тривалого термiну спостереження.

© Михиенкова А.И., Муха Ю.П. СТАТЬЯ, 2011.

МИХИЕНКОВА А.И., МУХА Ю.П.

ГУ «Институт гигиены и медицинской экологии им. А.Н. Марзеева АМН Украины», Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко НАН Украины

УДК 579.63: 661.163:006.032, 648.6, 615.28

55 Environment & Health № 1 2011