CC BY
25
УДК 613.6:615.9 https://doi.org/10.32402/dovkil2020.04.063
FEATURES OF STRUCTURE, PHYSICO-CHEMICAL AND TOPOLOGICAL PROPERTIES OF TITANIUM DIOXIDE NANOPARTICLES OBTAINED BY THERMAL DECOMPOSITION TECHNOLOGY (LITERARY REVIEW AND OWN RESEARCH)
Riabovol V.M.
ОСОБЛИВОСТ1 БУДОВИ, Ф1ЗИКО-Х1М1ЧНИХ I ТОКСИКОЛОПЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ
НАНОЧАСТИНОК Д1ОКСИДУ ТИТАНУ, ОДЕРЖАНОГО ЗА ТЕХНОЛОГИЮ ТЕРМ1ЧНОГО РОЗКЛАДУ (Л1ТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД I ВЛАСН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ)
РЯБОВОЛ В.М.
Нацiональний медичний унiверситет iM. О.О. Богомольця, м. КиТв
аночастинки Ti02 (НЧ Ti02) застосовують у рiзних галу-зях народного господарства: будiвельнiй, харчовм, енер-гетичнiй, косметичнiй, папе-ровм, медичнiй, фармацев-тичнiй, в охорош довкiлля тощо. Корисною для засто-сування на практицi наноча-стинок Ti02 е його фотоката-
лiтична властивiсть (фотока-талiз), тобто здатнють пiд дiею ультрафiолету розкла-дати оргашчы речовини [1]. Фотокатал^ична здатнють НЧ Ti02 використовуеться для очистки та знезараження пов^ря вiд оргаычних речо-вин та мiкроорганiзмiв шляхом ïx окиснення. А макроформа Ti02 широко застосо-вуеться у промисловост як бiлий пимент.
Мета: провести аналiз л^ тературних даних щодо
методiв отримання, будови та токсично)' дм наночасти-нок дюксиду титану. На пщ-ставi даних розробника про-аналiзувати будову i фiзико-xiмiчнi характеристики, до-слiдити гостру токсичнiсть i мюцеву дiю наночастинок дiоксиду титану.
Методи дослщження: п-гiенiчний, токсикологiчний, бiблiографiчний, анал^ич-ний.
Результати аналiзу л^е-ратури. Дiоксид титану у природi зустрiчаеться у трьох кристалiчниx формах: анатаз, рутил, бруют. Анатаз пщ час термiчноï обробки вiд 400°С до 100°С перетво-рюеться на рутил.
Для одержання НЧ Ti02 розроблено рiзнi теxнологiï, проте на практик найчаст^ ше використовують три. Це
ОСОБЛИВОСТ1 БУДОВИ, Ф1ЗИКО-Х1М1ЧНИХ I ТОКСИКОЛОПЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ НАНОЧАСТИНОК ДЮКСИДУ ТИТАНУ, ОДЕРЖАНОГО ЗА ТЕХНОЛОГИЮ ТЕРМ1ЧНОГО РОЗКЛАДУ (Л1ТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД IВЛАСН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ) Рябовол В.М.
Нащональний медичний университет iM. О.О. Богомольця, м. Кив
Мета: провести анал'з лтературних даних щодо методiв отримання, будови та токсично)' дп наночастинок дюксиду титану. Проанал'зувати будову i досл'щити гостру токсичну дiю наночастинок доксиду титану. Методи: ппен'нний, токсиколопчний, б'б-лiографiчний, аналтичний. Результати. Нанопорошок доксиду титану з фотокаталтичним ефектом практично монодисперсний, розм'ром частинок у середньому 10 нм, мае мезопористу
будову, мiстить м'як конгломерати в\д 50 нм до 500 нм, його питома поверхня -57,3 м2/г. Нанодоксид титану, одержаний термiчним розкладом, належить до малотоксичних i малонебезпечних речо-вин, DL50 бльше 5000 мг/кг за внутрш-ньочеревного введення мишам. Зазначений нанопорошок не подразнюе шюру та слизову оболонку очей крол'в. За даними лтератури визначено, що за хрончного впливу на лабораторних тварин наночастинки Т\О2 накопичуються та сприяють ушкодженню тканин печiнки, нирок, легенв, селезнки, зокрема, впли-вають на перекисне окислення лiпiдiв та суттево змiнюють експресю ген'\в, як в 'щпов 'щають за циркадiальнi ритми, процеси метаболiзму та апоптозу.
Ключовi слова: наночастинки, нанопорошок, д'юксид титану, токсиколопя, ппена.
© Рябовол В.М. СТАТТЯ, 2020.
63 Environment & Health № 4 2020
технологи золь-гель, гщро-термальна та метод по-еднання обох [2].
Процес золь-гель методу полягае у переведенн1 золю у гель. Це вщбуваеться у результат! гщрол1зу I реакцп пол1меризацп прекурсор1в ТЮ2 (колощноТ суспензп) через точку гелеутворення. Золь при цьому втрачае рухомють I перетворюеться на гель (нерухому структуру). Золь-гель метод не вимагае складного обладнання, але характеризуеться тривал1-стю процесу до декшькох дн1в.
Процес гщротермального методу в1дбуваеться у закри-тих системах за температури вище 100оС з використанням води як розчинника I тиску понад 1 атм. Суть процесу полягае у нагр1ванн1 вихщних компонент1в (прекурсор1в НЧ ТЮ2 у суспензп) за заданих температури I тиску [7]. Застосування гщротермаль-ного методу ускладнюеться необхщнютю використання автоклав1в з високими тисками (вище 0,1 МПа) [3]. Пдротермальний синтез е
зручним практичним методом, його перевагою е гнуч-юсть та вщтворюванють результатiв, можливiсть керувати структурно-морфо-лопчними характеристиками наночастинок [7]. Найоп-тимальшшим, а не склады-шим методом отримання НЧ Ti02 е об'еднання процеав золь-гель та гiдротермаль-ного.
В 1нститут проблем мате-рiалознавства iм. 1.М. Фран-цевича НАН УкраТни нанопо-рошок Ti02 синтезують ш-шим методом - це процес термiчного розкладу прекурсора TiO(OH)2. На ПАТ «Сумихiмпром», де перероб-ляють титановi концентрати та шлаки, на промiжнiй стадiТ переробки отримують сус-пензiю гiдратованого дюкси-ду титану TiO(OH)2, яка вщо-ма пщ назвою метатитанова кислота. Ця речовина слугуе сировиною для отримання нанопорошку Ti02. Для цього ТТ нагрiвають до температури 700оС 3i швидкiстю нагрiву 5оС/хв. i отримують анатазну кристалiчну форму [3].
Рисунок
Електронно-мшроскошчне дослiдження нанопорошку Ti02 (за допомогою електронного мшроскопа JEM-1400 (JEOL, Япошя) з iнcтpументaльним збiльшенням вiд 2000 до 100000 та прискорювальною напругою 80 кВ)
Функц1ональн1 властивост1 нанодисперсного Ti02 виз-начаються його структурою, морфолопею та станом по-верхнi, якi, у свою чергу, залежать вiд технологiчних умов синтезу та постоброб-ки [7].
Вищу фотокаталiтичну ак-тивнiсть мають нанорозмiрнi частинки (менше 50 нм) за рахунок збтьшення активно!' площi. Для покращання фотокаталiтичних властиво-стей дюксиду титану i зм^ щення його спектра погли-нання Ti02 у межах видимого випромшювання застосо-вують легування металами (Ag, Al, Pt тощо) та неметала-ми (n, F, C, В та ЫшО.
Встановлено, що змiна форми, розмiру, наявнiсть домiшок суттево впливають на фотокатал^ичну актив-нiсть нанодисперсного ТЮ2. Тому бiльшiсть дослiджень спрямована на посилення цiеí характеристики шляхом змЫи морфологiчноí будови НЧ Ti02 (розмiр, форма, пористiсть, схильнють до агломерацií). А це напряму пов'язане з технолопями його одержання.
Зазнати шкщливого впли-ву НЧ Ti02 можуть пра^вни-ки, задiянi у його виробницт-вi. Тобто основними шляхами надходження НЧ Ti02 на ро-бочому мiсцi до оргашзму людини е три: через вдихан-ня (iнгаляцiйний), внаслiдок контакту нанопорошку з шюрними покривами (шкiр-ний), шляхом потрапляння через слизову оболонку ока (кон'юнктиву) [16, 18].
1нформащя про токсич-нicть макроформи Ti02. Вiдповiдно до даних техыч-ного паспорту макроформа титану дюксиду тгментного виробництва ПАТ «Сумихiм-пром» характеризуеться такими токсиколопчними параметрами безпечностк LD50 >5000 мг/кг, ГДК повiтря робочо' зони - 10 мг/м3, 4 клас безпечностi (http:/ /sumy khimprom.com.ua/wp-content/uploads/2016/05/dio
ksid-titana-1.7-ukr.pdf).
Згщно з даними Наукового ком^ету з питань безпеки споживачiв бвропейсько'' комiсií (SCCS/1516/13 Revision of 22 April 2014 https://ec.europa.eu/health/s cientific_committees/con-sume r_safety/docs/sccs_o_ 1 36.pdf) при вивченш гостроí орально') токсичностi наноча-стинок Ti02 на щурах LD50> 2150 мг/кг в експеримент було використано дозу 2150 мг/кг, яка не призвела до летальних випадюв. Opi-ентовну летальну дозу ALD> 11000 мг/кг було визначено у дослщжены на щурах внутр^ шньошлунковим одноразо-вим введенням речовини у кiлькостi 2300-11000 мг/кг.
У результат протягом двох тижшв серед пщдос-лiдних щуpiв летальних випадкiв не спостерталося. Вивченням гостpоí дер-мально') токсичностi вста-новлено, що LD50 переви-щуе 10000 мг/кг.
Випробовувана доза 10000 мг/кг не викликала подраз-нення шюри та кон'юнктиви очей у кpоликiв.
Oскiльки у сучасних сон-цезахисних кремах вико-ристовують НЧ TiO2, який дie як УФ-фiльтp, Науковий бвропейський ком^ет з косметики i непродоволь-чих товаpiв (SCCNP) до-слiджував пpоникнiсть через шюру НЧ TiO2 у косме-тичних засобах. НЧ TiO2 виявлено в отворах воло-сяних фолiкул та у верх-ньому роговому шаpi ет-деpмiсу, але вони не проникали у нижш (життездат-
нi) шари епiдеpмiсу [17].
Науковець Нацюнального медичного унiвеpситету iменi О.О. Богомольця, доцент Н.В. Солоха дослщжу-вала гостру токсичнють нанопорошку нiтpиду титану на мишах шляхом одноразового його введення (двома методами: внутрш ньошлунковим i внутрш ньочеревним) у дозах 500, 1000, 2000, 5000, 7000, 8000, 10000, 13000 та
Г1Г1еНА НАНОМАТЕР1АЛ1В =
15000 мг/кг. Жодна з випро-бовуваних доз не призвела до загибелi тварин. До-слiджуваний нанопорошок нiтpиду титану було вщне-сено автором до 4 класу небезпечностi (малонебез-печш) [16].
У дослiдженнi [8] методом одноразового введення НЧ TiO2 25 нм i 80 нм per os мишам 5000 мг/кг поpiвняно
з частинками TiO2 250 нм встановлено, що НЧ TiO2 пiсля надходження до шлун-ково-кишкового тракту транс-портуються до шших оpганiв i тканин та накопичуються у печiнцi, селезiнцi, нирках та легенях.
Результати власного дослщження. Для власних дослщжень було використа-но нанопорошок TiO2, одер-жаний за технолопею теpмiч-ного розкладу в 1нститут проблем матеpiалознавства iменi 1.М. Францевича. Його електронограму подано на рисунку.
Як видно з рисунка, частин-ки порошку TiO2 практично монодисперсы, íхнiй pозмip становить близько 10 нм. Нанопорошок TiO2 мае мезо-пористу будову (мезопори -пори 2-50 нм), мютить м'як конглемерати, pозмipом вiд 50 нм до 500 нм [5, 15].
Фiзико-хiмiчна характеристика нанопорошку TiO2: роз-мip частинок - вщ 8 нм до 15 нм, питома поверхня ста-новить 57,3 м2/г, сеpеднiй дiа-метр кристалтв - 19,4 нм. Пористу структуру нанопорошку TiO2 дослiджували на пpиладi ASAP 2000M. Су-марний об'ем пор становить 0,19 см3/г, об'ем мезопор -
0,23 см3/г, площа мезопор -69,1 м2/г [5, 15].
Для проведення експери-менту з вивчення гостро' ток-сичност1 внутр1шньочерев-ним введенням мишам готу-валася суспенз1я нанопорошку ТЮ2 на ф1з1олог1чному розчин1, вводилися дози наночастинок 500 мг/кг, 1000 мг/кг, 5000 мг/кг, 10000 мг/кг на 1 мл.
Дослщження показало, що нанопорошок ТЮ2 у зазначе-них дозах за 30 хвилин при-зводить до зниження рухово' активност1 I загальмованост1 експериментальних мишей. Групи мишей, яким вводили дози 500 мг/кг I 1000 мг/кг НЧ ТЮ2, за годину своею повед1нкою I зовн1шн1м виг-лядом не вщр1знялися вщ контрольних. Миш1, яким вводили дози 5000 мг/кг та 10000 мг/кг НЧ ТЮ2, продов-жували залишатися пасивни-ми I пригшченими. Спосте-р1галася втрата Ытересу до 'ж та води, слабка реакц1я на зовн1шн1 подразники.
За добу тварини, яким ввели дозу 10000 мг/кг НЧ ТЮ2, загинули. Тварини з введеною дозою 5000 мг/кг НЧ ТЮ2 залишалися живими, але перебували у стан1 Ыток-сикацп. Вони характеризува-лись меншою руховою актив-н1стю, меншим 1нтересом до Тж1, води, тьмяним шерстя-ним покривом пор1вняно з групою контролю. П1сля п'ято'' доби спостереження група мишей, яким вводилось 5000 мг/кг НЧ ТЮ2, не в1др1знялася вщ контролю.
Також було проведено власне досл1дження мюцево' дм нанопорошку ТЮ2 на
шкipy тa шн'юнктиву кpoли-кiв. Екcпepимeнт пoкaзaв вдоутнють мicцeвoï пoдpaз-ливoï дiï дocлiджyвaних H4 Ti02. Рeзyльтaти влacнoгo дocлiджeння мicцeвoï дiï H4 Ti02 збiгaютьcя з лiтepaтyp-ними дaними.
Результати аналiзу л^е-ратури. Vasantharaja D., Ra-malingamV., Aadinaath Red-dy G. дocлiдили вплив 3a щoдeннoгo ввeдeня H4 Ti02 (cyмiш pyтилy тa aнaтaзy, <100 нм) пpoтягoм 14 днiв пepopaльним шляхoм дoз 50 мг/кг тa 100 мг/кг Ha змшу cepoлoгiчних бioхiмiчних no-кaзникiв y дopocлих caмцiв щypiв Wistar. Дocлiдникaми виявлeнe пiдвищeння пoкaз-никiв вмicтy глюкoзи, зaгaль-нoгo бiлкa, хoлecтepинy, лiпoпpoтeïнiв виcoкoï щть-нocтi, ACT, ceчoвини y кpoви y гpyпi щypiв, яга oтpимyвaлa 100 мг/кг/дeнь H4 Ti02 пopiв-нянo з кoнтpoльнoю гpyпoю. Цe вкaзye Ha тотеичну дiю H4 Ti02 нa ne4rn^ тa ниpки y щypiв [б].
Дocлiджeння нa щypaх тa мишэх пoкaзaли, щo H4 Ti02 мoжyть нaдхoдити 4epe3 лeгeнi тa шлyнкoвo-кишкo-вий тpaкт дo cиcтeмнoгo кpo-вooбiгy, a пoтiм poзпoдiляти-cя y piзних opгaнaх, тaких як ne4rnra, ниpки, ceлeзiнкa, мoзoк.
Рoзпoдiл тa нaкoпичeння H4 Ti02 в opгaнaх мoжe cпpичинити пoшкoджeння opгaнiв 4epe3 poзвитoк 3a-пaльних peaкцiй. Tpивaлi iнгaляцiйнi дocлiджeння впли-ву H4 Ti02 нa щypiв пpизвo-дили дo виникнeння пухлин лeгeнiв [7].
Yanmei Duan et al. дocлiд-жyвaли тoкcикoлoгiчнi eфeк-ти у мишeй з внyтpiшньoш-луншвим ввeдeнням aнaтa-зу H4 Ti02 poзмipoм 5 нм дoз б2.5, 125, 250 мг/кг тpьoм eкcпepимeнтaльним гpyпaм, вiдпoвiднo, кoжнoгo нacтyп-нoгo дня пpoтягoм 30 днiв. Дocлiджeння пoкaзaлo, щo у гpyпaх мишeй, якi oтpимyвa-ли 125 тa 250 мг/кг H4 Ti02 пpoтягoм 30 днiв, ^oCTepi-гaлocя знижeння мacи тiлa, збiльшeння кoeфiцieнтa ne-чiнки, ниpoк, ceлeзiнки i ти-мycy, cepйoзнi пoшкoджeння фyнкцiï ne4^^. Taкoж бyлo вiдзнaчeнe змeншeння WBC ^й^^^в), RBC (epитpo-цитiв), HGB (гeмoглoбiнy), MCHC (cepeдньoï шн^нт-paцiï гeмoглoбiнy в epитpo-цитi), PCT (тpoмбoкpитy), Ret (peтикyлoцитiв), Т^м-фoцитiв, cпiввiднoшeння CD4 тa CD8, B-лiмфoцитiв, NK-лiмфoцититiв тa IL-2 aктивнocтi, aлe зpocтaння MCV (cepeдньoгo oб'eмy epитpoцитiв), MCH (cepeд-ньoгo вмicтy гeмoглoбiнy в epитpoцитi), RDW (шиpини poзпoдiлy epитpoцитiв зa oб'eмoм), PLT (тpoмбoцитiв), HCT (гeмaтoкpитy), MPV (cepeдньoгo o6^y тpoмбo-цитiв), NO (oкcидy aзoтy) [12].
Бoчapoвa Л.Ю. i cпiвaвтopи пpoвeли дocлiджeння ток-cичнocтi H4 Ti02 пopiвнянo з йoгo мaкpoaнaлoгoм y cy6-хpoнiчнoмy eкcпepимeнтi (2 мюяцО [11]. Об'eктoм дo-cлiджeння cлyгyвaв нaнoпo-poшoк Ti02 з poзмipoм H4 (40 ± 3) нм ^умш pyтилy i aнaтa-зу), який був cинтeзoвaний мeтoдoм cпaлювaння тeтpa-хлopидy титaнy у пoвiтpянiй плaзмi. Aгpeгaцiю H4 none-peджyвaли yльтpaзвyкoвим диcпepгyвaнням гiдpoдиc-nep^oï cиcтeми. npena-paтoм пopiвняння cлyгyвaв мaкpoaнaлoг Ti02 з poзмipoм чacтинoк пoнaд 200 нм. Дo-cлiджyвaли дoзy пpeпapaтiв 100 мкг/кг/дoбy, яку ввoдили щypaм внyтpiшньoшлyнкoвo. Рeecтpyвaлиcя фiзioлoгiчнi, пoвeдiнкoвi peaкцiï, гeмaтo-лoгiчнi тa бioхiмiчнi пoкaзни-
ки. Toкcичнa дiя мaкpoaнaлo-гa Ti02 пpoявилacя тpoмбo-цитoзoм, нaнopoзмipнoгo -гiпepгeмoглoбiнeмieю.
Hapocтaння cиcтeмнoï ток-cичнoï дiï мaкpoaнaлoгa Ti02 пpизвeлo дo пoяви пoвeдiн-кoвих пopyшeнь: poзвиткy у щypiв пoвeдiнкoвoгo збуд-жeння. Ha гeпaтoтoкcичнicть вкaзye збiльшeння aктивнo-cтi АЛТ у гpyпaх щypiв, яким ввoдили H4 тa мaкpoaнaлoг Ti02.
Naima Rihane Ben Younes et al. дocлiджyвaли у cyбхpoнiч-нoмy eкcпepимeнтi вплив H4 Ti02 нa дopocлих caмцiв Wistar щypiв, пoвeдiнкoвi pe-aкцiï, бioхiмiчнi пoкaзники, мopфoлoгiю внyтpiшнiх opra-нiв. Tвapинaм внyтpiшньoчe-peвнo ввoдили 20 мг/кг H4 Ti02 кoжнi 2 днi пpoтягoм 20 дыв. Toкcикoлoгiчнi пoкaзни-ки oцiнювaлиcь зa 24 гoдини тa 14 дыв пicля ocтaнньoгo cyбхpoнiчнoгo внyтpiшньoчe-peвнoгo ввeдeння. Визнa-чaлocя пiдвищeння ^вв^-нoшeння фepмeнтiв ACT/ АЛТ, aктивнocтi ЛДГ, збшь-шeння тpoмбoцитiв, пaтo-лoгiчнi змiни у пeчiнцi, збть-шeння нaкoпичeння титaнy у пeчiнцi, лeгeнях i мoзкy. Aвтopи дiйшли виcнoвкy, щo H4 ТЮ2 мoжyть змiнити нep-вoвo-пoвeдiнкoвi peaкцiï тa cпpияти змiнaм ткaнин пeчiн-ки у щypiв [13].
LÚ,o6 poзкpити тoкcичний мeхaнiзм дiï нaнoчacтинoк нa мoлeкyляpнo-гeнeтичнo-му piвнi, нayкoвцi HMy iмeнi О.О. Бoгoмoльця, дoцeнти Зiнчeнкo Т.О. тa Coлoхa H.B. дocлiдили eкcпpeciю гeнiв тa пepeкиcнe oкиcлeння лiпiдiв (ПОЛ) пiд впливoм нaнoчacтинoк.
Зiнчeнкo Т.О. вивчилa вплив нaнoчacтинoк cpiблa нa era-пpeciю гeнiв кaзeïнкiнaзи-1e, пpoтeïнкiнaзи SNARK тa ^p-кaдiaльних гeнiв (Per1, Per2, Clock, BMal1) зa oднopaзoвo-гo iнтpaтpaхeaльнoгo ввe-дeння щypaм. Рeзyльтaти дocлiджeння пoкaзaли змiни eкcпpeciï гeнa: кaзeïнкiнaзи-1e тa Per1 - у лeгeнях, пeчiн-
FEATURES OF STRUCTURE, PHYSICO-CHEMICAL AND TOXICOLOGICAL PROPERTIES OF TITANIUM DIOXIDE NANOPARTICLES OBTAINED BY THERMAL DECOMPOSITION TECHNOLOGY (LITERARY REVIEW AND OWN RESEARCH) Riabovol V.M.
National O.O. Bohomolets Medical University, Kyiv
Objective: The intent of the work reported here was to analyze the literary data on the production methods, structure and toxic effects of titanium dioxide nanoparticles. Based on the data of the developer, the structure and physico-chemical characteristics were analysed, the acute toxicity and local action of titanium dioxide nanoparticles were investigated.
Methods: Hygienic, toxicological, bibliographic, analytical methods were applied in the work.
Results: Titanium dioxide nanopowder with
photocatalytic effect is practically monodisperse, the average size of the particles is 10 nm, it has a mesoporous structure, contains soft conglomerates from 50 nm to 500 nm, its specific surface area is 57.3 m2/g. Titanium nanodioxide, obtained by thermal decomposition, refers to low-toxic and low-hazard substances, DL50 is more than 5000 mg/kg at intraperitoneal administration to mice. This nanopowder does not irritate the skin and the eye mucous membrane of the rabbits. According to the literature, it has been determined that under chronic exposure to TiO2 nanoparticles in the laboratory animals, the nanoparticles accumulate and contribute to tissue damage in the liver, kidneys, lungs, spleen. In particular, they affect lipid peroxidation and significantly alter the expression of the genes that are responsible for circadian rhythms, metabolic processes and apoptosis. Keywords: nanoparticles, nanopowder, titanium dioxide, toxicology, hygiene.
ц|, мюкард| та ам'яниюах щур1в; проте'Унюнази SNARK - у легенях, головному мозку, серц1, с1м'яниках, печшц та нирках щур1в; BMall - у головному мозку i легенях; Per2 - у головному мозку; Clock - у печЫщ та легенях, що вщповщають за циркадiальнi ритми оргашз-му [18].
Солоха Н.В. дослщила вплив наноТiN на експреаю гешв та перекисне окислен-ня лтщв у тканинах печшки у субхрошчному експери-мент на мишах, 40 введень по 1000 мг/кг щодня. За результатами дослщження виявлено пщвищення екс-пресп мРНК: IL13Ra2 рецептора штерлейюна, tBX3 транскрипцмного фактора, IGFBP3 iнсулiноподiбного фактора, NAMPT вюфатину, Fas рецептора загибелi кл^ тин та зменшення експресп мРНК: IGFBP1 iнсулiноподiб-ного фактора i E2F8 фактора транскрипцп, що вщповн дають за регуля^ю метабо-лiзму та апоптозу кл^ин. Встановлено здатнють на-ночастинок збшьшувати ш-тенсивнють процеав пере-кисного окислення лтщв i пригшчувати активнiсть про-
цес1в антиоксидантного за-хисту [16].
Xuezi Sang et al. дослщжу-вали хрон1чне пошкодження селез1нки у мишей шляхом внутр1шньошлункового вве-дення 2.5 мг/кг, 5 мг/кг i 10 мг/кг Ti02 НЧ протягом 90 дiб. Визначали гютопатоло-гiчнi та ультраструктурнi змши, гематологiчнi показ-ники, популяцiï лiмфоцитiв, запальнi та апоптознi цитою-ни у селезЫц мишей. Автори дмшли висновку, що хроыч-не (90 дшв) внутршньошлун-кове надходження НЧ Ti02 призводить до пошкодження селезЫки у мишей, зниження кiлькостi тромбоци^в, гемо-глобiну, iмуноглобулiнiв та CD3, CD4, CD8 лiмфоцитiв, В-клiтин i натуральних кте-рiв, до значного збтьшення рiвнiв iмунологiчних показни-юв: NF-kb, TNF-a, MMIF, IL-2,4,6,8,10,18,1ß, TGF-ß IFNg, Hsp70 i Bcl-2 [10].
У щурiв з шдукованим овальбумiном алергiчним за-паленням легень спостерта-лася еозинофiльна Ыфшьт-ра^я та зменшення IL-4 за Ыгаляцп агломерованого ди оксиду титану NPs (32 мг/кг протягом 6 та 42 годин тсля сенсибiлiзацiï) [15].
З метою вивчення фiбpо-генно) активностi наночасти-нок доpослi мишi ICR пщда-валися впливу внутршньо-трахеально) разово) дози 0,1 мг та 0,5 мг НЧ TiO2 роз-мipом 19-21 нм. Тканину легеыв збирали для морфо-лопчного дослiдження (св^-лово) мiкpоскопií). Встановлено, НЧ TiO2 здатнi викликати емфiзему легенiв, збiльшення кiлькостi макро-фагiв, порушення альвео-ляpноí перетинки, пперпла-зiю пневмоцитiв типу II i апоптоз епiтелiальних кл^ тин [9].
За даними дослщжень Со-лохи Н.В., одноразове Ытра-трахеальне введення нано^ щурам призводить до струк-турних змiн у бpонхiальному деpевi та pеспipатоpному вiддiлi легень, за 6 i 12 мюя-цiв спостереження вщзнача-лося розростання колагено-вих волокон та розвиток пневмосклерозу [16].
Панькiвська Ю.Б. та iн. встановили, що наночастин-ки дiоксиду титану мають вipулiцидну та антивipусну
дiю вiдносно аденовipусу 5
серотипу [4], в експеримент на моделi культури клiтин МДВК (культура кл^ин нирок
теляти), на яку НЧ Ti02 не дiють цитотоксично.
Marina Simon та iншi до-слiджували токсичний вплив НЧ Ti02 на культурах клiтин. НЧ Ti02 були токсичними для клiтин HUVEC (ендотелiальнi клiтини пупочноТ вени люди-ни), токсичнiсть була морфо-лопчною i залежною вiд дози. Наночастинки Ti02 впливають на пролiферацiю та життездатнють клiтин, i це залежить не ттьки вiд дози та морфологи наночастинок, але й вщ типу культури кштин [5].
НЧ Ti02 (анатаз, 7 нм) пщ-вищують ROS (Reactive Oxygen Species) у людських PBMCs (Peripheral Blood Mononuclear Cells/Human), що повязано з запрограмо-ваною смертю кл^ини (апоп-тозом) [14].
Висновки
1. Серед сучасних нанопо-рошкових матерiалiв завдяки унiкальним фiзико-хiмiчним властивостям (зокрема фо-токаталiтичним) широкого застосування у будiвництвi, охоронi довкiлля, медицин (косметологií) набув нано-дiоксид титану, одержаний шляхом термiчного розкла-ду.
2. Нанопорошок дiоксиду титану практично монодис-персний, з розмiром части-нок у середньому 10 нм, мае мезопористу будову, мютить м'як конгломерати вiд 50 нм до 500 нм. Його питома поверхня становить 57,3 м2/г.
3. Проведен власш експе-риментальнi дослщження показали, що нанодiоксид титану, одержаний термiч-ним розкладом, належить до
малотоксичних i малонебез-печних речовин. За внутрш ньочеревного введення мишам його DL50 перевищуе 5000 мг/кг. Зазначений нанопорошок не подразнюе шкiру та слизову оболонку очей кролiв.
4. Щодо гостро)' токсично-CTi, подразнення шюри та слизових оболонок, ново-синтезований наноТiО2 сут-тево не вiдрiзняeться вiд нанодюксиду титану, одер-жаного за Ышими техноло-гiями.
5. Дослiдженнями субхро-нiчного та хронiчного впливу НЧ ТЮ2, за даними лтерату-ри, встановлено накопичення нанопорошку та ушкодження внутрiшнiх органiв (печiнки, нирок, легеыв, селезiнки, мозку), якi супроводжуються поведЫковими та патолопч-ними змiнами бiохiмiчних (пщ-вищення ПОЛ), гiстологiчних, молекулярно-генетичних по-казниюв (змiнами експресiï генiв).
6. Подальшi дослiдження хронiчного впливу нанодюк-сиду титану, одержаного шляхом термiчного розкладу, будуть спрямованi на роз-криття мехашзму ушкоджу-вально)' дiï на оргашзм, орга-но-тканинного, клiтинного, молекулярно-генетичного рiвнiв та на встановлення безпечних концентрацм впливу нанопорошку дюксиду титану на органiзм людини i еколопчы системи.
Л1ТЕРАТУРА
1. Fujishima A., Honda K. Electro Chemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode. Nature. 1972.
Vol. 238 (5358). P. 37-38.
2. Миронюк 1.Ф., Челя-дин В.Л. Методи одержання дюксиду титану (огляд). Фiзика i хiмiя твердого тла. 2010. Т. 11, № 4. С. 815-831.
3. Сокольський Г.В., За-горний М.М., Лобунець Т.Ф., Тщенко Н.1., Широков О.В., Рагуля А.В та Ы. Фотоeлектрокаталiтична деграда^я амЫоазобарвни-кiв дiоксидом титану з поверхневими станами Ti3+.
Journal of Chemistry and Technologies. 2019. Т. 27 (2). С. 130-139.
4. Воробець В.С., Алонце-ва В.В., Колбасов Г. Я. Методи синтезу та електро-катал^ичы властивостi елек-тродiв на основi нанодис-персного Ti02. HayKOBi записки НаУКМА. 2014.
Т. 157 : Хiмiчнi науки i техно-логií. С. 50-55.
5. Паньювська Ю.Б., Бтяв-ська Л.О., Повниця О.Ю., Загорний М.М., Рагуля А.В., Харчук М.С., Загородня С.Д. Антиаденовiрусна активнють наночастинок дюксиду титану. Мiкробiол. журн. 2019.
Т. 81, № 5. С. 73-84. doi: https://doi.org/10.15407/micr obiolj81.05.073
6. Simon M., Saez G., Muggiolu G., Lavenas M., Trequesser Q.L., Michelet C. et al. In Situ Quantification of Diverse Titanium Dioxide Nanoparticles Unveils Selective Endoplasmic Reticulum Stress-Dependent Toxicity. Journal Nanotoxicology. 2017. Vol. 11. P. 134-145.
7. Vasantharaja D., Ramalingam V., Aadinaath Reddy G. Oral Toxic Exposure of Titanium Dioxide Nanoparticles on Serum Biochemical Changes in Adult Male Wistar Rats. Nanomed J. 2015. Vol. 2 (1). P. 46-53.
8. Мiзiлевська М.Г., Коцю-бинський В.О., Тадеуш О.Х., Сачко В.М., Оренчук О.Ю. Пдротермальний синтез нанодисперсного дюксиду титану (огляд). Фiзикa iхiмiя твердого тла. 2016. Т. 17, № 1. С. 98-107.
9.Wang J., Zhou G., Chen C. Acute Toxicity and Biodistribution of Different Sized Titanium Dioxide Particles in Mice after Oral Administration. The Journal of Phisical Chemistry. 2007. Vol. 168. P. 176-185.
10. Chen H.W., Su S.F., Chien C.T., Lin W.H. Titanium Dioxide Nanoparticles Induse Emphysema-Like Lung Injury in Mice. FASEB J. 2006.
№ 20. P. 2393-2395.
ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА, ПОЛУЧЕННОГО ПО ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ) Рябовол В.М.
Национальный медицинский университет им. А.А. Богомольца, г. Киев, Украина
Цель: провести анализ литературных данных о методах получения, строения и токсического действия наночастиц диоксида титана. На основании данных разработчика проанализировать строение и физико-химические характеристики, исследовать острую токсичность и местное действие наночастиц диоксида титана. Методы: гигиенический, токсикологический, библиографический, аналитический. Результаты. Нанопорошокдиоксида титана с фотокаталитическим эффектом практически монодисперсный, с размером
частиц в среднем 10 нм, имеет мезопо-ристое строение, содержит мягкие конгломераты от 50 нм до 500 нм, его удельная поверхность - 57,3 м2/г. Нанодиоксид титана, полученный термическим разложением, относится к малотоксичным и малоопасным веществам, DL50 - более 5000 мг/кг при внутрибрюшинном введении мышам. Указанный нанопорошок не раздражает кожу и слизистую оболочку глаз кроликов. По данным литературы определено, что при хроническом воздействии на лабораторных животных наночастицы Т'!02 накапливаются и способствуют повреждению тканей печени, почек, легких, селезенки, в частности, влияют на перекисное окисление липидов и существенно изменяют экспрессию генов, отвечающих за циркадиальные ритмы, процессы метаболизма и апоптоза.
Ключевые слова: наночастицы, нанопорошок, диоксид титана, токсикология, гигиена.
11. Sang X., Zheng L., Sun Q., Li N., Cui Y, Hu R., Gao G., Cheng Z. et al. The Chronic Spleen Injury of Mice Following Long-Term Exposure to Titanium Dioxide Nanoparticles. J Biomed Mater Res A. 2012. Vol. 100 (4). P. 894-902.
12. Бочарова Л.Ю., Срос-лов М.С., Точилкина Л.П., Ходыкина Н.В., Филатов Б.Н. Сравнительная оценка токсичности наночастиц диоксида титана и его макроаналога в субхроническом эксперименте.
Токсикологический вестник. 2014. № 1. С. 18-26.
13. Duan Y, Liu J., Ma L., Li N., Liu H., Wang J., Zheng L., Liu C. et al. Toxicological Characteristics of Nanoparticulate Anatase Titanium Dioxide in Mice. Biomaterials. 2010. Vol. 31. P. 894-899. doi: 10.1016/j.biomateri-als.2009.10.003.
14. Rihane N., Younes B., Amara S., Mrad I., BenSlama I., Jeljeli M., Omri K., Ghoul J.E. et al. Subacute Toxicity of Titanium Dioxide (Ti02) Nanoparticles in Male Rats: Emotional Behavior and Pathophysiological Examination. Environ Sci Pollut Res.
2015. Vol. 22. P. 8728-8737.
15. Petrarca C., Di Giampao-lo L., Pedata P., Cortese S., Di Gioacchino M. Engineered Nanomaterials and Occupational Allergy. Allergy and Immunotoxicology in Occupational Health. 2016.
P. 27-46. doi org/10.1007/ 978-981-10-0351-6_3
16. Scarino A., Noлl A., Ren-zi P.M., Cloutier Y, Vincent R., Truchon G. et al. Impact of Emerging Pollutants on Pulmonary Inflammation in Asthmatic Rats: Ethanol Vapors and Agglomerated TiO2 Nanoparticles. Inhal Toxicol. 2012. Vol. 24.
P. 528-38.
17. Солоха Н.В. Фiзюлого-ппешчш i токсиколопчы аспекти профтактики впли-ву нанопорошюв дисилщиду хрому та ытриду титану на оргашзм пра^вниюв: авто-реф. дис. ... канд. мед. наук. К., 2018. 24 с.
18. Мельник Н.А. Узагальнення даних свтово'У лтератури щодо проникнен-ня наночастинок металiв транскутанним шляхом. Укранський журнал з проблем медицини прац}. 2017. № 1 (50). C. 59-68.
19. ЗЫченко Т.В. Ппеычш i токсиколопчш аспекти профтактики несприятливоТдм наночасток срiбла : автореф. дис. ... канд. мед. наук. К., 2011. 23 с. REFERENCES
1. Fujishima A. and Honda K. Electro Chemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode. Nature. 1972 ; 238 (5358):37-38.
2. Myroniuk I.F. and Chelia-dyn V.L. Metody oderzhannia dioksydu tytanu (ohliad) [Methods of Titanium Dioxide Obtaining (Review)]. Physics and Chemistry of Solid State. 2010 ; 11 (4) : 815-831
(in Ukrainian).
3. Sokolskyi H.V., Zahor-nyi M.M., Lobunets T.F., Tishchenko N.I., Shyrokov O.V., Rahulia A.V. et al. Fotoelektrokatalitychna dehradatsiia aminoazo-barvnykiv dioksydom tytana z
poverkhnevymy stanamy Ti3+ [Photoelectrocatalytic Degradation of Amino Dyes by
Titanium Dioxide with Ti3+ Surface States]. Journal of Chemistry and Technologies. 2019 ; 27 (2) : 130-139 (in Ukrainian).
4. Vorobets V.S., Alontse-va V.V. and Kolbasov H.Ya.
Metody syntezu ta elek-trokatalitychni vlastyvosti elek-trodiv na osnovi nanodysper-snoho TiO2. [Methods of Synthesis and
ElectrocatalyticProperties of
Electrodes Based on Nanodispersed TiO2]. Naukovi zapysky NaUKMA. Vol. 157 : Khimichni nauky i tekhnolohii.
2014 : 48-55 (in Ukrainian).
5. Pankivska Yu.B., Biliav-ska L.O., Povnytsia O.Yu., Zahornyi M.M., Rahulia A.V., Kharchuk M.S. and Zahorod-nia S.D. Antyadenovirusna aktyvnist nanochastynok dioksydu tytanu [Antiadenoviral Activity of Titanium Dioxide Nanoparticles]. Mikrobiolohichnyi zhurnal. 2019 ; 81 (5). C. 73-84
(in Ukrainian). doi: https://doi.org/10.15407/micr obiolj81.05.073(in Ukrainian).
6. Simon M., Saez G., Muggiolu G., Lavenas M., Trequesser Q.L., Michelet C. et al. In Situ Quantification of Diverse Titanium Dioxide Nanoparticles Unveils Selective Endoplasmic Reticulum Stress-Dependent Toxicity. Journal Nanotoxicology. 2017 ; 11 : 134-145.
7. Vasantharaja D., Ramalingam V. and Aadinaath Reddy G. Oral Toxic Exposure of Titanium Dioxide Nanoparticles on Serum Biochemical Changes in Adult Male Wistar Rats. Nanomed J.
2015 ; 2 (1) : 46-53.
8. Mizilevska M.H., Kotsiubynskyi V.O., Tadeush O.Kh., Sachko V.M. and Orenchuk O.Yu. Hidrotermalnyi syntez na-
nodyspersnoho dioksydu tytanu (ohliad) [Hydrothermal Synthesis of Nanodispersed Titanium Dioxide (Review)]. Physics and Chemistry of Solid State. 2016 ; 17 (1) : 98107 (in Ukrainian).
9. Wang J., Zhou G. and Chen C. Acute Toxicity and Biodistribution of Different Sized Titanium Dioxide Particles in Mice after Oral Administration. The Journal of Phisical Chemistry. 2007 ; 168 : 176-185.
10. Chen H.W., Su S.F., Chien C.T. and Lin W.H. Titanium Dioxide Nanoparticles Induse Emphysema-Like Lung Injury in Mice. FASEB J. 2006 ; 20 : 239-2395.
11. Sang X., Zheng L., Sun Q., Li N., Cui Y, Hu R., Gao G., Cheng Z. et al. The Chronic Spleen Injury of Mice Following Long-Term Exposure to Titanium Dioxide Nanoparticles. J Biomed Mater Res A. 2012 ; 100 (4) : 894-902.
12. Bocharova L.Yu., Sros-lov M.S., Tochilkina L.P., Khodykina N.V. and Filatov B.N. Sravnitelnaya otsenka toksichnosti nanochastits dioksida titana i ego makroanaloga v sub-khronicheskom eksperimente [Comparative Assessment of the Toxicity of Titanium Dioxide Nanoparticles and its Macroanalogue in a Subchronic Experiment]. Toksikologicheskiy vestnik. 2014 ; 1 : 18-26 (in Russian).
13. Duan Y, Liu J., Ma L., Li N., Liu H., Wang J., Zheng L., Liu C. et al. Toxicological Characteristics of Nanoparticulate Anatase Titanium Dioxide in Mice. Biomaterials. 2010 ; 31 : 894899. doi: 10.1016/j.biomateri-als.2009.10.003.
14. Rihane N., Younes B., AmaraS., Mrad I., BenSlama I., Jeljeli M., Omri K., Ghoul J.E. et al. Subacute Toxicity of Titanium Dioxide (TiO2) Nanoparticles in Male Rats: Emotional Behavior and Pathophysiological
Examination. Environ Sci Pollut Res. 2015 ; 22 : 87288737.
15. Petrarca C., Di Giampao-lo L., Pedata P., Cortese S., Di Gioacchino M. Engineered Nanomaterials and Occupational Allergy. In : Allergy and Immunotoxicology in Occupational Health. 2016 : 27-46. doi.org/10.1007/978-981-10-0351-6_3
16. Scarino A., No.nl A., Ren-zi P.M., Cloutier Y, Vincent R., Truchon G. et al. Impact of Emerging Pollutants on Pulmonary Inflammation in Asthmatic Rats: Ethanol Vapors and Agglomerated TiO2 Nanoparticles. Inhal Toxicol. 2012 ; 24 : 528-38.
17. Solokha N.V. Fizioloho-hihiienichni i toksykolohichni aspekty profilaktyky vplyvu nanoporoshkiv dysylitsydu khromu ta nitrydu tytanu na orhanizm pratsivnykiv: avtoref. dys. ... kand. med. nauk [Physiological-and-Hygienic and ToxicologicalAspects of the Prevention of the Effect of Chromium Disilicide and Titanium Nitride Nanopowderson the Organism of the Workers: Abs. Cand. Med. Sci. Diss.]. Kyiv ; 2018 ; 24 p. (in Ukrainian).
18. Melnyk N.A. Uzahalnennia danykh svitovoi literatury shchodo pronyknen-nia nanochastynok metaliv transkutannym shliakhom [Generalization of the World Literary Data on the Penetration of Metal Nanoparticles by Transcutaneous Route]. Ukrainskyi zhurnal z problem medytsynypratsi. 2017 ;
1 (50) : 59-68 (in Ukrainian).
19. Zinchenko T.V. Hihiienichni i toksykolohichni aspekty profilaktyky nespryiat-lyvoi dii nanochastok sribla : avtoref. dys. ... kand. med. nauk [Hygienic and Toxicological Aspects of the Prevention of the Adverse Effects of Silver Nanoparticles: Abs. Cand. Med. Sci. Diss.]. Kyiv ; 2011 : 23 p. (in Ukrainian).
Hagiüwno go pega^i! 21.07.2020
