Научная статья на тему 'Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии»'

Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии» Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

CC BY
281
64
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Биотехносфера
ВАК
Область наук
Ключевые слова
НАНОМАТЕРИАЛЫ / НАНОБЕЗОПАСНОСТЬ / НАНОТОКСИКОЛОГИЯ / БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА

Аннотация научной статьи по прочим технологиям, автор научной работы — Лучинин Виктор Викторович, Хмельницкий И.К.

В статье представлены структура и краткое содержание дисциплины «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии», в которой рассматриваются правовые, физико-химические и токсикологические аспекты безопасности материалов и процессов наноиндустрии, а также техническое обеспечение безопасности при производстве нанопродукции В статье представлены структура и краткое содержание дисциплины «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии», в которой рассматриваются правовые, физико-химические и токсикологические аспекты безопасности материалов и процессов наноиндустрии, а также техническое обеспечение безопасности при производстве нанопродукции.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по прочим технологиям , автор научной работы — Лучинин Виктор Викторович, Хмельницкий И.К.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Development of course of lectures on new discipline "Safety of nanomaterials and processes of nanoindustry"

Structure and docket of discipline "Safety of nanomaterials and processes of nanoindustry" are considered. In this discipline legal, physical, chemical and toxicological aspects of safety of nanomaterials and processes of nanoindustry are discussed, and also technical aspects of safety in manufacture of nanoproduction are presented.

Текст научной работы на тему «Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии»»

УДК 504.75

Лучинин В. В., Хмельницкий И. К.,

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Разработка курса лекций по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии»

Ключевые слова: наноматериалы, нанобезопасность, нанотоксикология, безопасность производства

В статье представлены структура и краткое содержание дисциплины «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии», в которой рассматриваются правовые, физико-химические и токсикологические аспекты безопасности материалов и процессов наноиндустрии, а также техническое обеспечение безопасности при производстве нанопродукции.

В настоящее время во всем мире всевозрастающее внимание уделяется перспективам развития нанотехнологий, т. е. технологий направленного получения и применения веществ и материалов с характеристическими размерами базовых элементов менее 100 нм.

Поскольку вещество в виде наночастиц и наноматериалов обладает свойствами, часто радикально отличными от их аналогов в форме макроскопических дисперсий или сплошных фаз, наноматериалы представляют собой принципиально новый фактор, воздействующий на организм и среду его обитания. Это ставит на повестку дня разработку методов оценки риска возможного негативного воздействия наноматериалов на здоровье человека и организацию контроля их оборота.

Основными причинами возникновения угроз, связанных с процессами и материалами наноиндустрии, являются [1]:

• малые геометрические размеры наночастиц и, как следствие, их высокая проникающая способность, реакционная и адсорбционная активность при отсутствии у человека, животных и растений эволюционно выработанных защитных механизмов противодействия;

• многообразие структуры и состава наночастиц и нанокомпозиций и, как следствие, сложность их идентификации и количественной характеризации;

• развитие междисциплинарных исследований, стимулирующих создание конвергентных систем, основанных на искусственной интеграции объектов органической (в том числе живой) и неоргани-

ческой природы в отсутствие надежной информации о механизмах их взаимодействия и патогенных проявлениях, в том числе при длительной аккумуляции;

• экономически стимулированное резкое искусственное ускорение технологической эволюции в области процессов нанотехнологии, наноматериалов и производства продукции на их основе в отсутствие необходимой нанотехнологической культуры у разработчиков, производителей, органов сертификации и санитарно-эпидемиологического контроля;

• новизна продукции наноиндустрии при возможной высокой экономической эффективности финансовых вложений, что создает соблазн у определенной группы, как правило, «молодых» небольших компаний достижения быстрого результата без оценки риска и последствий;

• малые массогабаритные и энергетические показатели ряда нанотехнологических процессов и возможность их «скрытной» реализации, что стимулирует возникновение тенденций к использованию нанотехнологий и наноматериалов для реализации преднамеренных террористических проявлений.

За рубежом и в Российской Федерации проблема безопасности наноматериалов в настоящее время широко исследуется. Это, в свою очередь, ставит задачу формирования учебного курса для подготовки повышения квалификации или переподготовки кадров в интересах наноиндустрии.

В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете был разработан учебно-методический комплекс по дисциплине «Безопасность материалов и процессов наноиндустрии» в рамках создания учебно-методического обеспечения для подготовки бакалавров и магистров по направлению «Нанотехнологии».

Задача данного курса — изложить студентам основные причины возникновения угроз, связанных с развитием наноиндустрии, а также рисков для людей, животных, растений и окружающей

3!

Медико-технический менеджмент и образование

среды вследствие развития процессов наноиндуст-рии и производства наноматериалов. Предметом рассмотрения являются механизмы воздействия процессов наноиндустрии на биологические объекты, основные направления нейтрализации угроз, возникающих при использовании продуктов наноиндустрии и разработке технологий их создания, а также методы предварительной оценки указанных рисков. Важный элемент дисциплины — это формирование представлений о мерах по нейтрализации и уменьшению вероятности наноугроз, а также выработке навыков проектирования элементов технологических циклов производств наноматериалов, нано- и микросистем с минимально допустимыми рисками для человека и окружающей среды.

Для организации учебно-методического обеспечения дисциплины в СПбГЭТУ подготовлено к выходу учебно-методическое пособие «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии».

Данное пособие состоит из трех основных разделов, в которых представлены:

• правовые основы безопасности;

• физико-химические и токсикологические аспекты безопасности наноматериалов и процессов наноиндустрии;

• технические аспекты обеспечения безопасности при производстве нанопродукции.

Правовые основы безопасности. В этом разделе рассмотрены правовые документы, регулирующие деятельность в области безопасности наноинустрии:

• Закон РФ «О безопасности» (24.12.93, № 2288);

• Федеральный закон «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» (21.12.94, №№ 68-ФЗ);

• Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (21.07.97, № 116-ФЗ);

• Указ президента РФ «О концепции национальной безопасности» (17.12.97, № 1300);

• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы» [2];

• Информационное письмо Роспотребнадзора «О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы» [3];

• Постановление Главного государственного санитарного врача РФ «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» [4].

Проблема безопасности наноматериалов в настоящее время широко исследуется в США (Food and Drag Administration), Евросоюзе, а также в ряде международных организаций (ВОЗ, ILSI).

В России исследования по проблеме нанобезо-пасности проводятся по инициативе Роспотребнадзора с конца 2006 г. По заданию Роспотребнадзора

был разработан проект «Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» [4], которая была утверждена Постановлением Главного государственного санитарного врача РФ от 31 октября 2007 г. Также были разработаны Методические рекомендации «Оценка безопасности наноматериалов» [5], предназначенные для использования в органах санитарно-эпидемиологического контроля в целях определения безопасности наноматериалов и продуктов нанотехнологий для здоровья человека.

Хотя национальные стандарты большинства стран (в том числе и РФ) по нанотехнологиям находятся в стадии разработки, Международная организация по стандартизации (ISO) выпустила документ, описывающий воздействие нанотехнологий на здоровье и безопасность (ISO/TR 12885:2008, Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies). В данном документе представлены рекомендации исследователям и производственникам по безопасности персонала и потребителей при производстве, хранении, использовании и ликвидации промышленных наноматериалов [6].

Физико-химические и токсикологические аспекты безопасности наноматериалов и процессов наноиндустрии. В этом разделе рассматриваются физико-химические характеристики наночастиц, определяющие их потенциальную токсичность, токсикологическое воздействие на организм человека, а также изложены вопросы оценки рисков, связанных с наноиндустрией, и их предотвращения.

По данным литературы можно выделить следующий ряд физико-химических особенностей веществ в наноразмерном состоянии [4, 5].

Увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны. Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводят к изменению их химических потенциалов и, следовательно, к изменению растворимости, реакционной и каталитической способности наночастиц и их компонентов.

Большая удельная поверхность наноматериалов. Очень высокая удельная поверхность (в расчете на единицу массы) наноматериалов увеличивает их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства.

Небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц. Наночастицы вследствие своих небольших размеров могут связываться с нуклеиновыми кислотами, белками, встраиваться в мембраны, проникать в клеточные органеллы и тем самым изменять функции биоструктур. При этом наночастицы могут не вызывать иммунный ответ и не элиминироваться защитными системами организма.

Высокая адсорбционная активность. Из-за своей высокоразвитой поверхности наночастицы об-

ладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, т. е. способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Возможны, в частности, адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних.

Высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы не распознаются защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, микроорганизмах, к передаче по пищевой цепи, что увеличивает их поступление в организм человека.

Таким образом, все эти факторы свидетельствует о том, что наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии, в связи с чем они должны быть отнесены к новым видам материалов, а следовательно, и продукции. При этом характеристика потенциального риска для здоровья человека и состояния среды обитания становится обязательной.

При оценке безопасности наноматериалов в первую очередь следует учитывать их воздействие на такие важнейшие биологические характеристики, как проницаемость биомембран, генотоксичность, активность окислительно-восстановительных процессов, включая перекисное окисление липидов, биотранформация и элиминация из организма.

Определяющим моментом в оценке риска является установление возможной токсичности наноматериалов. Считается, что существуют три основных пути поступления наноматериалов в организм человека: ингаляционный, через кожу и перорально.

В настоящее время нет надежных и убедительных данных о распределении наночастиц и наноматериалов по органам и тканям. Наиболее изучен ингаляционный путь поступления наноматериалов. При этом установлено, что некоторые наноматериалы, поступающие с воздухом, в дальнейшем могут определяться в различных органах и тканях, в том числе мозге, что не исключает возможности их проникновения через гематоэнцефалический барьер [5].

В исследованиях указывается, что наноматериалы могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен. Даже однократная ингаляция углеродных нанотрубок и наночастиц некоторых других типов вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в легочной ткани с последующим некрозом клеток и развитием фиброза, что способно привести к канцерогенезу.

Наноматерналы обладают нейротоксичностью, том числе, по-видимому, за счет прохождения че-

рез гематоэнцефалический барьер, вызывающей окислительный стресс в клетках мозга. Кардиоток-сичность и гепатотоксичность наноматериалов также определяются развитием окислительного стресса и воспалительной реакции.

Имеются также сведения, что наночастицы могут неблагоприятно влиять на систему свертывания крови. В отношении генотоксичности, эмбрио-токсичности, мутагенности, канцерогенности, ал-лергенности, влияния на гормональный и иммунный статус достоверные данные в литературе отсутствуют.

С другой стороны, в литературе рассматривается возможность применения наноматериалов в качестве селективных переносчиков лекарств к органам и тканям, а также некоторых нутриентов в виде наночастиц или в комплексе с инертными нанома-териалами-носителями в целях обогащения пищевых продуктов для профилактики алиментарно зависимых состояний у населения. Однако эффективность использования в питании человека продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, в настоящее время не изучена, а метаболизм наномате-риалов-носителей неизвестен, что обусловливает необходимость оценки биодоступности и усвояемости таких компонентов, а также их безопасности.

Таким образом, в настоящее время токсичность различных наноматериалов изучена крайне недостаточно, в том числе нет данных по метаболизму и механизму их действия на определеные критические органы и системы [4, 5].

Полная система оценки риска наноматериалов включает обширный комплекс физико-химических, биохимических, молекулярно-биологи-ческих, токсикологических тестов и специальных исследований, позволяющих провести всестороннюю оценку их воздействия на биологические объекты.

Возникает вопрос, во всех ли случаях имеется необходимость в проведении такого широкомасштабного исследования? Эта проблема особенно актуальна в свете того, что номенклатура создаваемых новых наноматериалов и продуктов нанотехнологий в обозримом будущем будет быстро расширяться. Согласно методологии оценки риска можно сформулировать условия, в соответствии с которыми тот или новый материал может быть отнесен к группе продукции с низкой, средней или высокой потенциальной опасностью. Наноматери-ал, отнесенный к группе объектов с низкой потенциальной опасностью, оценивается по имеющимся показателям для составляющих его компонентов в традиционной форме, и исследований по специфическому биологическому действию компонентов в виде наночастиц не требуется. Средний уровень потенциальной опасности означает, что необходимы общетоксикологическая оценка материала и некоторые виды специальных исследований. Наконец, при высоком уровне потенциаль-

ной опасности проводится полный комплекс необходимых исследований.

Алгоритм оценки уровня потенциальной опасности основывается на фундаментальных характеристиках тестируемого материала (рис. 1) [7].

Технические аспекты обеспечения безопасности при производстве нанопродукции. Рассматриваются методы производства и исследования наноматериалов, а также технические средства для обеспечения безопасности при производстве нанопродукции.

Наноматериалы являются весьма сложными объектами для изучения. Это связано с малыми размерами структурных составляющих, спецификой многих физических свойств, большой протяженностью границ и поверхностей раздела фаз, присутствием разупорядоченных и аморфных составляющих, формированием метастабильных и неизвестных до сих пор фаз, высокой реакционной способностью. В нанопорошках наблюдается также сильное агрегирование частиц. Прочность агрегатов в зависимости от условий получения может быть настолько высокой, что разделение их на исходные частицы требует принятия специальных мер.

В связи с этим многие методы изучения крупнокристаллических материалов не применимы для наноразмерных систем. Требуются высокочувствительные методы обнаружения, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биологических средах. При этом должны использоваться методы оценки, позволяющие, что очень важно, отличить наноматериалы от их химических аналогов в виде сплошных фаз или макроско-

пических дисперсий. Перечень используемых методов представлен в таблице.

Особое внимание уделено разработке системы мероприятий по обеспечению безопасности используемых нанотехнологий и снижению неблагоприятных влияний наноматериалов на здоровье работников, непосредственно занятых в их производстве или контактирующих с ними в процессе производства другой продукции.

Рассмотрены превентивные меры, направленные на снижение воздействия наночастиц при их производстве:

1) модификация технологических процессов; изоляция и автоматизация процессов производства и переработки наноматериалов;

2) использование чистых помещений (турбулентно вентилируемых и с однонаправленным потоком воздуха), в которых количественно контролируется концентрация аэрозольных частиц и которые построены и используются так, чтобы свести к минимуму поступление, генерацию и накопление частиц внутри помещения (при необходимости контролируются другие параметры, например температура, влажность и давление); применение различных способов очистки воды и воздуха (рис. 2);

3) использование индивидуальных средств защиты (рис. 2):

• дыхательных путей — респираторы, противогазы;

• кожного покрова — защитная одежда, спецкостюмы;

• глаз — очки, маски.

Г

Объем производства

> 1 т/г

или (и)

Образуются ли аэрозоли в ходе производства

или (и)

Возможна ли прямая экспозиция материалом на персонал производства, потребителей продукции, население

Нет

Токсикологические данные: токсичность; биологические эффекты; способность вызывать окислительный стресс, генетические, эндокринные нарушения, аллергизацию

Экотоксикологические данные:

накопление в среде обитания и организмах животных и растений или возможность переноса на дальние расстояния и (или) передачи по пищевым цепям

Да или неизвестно

Высокий уровень опасности

Рис. 1\ Алгоритм оценки уровня потенциальной опасности

Таблица 1 Методы, рекомендуемые для оценки физико-химических характеристик наноматериалов

Характеристика Метод

Элементный состав Атомная спектроскопия Масс-спектрометрический анализ

Кристаллическая структура Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ (дифракция рентгеновских лучей) Нейтронография (дифракция нейтронов) Электронография (дифракция электронов)

Размер и форма первичных частиц, а также структурных элементов (агрегатов и агломератов) Просвечивающая электронная микроскопия Растровая электронная микроскопия Сканирующая туннельная микроскопия Атомно-силовая микроскопия Светорассеяние (метод статического рассеяния света) Фотонная корреляционная спектроскопия Малоугловое рассеяние (рентгеновских лучей и нейтронов) Адсорбционный метод (БЭТ)

Рис. 2 Технологическое и измерительное оборудование для контроля производственных помещений наноиндустрии и индивидуальные средства защиты: а — вытяжное оборудование (PSPN, Франция); б — индивидуальное защитное оборудование (Sperian Protection, США); в — прибор для определения размера наночастиц (Cordouan Technologies, Франция); г — счетчик наночастиц (Philips Research, Нидерланды)

Заключение

Таким образом, разработанные методические материалы по новой дисциплине «Безопасность наноматериалов и процессов наноиндустрии» призваны оказать помощь студентам, аспирантам и преподавателям технических вузов в осмыслении, анализе и системном усвоении правовых, физико-химических, токсикологических и технических основ безопасности наноматериалов и процессов наноиндустрии.

I Л и т е р а т у р а

1. Лучинин В. В. Наноиндустрии и безопасность// Наноиндустрия. 2008. № 3. С. 4-9.

2. Постановление Главного государственного санитарного врача РФ № 54 от 23.07.2007 г. «О надзоре за продукцией, полученной с использованием нанотехнологий и содержащей наноматериалы».

3. Информационное письмо Роспотребнадзора № 0100/4502-07-02 от 02.05.2007 г. «О надзоре за производством и оборотом продукции, содержащей наноматериалы».

4. Постановление Главного санитарного врача РФ, № 79 от 31.10.2007 г. «Об утверждении Концепции токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов».

5. Оценка безопасности наноматериалов: Метод. рекомендации. М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии, 2007. 59 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. ISO/TR 12885:2008. Health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies. ISO. 2008. 79 p.

7. Industrial Application of Nanomaterials — Chances and Risks//Technological Analysis. Germany: Zukunftige Technologien Consulting der VDI TZ GmbH, 2004.119 s.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.