CC BY
414
И. Ш. Абдуллин, З. А. Канарская, А. А. Хубатхузин,
Д. И. Калашников, Э. Б. Гатина
НАНОДИСПЕРСНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОКСИДА ТИТАНА
В МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ, МЕДЕЦИНСКОЙ И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЯХ
Ключевые слова: диоксид титана, токсичность, нанориски, избирательная нанотоксичность.
Рассмотрены исследования, предметом которых были токсичность наиболее распространенных видов техногенных наночастиц - оксида титана. Обсуждены токсичность и безопасность применения наночастиц в медицине, пищевой и микробиологической промышленности. Рассмотрены дисперсные материалы и технологии получения новых титановых сплавов повышенной биосовместимости.
Keywords: titanium dioxide, toxicity, nanomarks, selective nanotoxicity.
The researches on toxicity of the most widespread types of technogenic nanoparticles - titanium oxide are considered. Toxicity and safety of using of nanoparticles in medicineand, in the food and microbiological industry are discussed. Disperse materials and technologies of new titanic alloys of the increased biocompatibility are considered.
Актуальность. Дисперсные материалы и технологии их переработки являются наиболее эффективным сырьем и методами получения новых титановых сплавов, повышенной биосовместимости [1].
Цель данного обзора - показать развитие теоретических и практических представлений о механизме взаимодействия наночастиц диоксида титана с различными биологическими объектами. Установить взаимосвязи между особенностями
получения и применения наночастиц диоксида титана в медицине, пищевой и микробиологической
промышленностях.
Наночастицы, наноматериалы и
нанотехнологии их производства кардинально отличаются по своим свойствам и эффектам, комплексу физических, химических и биологических свойств от веществ в форме макроскопических дисперсий и сплошных фаз [2]. Безопасность
наноматериалов и нанотехнологий является важнейшим фактором, регламентирующим
промышленное производство и внедрение в здравоохранение нанопродуктов. Для абсолютного большинства наноматериалов не известны механизмы поступления в организм, биосовместимости, биотрансформации, транслокации в органах и тканях и, что особенно важно, их токсичности. В России, США, странах Евросоюза, Канаде, Японии, Китае и других странах ведутся обширные исследования по оценке безопасности и потенциальных рисков,
связанных с производимыми наноматериалами [2, 3, 4]. В России разработаны и в 2007 году утверждены Постановлением Госсанэпиднадзора «Концепция токсикологических исследований, методологии оценки риска, методов идентификации и количественного определения наноматериалов» и Приказом
Роспотребнадзора - методические рекомендации «Оценка безопасности наноматериалов» [5].
В соответствии с этими нормативными документами следует обращать внимание на окисиды металлов 2п0, 8п02, Ре203, СЮ, W03, 1п203, ТЮ2, которые являются наноразмерными частицами [6]. Эти
материалы используются во многих процессах, в том числе для очистки воды и воздуха от органических загрязнений [7], а также для подавления жизнедеятельности бактерий [8].
Плазма высокочастотных (ВЧ) разрядов пониженного давления (р = 13,3 - 133 Па) является перспективным инструментом обработки материалов различной природы [9]. Она позволяет эффективно обрабатывать органические и неорганические материалы с различным внутренним составом и структурой, а также поверхности изделий сложной конфигурации. Определены параметры обработки изделий из титана [10].
Диоксид титана используется в качестве материала для фотокаталитической стерилизации в медицинской, пищевой и микобиологической промышленности, а также для решения экологических проблем [11]. Сочетание обработки окисью титана с ультрафиолетовым облучением предлагается в качестве одной из лучших дезинфекционных технологий, поскольку при этом, в отличие от других дезинфекционных технологий не образуется опасных (канцерогенных,
мутагенных, дурно пахнущих) соединений. Из-за своих замечательных оптических и электрических свойств наночастицы диоксида титана используются в производстве красок, бумаги, пластмасс, косметических средств, в качестве покрытия сварочных электродов, в фармацевтике и т. п.
Микробиологическая промышленность. При наличии на поверхности диоксида титана микроорганизмов кислород, взаимодействуют с клеточными мембранами, подавляют активность ферментов, и уничтожают генетические
супрамолекулы [12]. Бактерицидное воздействие УФ и TiO2 исследовано на многих опасных бактериях и вирусах, известных в клинической практике [13]. Данная обработка Escherichia coli, инактивирует клетки и разрушает эндотоксин [14]. Последний эффект особенно важен так, как эндотоксин неблагоприятно влияет на человека даже в сверхнизкой концентрации.
Низкая эффективность защиты во много связана с недостаточной изученностью материаловедческих аспектов повреждающего воздействия микроорганизмов [15]. Успешное решение проблемы может быть достигнуто исследованиями природы и кинетических закономерностей взаимодействий материалов с биодеструкторами. Эти исследования позволят обосновать научнометодические подходы к объективной, достоверной оценке и прогнозированию микробиологической стойкости изделий техники, будет способствовать разработке биостойких материалов, конструкций, эффективных средств и методов защиты.
Для получения ТЮ2 пленок с бактерицидными свойствами использовали радиочастотный процесс плазмо-стимулированного химического осаждения из паровой фазы [16]. В работе обнаружена корреляция между оптическими качествами пленок и их биологической активностью. Бактерицидность покрытий увеличивается с ростом индекса преломления, и лучшие результаты были получены для пленок, оптические параметры которых приближаются к параметром ТЮ2 стехиометрического состава.
Пленки получали методом ВЧ магнетронного распыления [17]. Проведено сравнение бактерицидных свойств пленок окиси титана со структурой анатаз или рутил. Бактерицидность изучали воздействием УФ излучения на бактерии Е. соИ., находящиеся на поверхности исследуемых пленок. Отличий в бактерицидных свойствах для монокристаллических или поликристаллических пленок не обнаружено.
Анализ данных приведенных в работе [12], свидетельствует, о том, что пленки диоксида титана для фотокатализа и медицины предпочтительнее получать методом фотокаталитических пленок. Наилучшими свойствами обладают пленки, получаемые с помощью плазменных фильтров (систем очистки потоков вакуумно-дуговой плазмы от микрокапель катодного материала).
Изучены апатит - противомикробные композитные покрытия на титановом субстрате, полученном с использованием термодепозитной технологии [17]. Изучена противомикробная активность 4 титановых пластин в отношении референтных штаммов стафилококков, кишечной палочки, псевдомонад и кандид. Доказано, что этоний и декаметоксин в достаточном количестве сорбируется на поверхности титанового композита, что придает структуре пролонгованную противомикробную активность.
Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями широко распространено в природе [17]. Внесение твердых адсорбентов различной природы и степени дисперсности в среду культивирования бактерий может изменять направленность физиологических и биохимических процессов, осуществляемых микроорганизмами и их ферментными системами, что во многих случаях приводит к увеличению скорости роста и размножения клеток, интенсивности наращивания биомассы [19, 20]. Для некоторых представителей рода Л7о1оЪас1ег также
показано наличие стимулирующего влияния твердых частиц на физиологическую активность бактерий [21, 22]. Так, внесение в культуральную среду диоксида кремния или глинистого минерала палыгорскита приводит к существенному увеличению накопления биомассы
микроорганизмов и возрастанию синтеза витаминов В12 и В6, пиридоксина.
Одним из материалов, которые могут оказывать влияние на жизнедеятельность микроорганизмов, является титан и его соединения. Установлено [23], что поверхность титана является идеальной подложкой для микробной колонизации и образования мощной биопленки. Иммобилизация бактерий в гель гидрооксида титана может приводить как к снижению [24], так и к повышению их ферментативной активности [25].
Как показали исследования [18] внесение в среду культивирования высокодисперсных частиц диоксида титана оказывает стимулирующие действие на рост Azotobacter vinelandii ИМВ В -7076. Авторами установлено, что максимальный эффект наблюдается при концентрации данного материала 5 г/л и 10 г/л. В этих условиях количество выросших бактерий в несколько раз выше, чем в контрольных вариантах. Показано, что стимулирующий эффект не может быть следствием сорбции сахарозы на поверхности частиц дисперсного материала. Возможно, контактное
взаимодействие клеток бактерий с диоксидом титана обуславливает увеличение проницаемости клеточной стенки, что приводит к возрастанию степени поступления субстрата в клетку.
Определенные наноматериалы также обнаруживают выраженные микробиоцидные свойства. Нанотрубки, синтезированные из углеводородов и аммония, демонстрируют антимикробный эффект. Установлено, что наноструктурированная частицами ZnO и TiO2 поверхность способствует лучшей адгезии и
функциональной активности остеобластов и, препятствуют адгезии патогенных бактерий, таких как Staphylococcus epidermidis [26].
Бактерицидное действие наночастиц
диоксида титана основано на фотокаталитическом эффекте [27]. Под действием УФ - излучения с поверхности наночастиц диоксида титана могут выходить электроны, что ведет в воде или в кислороде к образованию высокоактивных радикалов — гидроксилионов (OH-) и
пергидроксилионов (HOO-), которые разрушают микроорганизмы на поверхности частиц. Фирма ItN Nanovation (ФРГ) выпускает дезинфицирующие покрытия Nanozid, содержащие наночастицы диоксида титана.
Медицинская промышленность.
Биоматериалы помогают восполнять утраченные функции органов и играют важную роль в жизнедеятельности человека [28]. Для их создания и внедрения в практику требуется совместная работа медиков, биологов, химиков, инженеров. В качестве материалов для имплантации в медицине давно
применяются металлические изделия, а с 50-х годов XX века - различные титановые сплавы. Несмотря на многочисленные примеры изготовления имплантатов из полимерных материалов, металлические протезы продолжают занимать лидирующее положение в медицинской практике. Общеизвестно, что нет полностью биоинертных материалов, так как любой материал вступает во взаимодействие с окружающей средой. Поэтому вопрос биологической совместимости особенно актуален и решается путем образования необходимого интерфейса между поверхностью имплантата и тканью.
Усиление костного скелета и других тканей может значительно повысить допустимые физические нагрузки. Например, за счет замены поверхностных слоев эмали зубов ковалентно связанными с ней сапфиром и алмазом, можно повысить ее прочность в 20 - 100 раз. В последние годы появились новые методы регенерации костной ткани, основанные на применении наноматериалов. Подобные костные матрицы, содержащие коллаген и гиалуроновую кислоту, уже прошли клинические испытания на пациентах. Клетки костной ткани также могут эффективно расти и пролиферировать на матрице и нанотрубках, поскольку последние не разрушаются и являются биологически инертными [29]. Тонкая структура электросшитой поли-Ь-лактидной матрицы представляет собой идеальную основу для формирования тканей, в частности, хряща. Имплантированные в такую матрицу клетки растут вдоль нановолокон, которые демонстрируют хорошую биосовместимость и, в то же время, являются биодеградируемыми.
Разработке методики управления размерами кристаллитов при осаждении диоксида титана TiO2 (анатаз) посвящена работа [30]. Данный метод позволяет регулировать биоактивные свойства материала и дает возможность сокращения сроков остеоинтеграции имплантатов в костную ткать. Методика формирования пленок TiO2 анатаза с помощью атомарно-слоевого осаждения позволяет наносить покрытие на медицинские изделия любой геометрии и уже успешно интегрируется в технологию производства дентальных имплантатов компании ООО «Конмет». Предложенная in situ методика диагностики биоактивных свойств поверхностей посредствам выдержки в буферном растворе, моделирующем тканевую жидкость [30].
Возможностям применения нанотехнологий в активации резервных возможностей человеческого организма посвящена работа [31]. Автор высказывает идею целесообразности объединения различных нанароботов в функциональные наносистемы аналогично функциональным систем организма.
Переход на наноразмерный уровень активных компонентов лекарственных препаратов позволяет существенно повысить их активность, уменьшить дозировку и, соответственно, возможные побочные действия [1]. Наноразмерный уровень диагностических препаратов позволяет использовать специфические физические и химические свойства для определения их местоположения и доставки через
систему кровеносных сосудов и микрокапилляров к пораженным тканям. Наноструктурированная топология поверхности имплантатов за счет соразмерности соответствующим компонентам прилежащих тканей, высокой величины свободной поверхностной энергии, наличия групп радикалов на поверхности обеспечивает быструю и стабильную интеграцию имплантатов в организме. Для получения пористых покрытий применяется плазменное или газопламенное напыление порошков титана, титановых сплавов [32].
Для замещения дефектов кости используются природный ячеистый материал — коралл, материалы на основе оксида алюминия и оксида циркония. Предложено использовать для этих целей ячеистый материал, полученный методами порошковой металлургии, так как он имеет структуру, подобную структуре кости [33, 34]. В то же время следует отметить, что подобные материалы системы Т1 — N1 запрещены Директивой 94/27/ЕС (1994 г.) к использованию не только для имплантатов, но и для посуды, оборудования пищевой промышленности, бижутерии и т. п. из-за содержания никеля — сильного аллергена и канцерогена.
Одна из проблем применения металлических имплантатов в ортопедии — несоответствие модуля упругости кости и имплантата, который у металлов в 10 — 20 раз выше, чем у костной ткани. Один из способов решения проблемы — снижение модуля упругости материала имплантата. Японские специалисты предлагают использовать титановый сплав с повышенным содержанием азота, который при пористости 29 % имеет модуль упругости, сходный с модулем упругости кости — около 20 ГПа. Другой группе японских исследователей, изменяющих содержание легирующих элементов в порошковой шихте, удалось добиться выдающегося результата— плотные образцы состава Т1 — 30 № — 10 Та — 5 Хх имели модуль упругости 66,9 ГПа.
Имеются сведения о порошковых композиционных материалах на основе гидроксиапатита с добавками других порошков [35]. В Московском институте сталей и сплавов разработана технология получения методами СВС мишеней на основе гидроксиапатита с добавками соединений системы (Т1, 81, Са, 2г) — (С, N О) и нанесения методами вакуумного распыления покрытий на имплантаты. Покрытия имеют твердость до 40 — 45 ГПа, износо- и
коррозионностойкости в агрессивных
биологических средах. Так, коэффициент трения составляет 0,19 — 0,22, износостойкость — до 9,5 мм3/Нм. Институтами порошковой металлургии и Общей и неорганической химии НАНБ разработаны технологии синтеза композиционного порошка гидроксиапатита и его напыления на имплантаты. Порошок гидроксиапатита размером 0,5 — 4,5 мкм конгломерирован с частицами а - оксида алюминия размерами 10 — 15 мкм, введение которого
позволило на 30 — 50 % повысить прочность покрытия и его адгезию к поверхности имплантата.
Технология MIM (metal (powder) injection molding) позволила освоить массовый выпуск деталей имплантатов, имеющих сложную форму и точные размеры — корпуса искусственных клапанов сердца, детали "брэкет" - систем коррекции зубов, режущих элементов, захватов эндоскопов и т. д. [36, 37, 38]. Технология MIM применяется для производства дентальных и ортопедических имплантатов [36], искусственных клапанов сердца. Метод MIM используется при получении крупных деталей имплантатов — ножек эндопротезов тазобедренного сустава из порошка стали 316L [37], канюлированных винтов для скрепления переломов шейки бедра из сплава Ti6Al7Nb [38]. Это свидетельствует о том, что циклическая прочность образцов, полученных методом MIM, сопоставима по своим значениям с прочностью кованых образцов и значительно превосходит циклическую прочность традиционных порошковых деталей.
Наноматериалы применяются для
производства имплантатов, биоактивных покрытий на них довольно давно. Речь идет о синтетическом гидроксиапатите, частицы которого имеют средние размеры от 5 — 20 до 200 — 300 нм и используются в качестве остеоиндуктивного материала.
Разработан процесс синтеза из нанопорошков TiO2 и AI2O3 наноструктурированных покрытий [39]. Исследования показали, что адгезия остеобластов на наноструктурированной поверхности TiO2
существенно сильнее, чем на традиционной за счет повышенной удельной поверхности.
Разработан золь - гель процесс получения нанопористого покрытия TiO2 на поверхности металлических имплантатов [40]. Исследования показали, что нанопористость и обусловленная ею наноструктурированная топография поверхности обусловливают существенно лучший рост клеток на поверхности металлического субстрата.
До последнего времени наночастицы в аспекте рисков систематически не изучались, однако некоторые эпидемиологические исследования с их использованием были проведены [2, 41]. Оценка риска предусматривает идентификацию опасных свойств соединений (hazard identification), оценки зависимости доза - эффект, описание характеристик воздействия, описание характеристик риска [42].
Токсикологи как никогда нуждаются в новых технологиях получения информации об эффектах влияния дискретных наночастиц для понимания воздействия наноматериалов, поскольку силы сцепления, поддерживания наночастиц как агрегатов и агломератов, также как и их аэродинамический диаметр, влияют на их способность переноситься по воздуху, поступать в организм и распределяться в нем.
Процедуры оценки функционирования основных тканей и органов могут стать хорошей базой для контроля на животных, хотя могут быть не менее важны альтернативные подходы, включая клеточный, субклеточный уровни и математическое моделирование [2, 3, 4]. Уникальные физико-
химические свойства, которыми обладают наноматериалы, требуют изучения возможных рисков и вреда, наносимых человеку и окружающей среде, а также развития лучшего фундаментального понимания моделей воздействия наноматериалов как факторов, которые продвигают все сторонние исследования токсикологии и оценки безопасности.
Дополнительно был выявлен ряд факторов неблагоприятного влияния наноматериалов в различных организмах и окружающей среде [2, 3].
Фармацевтическое использование также было источником информации о потенциальной траслокации наночастиц от сайта внесения к периферийным областям организма [2].
В тестах для наночастиц необходимо особое внимание уделить характеристике состоящих из них наноматериалов. При оценке нанобезопасности полученных инженерными способами
наноматериалов, таких как фуллерены, одно- и многослойные углеродные трубки, оксиды металлов наноразмеров, такие как Т102, частицы с диаметром в нанометрнизкой растворимости, считающихся наноматериалами, должны быть найдены принципиально новые процедуры изучения токсичности и точек окончания эксперимента при ингаляционном, пероральном и трансдермальном путях проникновения наночастиц.
Переносимые по воздуху дискретные наночастицы преимущественно двигаются конвекцией и диффузией. Частицы такого размера осаждаются преимущественно в дыхательных путях путем диффузии [2]. Наночастицы могут проходить через биологические мембраны и ткани, которые непроницаемы для больших частиц. Показано проникновение частиц диоксида титана (Т102) наноразмера в интерстиций легких, а кинетика иридия включает транслокацию его во вторичные органы [2].
Эффекты ингаляционного влияния наноматериалов могут проявляться и вне дыхательных путей. Изучены эффекты загрязнения воздуха и показано, что повышение смертности прямо связано с чистыми частицами [43]. Исследования учитывали изучение респираторных и кардиоваскулярных эффектов. Описана деградация наночастиц в легких и потенциальный провоспалительный и оксидативный стресс, как нанозависимый клеточный отклик [2, 43]. При введении крысам С60 в дозах 1,5 и 3 мг/кг эндотрахеально, с использованием воды как транспортного средства, уже через сутки обнаружили увеличение результатов перекисного окисления липидов в жидких продуктах бронхоальвеолярных полостей. Аналогичные изменения отмечались и спустя 3 месяца, при этом не наблюдалось больше никаких негативных изменений в структуре и функциях тканей легких [2, 3].
Показано, что агрегаты наночастиц, вероятно, могут являться объектом механизма нормального макрофагового клиренса.
Продемонстрировано [41], что при последующих
внутритрахеальных вливаниях ультрачистых частиц Т102, они были фагоцитированы альвеолярными макрофагами, которые предотвращали как реакцию воспаления легких, так и проникновение ультрачистых частиц в промежуточные ткани. Однако наночастицы способны вызывать воспаление в дыхательных путях, вероятно как следствие вовлечения в процесс относительно большой площади поверхности. В исследованиях [2] ингаляции 10 мг/м3 ТЮ2 в течение 13 недель вызвали воспаление легких у крыс и мышей, аналогичное вызванному значительно более высокими дозами чистого Т102-
Рассмотрены исследования, предметом которых были токсичность и влияние на состояние здоровья наиболее распространенных видов техногенных наночастиц: углеродных нанотрубок,
фуллеренов, металлов или их оксидов, квантовых точек. Обсуждены цито- и генотоксичность наночастиц, влияние их на различные системы организма, основные направления профилактических мероприятий при производстве и применении [44].
Наночастицы могут проникать в организм человека через органы дыхания, а также желудочнокишечный тракт при заглатывании [45]. Предполагаются и такие пути поступления, как трансдермальный [46] и интраназальный через ольфакторный тракт напрямую в центральную нервную систему [47, 48]. Продемонстрирована
возможность внелегочного распространения наночастиц, введенных в трахею животных: наночастицы оксида железа Ре203 попадали из легких в кровеносное русло в течение 10 минут после введения и распространялись в органах, богатых макрофагами (печень, селезенка, почки и семенники) [49]. Гидроксилированные одностенные углеродные нанотрубки, введенные мышам путем иньекции, распределялись по всем органам, кроме головного мозга [50]. Однако в крови добровольцев, вдыхавших наноаэрозоль в течение 6 часов, углеродные нанотрубки не обнаруживались [51]. Токсичность наночастиц зависит от целого ряда факторов, среди которых наиболее важными являются размер частиц, кристаллическая структура, свойства поверхности, а также химическая структура [45].
Экспозиция наночастицами диоксида титана в концентрациях от 5 до 40 мкг/мл приводила к повышению образования активных форм кислорода, индукции генов, связанных с оксидативным стрессом и воспалением, и даже к гибели клеток бронхиального эпителия человека ВЕЛ8-2В. Наночастицы диоксида титана проникали в клетку и располагались в цитоплазме в перинуклеарной зоне [52].
Исследование цитотоксичности наночастиц диоксида титана (3 - 600 мкг/мл) на клетках
фибробластов мышей Ь929 выявило изменения формы клеток, накопление в клетке фрагментированного хроматина и даже некроз клетки. В среде, в которой культивировались клетки, отмечалось повышенное образование активных форм кислорода [53]. При нахождении наночастиц диоксида титана в среде, в которой культивировались человеческие
монобластоидные клетки КРМ1, через 24 и 48 часов
обнаруживались как некротические изменения клеток, так и апоптоз [54]. В культуре клеток альвеолярного эпителия человека А549
наночастицы диоксида титана провоцировали более выраженные воспалительные реакции, чем более крупные частицы такого же химического состава [55]. Однако ряд других исследователей не выявил токсичности наночастиц диоксида титана в экспериментах с клетками бронхиального [46] и альвеолярного эпителия человека A549 [56].
Взаимодействие наночастиц диоксида титана с фибробластами кожи человека приводило к уменьшению площади клеток, угнетению клеточной пролиферации и подвижности. Отдельные частицы легко проникали через мембрану клеток без включения механизма эндоцитоза, а внутри клетки накапливались в везикулах вплоть до возникновения их разрыва [57].
При взаимодействии наночастиц диоксида титана с эритроцитами отмечались патологическая седиментация клеток, гемагглютинация,
дозозависимый гемолиз; микрочастицы подобных эффектов не вызывали [57]. В другом исследовании было обнаружено, что гемолитический эффект оказался связан не с размерами, а с кристаллической формой диоксида титана [58]. Японские исследователи установили, что наночастицы диоксида титана (как и выхлопных газов) могут повреждать репродуктивную систему мышей. В экспериментах in vitro частицы выхлопных газов, диоксида титана и сажи захватывались клетками Лейдига (клетки семенников, вырабатывающие тестостерон) и вызывали цитотоксические эффекты, наиболее выраженные при экспозиции диоксида титана [59, 66 - 72].
Вместе с тем сравнительные исследования цитотоксичности оксидов металлов (титана, алюминия) и многослойных углеродных нанотрубок показали, что токсичность металлов намного меньше [56, 57]. В последние годы опубликованы и результаты опытов in vivo. Мышей подвергали подострым экспозициям частиц диоксида титана размером 2 — 5 нм в ингаляционной камере по 4 часа в день в течение 10 дней в концентрации 8,88 мг/м3. После этого у них были выявлены в лёгких умеренно выраженные воспалительные изменения. В частности, сразу после окончания экспозиции, а также через 1 и 2 недели после прекращения воздействия достоверно увеличивались общее количество клеток и количество альвеолярных макрофагов в бронхоальвеолярном лаваже по сравнению с таковыми в контрольной группе. Содержание белка, активность лактатдегидрогеназы и провоспалительных цитокинов не изменялись. Воспалительные изменения исчезали через 3 недели после окончания экспозиции. Острые экспозиции (4 часа в день в концентрации 0,77 или 7,22 мг/м3) вызывали лишь незначительные изменения в легких [60].
В другом эксперименте мышам интраперитонеально вводились наночастицы диоксида титана в разной концентрации (от 0 до
2592 мг/кг). Через 24 и 48 часов, 7 и 14 дней у них изучались биохимические показатели крови. Образцы тканей селезенки, сердца, легких, почек и печени забирали для гистологического анализа и определения содержания диоксида титана. Мыши демонстрировали пассивное поведение, потерю аппетита, тремор и летаргию. Уровни азота крови не менялись. В кровеносной системе легких выявлялись признаки тромбоза. В группе животных, получавших самые высокие дозы, наблюдались некроз и апоптоз печеночных клеток, печеночный фиброз, отек почечных клубочков.
Пищевая промышленность и экология. Проблемы связанные с появлением наночастиц в окружающей среде и их воздействием стал очень актуален в связи с бурным развитием нанотехнологий как у нас в стране, так и за рубежом. Поэтому многие ученые занимаются вопросом изучения воздействия наноматериалов на окружающую среду. С появлением новой аппаратной части и соответствущих технологий встал вопрос и об изучении известных поллютанотов на наноуровне [61].
Водоемкость предприятий сахарной промышленности составляет в среднем до 20 т воды разного состава на 1 т перерабатываемой свеклы. Соответственно, велико и количество образующихся сточных вод. Поэтому современными тенденциями в области охраны окружающей среды на сахарных заводах целесообразно считать следующие: интенсификацию процессов очистки путем применения эффективных технологий очистки сточных вод, новых реагентов; уменьшение массы и объемов образующихся осадков путем внедрения процессов механического обезвоживания;
использование образующихся осадков в сельском хозяйстве и др. [62]. Проводились исследования по интенсификации очистки сточных вод сахарного завода с применением нетрадиционных (титанового коагулянта) и современных реагентов (коагулянтов ОХА Люкс (оксихлорида алюминия), ПОХА (полиоксихлорида алюминия), флокулянта Ргае$1о1) для очистки транспортерно-моечных вод взамен традиционно применяемой извести.
Исследования показали, что, используя новые реагенты, можно достичь более 96 % эффективности очистки воды от взвешенных веществ [63]. При этом не происходит перещелачивания или перекисления воды, что является важным обстоятельством. При применении титанового коагулянта образуется наименьшее количество осадка. Доказав перспективность применения современных реагентов на сахарных заводах, необходимо определить и безвредность реагентов для живых организмов. Для этих целей широко применяется биотестирование -определение токсичности пробы (воды, почвы) в лабораторном эксперименте, при котором тестовая культура приводится в контакт с исследуемым образцом [64]. Для оценки фитотоксичности нетрадиционных и современных реагентов при очистке вод и возможности использования образующихся осадков сточных вод для выращивания сельскохозяйственных растений были проведены
исследования с помощью фитоиндикатора кресс-салата и обнаружено ингибирующее действие современных реагентов на процесс прорастания семян, что необходимо учитывать при проведении сельскохозяйственных работ и организации технологии очистки воды на предприятии [65].
Разработан способ очистки и обеззараживания сточных вод пищевых и рыбообрабатывающих предприятий
осуществляемый в электрофлотаторе с анодом на основе оксидов рутения и титана [72].
Швейцарские ученые рассмотрели наиболее распространенные наночастицы Ад и ТЮ2, которые широко представлены в потребительских товарах. Считается, что нано-ТЮ2 производится в больших количествах для использования в
самоочищающихся, необрастающих,
противомикробных покрытиях и красках, а также в косметических средствах как поглотитель УФ. Только в Австралии имеется более 300 зарегистрированных солнцезащитных продуктов, содержащих наночастицы Т102 [6]. К сожалению, невозможно найти перечень всей продукции, содержащей наночастицы. Многие производители не информируют об их наличии и количестве [61].
Выводы
Влияние нотехнологических материалов на здоровье изучено недостаточно. Наноматериалы не являются простым гомогенным классом. Уникальные свойства наночастиц ограничивают возможности прогнозов, которые могут быть сделаны из наших знаний о больших веществах. Необходимо собирать информацию о размерах частиц, их структуре и квантово-механических механизмах, а также о функциях, способности взаимодействовать с протеинами и тканями.
Большое число параметров,
характеризующих физико-химические и квантовомеханические свойства наночастиц и наноматериалов, пока не экстраполированы в отношении человека и окружающей среды в аспекте их рисков, безопасности и токсикологических характеристик.
Активное внедрение наноматериалов в практику требует глубокого знания потенциальных рисков и побочных эффектов, сопряженных с использованием этих материалов.
Производственные циклы, направленные на создание новых наноматериалов, сопровождаются накоплением отходов, оказывающих токсическое, канцерогенное и мутагенное действие на организм человека. В связи с этим, большое внимание должно уделятся нанотоксикологии.
Работа выполнена в соответствии с договором с ООО «Медтехника» №95-10 от 22.06.2010 за счет средств государственной субсидии, предназначенной для реализации постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218 «О мерах
государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства»
Литература
1. В.В. Савич, Конструкции из композиционных материалов, 4, 114 - 119 (2006).
2. Н.Н. Каркищенко, Биомедицина, 1, 5 - 27 (2009).
3. Ю.А. Рахманин, Методические проблемы изучения и оценки био- и нанотехнологий (нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды. Мир, Москва, 2007. 157 c.
4. Н.Н. Каркищенко, Биомедицина, 2, 5 -28 (2009).
5. http://stroy.dbases.ru/Data1/52/52003/index.htm
6. A. Hangfeldt, M. Gratzel Chem. Rev., 95, 49 - 68 (1995).
7. D.F. Ollis, H. Al-Ekabi (Eds.). Photocatalytic Purification of Water and Air. Elsevier, Amsterdam, 1993. 432 p.
8. M. Xu, N. Huang, Z. Xiao, Z. Lu, Supramol. Sci., 5, 449 - 451 (1998).
9. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 625 - 627 (2010).
10. И.Ш. Абдуллин, А.А. Хубатхузин, Вестник Казанского технологического университета, 11; 628 - 629 (2010).
11. B. Kim, D. Kim, D. Cho, S. Cho, Chemosphere, 52, 277 -281 (2003).
12. В.М. Хороших, В.А. Белоус, ФИП PSE, 7, 3, 223 - 238 (2009).
13. J.A. Ibanez, M.I. Litter, R.A. Pizarro, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 157, 81- 85 (2003).
14. M. BekbIlet, C.V. Araz, Chemosphere, 32,. 959 - 965 (1996).
15. С.А. Семенов, К.З. Гумаргалиева, Г.Е. Заиков, Биомедицина, 4, 73 - 79 (2009).
16. H. Szymanowski, A. Sobczyk, M. Gazicki-Lipman, W. Jakubowski, L. Klimek, Surface & Coatings Technology, 200, 1036 -1040 (2005).
17. Lei Miaoa, Sakae Tanemuraa, Yoichi Kondob, Misao Iwatab, Shoichi Tohc, Kenji Kaneko, Applied Surface Science, 238, 125-131 (2004).
18. А.С. Гордиенко, А.Ю. Чеботарев, И.К. Курдиш, Мікробіол. журн., 7І, 3, 19 - 25 (2009).
19. Д.Г. Звягинцев, Почва и микроорганизмы, Изд-во МГУ, Москва, 1987. 246 с.
20. И.К. Курдиш, КВІЦ, Киев, 2001. 142 с.
21. И.К. Курдиш, Л.В Титова, Е.А. Цимберг, Микробиол. журн., 55, 1, 38-42 (1993).
22. Л.В. Титова, А.Ф. Антипчук, И.К. Курдиш, Микробиол. журн., 56, 3, 60-65 (1994).
23. I. Brown, G.E.B. Jones, Int. Biodeterior. Bull, І8, 3, 67 - 79 (1982).
24. Ю.Г. Максимова, А.Ю. Максимов, В.А. Демакова, Міжнародна наукова конференція «Мікробні технології» (Одеса, верес. 2006 р.). Тез. доп. Одеса, Астропринт, 2006. с. 194.
25. С.А. Гулевская, М.В. Донова, К.А. Кощеенко, Н.В. Поморцева, Т. Н. Красильникова, Прикл. биохим. и микробиология, 26, 5, 642 - 650 (1990).
26. Е. В. Шляхто, Нанотехнологии в биологии и медицине. Коллективная монография, Москва, 2009.
27. V. Wagner, D. Wechsler, Technologieanalyse, Zukunftige Technologien Consulting der VDI Technologiezent- rum GmbH, Dusseldorf, 2004. S. 194
28. Л.Б. Суходуб, А.Ю. Волянский, Т.П. Осолодченко, И.Ю. Кучма, А.А. Волков, В.В. Мизин, Annals of Mechnikov Institute, 2, 41- 46 (2009).
29. L.P. Zanello, B. Zhao, H. Hu, R.C. Haddon, Bone cell proliferation on carbon nanotubes, Nano Lett. 2006. p. 348
30. С. Ал. Гудкова. Дисс. канд.ф.-м.наук, Долгопрудный, 2011. 137 с.
31. П.В. Хало, В.Г. Галалу, Известия ЮФУ. Технические науки, III, 145 - 150 (2004).
32. В.И. Калита, В.А. Парамонов, Физика и химия обработки материалов, 6, 37 — 41 (2002).
33. David C. Dunand, Advanced engineering materials, 6, 6, 369 — 376 (2002).
34. Lev Tuchinskiy, R. Loutfy, Advanced materi-als&processing, 4, 32—33 (2003).
35. А.Ф. Ильющенко, В.С. Ивашко, В.А. Оковитый, Порошковая металлургия, 21, 52 - 54 (1998).
36. B. Williams, J. Metal powder report, 10, p. 30 (2003).
37. D. Liksonov, Th. Barriere, N. Boudeau, J.-C. Gelin, L. Maslov, Proceedings of PM2004 World Congress (Vienna, 17—21 October 2004.) Abstacts. Vienna 2004, Volume 5, P. 571 — 575.
38. W. Limberg, E. Aust, T. Ebel, R. Gerling, B. Oger, Ibid, 4, 436 — 441 (2003).
39. T. J. Webster, R. W. Siegel, R. Bizios, Biomaterials, 20, 1221 — 1227 (1999).
40. F. Heidenau, F. Stenzel, V. Faus, G. Ziegler Chemosphere,
15, 1431 — 1437 (2001).
41. Н.Н. Каркищенко, Альтернативы биомедицины. Основы биомедицины и фармакотоксикологии Т.1. Изд-во ВПК, Москва, 2007.
42. В.А. Вавилин, С.И. Макаров, Г.П. Талалайченко, В.В. Ляхович Кинетика и динамика пребывания токсических соединений в организме: Учеб. пособие. Новосиб. гос. ун-т, Новосибирск, 2008. 148 с.
43. Н.Н. Каркищенко, Биомедицина, 4, 5 - 23 (2006).
44. Л.М. Фатхутдинова, Т. О. Халиуллин, Р.Р.Залялов, Казанский медицинский журнал, 90, 4, 578 - 584 (2009).
45. Approaches to safe nanotechnology. Managing the health and safety concerns associated with engineered nanomaterials. DHHS (NIOSH) publication No. 009 - 125.
— 104 p.
46. Z. Pan, W. Lee, L. Slutsky, Small, 5, 511—520 (2009).
47. A. Elder, R. Gelein, V. Silva, Environ Health Perspect, 114, 8, 1172 — 1178 (2006).
48. J. Wang, C. Chen, Y. Liu, Toxicol. Lett., 183, 1, 72 — 80 (2008).
49. M.T. Zhu, W.Y. Feng, Y. Wang, Toxicol. Sci., 107, 2, 342
— 351 (2009).
50. H. Wang, J. Wang, X. Deng, J. Nanosci Nanotech, 4, 8, 1019 — 1023 (2004).
51. N.L. Mills, N. Amin, S.D., Am. J. Respir. Crit. Care Med., 173, 4, 426 — 431 (2006).
52. E.J. Park, J. Yi, K.H. Chung, D.Y. Ryu, Toxicol. Lett., 180, 3, 222 — 229 (2008).
53. C.Y. Jin, B.S. Zhu, X.F. Wang, Q.H. Lu, Chem. Res. Toxicol., 21, 9, 1871 — 1877 (2008).
54. C.I. Vamanu, M.R. Cimpan, P.J., Toxicol. In Vitro, 22, 7, 1689 — 1696 (2008).
55. C. Monteiller, L. Tran, W. MacNee, Occup. Environ Med., 64, 9, 609 — 615 (2007).
56. H.L. Karlsson, P. Cronholm, J. Gustafsson, L. Moller, Chem. Res. Toxicol. 21, 9, 1726 — 1732 (2008).
57. T. Xia, M. Kovochich, M. Liong, ACS Nano., 2, 10, 2121
— 2134 (2008).
58. Y. Aisaka, R. Kawaguchi, S. Watanabe, M. Ikeda, H. Igisu, Inhal Toxicol., 20, 9, 891 — 893 (2008).
59. T. Komatsu, M. Tabata, M. Kubo-Irie, Toxicol. In Vitro, 22, 8, 1825 — 1831 (2008).
60. V.H. Grassian, P.T. O’shaughnessy, Dodd A. Adamcakova, Environ Health Perspect., 115, 3, 397 — 402
(2007).
61. В.Ю. Вишневецкий, Ю.М. Вишневецкий, Известия ЮФУ. Технические науки. Раздел III. Биотехнологии, в
т.ч. биомедицинские нанотехнологии, 1, 226 - 229 (2010).
62. С. Д. Беляева, Л.И. Гюнтер, Водоснабжение и санитарная техника, 1, 5 - 10 (2007).
63. Т.А. Будыкина, В.В. Франтова, Актуальные проблемы экологии и охраны труда, 1, 51 - 54 (2010).
64. С.Ю. Селивановская, Ученые записки Казанского государственного университета. Естественные науки, 149, 1, 113 - 122 (2007).
65. Т.А. Будыкина, В.В. Франтова, Вектор науки ТГУ. Химия, 2, 16, 38 - 41 (2011).
66. N. Mueller, B. Nowack., Environ. Sci. Technol., 42, 4447
(2008).
67. Н.Н. Каркищенко, Альтернативы биомедицины. Основы биомедицины и фармакотоксикологии, ВПК, Москва, 2007. 326 с.
68. Н.Н. Каркищенко, И.В. Сарвилина, Ю.В. Горшкова Междисциплинарные исследования в медицине, Техносфера, Москва, 2007. 429 с.
69. Н.Н. Каркищенко, С.В. Грачева, Альтернативы биомедицины, Техносфера, Москва, 2010. 293 с.
70. S.Q. Li, R.R. Zhu, H. Zhu, Food Chem. Toxicol., 46, 12, 3626 — 3631 (2008).
71. A. Simon-Deckers, B. Gouget, M. Mayne-L’hermite, Toxicology, 253, 1, 137 — 146 (2008).
72. И.Г. Хальченко, Н.Н. Жамская, С.А. Каткова, О.А. Апанасенко, Н.П. Шапкин, Е.К. Папынов, Исследования водных биологических ресурсов камчатки северозападной части тихого океана, 20, 94 - 100 (2011).
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdu11in_i@kstu.ru; З. А. Канарская - канд. техн. наук, доц. каф. пищевой биотехнологии КНИТУ, zosya_kanarskaya@mai1.ru; А. А. Хубатхузин - канд. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, a1_kstu@mai1.ru; Д. И. Калашников - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ; Э. Б. Гатина - ст. науч. сотр. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ.
