Основы появления и развития нанотехнологий и риски, связанные с их использованием

1.3. Современный уровень и прогноз развития нанотехнологий

Эксперты аналитической компании RNCOS попробовали взглянуть, что будет с рынком нанотехнологий в ближайшие четыре года. По их мнению, до 2013 года объем рынка нанотехнологий будет расти, в среднем, на 20% ежегодно. При этом рынок товаров, произведенных с использованием нанотехнологий, будет расти вдвое быстрее и к 2013 году достигнет объема в 1,6 трлн долларов. Согласно прогнозу, наибольшие темпы роста рынка будут наблюдаться в Азиатско-тихоокеанском регионе. Совокупный среднегодовой темп роста там составит около 52% за исследуемый период. На втором месте по темпам роста будут находиться страны Европы. Также аналитики указывают на перспективы роста рынка нанотехнологий в России, Китае и Индии [7].

Признанный авторитет в области изучения мирового рынка нанотехнологий – компания Lux Research – оценивает увеличение совокупного объема всей продукции с использованием нанотехнологий от 1,4 трлн. долл. в 2007 до 4,0 трлн. долл. в 2015 году. В отличие от сформировавшихся, развивающиеся нанотехнологии не основаны на известных ранее процессах и материалах. Масштабы данного сектора в настоящее время оцениваются в 147-149 млрд. долл. и 3,1 трлн. долл. к 2015 г. Рынок сформировавшихся технологий начнет постепенно сворачиваться до 0,9 трлн. долл. к 2015 г. [4]

В развитых странах разрабатываются, утверждаются и постоянно дополняются концепции, связанные с разработкой, развитием и внедрением нанотехнологий. В США в 2000 году была утверждена национальная нанотехнологическая инициатива. В 2001 году в Японии была завершена разработка плана «Нанотэк для нового общества» [2].

Сегодня Россия значительно отстает от мировых нанотехнологических лидеров - США, Японии, стран Евросоюза по абсолютным показателям развития науки, технологий, степени промышленного освоения и коммерциализации разработок наноиндустрии. Россия более чем в 10 раз уступает США по числу нанотехнологических центров. Её доля в числе международных нанотехнологических патентов составляет менее 0,2%. Несмотря на то, что фундаментальные, поисковые исследования и разработку нанотехнологий, а также образовательную деятельность в сфере наноиндустрии в настоящее время в России осуществляют около 250 организаций и около 60 российских организаций производят и реализуют продукцию наноиндустрии, Россия все еще значительно уступает США по общему числу научных статей в области наноматериалов и нанотехнологий, числу международных патентов в области нанотехнологий и умению инкорпорировать нанотехнологические прорывы в новое производственное оборудование и готовые продукты [16].

На реализацию государственной политики в области развития наноиндустрии нацелена государственная корпорация "Российская корпорация нанотехнологий", созданная в соответствии с Федеральным законом от 19 июля 2007 г. № 139-ФЗ [5].

Нанотехнологии открывают широкие перспективы для повышения коэффициента полезного действия существующих установок, использующих природную энергию. На замену фреонам, разрушающим озоновый слой, могут прийти нанотехнологичные вещества. Также нанотехнология позволяет надеяться на создание веществ, которые могли бы заменить хлорсодержащие пластики, при сжигании которых в мусоросжигающих установках образуются загрязняющие окружающую среду диоксины, и создать высокочувствительные биодатчики, позволяющие измерять и контролировать уровень содержания загрязняющих веществ в окружающей среде. Кроме того,  на замену в двигателях внутреннего сгорания могут прийти водородные топливные элементы. Развитие таких процессов сдерживалось их низкой эффективностью. Однако химики научились создавать новые кристаллические формы (наноуглеродные трубки), способные адсорбировать значительные количества водорода [2].

2. Физико-химические свойства наночастиц

2.1. Особенные свойства наночастиц

Наночастицы и наноматериалы обладают комплексом физических, химических свойств и биологическим действием, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Эта специфика наноматериалов определяется известными законами квантовой физики. В наноразмерном состоянии можно выделить следующие физико-химические особенности поведения веществ:

• увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны. Вследствие этого существенно изменяется растворимость, реакционная и каталитическая способность 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. Это может приводить, в частности, к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода, и далее к повреждению биологических структур (липиды, белки, нуклеиновые кислоты, в частности, ДНК);
• небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц. Наночастицы, вследствие своих небольших размеров, могут связываться с нуклеиновыми кислотами (вызывая, в частности, образование аддуктов ДНК), белками, встраиваться в мембраны, проникать в клеточные органеллы и, тем самым, изменять функции биоструктур. Следует обратить внимание на то, что наночастицы могут не вызывать иммунный ответ. Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера;
• высокая адсорбционная активность. Из-за своей высокоразвитой поверхности наночастицы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, то есть, способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Возможна, в частности, адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает как процессы адсорбции на них различных токсикантов, так и их способность проникать через барьеры организма;
• высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы могут не распознаваться защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, а также микроорганизмах, передаче по пищевой цепи, что, тем самым, увеличивает их поступление в организм человека [13].

Совокупность изложенных факторов 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 относятся к новым видам материалов и продукции, характеристика потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной [13].

2.2. Токсичность наночастиц

Имеющиеся в настоящее время в небольшом количестве исследования в области токсичности наночастиц указывают на то, что наноматериалы могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен. Показано, что даже однократная ингаляция углеродных нанотрубок вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в легочной ткани с последующим некрозом клеток и развитием фиброза, что, возможно, в дальнейшем способно привести к раку легких [13].

• Наноматериалы обладают нейротоксичностью, в том числе, по-видимому, за счет прохождения через гематоэнцефалический барьер, вызывая окислительный стресс в клетках мозга;
• кардиотоксичность и гепатотоксичность наноматериалов также определяется развитием окислительного стресса и воспалительной реакции, что приводит к апоптозу и некрозу клеток;
• имеются отдельные сведения, что наночастицы могут усиливать ответы на аллергены [13].

Возрастает число разработок т.н. «нанопищи», то есть использования некоторых нутриентов (главным образом жирорастворимых витаминов, макро- и микроэлементов, биологически активных веществ) в виде наночастиц или в комплексе с инертными наноматериалами – носителями с целью обогащения как продуктов массового потребления, так и специализированных продуктов питания для профилактики алиментарно-зависимых состояний у населения [13].

Однако эффективность использования в питании человека продуктов, содержащих наночастицы пищевых веществ, в настоящее время практически не изучена. Это обусловливает необходимость оценки биодоступности и усвояемости компонентов пищевых продуктов, получаемых нанотехнологическим путем [13].

Токсичность наноматериалов, согласно имеющимся литературным данным, обусловлена, в первую очередь, развитием окислительного стресса и повреждением ДНК, что может приводить к развитию воспалительной реакции, апоптозу и некрозу клети. Нельзя исключать, однако и наличия других механизмов токсичности наноматериалов, связанных, в частности, с их повреждающим действием на клеточные мембраны и органеллы, усилением транспорта потенциально токсичных компонентов через барьеры организма, а также возможной генотоксичностью и аллергезтрующим действием [13].

Токсикологическая  концепция  наночастиц  на  сегодняшний  день  базируется  на  относительно  систематическом изучении  10 типов частиц: оксиды алюминия,  титана,  цинка, железа,  диоксид кремния, селенид кадмия, наночастицы золота,  серебра,  дендримеры,  углеродные  наночастицы  (наноалмазы,  фуллерены, нанотрубки) [3].

Особенные свойства наночастиц обусловлены рядом их физико-химических свойств, которые могут проявляться, например, в высокой дисперсности наночастиц, чрезвычайно высокой кривизне поверхности наночастиц, громадной удельной поверхности, избыточной свободной  поверхностной энергии наночастиц и др. [3].

Особенные  свойства  наночастиц,  в свою очередь, ведут к качественным изменениям  физико-химических  свойств, таких как  температура плавления и  затвердевания;  давление  паров;  растворимость;  адсорбционная активность; возможность активации молекул в электростатическом поле наночастиц; изменение  реакционной  способности  и  характера кинетики химических процессов и т.д. [3]

Ожидается, что при уменьшении размера может изменяться  температура  кипения,  плавления,  летучесть  и  растворимость  компонентов нанокомпозитов, следовательно, будет увеличиваться биологическая активность. Биологическая активность  наночастиц  может  пропорционально увеличиваться с ростом удельной поверхности  наночастицы,  а удельный заряд  частиц  может  сильно  влиять  на реакционную  способность  наночастицы,  каталитическую активность, физико-химические  свойства  (летучесть,  растворимость, устойчивость наносистем) [3].

Изучение относительной реакционной способности  и  каталитической  активности в модельных реакциях, имитирующих биохимические  процессы  в  организме, возможно в реакциях перекисного окисления  липидов  по  относительной  инициирующей  или  ингибирующей  способности наночастиц  в  радикально-цепных реакциях перекисного окисления углеводородов,  сложных  эфиров,  спиртов [3].

Особенность скрининговых реакций  in  vitro то,  что  обычно в них проводятся исследования клеток и клеточных  культур  от  восьми  репрезентативных  органов,  которые  могут  быть подвержены  воздействию  при  экспозиции  наночастицами  перорально,  ингаляционно  и  парентерально.  При  этом наблюдаются такие явления, как оксидативный  стресс, воспаление, иммунотоксичность,  цитотоксичность,  генотоксичность [3].

При  исследовании  общей  токсичности  наночастиц  меди,  диоксида  титана, нанотрубок,  политетрафлюороэтилена  в реакциях  in  vivo  обнаружены  летальные эффекты  при  внутрижелудочном,  интратрахеальном,  ингаляционном  введениях. Отмечены изменения в биохимических, физиологических и морфологических показателях крови при исследовании наночастиц  оксида  алюминия,  диоксида  кремния, диоксида  титана,  квантовых точек,  дендримеров,  фуллеренов,  нано-волокон. Эффекты  оксидативного стресса,  воспаления,  эффекты  площади поверхности,  наноэффекты,  вновь  возникшие/отставленные эффекты, механизмы  клиренса,  изучались  для  наночастиц Al2O3, CeO2, CuO,  Fe2O3, NiO,  TiO2, ZnO, дендримеров, наночастиц  золота, много- и однослойных нанотрубок [3].

Эффекты  кожной  абсорбции и местного накожного действия изучались для квантовых точек, наночастиц железа и серебра [3].

В экспериментах было установлено, что наночастицы диоксида титана могут  вызывать  патоморфологические  изменения  в  печени  и  почках,  изменения показателей  АЛТ,  АСТ,  альбумин-,  фермент- и глюкозурию [3].

Одними из первых объектов с уникальными свойствами, которые известны с давних времен, являются металлические наночастицы и образуемые ими нанокластеры. Среди всех металлических наноматериалов следует выделить наночастицы золота и серебра [19].

Коллоидное золото известно еще с древности и использовалось в лечебных целях. С XX века золото стало применяться в изучении оптических и фрактальных свойств, механизмов агрегации и стабилизации коллоидов, биологии и медицине, физике и аналитической химии, гистохимии. Тип и способ модификации поверхности наночастиц золота оказывает воздействие на развитие токсического эффекта in vitro, а также на функциональную активность макрофагов [19].

Изучение токсичности наночастиц золота на эмбрионах показало, что эмбриотоксические свойства сильнее проявляются у наночастиц размером 0,8 нм, чем 1,5 нм. В то же время тератогенный эффект характерен вне зависимости от их размера [19].

Наночастицы серебра размером 5-50 нм обладают сильной антибактериальной и цитотоксической активностью in vitro по отношению к гепатоцитам крыс. Механизм развития токсичности связан с окислительным стрессом, нарушением функций митохондрий и увеличением проницаемости мембраны. Токсичность наночастиц серебра зависит от используемых клеточных линий in vitro и включения наночастиц в дендримеры [19].

Наночастицы железа. Были проведены широкомасштабные исследования воздействия наночастиц железа на мышей, крыс, крупнорогатый скот, птиц, рыб, некоторые растительные объекты. Так, острое пероральное введение мышам суспензии наночастиц железа в дозе 50, 100 и 500 мкг/кг не вызывало каких-либо токсических эффектов. Только дробное введение доз 1000, 2000 и 5000 мкг/кг приводило к развитию воспалительного процесса на слизистой желудка и кишечника, а также сдвигов в гемопоэзе [19]. Хроническое воздействие наночастицами железа в дозах 20 и 40 мкг/кг в течение 90 дней не приводило к значимым отклонениям от биохимических и гематологических показателей контрольной группы. Кроме того, было показано, что дозы 2 – 6 мкг/кг стимулируют рост животных, бактерицидную активность сыворотки крови и увеличение общего белка в крови. 
Предпосевная обработка семян нанопорошками железа в концентрации 0,001% положительно влияла на энергию прорастания, однако увеличение концентрации до 0,01 % приводило к подавлению прорастания. Была рассчитана оптимальная доза предпосевной обработки (2-6 мг на 1 га), дающей от 5 до 30% повышения урожайности и улучшения товарного вида растительной продукции [19].