納米二氧化硅自身特性對其安全性評價的影響

潘濤，張芳，高興春

1西安醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生系；2第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院呼吸科；3西安醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部

納米二氧化硅自身特性對其安全性評價的影響

潘濤1，張芳2，高興春3

1西安醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生系；2第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院呼吸科；3西安醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部

由同樣元素組成的納米二氧化硅，自身特性不同，相應(yīng)的生物學(xué)效應(yīng)和毒性也會不同，在納米二氧化硅的安全性評價過程中，充分了解納米二氧化硅的自身特性對其生物學(xué)效應(yīng)和毒性的影響具有重要的意義。本文就納米二氧化硅自身特性對其安全性評價的影響進(jìn)行探討，旨在為更科學(xué)準(zhǔn)確地進(jìn)行納米二氧化硅安全性評價提供理論基礎(chǔ)。

納米二氧化硅；自身特性；安全性評價

作為納米材料中的重要一員，納米二氧化硅因其具有的諸多優(yōu)良特性（化學(xué)純度高、比表面積大，分散性好）而廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，近年來，納米二氧化硅的應(yīng)用已經(jīng)擴展到生物領(lǐng)域，其性質(zhì)穩(wěn)定，裝載量大，生物相容性好，作為藥物載體具有良好的開發(fā)前景[1]。由于納米二氧化硅的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用，使其極易在環(huán)境中存在和蓄積，致使人體接觸暴露于納米二氧化硅的可能性大大增加，因此探究納米二氧化硅的生物安全性成為必要。與常規(guī)物質(zhì)不同，由同樣元素組成的納米二氧化硅自身特性不同，其生物學(xué)效應(yīng)及毒性會有很大差異，充分了解納米二氧化硅不同的自身特性對其毒性的影響，對于研究者準(zhǔn)確地評價納米二氧化硅的生物安全性具有重要的意義。

1.尺寸

尺寸是評價納米二氧化硅生物學(xué)效應(yīng)的重要參數(shù)，隨著尺寸的減小，納米二氧化硅的比表面積增大，粒子表面的原子或分子數(shù)目增加，同時其表面的不飽和鍵數(shù)量也迅速增多，從而大大增強了粒子的反應(yīng)活性。目前大多數(shù)研究認(rèn)為，隨著納米二氧化硅尺寸的減小，其生物學(xué)效應(yīng)及毒性增加。藺新麗等[2]以Wistar大鼠為受試對象，將尺度分別為600nm、90nm、60nm、30nm的納米及亞微米級二氧化硅通過非暴露式氣管內(nèi)滴注納米材料懸液的方式染毒大鼠，結(jié)果表明，納米二氧化硅暴露可導(dǎo)致大鼠肺損傷,且尺度越小損傷程度越嚴(yán)重。同時，進(jìn)入肺部的納米二氧化硅，其尺寸越小越容易穿過肺泡上皮細(xì)胞進(jìn)入肺間質(zhì)，并進(jìn)一步通過血液循環(huán)分布于全身。然而納米二氧化硅的尺寸與其毒性作用的關(guān)系并不是絕對的，在安全性評價過程中，不管是體內(nèi)實驗還是體外實驗，納米二氧化硅所處的分散環(huán)境都是極其復(fù)雜的，與染毒前大不相同，離子強度、pH值等的改變以及與生物大分子的相互作用都會明顯改變納米二氧化硅的分散狀態(tài)和表面特征。同時粒徑越小的納米二氧化硅越容易團聚，也會影響納米二氧化硅的生物學(xué)效應(yīng)及毒性。

2.比表面積

比表面積與納米二氧化硅的尺寸密切相關(guān)，尺寸減小，則比表面迅速增加，分布在粒子表面的原子數(shù)目急劇增多，而位于粒子內(nèi)部的原子數(shù)減少，因此產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)缺陷的不連續(xù)晶面，增加了納米顆粒表面活性位點，大大增強了納米二氧化硅的反應(yīng)活性。一方面，這些具有極高反應(yīng)活性的納米二氧化硅進(jìn)入機體后，很容易與生物大分子（DNA、蛋白質(zhì)等）發(fā)生反應(yīng)，損傷生物大分子的正常結(jié)構(gòu)；另一方面，在分散介質(zhì)中，粒子表面增多的電子活性位點容易與介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成活性氧，而活性氧的產(chǎn)生以及氧化應(yīng)激反應(yīng)是納米二氧化硅毒性作用的主要機制[3]。

3.形狀

工程化的納米二氧化硅可以制備成多種形狀,包括球狀、桿狀、線狀等，形狀以及長徑比也是影響納米二氧化硅毒性的關(guān)鍵因素。Huang等[4]用三種不同形狀的納米二氧化硅（球狀、短桿狀和長桿狀）染毒人黑色素瘤細(xì)胞（A375），結(jié)果表明，相比起球狀和短桿狀，長桿狀納米二氧化硅更容易進(jìn)入A375細(xì)胞，并且對細(xì)胞的損傷作用更明顯。不同形狀的納米材料在進(jìn)入細(xì)胞的方式以及生物體內(nèi)的吸收、分布和排出等過程不同，并最終影響納米材料的生物學(xué)效應(yīng)及毒性。

4.晶體結(jié)構(gòu)

相同化學(xué)組成的納米材料，晶體結(jié)構(gòu)不同,其生物效應(yīng)及毒性不同。二氧化硅微粒有晶體和無定形兩種類型，二者的理化性質(zhì)以及進(jìn)入機體后所引起毒性效應(yīng)也有所不同，一般認(rèn)為晶體二氧化硅微粒的毒性大，是確定致癌物[5]。另外，納米二氧化硅的介孔結(jié)構(gòu)也會對其毒性效應(yīng)產(chǎn)生影響，孫磊等[6]的研究所用的納米二氧化硅顆粒就不同于一般的介孔二氧化硅顆粒，其表面幾乎沒有孔結(jié)構(gòu)，所表現(xiàn)出的毒性效應(yīng)和毒性作用機制較介孔二氧化硅均有所不同。

[1]LI X L,HAO N,CHEN H Y,et al.Tumor-Marker-Mediated "on-Demand"Drug Release and Real-Time Monitoring System Based on Multifunctional Mesoporous Silica Nanoparticles[J].Analytical chemistry,2014,

[2]藺新麗.納米二氧化硅顆粒肺毒性及其相關(guān)機制研究[D];吉林大學(xué),2011.

[3]李陽.納米二氧化硅顆粒致細(xì)胞多核作用及其相關(guān)機制的研究[D];吉林大學(xué),2013.

[4]Huang X,Teng X,Chen D,et al.The effect of the shape of mesoporous silica nanoparticles on cellular uptake and cell function [J].Biomaterials,2010,31(3)：438-448.

[5]李陽.納米二氧化硅粒徑相關(guān)的細(xì)胞毒性作用[D];吉林大學(xué),2010.

[6]孫磊.納米SiO_2顆粒對HepG2細(xì)胞的毒性及相關(guān)機制研究[D];吉林大學(xué),2011.