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碳纳米管是由片层结构的石墨卷曲而成的中空纳米级管状结构,碳纳米管直径在零点几纳米到几十纳米之间,长度却可以达到微米甚至毫米,正由于碳纳米管这种直径长度比,从而赋予碳纳米管具有独特的结构和理化性质,已广泛应用在电子器件制造、航天等领域,特别是在医学领域,碳纳米管作为药物载体的前景更是受到研究者们的关注。由于碳纳米管的独特性质,随着科学技术的日益进步,碳纳米管产品已经出现在很多领域。但是关于它们的生物安全性,也越来越引起人们的关注。目前,国内外关于碳纳米管的毒性研究较少,现有报道多集中在肺脏毒性研究,数据零散且不统一,缺乏系统性研究。本研究通过对多壁碳纳米管的生物体内分布、动物毒性、细胞毒性进行研究,较为系统的探讨多壁碳纳米管对机体的生物学效应,同时对碳纳米管与呼吸系统典型毒物的联合毒性进行研究,从而为碳纳米管的安全性评价提供科学依据。
一、多壁碳纳米管在小鼠体内的生物分布研究
对多壁碳纳米管进行125I标记,以尾静脉、腹腔注射和灌胃等三种途径进入健康雌性ICR小鼠体内,分别于注射后10 min、30 min、1h、6 h、12 h和24 h处死小鼠,取血、心、肝、脾、肺、肾、脑、肌肉、骨、胃、肠、皮肤和胸腺等脏器进行125I放射性检测,计算每克组织百分注射剂量率并进行分布分析。静脉注射染毒途径显示多肇碳纳米管在10 min内可迅速分布到全身,主要聚集部位是肺。肺组织中的多壁碳纳米管在24 h内持续增加,每克肺组织百分注射剂量率(%ID/g)从10 min时的37%ID增加到24 h的53%ID。肾组织中的多壁碳纳米管含量仅次于肺组织,多壁碳纳米管进入体内10 min后,每克肾组织百分注射剂量率(%ID/g)为12.07%ID,在24 h内迅速下降到2.96%ID。肝和脾脏组织中多壁碳纳米管量比较稳定,24 h时每克组织百分注射剂量率(%ID/g)分别为3.08%ID和2.14%ID。脑组织的多壁碳纳米管的量最少,每克脑组织百分注射剂量率(%ID/g)低于0.5%ID。灌胃染毒途径显示多壁碳纳米管进入小鼠体内后,主要聚集在胃和小肠组织中,其他组织中非常的少,24 h后基本上从体内排除。腹腔注射染毒途径显示多壁碳纳米管进入小鼠体内后,迅速分布到全身各组织脏器,10min时肾脏分布较高,但主要在脾脏中持续集聚,24 h后每克脾组织百分注射剂量率(%ID/g)从3.18%ID上升到6.21%ID。
二、多壁碳纳米管对小鼠的急性和亚慢性毒性作用研究
参照欧盟OECD实验指南对多壁碳纳米管进行小鼠急性和亚慢性毒性试验。急性毒性试验按照up-and-down程序进行。亚慢性毒性试验的染毒剂量分别为高剂量组(250mg/kg)、中剂量组(50mg/kg)、低剂量组(10mg/kg)和阴性对照组(生理盐水)。每天腹腔注射染毒1次,连续染毒28天。急性毒性试验结果显示雌性与雄性小鼠的LD50均为550 mg/kg,其95%可信区间分别为88.94-2430.00和265.40-1520.00 mg/kg。亚慢性毒性试验结果显示高剂量染毒组小鼠活动减少并有嗜睡现象,其余各剂量组小鼠无明显异常表现。
染毒期间前三周高剂量组雄性小鼠体重明显低于对照组,其余各组体重变化相似。不同剂量组雌性小鼠在实验期间内体重变化无统计学意义。脏器系数和组织病理结果显示磷酰胆碱多壁碳纳米管主要聚集在肝、脾和肺脏器中。50和250mg/kg染毒组小鼠的肝、脾和肺脏中有间隙炎症和轻度纤维化改变。10mg/kg染毒组小鼠的谷草转氨酶水平轻度升高,其它各生化指标无显著性改变。
三、多壁碳纳米管对人支气管上皮细胞的毒性作用研究
不同浓度的(0、12.5、25、50、100、200和400μg/ml)多壁碳纳米管作用于16-HBE细胞,分别通过四甲基偶氮唑盐(MTT)法、流式细胞仪、单细胞凝胶电泳试验(SCGE)和微核试验检测多壁碳纳米管对16-HBE细胞活性、细胞凋亡、细胞周期、DNA损伤的影响。细胞结果显示,多壁碳纳米管各实验剂量组在细胞活力、凋亡、周期、DNA损伤以及微核率方面,与对照组比较,差异无统计学意义;磷酰胆碱多壁碳纳米管各实验剂量组在细胞活力、凋亡、周期、DNA损伤以及微核率方面,与对照组比较,差异也无统计学意义。
四、多壁碳纳米管和香烟烟气对人支气管上皮细胞的联合毒性作用研究
按照析因设计将16-HBE细胞分为若干组:不同浓度的多壁碳纳米管单独作用组(0、25、100和400μg/ml)、不同浓度的香烟烟气单独作用组(0、50、100和200μg/ml)、两者联合作用组及对照组,染毒后通过四甲基偶氮唑盐(MTT)法、流式细胞仪、单细胞凝胶电泳试验(SCGE)和微核试验检测多壁碳纳米管及香烟烟气对16-HBE细胞活性、细胞凋亡及DNA损伤的影响,通过析因设计研究两者的交互作用。联合细胞毒性实验结果表明:在实验剂量范围内,多壁碳纳米管和香烟烟气颗粒物联合作用于16-HBE后,在对细胞活力、凋亡、DNA损伤以及微核影响方面未见交互作用;在实验剂量范围内,磷酰胆碱多壁碳纳米管和香烟烟气颗粒物联合作用于16-HBE后,在对细胞活力、凋亡、DNA损伤以及微核影响方面未见交互作用。
综上所述,对多壁碳纳米管的生物体内分布和一般毒性研究显示,多壁碳纳米管进入体内后,主要聚集在肺脏、脾脏和肝脏中,多壁碳纳米管对动物的一般毒性较低,但是对于脾、肝和肺脏的长期作用效应还需要作进一步研究。在实验剂量范嗣内,未发现多壁碳纳米管对人支气管上皮细胞具有细胞毒性和DNA损伤作用,未发现多壁碳纳米管可增强香烟烟气的毒性作用。