人类未来二十年最大的科技安全隐患
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编者按：纳米技术（Nanotechnology）是21世纪科技界最火爆的领域之一，追求纳米技术之极致的过程宛如一场“造神”运动——如果我们真的可以做到在分子甚至原子层面上自由操纵物质，那么成为“造物主”就具化成了一系列的工程问题。
拥有如此“高大上”远景的“纳米”自然而然就成为了“高精尖”的代名词，由于纳米科技本身横跨了生物、物理、化学和机械工程等不同专业，我们身边似乎在一瞬间就冒出了形形色色的“纳米产品”——纳米衣服、纳米护肤品、纳米涂料、纳米运动器材、甚至还有纳米食品等等，可谓是衣食住行，无所不包。然而伴随着纳米技术而来的纳米安全问题，这个本应该非常受到重视的问题却一直很少被提起。
尽管科研界近年来也对纳米科技带来的安全隐患做了不少深入研究，2007年是一个重要的分界线，在小编看来可以被称作“纳米毒理学”元年，两本可能是最早系统讲述纳米毒理学的书被出版，一本的作者是美国的南希•蒙特埃罗里维埃（Nancy Monteiro-Riviere）教授，另一本则是我们自己的纳米安全界大牛赵宇亮教授（据说马上要变成赵院士了）。同年Taylor & Francis旗下推出了全新的科研杂志《纳米毒理学》（Nanotoxcicology），专门收纳纳米安全方面的最新科研成果，该杂志的影响因子（Impact Factor）常年保持在7左右，俨然已经成为专业学科里的顶级杂志之一。
然而由于纳米毒性原理的认识局限和检测设备和方法的欠缺，纳米技术的安全问题至今仍然可能是人类科技发展之路上的一颗巨大的定时炸弹。有些讽刺的是，纳米安全的最大安全问题目前可能是：“我们还不完全清楚它到底能带来些什么危害。”
就如同没有一种粒子名叫“量子”一样，也没有一种农作物能长出一种果实叫做“纳米”。要研究纳米安全，我们就先要确定研究的主体是什么。纳米，英语叫做nanometer，是一个长度单位，nano表示10的负9次方，因此一个纳米就是10-9米。
纳米尺度物质对比图（图片来源http://www.boguanhuanyu.com）
图中给出的纳米尺度是一个1-100纳米的尺寸范围（差不多是“手撕病毒”这么个档次）。在实际讨论中以及一些国家的法律规定（包括我国）里，只要三维里面有一维小于100纳米的物质就称之为纳米材料，而对于富勒烯这样的“皮米”（picometer，10-12米）级别的，我们并不再去使用“皮米材料”这个词，一切都暂时统称为纳米材料了。
所谓的纳米技术，则是在某一维度或者多个维度达到小于100纳米这个尺寸上的相关技术的统称，包括了纳米材料的制备（preparation，各种化学、物理、生物和工程方法）、操纵（manipulation，代表仪器是纳米操纵仪）以及表征（characterization，包括了各种显微镜技术，光学仪器，纳米级别的机械性能测量仪器等）。
说到纳米材料的话，一般大家的第一反应就是实验室和工厂，而事实上纳米材料的来源远不止这些，我国的纳米毒理学大牛赵宇亮教授在他2007年出版的《纳米毒理学》一书中，首次将纳米材料和来源作了一个归类，主要可以分为以下四种：
1. 实验室出产的人造纳米材料
这一类纳米材料种类繁多，主要是由一系列的物理、化学或者工程方式合成或者生产出来的材料，包括富勒烯、纳米颗粒、纳米粉、纳米管、纳米线、纳米棒、量子点、树状体、纳米晶体以及纳米复合材料等。这些纳米材料也可以称为工程纳米材料（engineerednanomaterials）。
2. 燃烧生成的纳米材料
燃烧是纳米材料的最主要来源，这里包括了汽车尾气，发电站和各种工厂的燃废气，甚至还包括吸烟。这一类纳米材料通常对人体是有害的，比如柴油发动机尾气中含有的碳、多环芳香烃（PAH）和金属纳米颗粒都是有致癌作用的。
3. 机械过程生成的纳米材料
这类纳米材料主要来自于自然界，包括岩石的自然风化，水对岸基的各种侵蚀，昆虫活动等等。当然其中机械研磨也是实验室或者其他高科技工厂里生产纳米颗粒的方法之一，通过机械研磨生产出来的纳米材料也归于工程纳米材料。
4. 环境生成的纳米材料
这一类纳米材料主要来自各种污染，广泛存在于工厂排放出的废气以及有机和无机化合物，此外也存在于土壤、扬尘和雨水中。
非工程纳米材料在很多文献中被称作为偶生型纳米材料（即不是由人类有意识合成的）。由于工程纳米材料基本是伴随着纳米技术的发展而诞生的，即便从扫描隧道显微镜（ScanningTunneling Microscopy）的发明年，也就是我们一般所称的“纳米元年”来算，也不过区区三十多年，因此相对于自然活动和传统工业产生的偶生型纳米材料而言是非常“年轻”的。
随着纳米技术的迅猛发展，工程纳米材料在被我们熟悉了解之前就已经包围了我们，同时因为他们中间很多都是高新工业或实验室的“定制”产品，我们并不完全清楚它们可能的存在短期、长期或者是潜在的危害，因此尽快地搞清楚“纳米化”带来的健康和环境问题已经刻不容缓。
几种偶生型纳米材料和工程纳米材料（S. Stern & S. McNeil, 2008）
一切因“小”而起
纳米材料的最大特点是其巨大的比表面（specific surface，即表面积和体积之比）而带来的极大的“反应活性”。随着的尺寸的下降，反应活性会不断上升，因此纳米材料会比同样物质的微米颗粒或者毫米颗粒具有更高的毒性。这在下面这张表中就可以一目了然。
依据OECD Test guideline 425 测试法获得的微米铜、纳米铜和离子铜颗粒的半数致死量（Median lethal dose， LD50）结果比较，置信区间为95%（数据来源Z. Chen, et al, 2006）
以上这张表中的数据来源于2006年ToxicologyLetters上面的一篇报道，科学家们为了研究纳米铜颗粒（最早的几种工程纳米材料之一）而做的单一口服毒性测试（Acute oraltoxicity test）。从数据来看，随着铜颗粒的直径减小，颗粒的比表面和单位质量颗粒数都随之增大。
从毒性来看，一个50kg的妹纸吃上个半斤微米铜颗粒都不会被毒死（当然，会不会撑死依旧需要考证），而当颗粒直径减小了将近1000倍之后，相同体重的妹纸吃上个十几克可能就生命垂危了。所以可以这么说，对相同材质的纳米颗粒而言，尺寸越小，毒性越大。
除去极高的反应活性之外，纳米材料的另一大“危险性”来源于小尺寸带来的高移动性。2002就有科研报告称碳纳米球有可能在被吸入后从肺部转移到血液。而在2004年罗彻斯特大学的昆特•奥博杜斯特（Günter Oberdörster）教授发表的论文中，被用作实验的大鼠在长时间暴露于碳纳米微粒后，脑部也会出现碳纳米微粒，并且随着暴露时间持续增加。
之后还有各种提出关于纳米材料，或者纳米颗粒在体内转移的预测和假说，比如，当纳米颗粒的直径小于100纳米是可以穿过细胞膜随意进入细胞，当直径小于40纳米时甚至可以进入细胞核，而当35 nm时甚至可以打破人体的“血脑屏障”，从血液进入大脑中。面对着这一系列被发现或者提出的基于纳米材料特性的潜在威胁，科学家们进行了进一步的研究，小编在下面结果罗列出了部分结果，也许看起来会很耸人听闻。
银纳米颗粒（AgNP），大小约13-15纳米，常见于抗菌材料、塑料制品、涂料和织物中，会破坏细胞膜，妨碍ATP和DNA复制，造成氧化应激。
金纳米颗粒（AuNP），约4-5纳米，常用于废水处理和新型医疗方法，包括药物传递（drug delivery），基因疗法、癌症治疗等，会影响包括人类在内的多种生物的生殖能力，同时会沉积于肝脏，造成氧化应激。
二氧化钛纳米颗粒（TiO2NP），约40-100纳米，常用于防晒霜、食品包装、颜料、牙膏、药物和废水中，具有植物毒性和鱼类细胞毒性，并且会分解DNA，造成氧化应激。
碳纳米管颗粒（CNTs NP），约20-200纳米，常用于水处理、润滑剂、电子产品、体育用品等，并且可以通过生物沉积的方式进入人类的食物中，具有植物性毒素，沉积于动物的肺或腮中，可以引发炎症，同时对胚胎、肝脏、大脑和呼吸道都会造成损害。
氨基聚苯乙烯（amino-polystyrene），约20-60纳米，常用于医药、食品包装、电子设备、建筑材料和玩具制造等领域，对巨噬细胞、肝细胞、上皮细胞等毒性较高，浓度高时可造成细胞死亡，同时对心血管内膜，细胞线粒体也会造成损害。
量子点（Quatum dots），小于515纳米，多用于医疗，包括生物成像、跟踪和药物输送等，会激活线粒体，对内膜细胞造成毒害，浓度上升时细胞存活率下降。
以上只是研究成果里很小的一部分，如果小编这篇文章就此打住的话，可能明天反纳米技术大军里面又会增加许多新鲜血液了。其实这些研究结果虽然看起来吓人，但是惊悚程度还远比不上有些常见成品药的说明书，更不用说一些手术前的的同意书了。
同时，影响纳米材料的毒性的因素十分复杂，除了材料的所谓“天性”和颗粒大小之外，还受到材料形状、反应活性、移动性、稳定性和表面化学成分和极性、颗粒凝结性以及材料被储藏时间等因素的影响。在大约了解了纳米材料的毒性之后，我们可以来关注下一个问题，纳米材料是如何跑到我们身体里的，会和我们产生哪些互动？
纳米材料到底和我们有哪些”互动”？
研究接触方式对于讨论纳米安全至关重要，因为纳米材料在不同的接触方式所造成的毒性可能截然不同，比如碳纳米管吸入时会引发严重的炎症，而在其他接触方式下则并不会带来很严重的伤害。下图中给出了我们和纳米材料“互动”的四种方式：
通过呼吸接触进入我们的呼吸道并最终到达肺部
通过口腔接触进入我们的消化道
通过皮肤接触（有些研究结果表明部分纳米材料可能会穿透我们的皮肤直接进入我们体内。）
通过注射直接进入我们的血液
对于第四种方式因为一般都是用于医疗用的生物造影或者元素跟踪等用途，在使用时会有严格的控制，我们在这里就不进一步展开讨论了，主要展开讨论的就是我们在生活中更容易遇到的前三种情况。
纳米材料和我们的“互动”方式（S. Stern & S. McNeil, 2008）
首先来说一下纳米材料的呼吸接触（InhalationExposure），呼吸接触可能是我们日常生活中最容易碰到的一种情况，哪怕仅仅凭借常识，我们也能想到，越小的东西越容易被吸入，那么到底是有多容易呢，按照欧洲标准化委员会（EuropeanCommittee for Standaradization，简称CEN）1993定下的标准，我们可以用下面这个公式作一个简单的量化处理：
这里的EI就是可吸入颗粒占空气中总颗粒的比重，而D就是颗粒的空气动力学直径（aerodynamicdiamter），单位为微米。CEN对于可吸入的定义是必须穿过咽部。那么按照这个公式，我可以算出PM10颗粒的可吸入比例是77.4%， PM2.5为93.0%，100nm的颗粒为99.7%，而10nm颗粒则近乎100%了。
简单说明一下空气动力学直径，这个直径主要是针对非球形的小颗粒而设定的，如果让这个小颗粒和另一个密度为1g/cm3的小球体一起作自由落体运动，因为风阻的关系，小颗粒和小球体的速度都不可能变成无穷大，而是达到一个终端速度（terminal velocity），假若小颗粒和小球体的终端速度相同，那么这个小球体的直径就是这个小颗粒的空气动力学直径。
纳米颗粒不仅有极高的吸入比例，同时还可以深入肺部，直接作用于内腔的上皮细胞，引起炎症。细小的尺寸让这些颗粒还可以进一步进入细胞基质，并且最终到达淋巴体。同时，纳米颗粒还会对鼻粘膜组织造成破坏并引发一系列的鼻部病理反应。所幸的是，大多数吸入性纳米材料的毒性都和吸入总量直接相关，而在我们的日常生活中，并没有太多机会接触到浓度如此高的纳米颗粒。
与吸入接触相关的另一个问题是在肺部沉积的纳米颗粒有没有可能向其他组织转移，前面提到的纳米安全界大牛昆特•奥博杜斯特在2002年还发表过一篇关于吸入肺部的纳米颗粒可能会有肝转移的文章，但是他本人也无法排除纳米颗粒从实验老鼠口腔进入消化道进而到达肝脏的可能性。而关于纳米颗粒脑转移，文章中所有科学家最后在脑部测量的都是实验室用的纳米颗粒中的同位素而非颗粒本身，因此还不具备完全的说服力。因此目前关于肺部沉积的纳米颗粒向其他器官或者组织转移的说法都只是假设和猜测，一切只是“有可能”。
第二个要讨论的接触方式是口腔接触（oral exposure），这个也可以称为消化道接触（GI exposure），我们在进食、饮水、吃药和使用化妆品和护肤品时都可能“食入”纳米材料。可惜的是我们目前对于食品相关的材料和产品中使用的纳米材料的毒性还没有办法进行全面的评估。
被“食入“的纳米颗粒会通过消化吸收的过程最后到达淋巴系统，而这个吸收过程受到纳米颗粒的大小、形状、表面极性等许多因素的影响。有研究发现消化道内的纳米颗粒可能凝结造成肠阻塞并最终导致死亡。二氧化钛颗粒也被证实会造成氧化应激并破坏消化腺细胞的细胞膜。基于纳米材料进入消化道带来的各种健康问题，我们急需一整套关于“纳米食物”的相关规定。
最后来说一下皮肤接触（dermal exposure），这一段似乎是主要的说明对象似乎主要是我们的妹纸读者们，因为尽管我们在日常生活中会接触到空气中的纳米颗粒，与纳米材料更多更频繁的“亲密接触”却来自于各种护肤品、化妆品和防晒霜。（绝大多数人其实并没有这种奢侈，可以去徒手抓一把价值至少不下于黄金的纳米粉。）
目前市面上的各种乳液和霜中最常使用的纳米颗粒是二氧化钛、氧化锌和银，前两者被用作增效剂，使用银则是因为它的杀菌特性。从目前的研究结果来看，我们的皮肤发挥了很好的屏障作用，目前并没有直接的活体内或者活体外（in vivo or in vitro）的实验证据表明以上三种纳米颗粒能够穿透，或者哪怕是借由毛孔和汗腺穿透皮肤。
有相关文献提出直径小于10纳米的颗粒也许能完成这一壮举，但是基于成本的考量，即便这一假说是事实，在护肤品中大量使用直径小于10纳米的颗粒短时间内也不太可能实现。基于这一点，欧莱雅研发部在2007年特地发表了一篇论文，说明自己防晒霜里面使用氧化锌和二氧化钛的纳米颗粒并不会穿透皮肤，所谓的危险是大家的杞人忧天。
除却这些已知的纳米材料，最值得关注的是很多护肤品厂商会刻意使用一些因为特殊的化学性质而具备高穿透力的纳米颗粒将护肤品中的有效成分送入皮肤深处，但是所有的厂商们都闭口不提它们到底使用了什么材料，所以小编只能在这里提醒一句，姑娘们，以后听到“深层护理”，请自动提高警惕。
未来不可预测
纳米安全除了健康安全之外其实还包括了纳米颗粒对环境（包括水和土壤）以及生态的影响。基于科技的飞速发展，我们会向环境直接或者间接输出越来越多的纳米材料（有研究称目前大约是一年8300吨），人类需要做的事情还很多，比如：
更有效地测量纳米颗粒排放量到底是多少
发明有效监测纳米颗粒浓度的手段
更彻底地了解纳米颗粒对环境的影响和自身特性
了解纳米材料在环境中的循环过程
详细准确地评估纳米毒性
准确评估纳米颗粒对生态的破坏力，等等
最近Slate上面发表了一篇关于纳米安全的文章，就美国国家航空航天局（NASA）使用的基于CNT的“超黑”涂料展开，强调了纳米安全的问题必须不停地老声重弹，一提再提，小编在此表示不加机油，但是为强调纳米安全手动点赞。而事实上，有些努力可以被看到，比如欧洲人民在欧洲纳米安全联合会（EU Nanosafe Cluster）的主导下出版了两百多页的欧洲纳米安全2015-2025十年计划，世界各国也都先后出台自己的相关法令，全球各地的纳米实验室也纷纷推出了纳米安全指导，只是在缺乏对纳米材料毒性的全面和深入的了解以及简单有效地测定纳米颗粒浓度和含量的技术的情况下，所有的努力只能算是摸着石头过河。
小编们只能和大家一起希望，纳米安全这根缰绳可以发挥应有的作用，不让纳米科技成为一匹脱缰的野马。
编后语：小编作为一个在纳米技术行业里翻滚了将近十年的从业人员，原本接到这个题目的时候是雄心勃勃地想借由此文给大家一些“指导”作用的，只可惜写到最后，自己也有些迷茫，唯一能指望的也许就是给大家增加那么丁点的知情权了。纳米安全的未来说实在的，小编自己心里也没有底，人类的未来里到底会不会有代价惨重的“纳米事故”，也许只有靠我们所有人的共同努力去避免。但愿越来越火爆的人工智能和大数据分析会给纳米安全带来新的可能性。
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