Осторожные шаги в будущее нанотехнологий
Существует бесчисленное множество способов, которыми частицы микроскопических размеров могут изменить медицину и науку. Технологии, созданные с использованием таких наноматериалов, от мельчайших схем до тончайших фильтров, могут стать решением для уменьшения размера компьютерного чипа или удаления микроскопических загрязнителей из воды. Эти частицы, имеющие размеры в миллиардные доли метра,
могут доставлять лекарства к мишеням внутри отдельных клеток или, возможно, служить компонентами датчиков, обнаруживающих химические и биологические агенты.
Энтузиазм по поводу ожидаемой неожиданной прибыли от таких нанотехнологических изобретений зашкаливает. Эта технология кажется новой отраслью в процессе становления. Однако по мере того, как наноматериалы приближаются к коммерческой разработке, некоторые исследователи начинают рассматривать потенциальные последствия попадания новых материалов в окружающую среду или организм. Цель этих ученых - нанести упреждающий удар по любым проблемам, которые могут возникнуть в будущем.
Одной из горячих точек этих усилий является Университет Райса в Хьюстоне - учреждение, известное своими исследованиями в области нанонауки. Прошлой осенью университет открыл центр, занимающийся разработкой новых нанотехнологий, способных решить экологические проблемы и предложить новые методы лечения.
Пару лет назад, во время обсуждения предполагаемого центра нанотехнологий, Вики Колвин из Rice показала слайд, демонстрирующий одно из многих новых чудес в этой области. Опубликованное исследовательской группой Пола Аливисатоса из Калифорнийского университета в Беркли изображение показывает полупроводниковые частицы, называемые квантовыми точками, которые служат ярко светящимися метками в клетках млекопитающих (SN: 24.10.98, стр. 271).
Внезапно, вспоминает Колвин, она и ее коллеги остановились. Им пришло в голову, что если наноразмерные частицы могут проникать внутрь клеток с полезными целями, то эти агенты могут проникать внутрь клеток, когда они там никому не нужны. Квантовые точки содержат соединения кадмия, которые, как известно, токсичны в больших количествах.
С этого момента, говорит Колвин, исследователи, планирующие работать в новом Центре биологических и экологических нанотехнологий Райс, начали задумываться о том, какие последствия для окружающей среды и здоровья могут представлять такие новые крошечные материалы. В центре ученые имеют возможность одновременно разрабатывать новые технологии и анализировать, могут ли их методы или материалы в будущем способствовать возникновению опасностей для здоровья или окружающей среды.
Например, поскольку исследователям удается сделать наноразмерные вещества растворимыми в воде для доставки лекарств или других биомедицинских применений, они также потенциально позволяют этим частицам свободно перемещаться в грунтовых водах, говорит Марк Визнер из Rice, изучающий использование и воздействие наноматериалов на окружающую среду.
Имея раннюю информацию о потенциальных рисках, исследователи могли бы направлять разработку этих материалов по мере того, как они приближаются к промышленному производству, чтобы сделать грядущую отрасль безопасной и эффективной.
«Опасения по поводу того, что нанотехнологии могут привести к плохим последствиям, на данный момент в значительной степени носят спекулятивный характер», - комментирует Нил Лейн из Райс, который был советником президента Клинтона по науке. Но «когда вы имеете дело с новой наукой и новой технологией, разумно подумать наперед и убедиться, что вы принимаете все необходимые защитные меры, чтобы не допустить ничего плохого», - говорит Лейн.
Сейчас в Центре Райса и других местах проводятся первые исследования поведения наноматериалов в окружающей среде и организме. Ученые обсудили некоторые из этих ранних исследований на семинаре в декабре прошлого года в Райсе. Они сообщают, что среди ограниченных результатов на данный момент обнаружено несколько признаков проблем.
«Мы думаем, что большинство наночастиц, вероятно, будут относительно инертными» в биологической сфере, - говорит биоинженер Райс Дженнифер Уэст, - «но на самом деле исследования токсичности широкого спектра наночастиц еще не проводились.” И, добавляет она, «я думаю, что некоторые наночастицы окажутся токсичными».
Предсказание будущего
Когда в Национальный научный фонд было подано предложение о создании центра, некоторые рецензенты задались вопросом, не преждевременны ли исследования безопасности, говорит Визнер.
Но «в этом весь смысл», - говорит он. «Мы хотим заняться этим, когда будет очень-очень рано».
Приводя доводы в пользу изучения потенциальных негативных последствий новых материалов, Визнер указывает на два исторических примера: хлорфторуглероды (ХФУ) и ДДТ. Оба были провозглашены чудесами, но гораздо позже с ними стали ассоциироваться серьезные проблемы.
Разработанные в 1930-х годах, ХФУ были особенно полезны в качестве хладагентов, поскольку они не воспламеняются и не токсичны. Однако в 1970-х годах ученые узнали, что химические вещества разрушают защитный озоновый слой Земли.
ДДТ, мощный инсектицид для борьбы со вшами, комарами-переносчиками болезней и сельскохозяйственными вредителями, является еще одним продуктом, разработанным в 1930-х годах. «Преимущества, воспринимаемые в то время, были очевидны для всех. Это должно было снизить заболеваемость малярией», - говорит Визнер. «Но никто не видел последствий его накопления в пищевой цепочке». Стабильность химического вещества позволила ему накапливаться в организме животных, переходя от насекомых к птицам и рыбам, которые их едят. Использование ДДТ было ограничено США 30 лет назад.
Используя подобные тяжелые уроки в качестве стимула, исследователи пытаются предвидеть проблемы, связанные с технологиями, которые еще не реализованы. «Мы не можем предвидеть все возможности, но мы знаем, что определенные виды материалов любят попадать в определенные места, и это вызывает определенный тревожный сигнал», - говорит Визнер.
Чтобы изучить поведение наноматериалов в окружающей среде, исследователи Райса помещают их в смоделированные в лаборатории природные микрокосмы, а затем наблюдают за их движением. Ученые изучают широко используемые наноматериалы, такие как наноразмерные кристаллы кремния, частицы железа и углеродные нанотрубки, которые представляют собой полые цилиндры шириной всего в несколько нанометров. Все эти материалы уже производятся небольшими начинающими компаниями, отмечает Визнер. «Мы используем материалы, которые, как мы знаем, существуют прямо сейчас и, вероятно, в относительно ближайшем будущем будут произведены в значительных количествах», - говорит он.
В одном тесте проверяется, будут ли наноматериалы проходить через фильтры на водоочистных сооружениях. Другие тесты определяют, связываются ли вещества с различными обычными загрязнителями, такими как пестициды или ПХД. Если загрязняющие вещества притягиваются к наноматериалам, новые частицы могут позволить уже существующим химическим веществам стать более мобильными и, возможно, причинить больше вреда.
Другие исследования задаются вопросом, поглощают ли бактерии наноматериалы, и если да, то может ли это открыть путь частицам для перемещения в пищевую цепь и вверх по ней.
Между тем, чтобы предсказать, как новые наноматериалы будут действовать в организме, ученые Райса подвергают живые клетки воздействию веществ, отмечая при этом такие особенности, как взаимодействие наноматериалов с белками. Они обеспокоены тем, что когда белок прикрепляется к поверхности наноматериала, его форма и функции могут измениться, говорит Уэст.
«Очень рано делать прогнозы… но я думаю, что на данном этапе важно, чтобы мы действительно начали это исследовать», - говорит Уэст. Исследователям, добавляет она, необходимо «проверить больше материалов на токсичность, проверить больше материалов на их способность сочетаться с различными синтетическими молекулами и исследовать их влияние не только на клеточную культуру, но и на живых животных».
Трубки вдоль нанофронта
Один из самых многообещающих аспектов нанотехнологии основан на углеродных нанотрубках. Эти крошечные цилиндры из углерода обладают заманчивым набором свойств. Например, они очень прочные и могут действовать как проводники или полупроводники. Химики могут даже настраивать электронные свойства нанотрубок, заполняя их другими молекулами (SN: 09.02.02, стр. 93: доступны подписчикам на Carbon pods больше, чем пачка горошин).
С момента открытия углеродных нанотрубок в 1991 году исследователи изучают их потенциал в качестве компонентов миниатюрных электронных схем, движущихся частей крошечных машин, моделей биологических каналов в организме и средств доставки лекарств. назвать лишь несколько возможностей. Во время конференции Райса Патрик Бернье из Университета Монпелье во Франции обсудил одну из таких возможностей: использование углеродных нанотрубок для хранения достаточного количества водорода, чтобы сделать их пригодными для заправки будущих поколений более чистых автомобилей. Производство крошечных трубок вскоре может быть увеличено до промышленных объемов. Бернье отмечает, что пока нет уверенности, что это можно сделать достаточно эффективно для некоторых потенциальных нанотехнологий, таких как хранение водорода. Тем не менее, небольшие компании недавно начали производить достаточно углеродных нанотрубок для разработки некоторых продуктов из нанотрубок. К ним относятся дочерняя компания Rice Carbon Nanotechnologies в Хьюстоне и Nanoledge в Монпелье, соучредителем которой является Бернье.
Тем не менее, даже с учетом промышленного использования нанотрубок, токсикологических экспериментов было мало. Исследователи не определили, что произойдет, если люди вдохнут нанотрубки или получат их при лечении.
В лаборатории Бернье, однако, иммунолог Сильвана Фиорито начала сравнивать влияние различных углеродных структур на клетки крыс. Ее эксперименты исследуют, что могло бы произойти, если бы нанотрубки использовались в медицинских имплантатах, таких как искусственные суставы. По ее словам, при смешивании с полимерами нанотрубки могут сделать такие имплантаты прочнее. Однако существует также вероятность того, что нанотрубки попадут в ткани организма и вызовут проблемы.
Fiorito обнаружил, что частицы графита диаметром 1 микрометр стимулируют клетки к выработке оксида азота - индикатора иммунного ответа.
Однако, когда она добавила углеродные нанотрубки в клетки, они не производили оксид азота. Клетки приняли нанотрубки без развития воспаления.
Клетки атомов углерода в форме футбольного мяча - фуллерены - также не вызывали воспаления. Фиорито называет эти результаты предварительными и говорит, что не знает, почему некоторые формы углерода лучше переносятся клетками.
Одна из самых больших проблем с углеродными нанотрубками, которые по форме напоминают волокна асбеста, заключается в том, что они могут повредить легкие человека. В качестве меры предосторожности многие исследователи, работающие с углеродными нанотрубками, носят маски во время процедур, которые могут привести к выбросу материала в атмосферу.
В прошлом году группа исследователей из Варшавы провела эксперименты, чтобы выяснить, действуют ли углеродные нанотрубки в легочной ткани так же, как асбест. В журнале Fullerene Science and Technology от 15 апреля 2001 года исследователи сообщили о том, что подвергали морских свинок воздействию сажи, которая содержала или не содержала углеродные нанотрубки. Четыре недели спустя данные тестов функции легких существенно не отличались между группами. Вскрытие также не выявило существенных различий в воспалительных реакциях животных. На основе этих первоначальных данных исследователи предположили, что «работа с сажей, содержащей углеродные нанотрубки, вряд ли будет связана с каким-либо риском для здоровья».
Нелегко быть зеленым
Пока исследователи изучают, как определенные наноматериалы перемещаются и взаимодействуют с окружающей средой и телом, они также пытаются определить наиболее экологически безопасные способы производства материалов. Если методы, которые позволяют экономить энергию и не используют опасные органические растворители, разрабатываются на начальном этапе развития отрасли, они могут впоследствии сэкономить деньги и защитить окружающую среду.
Сейчас хорошее время для такого рода исследований, говорит Джеймс Тур, еще один член списка исследователей нанонауки Райс. «Ты ненавидишь все портить, а потом возвращаться назад. Химическая промышленность делала это в прошлом, и намного проще думать об этом заранее».
Кроме того, добавляет Визнер, важно привить подобное дальновидное мышление сегодняшним аспирантам, которые в ближайшие десятилетия будут разрабатывать технологии на основе наноматериалов. По мнению Визнера, если студенты «уходят с… хорошее чувство осторожности и вдумчивости в отношении того, где материал окажется в окружающей среде», резко падают шансы на то, что наноматериалы станут ХФУ этого века.