纳米毒理学 纳米材料安全应用的基础

第1章　纳米毒理学概述 1

1.1　纳米毒理学与研究现状 1

1.1.1　什么是纳米毒理学？ 1

1.1.2　纳米技术：从科学预言到市场产品 1

1.1.3　纳米科技发展必然出现的分支领域：纳米毒理学 5

1.1.4　纳米毒理学研究现状分析：国家、研究机构、实验室 6

1.1.5 纳米毒理学研究现状思考 10

1.2　纳米毒理学的溯源 12

1.2.1　病毒学（病毒是典型的活着的纳米颗粒） 13

1.2.2　工业烟雾颗粒 14

1.2.3　大气颗粒物 15

1.2.4　人造纳米颗粒 15

1.3　纳米毒理学的特征 17

1.3.1 新的剂量单位在纳米毒理学中的重要性 18

1.3.2　表面吸附在纳米毒理学中的重要性 18

1.3.3 医学应用广泛 19

1.4　纳米毒理学：迫切需要体内研究 21

1.5　纳米毒理学：阶段与问题 24

1.6　纳米毒理学：重要目标 26

1.7　纳米毒理学：利益与风险之间平衡的桥梁 28

1.8　纳米毒理学：展望 30

参考文献 32

第2章　纳米材料的生物吸收、分布、代谢、排泄与急性毒性 41

2.1　纳米颗粒的体内吸收 44

2.1.1 纳米颗粒在肺部的沉积和吸收 44

2.1.2　纳米颗粒在皮肤的渗透和吸收 47

2.1.3　纳米颗粒在胃肠道的沉积和吸收 48

2.2　纳米颗粒在体内的迁移和分布 50

2.2.1　吸入暴露的迁移和分布 50

2.2.2 口服暴露的迁移和分布 57

2.2.3　其他暴露途径的迁移和分布 61

2.2.4　迁移和分布的影响因素 62

2.3　纳米颗粒的代谢和排泄 63

2.4　纳米颗粒的急性毒性 65

2.4.1 心血管系统对纳米颗粒的急性毒性反应 65

2.4.2　呼吸系统对纳米颗粒的急性毒性反应 67

2.4.3　肝脏对纳米颗粒的急性毒性反应 72

2.4.4 肾脏对纳米颗粒的急性毒性反应 73

2.4.5　神经系统对纳米颗粒的急性毒性反应 75

2.4.6　皮肤对纳米颗粒的急性毒性反应 76

2.4.7 系统急性毒性反应：氧化应激损伤 77

参考文献 78

第3章　细胞纳米毒理学：纳米颗粒与细胞的相互作用 86

3.1　纳米颗粒的细胞摄入 86

3.1.1 细胞摄入的纳米表面结构效应以及表面修饰效应 87

3.1.2　细胞摄入的纳米尺寸效应 89

3.2　纳米颗粒对肺泡巨噬细胞的影响 89

3.2.1　细胞吞噬能力和趋化性 89

3.2.2　细胞膜和细胞骨架 91

3.2.3　细胞坏死和凋亡 93

3.3　纳米颗粒对其他肺细胞的影响 95

3.4　纳米颗粒对皮肤细胞的影响 96

3.5　纳米颗粒对肝细胞的影响 97

3.6　纳米颗粒的细胞生物学效应 98

参考文献 101

第4章　分子纳米毒性学：纳米材料与生物分子的相互作用 107

4.1　纳米颗粒与蛋白质的相互作用 107

4.1.1 结构特性和化学效应 108

4.1.2 纳米颗粒与蛋白质的尺寸效应 108

4.1.3 弱相互（非共价键）作用 109

4.1.4　靶蛋白作用的选择性及其医学应用 109

4.1.5 细胞信号通道调节 111

4.1.6　纳米毒性的生物标志物 111

4.2　纳米颗粒的抗原性 112

4.2.1　人造纳米材料的免疫学性质 112

4.2.2　纳米颗粒与补体的相互作用 113

4.2.3　生物体系对纳米体系的识别作用 113

4.3　纳米颗粒与核酸的相互作用 116

4.3.1 尺寸效应 116

4.3.2　协同效应 116

4.3.3　DNA切割 117

4.3.4　诱导基因突变 117

4.3.5　基因转运载体 118

参考文献 120

第5章　纳米颗粒进脑的能力及神经生物学效应 123

5.1　纳米颗粒进脑的能力与途径 123

5.1.1 纳米颗粒跨越血脑屏障进脑 123

5.1.2　纳米颗粒通过嗅觉神经转运进脑 124

5.1.3　感觉神经末梢摄入纳米颗粒再转运进脑 126

5.2　纳米颗粒在脑中的迁移、输运与代谢 127

5.2.1　纳米颗粒在脑中迁移、输运与尺寸效应 127

5.2.2　纳米颗粒在脑中的化学种态 128

5.3　纳米颗粒的中枢神经毒理学效应 128

5.3.1 大气纳米颗粒物暴露与神经系统炎症反应 128

5.3.2　人造纳米颗粒暴露与神经系统损伤 129

5.3.3　神经细胞对纳米颗粒的摄入作用 132

5.4　纳米颗粒的神经细胞生物学效应 134

5.5 纳米颗粒的神经分子生物学效应——对神经生化标志物与神经递质的影响 136

5.6　纳米颗粒的其他神经生物学效应 142

5.7　纳米颗粒神经毒性的机制 143

参考文献 146

第6章　呼吸暴露纳米颗粒对心肺系统的毒理学效应 151

6.1 呼吸暴露纳米颗粒对呼吸系统的影响 151

6.1.1 纳米颗粒的体内分布及代谢 151

6.1.2 纳米颗粒穿越肺泡-毛细血管屏障的能力 152

6.1.3 纳米颗粒的肺外转运及代谢动力学 153

6.1.4　低剂量长期暴露纳米颗粒的肺部毒性 155

6.2　呼吸暴露纳米颗粒对肺部损伤的年龄差异 161

6.2.1 纳米颗粒引起肺功能生化指标变化的年龄差异 161

6.2.2　纳米颗粒引起肺组织病理学变化的年龄差异 162

6.2.3　纳米颗粒引起肺部损伤的敏感性的年龄差异 162

6.2.4 不同年龄段需要不同的毒性评价指标 163

6.3　呼吸暴露纳米颗粒对心血管系统损伤的年龄差异 164

6.3.1 纳米颗粒引起血清中组胺含量变化的年龄差异 164

6.3.2　纳米颗粒引起心肌缺氧的年龄差异 165

6.3.3 纳米颗粒引起心肌细胞损伤的年龄差异 166

6.3.4　纳米颗粒引起房室传导阻滞的年龄差异 167

6.3.5　纳米颗粒引起血液流变学变化的年龄差异 168

6.4　呼吸暴露纳米颗粒对凝血系统的影响 170

6.4.1　吸入纳米颗粒导致的氧化应激反应 170

6.4.2　吸入纳米颗粒对凝血系统的影响 171

6.4.3　纳米颗粒暴露对血管内皮系统的影响 173

参考文献 177

第7章 胃肠道摄入纳米材料的毒理学效应 181

7.1 胃肠道摄入纳米颗粒的急性毒性 182

7.2 胃肠道摄入纳米颗粒引起的离子超载 183

7.3 胃肠道摄入纳米颗粒引起的碱中毒 184

7.4　纳米颗粒超高化学反应活性决定其生物毒性 185

7.5 胃肠道摄入纳米颗粒的毒性与尺寸效应 188

7.6 胃肠道摄入纳米颗粒的毒理学效应的异常与复杂性 191

参考文献 194

第8章　纳米特性与生物效应的相关性 198

8.1　纳米尺寸对纳米毒性的影响 198

8.1.1 急性毒性中的纳米尺寸效应 198

8.1.2　观测对象器官选择影响纳米尺寸效应 201

8.1.3　毒性级别的判定与纳米尺寸效应 202

8.1.4　呼吸系统毒性的纳米尺寸效应 204

8.2　纳米结构化学效应 206

8.3　纳米表面化学 208

8.4　纳米表面化学：降低或消除纳米颗粒毒性的有效途径 210

8.5　纳米颗粒的安全剂量 217

参考文献 220

第9章　纳米毒理学的实验技术与研究方法 225

9.1　体外纳米颗粒的表征方法 225

9.1.1 纳米颗粒实验样品的预处理方法 225

9.1.2　纳米颗粒实验样品的表征方法 230

9.2　纳米颗粒体外细胞摄入和定位的检测方法 231

9.2.1　透射电镜法 231

9.2.2　元素分析法 232

9.2.3　荧光光谱法 233

9.2.4　纳米颗粒细胞摄取研究的新方法 236

9.3　纳米颗粒细胞毒性的研究方法 237

9.3.1 纳米颗粒影响细胞繁殖能力的评估方法 238

9.3.2　纳米颗粒引起细胞坏死的评估方法 238

9.3.3 纳米颗粒引起细胞凋亡的评估方法 239

9.3.4 纳米颗粒引起DNA损伤的评估方法 240

9.3.5　纳米颗粒引起氧化应激的标志物与检测方法 240

9.3.6　体外纳米毒理学新的研究技术 243

9.4　纳米颗粒体内毒性的研究方法 243

9.4.1 纳米颗粒生物分布和清除的检测方法 244

9.4.2　血液学和血清生化指标检测技术 250

9.4.3　组织学／组织病理学检测技术 251

9.4.4　体内纳米毒理学新的研究技术 254

9.4.5　新的纳米分析技术 255

9.5　现有方法学的问题和挑战 256

参考文献 259

附录　参考文献分类索引 271

炭黑纳米颗粒 272

碳纳米管 274

富勒烯 279

量子点 282

二氧化钛纳米颗粒 285

氧化锌纳米颗粒 289

铁氧化物纳米颗粒 290

铜氧化物纳米颗粒 293

铈氧化物纳米颗粒 294

金纳米颗粒 295

银纳米颗粒 296

硅及氧化硅纳米颗粒 297