Hopp til innhold

Valgte elementer er lagt i handlekurven

Gå til handlekurv
Miljø og helse - en kunnskapsbase

10. Nanopartikler

Hopp til innhold

Om nanopartikler

Nanomaterialer er en heterogen gruppe stoffer som inneholder svært små partikler (størrelse under 100 nanometer i minst én dimensjon) med ulik struktur. I dette kapitlet omtales helseeffekter av nanopartikler og nanorør (materiale i nanostørrelse i to eller tre dimensjoner) fordi disse har det største potensialet for opptak i kroppen.

Forbrukere kan bli eksponert ved bruk av produkter som frigjør nanopartikler, enten fordi partiklene ikke er fiksert i produktet eller på grunn av slitasje. Partikler under 100 nm finnes dessuten også i omgivelsene grunnet utslipp til luft fra blant annet forbrenningsprosesser (ultrafine partikler). Eksponering for ultrafine partikler (partikler i nanostørrelse) i uteluft står omtalt under Helseeffekter av svevestøv.

Nanopartikler kan produseres av en lang rekke stoffer, mye brukt er ulike metaller, metalloksider og karbon. Partikler i nanostørrelse har en betydelig større overflate i forhold til masse enn større partikler. Det er dette forholdet som gir partiklene endrete fysiske og kjemiske egenskaper som utnyttes i produkter, og kan gjøre dem  mer reaktive per vektenhet enn større strukturer av samme stoff. Dette synes godt dokumentert for både kopper, gull og titandioksid. Det er imidlertid manglende kunnskap om hvordan helse og miljøegenskaper til kjemiske stoffer påvirkes av at stoffets partikkelstørrelse er svært liten. Blant annet kan man tenke seg et høyere opptak og endret fordeling i kroppen av nanopartikler i motsetning til hva som gjelder for større partikler. Imidlertid er det usikkerhet om hvordan nanopartikler oppfører seg når de blir frigjort og kommer i kontakt med kroppens overflater.  Partiklene passerer sannsynligvis i liten grad gjennom frisk hud, og man finner liten translokasjon fra friske lunger over til blodbanen. Den store relative overflaten til nanopartikler gjøre at de har en høy tendens til å aggregere. Aggregeringstendens og binding til biologisk materiale er faktorer som vil kunne redusere biotilgjengeligheten. Langt mer kunnskap trengs for å kunne vurdere eksponering, opptak og helseeffekter av ulike typer nanopartikler; forskning har vist at det er store forskjeller på biologisk aktivitet både mellom og innen de ulike grupper av nanomaterialer som produseres. For en helserisikovurdering er det derfor viktig å vite omfanget av produksjonen, import, bruk, bearbeiding, avfallshåndtering (avhending) og tilhørende karakterisering av eksponeringen og partiklenes egenskaper.

Nanomaterialer er underlagt eksisterende regelverk for kontroll med skadelige kjemiske stoffer, også innenfor REACH, og er avhengig av hva slags produkttyper de inngår i (legemidler, industrikjemikalier, kosmetikk, mat).

Eksponering

Mennesker kan eksponeres for nanopartikler enten via arbeidsmiljøet, via omgivelsene (luft, mat, vann) eller ved bruk av forbrukerprodukter. Eksponering for nanopartikler antas i dag generelt å være lav, men den kan være betydelig i enkelte typer arbeidsatmosfærer. Det er viktig at kontrollrutiner og beskyttelsesutstyr også er effektive for svært små partikler. Det er utgitt enrapport fra Statens arbeidsmiljøinstitutt [1] , som omhandler nanopartikler i arbeidsmiljøet. Eksponering via utslipp av produserte nanopartikler til omgivelsene ansees per i dag å være lav, men antas å øke med den store satsningen i mange land på nyskapning ved hjelp av nanoteknologi.

De siste årene har det vært en økning i antallet forbrukerprodukter med innhold av nanopartikler. Et amerikansk kartleggingsprosjekt ”The Project on Emerging Nanotechnologies” (samarbeidsprosjekt mellom Woodrow Wilson International Center for Scholars and the Pew Charitable Trusts) har opprettet en database med informasjon om forbrukerprodukter med innhold av nanopartikler som oppdateres jevnlig.

Databasen hadde per mars 2011 registrert over 1300 produkter. Dette er en økning på nesten 521 % (fra 212 til 1317 produkter) siden databasen ble opprettet i mars 2006. Over halvparten av disse produktene sorterer under kategorien ”personlig pleie og sportsartikler” og inkluderer blant annet kosmetiske produkter, klær (smussavvisende egenskaper), sportsartikler (materialforsterkning) og solkrem. Blant produkter i kategorien ”hus og hage” dominerer produkter for rengjøring/overflatebehandling inkludert malingsprodukter. Videre tyder kartleggingen på at det er et relativt begrenset antall typer av nanopartikler som benyttes i forbrukerprodukter, men det er viktig å være klar over at selv små modifikasjoner av disse partiklene kan endre deres fysisk-kjemiske egenskaper og dermed deres biologiske reaktivitet. De dominerende nanomaterialene i forbrukerprodukterer sølv, karbon, sink/sinkoksid, silisiumdioksid, titan/titandioksid og gull .

Man kan eksponeres for nanopartikler via innånding, hud, eller via mat-/væskeinntak. Selv om nanopartikler benyttes til produksjon av et materiale, vil det i mange tilfeller ikke være partikler i fri form i det ferdige produktet, men være bundet i ulike matrikser. Detter gjelder f.eks. for billakk, der partiklene er fiksert og eventuell eksponering er dermed svært liten. Ettersom det er frie nanopartikler som kan tenkes å trenge inn i kroppen, vil potensiell helsefare være avhengig av i hvilken form nanopartiklene finnes i de enkelte produktene. Størst potensial for eksponering av forbrukere antas foreløpig å være forbundet med nanopartikler som er suspendert i væske. Nanopartikler i løsning forekommer i kosmetikk, solkrem og i midler til overflatebehandling og rengjøring. Den videre skjebnen til frigjorte partikler er blant annet avhengig av partiklenes stabilitet og deres evne til å passere fysiologiske barrierer. Opptak gjennom hud kan tenkes å være høyere i skadet eller i solbrent hud enn i intakt hud. Studier av titandioksid antyder at opptak av nanopartikler ned til 20 nm størrelse er svært lavt gjennom uskadet hud (se under ”Risikokarakterisering – metalloksider”). Opptak via inhalasjon er spesielt aktuelt for sprayprodukter. I arbeidsmiljø og i forurenset byluft kan også inhalasjon være en viktig eksponeringsrute.

Nanopartikler er gjenfunnet i lunger, lever, blod, milt, hjerte og hjerne etter inhalering eller injeksjon i dyr. Dette tyder på at nanopartikler kan trenge gjennom biologiske barrierer. I tillegg finnes indikasjoner på at enkelte nanopartikler ikke brytes ned, men akkumuleres i kroppen, spesielt i lever, lunge og milt, og kan ha halveringstid på flere uker eller måneder. Ifølge Vitenskapskomiteen for mattrygghet (VKM) er det betydelige utfordringer med å risikovurdere bruk av nanomaterialer på blant annet kosmetikkområdet grunnet mangel på data og store kunnskapshull. Det pågår en omfattende prosess internasjonalt med å utarbeide retningslinjer og metodiske verktøy for å kunne gjøre helse- og miljørisikovurderinger av nanomaterialer på mat-, fôr- og kosmetikkområdet. Hovedoppfatningen foreløpig er at eksisterende metodikk for risikovurdering kan anvendes, men at vurderingene må gjøres fra sak til sak og at mangelen på nødvendig kunnskap og data om effekter av stoffene er stor.

For kosmetikk vil den viktigste eksponeringsveien være opptak via hud, mens tannpleie kan gi opptak via munnen, og opptak via øyet kan også være aktuelt. Dyreforsøk har påvist hudopptak for karbon-nanopartikler og krystaller av halvledermaterialer (CdSe), mens tester av nano-titandioksid ikke indikerer passasje. Dette feltet er fortsatt i stor grad ukjent og må undersøkes nærmere, også med tanke på skadet hud.

For produkter med nanopartikler, som ikke brukes i direkte kontakt med mat eller hud, regnes innånding som den viktigste eksponeringsveien. Det gjøres mye forskningen på opptak av nanopartikler via luftveiene. Det er vist at nanopartikler kan trekkes dypt inn i lungene. Det antas at en forholdvis liten andel av inhalerte nanopartikler kan passere over fra lungene til blodbanen. De aller minste nanopartiklene, mindre enn 10 nm, avsettes imidlertid hovedsakelig i øvre deler av luftveiene. Det finnes få studier som berører opptak av nanomaterialer fra mage–tarmkanalen, men det er vist at enkelte partikler kan tas opp.

Forsøk med inhalering eller injeksjon av nanopartikler i dyr har vist at partikler kan spres til organer som lever, milt, benmarg og hjerne. Blodet er trolig den viktigste transportkanalen for dette. Blod–hjerne-barrieren hindrer overføring av mange fremmedstoffer i blodet til hjernen, men det finnes indikasjoner på at nanopartikler kan passere barrieren.

Nanopartikler kan til en viss grad passere over ulike membraner i cellene og reagere med subcellulære strukturer. I laboratorieeksperimenter er nanopartikler funnet på utsiden av cellemembranen, i cytoplasma, i mitokondrier, i lipidvesikler, på cellekjernemembranen samt i cellekjernen, men i hvor stor grad dette skjer er fortsatt usikkert.. Den vanligste veien for opptak av fremmedlegemer er fagocytose, endocytose og pinocytose (”celle-spising”), som medfører at fremmedlegemet blir innkapslet og lite tilgjengelig. Funn av nanogull og titandioksid i røde blodlegemer viser imidlertid at nanopartikler også kan trenge inn på andre måter som kan gjøre dem mer tilgjengelige. Evnen til å passere membraner er avhengig av partikkelstørrelsen og overflateegenskaper. Partikler mindre enn 5 nm passerer membraner mest effektivt.

Luftveiene kan tjene som illustrasjon på om kroppens mekanismer for å eliminere fremmedstoffer er effektive mot nanopartikler (se nedenfor). I tillegg til at stoffer kan sperres ute eller transporteres ut, kan de brytes ned av ulike motstandsceller, som makrofager. Eksperimenter tyder på at nanopartikler i mindre grad aktiverer respons fra makrofager enn større partikler. Dette innebærer at graden av aggregering har betydning. Et mulig unntak her er karbon-nanorør, som kan aktivere makrofager i lungene ved såkalt frustrert fagocytose på lignende vis som asbestfibre, og kan dermed medføre betennelsesreaksjoner i lungevev.

Helseeffekter

En mulig mekanisme for nanopartiklers helseeffekter er at de kan forårsake oksidativt stress dersom de blir tatt opp i kroppen. Dette kan skade både cellemembraner, proteiner og DNA. Eventuell skade av DNA kan dernest være årsak til mutasjoner. Skader av slike viktige komponenter i cellene kan i neste omgang forårsake helseskader som også er kjent fra annen miljøforurensning:

Luftveislidelser: Flere eksperimentelle studier viser at nanopartikler/ultrafine partikler kan forårsake betennelsesreaksjoner i luftveiene. Nanopartikler av titandioksid (TiO2) forårsaker mer lungeskade enn større partikler av TiO2. Studier med inhalasjon av karbon-nanorør viser også effekten av størrelse. Fraksjoner av lengre fibre fanges opp og fjernes gjennom flimmerhårs- og slimtransport, mens kortere rør forblir i lengre tid nede i lungene. Av disse blir de korteste fraksjonene enklere brutt ned av makrofager enn de lengre. Noen størrelsesfraksjoner av karbon-nanorør rør kan akkumuleres, og forskning antyder at disse kan gi opphav til liknende betennelsesskade som asbest. Det er foreslått at opphoping av partikler og utvikling av arrvev kan skade gassutvekslingen mellom lunger og blod, og dermed belaste sirkulasjonssystemet.

Hjerte-karlidelser: Nanopartikler kan passere over i blodomløpet fra luftveiene, trolig også fra mage-tarmkanalen og gjennom huden. Det er imidlertid meget usikkert i hvor stor grad dette skjer. Nanopartikler er funnet i hjertet, og dessuten i organer som lever, milt og i hjerne. Det er foreslått at nanopartikler kan påvirke koaguleringen og dermed forårsake avleiringer i blodårene. Dessuten er det mulig at en stor mengde nanopartikler i luftveiene kan belaste sirkulasjonssystemet. Utover dette finnes det lite kunnskap om effekter av nanopartikler på disse organene.

Immunologiske sykdommer (redusert immunforsvar, allergier, autoimmune sykdommer): Forekomst av nanopartikler i beinmarg er foreslått å kunne gi opphav til effekter på immunceller og bloddannelse. Eksempelvis er det studier som tyder på at nanorør kan forverre allergiske responser, og blant annet kan de ha en rolle som bærere av allergener. På den annen side er det indikasjoner på at modifiserte karbon-partikler (60C-fullerener) kan ha en gunstig effekt ved å redusere frigjørelse av betennelsesfremmende stoffer fra mastceller. I en musestudie ga inhalasjon av flerveggede nanorør ikke betennelse i lungene, men en generell reduksjon i systemiske immunresponser, noe som kan ha betydning for forsvaret mot mikroorganismer. Reaksjoner mellom partikler og proteiner kan føre til en endring av immunsvaret, som f.eks. aktivering av komplementsystemet. Om nanopartikler i relevante eksponeringer forstyrrer immunsystemet er lite klarlagt, og mer forskning trengs på området.

Skader på arvemateriale: Det vites lite om hvorvidt nanopartikler kan være kreftfremkallende, men siden partikler er gjenfunnet i cellekjernen, er det grunn til å følge med på om de også kan påvirke systemer involvert i celledeling. Nano-titandioksid er klassifisert som et mulig karsinogen (IARC 2007). En slik effekt kan eventuelt både skyldes stoffets direkte virkning på DNA, eller det kan være en indirekte effekt gjennom dannelse av reaktive oksygenforbindelser eller overbelastning av makrofager. Positivt ladete karbon-nanorør er funnet å påvirke kondensering av DNA.

Placentabarriæren: Dyrestudier har vist at nanopartikler kan spre seg fra mor til foster gjennom placentabarriæren, men passasjen er avhengig av partiklenes størrelse og overflateegenskaper. Eksponeringen i disse dyreforsøkene indikerte at nanopartikler kan medføre toksiske skader på fosteret og forstyrre fosterutviklingen, men det er ikke vist med sikkerhet at nanopartikler har skadet foster hos mennesker [3]. Forsøk på gravide mødre har vist at fluorescerende polystyren nanopartikler kan krysse placentabarriæren og nå fosterets blodsirkulasjon. De molekylære mekanismene for denne passasjen over placentabarriæren til foster i dyr eller mennesker, samt mulige helsemessige konsekvenser, er lite kjent, og flere forskningsstudier er nødvendig for å kartlegge dette.

Nevrologiske effekter: Kunnskap om nanomaterialers effekt på nervesystemet er også svært mangelfull, men noe forskning pågår. Eksperimentelle forsøk i dyr har blant annet vist at betennelsesprosesser kan forstyrre integriteten til blod-hjernebarriæren og dermed bidra til å øke passasjen av nanopartikler til hjernen. Laboratorieforsøk i gnagere indikerer at nanopartikler kan tas opp i hjernen ved innånding og gi skade f.eks. i områder assosiert med kognitive funksjoner (hukommelse og læring).

Risikokarakterisering

Nåværende utfordringer ved risikokarakterisering av nanopartikler skyldes usikkerheter rundt eksponeringsforhold, opptak, fordeling og utskillelse, samt store ulikheter i størrelse, form og overflateegenskaper, og dermed hvordan de oppfører seg i kroppen. I tillegg er det fortsatt relativt få studier av langtidseffekter av eksponering og om slike effekter skiller seg i natur fra effekter utløst av større partikler. Det er pågående prosjekter innen blant annet EU og OECD med det formål å bedre grunnlaget for risikovurderinger av eksponering for nanomaterialer med påfølgende initiativer rettet både mot regelverk og forskning.

For eksponering er tilgjengelighet og stabilitet viktige faktorer. Ustabile partikler vil i stor grad løses opp til molekyler med kjent oppførsel/toksisitet. Størst mulighet for ”nye” helseeffekter antar man kan komme fra bruk av produkter som inneholder relativt stabile nanopartikler. Blant de mer stabile nanopartikler regnes partikler av titandioksid, karbon, metaller og halvledermaterialer. En tilleggsutfordring er å få korrekt informasjon fra produsenter om type og mengde nanopartikler som inngår i ulike produkter. En faktor som bidrar til problemer med å vurdere opptak, fordeling og utskillelse av nanopartikler er at tradisjonelle testmetoder (14C-merking) for å identifisere fremmedstoffer i kroppen er lite egnet for nanopartikler. Videre angir man normalt dose (f.eks. null-effekt-dose) som vektmengde stoff. Det er imidlertid sannsynlig at dette ikke er noe egnet dosemål for nanopartikler på grunn av deres store overflate i forhold til vekt. Et alternativ er å se på overflatearealet, da det er indikasjoner på at denne faktoren er assosiert med effekter i biologiske systemer.

Nedenfor følger en kort omtale av noen av de vanligste gruppene av nanopartikler.

Metaller

Oppløsninger av sølv har tidligere vært utbredt som antibakterielt middel, men bruken opphørte da man ble kjent med tilsvarende skadevirkninger som for andre tungmetaller. De senere årene er det blitt en sterk økning i bruk av nanopartikler av sølv i en rekke produkter som tekstiler, medisinske applikasjoner som f.eks. plaster, og kjøleskap. I noen produkter er det frigivelse av sølvioner som gir den bakteriehemmende effekten. Mens toksisiteten til sølvioner er godt kjent, er det større usikkerhet knyttet til eventuell toksisitet av nanopartikler av sølv. Nanosølv skader bakterieceller og enzymene bakteriene benytter til transport av næringsstoffer. En bekymring i forhold til utbredt bruk av nanosølv er fare for bakteriell resistensutvikling. Som bakteriehemmende middel ansees sølv som et biocid, og det vil foretas en risikovurdering i EU i forbindelse med den pågående evalueringen av eksisterende biocider (se også 08. Kjemikalier - Biocider og biociddirektivet).

Metalloksider

For flere metalloksider, som i normal form ikke ansees å være særlig helseskadelige, er det holdepunkter for at de har større toksisitet i nanoform. Nanopartikler av både sinkoksid (ZnO), titandioksid (TiO2) og silisiumdioksid (SiO2) er vist å gi betennelsesreaksjoner i lungevev, og de viser større reaktivitet når de blir utsatt for sollys. Reaktiviteten er satt i sammenheng med oksidativt stress. Studier av antibakteriell effekt tyder på at ZnO har sterkest virkning, etterfulgt av TiO2. Metalloksider er lite løselige og derfor stabile mot nedbrytning. Enkelte rapporter foreslår likevel at skade ved ZnO ikke må tilskrives nanopartikler, men at effektene delvis skyldes at ZnO løses og danner frie sinkioner. Uoppløste metalloksider vil som regel danne aggregater, noe som kan redusere reaktivitet og mobilitet. Det er gode holdepunkter for at overflateeffekter kommer av redusert partikkelstørrelse, både for ZnO og TiO2. Derimot tyder undersøkelser på at ceriumoksid i nanoform ikke har høyere toksisitet enn annen ceriumoksid.

Titandioksid i nanoform absorberer UV-lys og katalyserer kjemiske reaksjoner i kombinasjon med UV-lys. Denne egenskapen utnyttes bl.a. i solkrem og i selvrengjørende vinduer. Titandioksid er vurdert av EUs Vitenskapelige komité for forbrukerprodukter (SCCP) til å kunne benyttes som solfilter i en konsentrasjon opp til 25 %, uansett partikkelstørrelse. Prosjektet Nanoderm ”Quality of skin as a barrier to ultrafine particles”, har studert hudopptak av TiO2 i ulike former, inkludert opptak fra solkrem. I prosjektrapporten konkluderes det med at opptaket via huden er svært lav og at man ikke forventer noen uønskede helseeffekter fra solkrem brukt på uskadet hud. Hudens hornlag synes å være en effektiv barriere mot opptak av TiO2-partikler. Imidlertid kan lokale effekter av TiO2-partikler påført skadet hud ikke utelukkes.

Karbonpartikler

Fullerener: Rent karbon forekommer normalt i form av grafitt eller diamant. I 1985 fremstilte forskere en ny form for karbon, 60C-fulleren. Fullerener er hule, fotballiknende molekyler med en overflate oppbygd av femkanter og sekskanter. Fullerener anvendes blant annet i katalysatorer, i dekk og i bygningsmaterialer og i smøremidler. Fullerener finnes i mange versjoner, og funn fra toksikologiske studier spriker. Ulike derivater der andre molekylgrupper er bundet til overflaten har vist seg å gi celleskade i ulike typer celler, fra bakterier til celler fra høyerestående organismer. Slik skade er antatt å ha sammenheng med oksidativt stress.

Karbon-nanorør: Karbon-nanorør lages i forskjellige former (f.eks. lange, korte, enkeltveggede og flerveggede). De har blant annet langt høyere trekkstyrke enn stål, og benyttes i en lang rekke produkter som elektronikk, komponent i sterke komposittmaterialer og i lette karrosserideler til biler og fly. Det finnes indikasjoner på at enkeltveggede karbon-nanorør kan forårsake lungerelaterte skader i lavere doser enn kvartsstøv (omtalt under ”Helseeffekter”). Karbon-nanorør med positiv overflateladning er påvist å trekke til seg DNA-tråder. Dette gir grunn til å undersøke om karbon-nanorør kan forstyrre proteinsyntese og andre cellebiologiske prosesser.

Referanser

  1. Johnsen H, et. al. (2010). Miljøgifter og nanomaterialer i arbeidsmiljøet. Statens arbeidsmiljøinstitutt.[internett], STAMI-Rapport 11 Nr. 5.
  2. Kulvietis V, Zalgeviciene V, Didziapetriene J, Rotomskis R. Transport of nanoparticles through the placental barrier. Tohoku J Exp Med 2011; 225: 225-34.