納米銀材料的安全性評價與管理規范現狀初探

許海燕，郭　花

(中國醫學科學院基礎醫學研究所，北京協和醫學院基礎學院，北京 100005)

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納米銀材料的安全性評價與管理規范現狀初探

許海燕，郭花

(中國醫學科學院基礎醫學研究所，北京協和醫學院基礎學院，北京 100005)

摘要：納米銀具有顯著優于銀離子化合物的殺菌性能，近年來，產業界和學術界在利用納米銀提高生物醫藥、電子、家用產品的抗菌性能方面進行了廣泛的探索和開發。隨著納米銀生產數量的增加和各種醫用與日用產品進入市場，人們接觸納米銀的機會也隨之增多，納米銀對于健康、環境和安全的影響受到了學術界及政府管理機構的密切關注。納米銀的生物安全性、臨床應用必要性和有效性、在產品中的結合方式與結合穩定性的檢測與評價標準、以及含納米銀醫療器械的管理規范是需要認真而慎重考慮的關鍵問題。概要介紹了納米銀的毒理學研究進展，總結和評述了國際上對于納米銀及其他納米材料用于生物醫藥和日常生活用品的安全性評價標準和監管政策現狀。

關鍵詞：納米銀；毒理；標準；監管

1前言

大塊銀單質材料表面具有抑菌性質早已為人共識，其機理是位于材料表面的銀原子被環境中的氧氣緩慢氧化而釋放出銀離子(Ag+)，這些銀離子通過與細菌壁上巰基結合，阻斷細菌的呼吸鏈，最終殺死附著在材料表面的細菌。基于上述原理，銀鹽化合物在臨床上被用于創傷表面的抗感染，如磺胺嘧啶銀(盡管如此，銀離子對人體的長期毒副作用也并不清楚)。“納米銀”是“銀納米顆粒”的俗稱，指由銀原子組成的單質銀顆粒，其粒徑通常在1~100 nm范圍。與大塊銀單質材料相同，納米銀表面也會被氧化而釋放出銀離子；但其不同之處在于納米銀表面銀離子的釋放速率與數量顯著高于大塊銀單質材料;此外，納米銀可以通過內吞途徑以顆粒形式進入細胞并持續釋放銀離子。因此，納米銀不僅可以通過其表面釋放的銀離子對細胞膜造成直接損傷，而且可以在細胞內發揮作用，因此具有明確的抗菌性和細胞毒性。

近些年來，以醫學應用為目標對納米銀的開發與應用主要包括創面的防感染、慢性炎癥相關的抗菌治療、以及抗病毒的治療；相關產品的應用形式涉及敷料、凝膠、栓劑和洗液等;納米銀作為抗菌組分，以物理吸附的方式與產品的其他組份相結合。嚴重燒傷或創傷的創面通常會有大量的滲出液，引起嚴重的細菌感染而影響創面的愈合。含有納米銀的敷料和凝膠類產品的預期作用是有效吸收滲出液，同時，敷料中的納米銀通過釋放銀離子而將吸收到敷料中的細菌殺死，使創面周圍形成無菌微環境，從而達到促進創面愈合的目的。但是，納米銀一旦從敷料或凝膠中脫落而進入體內，則會帶來安全風險。當納米銀作為抗菌治療產品的組份之一與粘膜組織直接接觸時，則會穿過粘膜屏障而進入體內。此外，銀是機體難以代謝的重金屬，在體內的蓄積也是值得重視的問題。因此，納米銀的生物安全性及檢測和評價的標準與規范管理是產品研發中需要考慮的關鍵問題。本文結合納米銀的抗菌性和細胞毒性，重點對納米銀的標準化工作和監管政策的現狀進行綜合評述。

2納米銀的毒理學研究現狀

納米銀的細胞毒性主要表現為誘導細胞凋亡或壞死，其作用機制包括：①無論是納米銀本身還是其表面的銀離子均可作用于細胞膜的膜蛋白，激活信號轉導通路，抑制細胞增殖[1-3]；②通過顆粒表面的高濃度銀離子對細胞膜的氧化作用而引起細胞膜通透性改變，導致鈣離子內流和過載，引起氧化應激和線粒體膜改變[4]；③進入細胞內的納米銀釋放銀離子，通過作用于線粒體而引起呼吸鏈功能受損，導致ROS產生，引起氧化應激和ATP合成障礙，導致DNA損傷[5]；④胞漿內的納米銀引起細胞周期阻滯，引起細胞凋亡[6]；⑤納米銀通過吸附蛋白分子而引起多種蛋白的結構改變，如抑制腦和肌肉細胞內肌酸激酶活性[7]；⑥由于胞漿內的納米銀持續釋放銀離子，導致其所引起的DNA損傷不能被完全修復[8]。

在嚴重的燒傷和創傷情況下，皮下組織會與敷料或凝膠等醫療產品直接接觸，納米銀有可能從產品中游離出來而進入循環血液；而抗菌治療產品通常需要與粘膜直接接觸。因此對納米銀毒理學的研究通常選擇皮下、靜脈、呼吸或口服的暴露途徑。在劑量選擇上，為達到毒性反應的最大暴露，需要選擇高劑量水平的暴露程度，并考慮單次或者重復暴露的情況。

動物體內的研究結果表明，無論以何種暴露途徑，納米銀都會導致各器官和組織中銀元素水平的顯著上升，且蓄積可長達數月；特別是在主要蓄積在動物肝、脾、肺、腎中[9-12]，造成明顯的肝、腎毒性和免疫毒性。例如：尾靜脈注射納米銀會導致小鼠肝細胞DNA氧化損傷，引起明顯的肝毒性[13]；皮下單次注射低劑量納米銀即可引起小鼠血清中補體活化，導致腎細胞形態的改變和腎小球通透性的損傷[14]。與此同時，納米銀也會引起動物的免疫毒性反應，包括淋巴細胞增殖受到抑制、功能降低；過敏性分子的水平升高；與炎癥和組織損傷相關的基因均上調，并引發氧化應激反應和炎癥[15]。

納米銀可以跨越血睪和胎盤屏障，在小鼠胚胎和睪丸里聚集，造成明確的生殖系統毒性和遺傳毒性，如：使血清和睪丸內的睪丸素水平明顯增加，睪丸上皮細胞形態和睪丸間質細胞大小都有明顯的改變[16]；引起胚胎細胞的DNA缺失、骨髓細胞不可逆轉的染色體損傷、外周血或骨髓細胞中DNA雙鏈斷開和氧化損傷，進而導致基因序列的不穩定[17]。口服納米銀還會增加胚胎小鼠的致死率以及顯著影響果蠅發育過程[18]。納米銀的遺傳毒性也受到關注，體內血液微核實驗和肝臟彗星實驗均有陽性結果報道。在植物和動物實驗中均發現有嚴重的DNA損傷現象[19-20]。此外，納米銀可以跨越血腦屏障，引起明顯的中樞神經毒性[21]。

3國內外監管現狀

國家食品藥品監督管理總局在含納米銀產品的相關安全性評價及管理規范方面做出了積極和不懈的努力，開展了大量的研究工作，一系列監管文件的制定工作正在進行中。美國食品藥品監督管理局(FDA)對應用納米技術的產品，特別是涉及公眾生活和健康的產品，一貫持十分嚴謹的監管政策。2014年6月FDA發出系列文件，闡述其對所監管的涉及納米技術應用的產品的態度，并對工業界給予指南。在“如何界定FDA監管產品是否涉及納米技術的應用”這份指南中[22]，FDA提出了重要的框架，要求企業明確回答兩個問題：①人造材料或終產品是否有至少一個外部或者內部或者表面結構處于納米尺寸范圍(大約1~100 nm)？②人造材料或終產品是否表現出具有依賴于材料尺寸的物理、化學或生物學性質？這種尺寸依賴性可以超出納米尺度，達到1 000 nm。如果任意一點成立，則要求企業必須考慮評價產品的安全性、有效性和產品對公共健康的影響，以及產品是否充分闡明了其獨特的性質和行為。FDA特別強調了敦促企業在產品設計和研發的初期就與FDA相關專家交流溝通，討論需要證實產品安全性的測試方法和數據，包括短期毒性和其他長期毒性數據。

迄今，FDA尚未對含有納米銀的醫療器械產品給出專門的安全性評價指南，但是，在關于含納米材料的化妝品的安全性評價指南中[23]，FDA明確指出：與具有相同化學組成但更大尺度的材料相比，納米材料的較小粒徑能改變材料的分布和生物利用度。小尺寸增加了顆粒的表面積/質量比，從而導致生物分子相互作用的增加。此外, 材料的攝取、吸收和生物分布可能會發生改變，導致潛在的全身性接觸。在關于評估化妝品內納米材料安全性的幾點意見中，FDA要求：關于納米材料表征，應該通過全面描述納米材料性質和檢測各種物理、化學性質，以及檢測雜質(如果存在)來評估安全性。可通過了解接觸途徑、攝取、吸收和毒性測試而得知化妝品內納米材料的毒理學和吸收、分布、代謝和排出。此外, 在確定傳統檢測方法對含納米材料化妝品毒性測試的適用性時，應充分考慮納米材料所有的獨特性質和生物學活性。根據需要，應改善傳統毒性測試方法或開發新方法，從而評價可能影響納米材料毒性的關鍵化學和物理性質以及這些性質對化妝品配方功能的影響。毒理學測試應包括主要成分和雜質的毒性、體外和體內劑量測定的毒性研究(如果需要)、臨床測試(如有必要)、毒物動力學和毒效學。所有的數據和信息應確保使用條件下的產品的安全性。在指南納米材料表征、物理與化學特性、雜質、以及接觸途徑、吸收和攝取、毒性測試等方面都給出了非常全面和嚴格的要求與提示。但是，FDA也強調了目前在技術和方法方面對于監管產品中納米材料檢測與毒性測試的局限性。FDA對于新技術和新的檢測方法的開發一直十分重視，期望圍繞納米材料的發展不斷研發新的測試方法[24-25]。

隨著納米銀毒理學研究的不斷進展，含納米銀醫療器械的監管面臨諸多技術方面的挑戰。納米銀以劑量依賴的方式表現出明確的細胞、器官、生殖和遺傳、以及神經毒性；但由于技術手段的局限性，納米銀中長期的遺傳和生殖毒性、中樞神經毒性等還難以清晰地分析與評價。因此，醫療產品中納米銀是否游離出來而進入體內是其安全應用的關鍵，亟需建立相應的檢測方法和標準。美國 FDA于 2015 年通過了 Roosin Silver Calcium Alginate Dressing 510(K) 文件[26]，其產品描述為由古羅糖酸鈣和銀顆粒(未給出粒徑)組成的無紡布墊，用于吸收中度到高度燒傷創面滲出液。產品明確指出滲出液被無紡布墊吸入，古羅糖酸鈣吸收水分后形成凝膠，將滲出液鎖住在凝膠中，由此防止銀顆粒通過創面進入體內。滲出液中的細菌則被無紡布中銀顆粒所釋放的銀離子殺死。但是，對于一位美國醫生推薦并銷售未經美國FDA批準的納米銀產品用于治療埃博拉，美國FDA、世界衛生組織WHO和美國CDC等多家機構表明了對未獲得FDA批準的納米銀產品用于埃博拉病毒臨床的反對態度。FDA認為納米銀作為埃博拉治療制劑使用違反了FDA條例[27]。上述文件和案例也體現了FDA對于以公眾醫療為目標的納米技術產品所持的審慎研判態度。此外，含納米銀醫療產品的應用需要針對對于不同人群和不同的情況做相應的考慮。對于嬰幼兒、青少年、適齡孕產婦女、以及大多數健康人群，納米銀的暴露有可能帶來長期潛在的健康風險，而對于重大危險事件造成的面臨生死的嚴重創傷，以及老年糖尿病患足、褥瘡等，搶救生命、改善生存質量應是優先的考慮。

與此同時，納米銀的產量不斷增加及相關產品的不斷開發，也引起學術界的討論。雖然納米銀幾乎可以殺死任何種類的細菌，但是大量的納米銀進入人類生活環境，其對于水生動植物的影響以及對人類的長遠影響值得關注，納米銀相關產品的開發應該以更加成熟和負責的方式進行[28]。

4結語

目前，在醫療產品中納米銀的相關測試方面還面臨諸多技術挑戰；此外，由于納米銀的小尺寸特性和化學反應性，傳統的分析檢測方法有可能產生假陽性或者假陰性結果；同時，也缺乏合適的動物模型來準確評價納米銀的長期、慢性風險與隱患。迄今，各國FDA及衛生組織與機構均未發布納米銀及含納米銀產品的安全性評價指南和技術規范，關于納米銀及其各種復合形式材料的動物體內毒理學和環境毒理學的研究正在廣泛進行。未來應開展多方合作，不斷研究和發展新的科學檢測技術，建立高質量、高水準的檢測方法和生物安全性評價方法。

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(編輯蓋少飛)

納米金剛石的改性及其在催化反應中的應用研究取得進展

在傳統工業催化領域中，金屬基催化材料占據主導地位，但是其不可再生性以及對環境的污染性是金屬材料潛在的弱點。如何開發出具有可替代性的綠色能源催化劑是近些年來研究的熱點與重點。納米金剛石是一類sp3雜化的非金屬碳材料，通過簡單控制煅燒溫度(900~1 500 ℃)，可得到巴基型納米金剛石(sp2/sp3雜化)和洋蔥碳(sp2)兩種延伸性碳材料。納米金剛石表面含有一定量的sp2雜化碳，這一獨特的sp2/sp3結構使得納米金剛石及其衍生物有著比傳統碳材料更獨特的物理化學性質。

中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯合)實驗室催化材料研究部研究員蘇黨生及其團隊將其應用到催化領域中，發現在一些重要的工業催化反應中表現出可比擬傳統金屬催化劑的優異性能。例如洋蔥碳在液相酚類選擇性氧化制醌類反應中表現出優異的催化活性與穩定性。近期他們又相繼發現對這三類材料進行雜原子(包括N、B、P等)調控可以有效改變其電子結構和化學性質，優化自身結構，并進一步提高催化反應的性能和擴大非金屬催化劑的應用范圍。研究表明硼酸鹽與磷酸鹽改性的巴基型納米金剛石在氣相丙烷氧化脫氫反應中雜原子基團通過覆蓋結構缺陷位，抑制親電氧物種的形成從而提高目標產物丙烯的選擇性。此外，硼、氮以及磷改性的洋蔥碳作為非金屬催化劑甚至在電催化氧還原反應中表現出比商業Pt/C更好的抗甲醇性與穩定性。不僅如此，利用巴基型納米金剛石獨特的核殼結構在固定Pd納米顆粒以及在提高CO催化氧化反應中同樣起到重要的作用。不同于sp2雜化的碳材料，sp3雜化的碳材料在催化應用中尚屬于開始階段，催化材料研究部的相關工作屬于國際領先，得到很多國際同行的關注，相關工作已發表在：ACSCatalysis5(2015) 5921、ACSCatalysis5(2015) 2436、ChemicalCommunications51(2015) 9145、ChemicalCommunications51(2015) 13086、JournalofMaterialsChemistryA3(2015) 21805、JournalofMaterialsChemistryA3(2015)DOI: 10.1039/C5TA09539E、ChemSusChem8(2015) 2872、ChemCatChem7(2015) 2840、AngewandteChemieInternationalEdition(2015) DOI:10.1002/anie.201507821。該工作已申請專利一項，專利號：201510154630.9。

From http://www.cas.cn/syky/201601/t20160115_4518760.shtml

Current Status of the Safety Evaluation and Regulation forNanosilver-Containing Materials

XU Haiyan，GUO Hua

(Institute of Basic Medical Sciences, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100005, China)

Abstract：The nanosilver has been widely explored for being used as a powerful antibacterial agent in medical healthcare, electronic and household products due to its much stronger antimicrobial performance than conventional silver compounds. Meanwhile, the increasing exposure of nanosilver raises the serious concern with impacts upon the health, safety, and environment of the nanosilver-containing products. In the development of nanosilver-containing products, the bio-safety, necessity and effectiveness in clinical practices, and standardization and regulation should be carefully considered. In this article, the antimicrobial mechanism and the research progress in nanosilver toxicology were introduced. The standardization for physicochemical characterization and safety evaluation for nanomaterials as well as the regulation were addressed.

Key words：nanosilver；toxicology；standardization；regulation

中圖分類號：R114

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3692(2016)01-0036-04

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.01.05

基金項目：國家重大科學研究計劃項目(2011CB933504)

收稿日期：2015-07-28

第一作者：許海燕，女，1962年生，教授，博士生導師，Email：xuhy@pumc.edu.cn