材料表征与纳米农药毒性关系研究进展_曹国发.pdf

山东化工收稿日期:20220914作者简介:曹国发，在读硕士，研究方向为纳米农药。通信作者:王玉邦，教授，研究方向为内分泌毒理学。材料表征与纳米农药毒性关系研究进展曹国发1，徐源1，王言之2，孙香莹1，环飞1，3，张静姝1，3，王玉邦1，3*(1南京医科大学 公共卫生学院，江苏 南京211166;2南京医科大学 第一临床医学院，江苏 南京211166;3江苏省医药农药兽药安全性评价与研究中心，江苏 南京211166)摘要:纳米材料因具备比表面积大、表面活性高等独特的物理化学性质而成为农业领域的应用热点。在正式推广纳米农药产品之前，纳米材料可能存在的健康危害以及纳米农药的风险评估问题有待解决。在此基础上，纳米颗粒的尺寸、形状、表面电荷等表征对农药吸附性、利用度乃至毒性的影响得到关注。本综述旨在总结不同物理化学表征对体外和体内模型毒性的研究概况，深入分析纳米农药与表征相关的健康风险，以便为将来的纳米农药研究和安全性评价提供一定参考。关键词:表征;毒性机制;纳米农药;纳米材料中图分类号:TQ45文献标识码:A文章编号:1008021X(2023)03013403esearch Progress on the elationship Between Material Characterizationand Nanopesticide ToxicityCao Guofa1，Xu Yuan1，Wang Yanzhi2，Sun Xiangying1，Huan Fei1，3，Zhang Jingshu1，3，Wang Yubang1，3*(1School of Public Health，Nanjing Medical University，Nanjing211166，China;2First Clinical Medical College，Nanjing Medical University，Nanjing211166，China;3Safety Assessment and esearch Center for Drug，Pesticide and Veterinary Drug of Jiangsu Province，Nanjing211166，China)Abstract:Nano materials have become a hot spot in the field of agriculture because of their unique physical and chemicalproperties such as large specific surface area and high surface activityBefore the formal promotion of nano pesticide products，thepossible health hazards of nano materials and the risk assessment of nano pesticides need to be solvedOn this basis，the influenceof the size，shape and surface charge of nanoparticles on the adsorption，availability and toxicity of pesticides has been paidattention toThe purpose of this review is to summarize the research overview of the toxicity of different physical and chemicalcharacterization on in vitro and in vivo models，and deeply analyze the health risks related to nano pesticides and characterization，so as to provide some reference for the future research and safety evaluation of nano pesticidesKey words:characterization;biological effect;nanopesticide;nanomaterials农药技术和工程纳米技术的实质性进步为新型纳米产品的生产提供了契机，在提升农药利用率、坚持绿色发展理念的社会需求和价值导向下，以改善农药吸附性、增加表观溶解度为目标的纳米农药得到开发1。纳米技术在农业领域的运用不仅包括将农药活性成分超细粉化处理，还包括构设不同品类的助剂和纳米载体对原药进行吸附装载，实现农药活性成分的限速释放或靶向释放。考虑到纳米农药的施用行为可能对生态环境构成潜在风险，纳米材料的毒理学效应已成为近年来国内外的研究重点2。与传统农药相比，纳米农药的毒性作用机制不仅与农药本身活性成分有关，也受到粒度分布、结构和表面电荷等纳米材料表征影响3。现有的毒理学研究表明，物质的基本性质会在纳米级发生变化，颗粒越小，比表面积越大，其化学反应性和生物活性就越高4。现对纳米农药材料表征与毒性的关联进行综述，为相关产品的规范化应用提供一定参考。1纳米农药的概念与剂型一般而言，纳米农药指任一测量尺度在 1100 nm 范围的制剂，可分为纳米乳、纳米微囊、纳米凝胶等多种剂型5，不同的产品剂型在施用条件、设计工艺等方面存在一定差异。以纳米乳为例，由水、油、表面活性剂等混合形成的均相分散体系有显著的热力学稳定性，郑晓斌等6 对 10%高效氯氟氰菊酯纳米缓释剂与 5%微乳剂的防虫效用进行了实证比较，相同剂量下纳米剂型取得更好防效。而纳米胶囊是由磷酸盐、SiO2、半导体、氧化物等作为壁材，农药活性成分作为内核建立的载药系统，陈虹燕7 选取壳寡糖搭载阿维菌素制备了 AvpHcat CS纳米胶囊，展现出良好的 pH 响应控制释放性能，且能充分黏附于作物叶面。2材料表征对毒性的影响21颗粒尺寸对纳米农药毒性的影响颗粒的尺寸不仅影响纳米农药的生物学效应，同时也是区分纳米农药与常规农药制剂最重要的表征。随着颗粒尺寸的减小，材料的比表面积呈指数级增加，其表面原子所占总原子比例也出现剧增，从而使纳米材料表面活性较高，对周围环境有更强的反应性。自由基和活性氧(OS)通过氧化应激和炎症反应引起生物体损伤是纳米农药产生体内毒性的主要机制之一，颗粒尺寸越小，形成 OS 的能力越强。Atefeh 等8 用氧化铝纳米颗粒和微米颗粒对大鼠经腹腔注射染毒，研究显示纳米氧化铝颗粒引起的氧化损伤比等剂量的微米颗粒更为明显。农药施用后可通过经皮和呼吸途径进入人体，颗粒尺寸与纳米农药在体内的分布及代谢存在密切关系。Li 等9 研究发现，425 和 612 nm 的 AuNP 主要在肝脏和脾脏中蓄积且停留时间超过 90 d 以上，而 62 和 243 nm 的 AuNP 分布在全身各个组织器官中，且在不到 30 d 的时间内就被排出体外。此外，已经有研究证实，各种生物机制包括胞吞作用、细胞内转运和细胞吞噬的效率都与纳米颗粒的尺寸密切相关10。以超顺磁431SHANDONG CHEMICAL INDUSTY2023 年第 52 卷DOI:10.19319/ki.issn.1008-021x.2023.03.042第 3 期氧化铁纳米颗粒(SPIONs)为例，3 nm 尺寸下可以通过被动运输进入细胞并在 6 h 内达到稳定状态，而 7 和 14 nm 尺寸下则通过主动运输进入细胞且得到平稳的时间明显延长11。细胞内的纳米颗粒被线粒体和细胞核摄取，可造成线粒体结构损伤，引起 DNA 突变，甚至导致细胞死亡12。然而，颗粒的尺寸与毒性大小之间并非简单的线性关系。Sikorov 等13 利用三种细胞毒性试验方法来评估不同尺寸晶体纳米 TiO2的毒性，检测发现颗粒尺寸和细胞毒性之间存在明显的非线性关系，其最大毒性在 2060 nm。这意味着，尽管尺寸是决定纳米颗粒毒性的重要因素，但其他潜在因素对纳米颗粒毒性的影响也不可忽略。22材料形状对纳米农药毒性的影响材料形状的选择与构建是研发纳米农药产品的重要环节，农药产品的形状可影响特定部位农药活性成分的输送和细胞吸收，进而决定农药作用强度。常见的纳米材料形状主要包括颗粒状、棒状、片状和纤维状。多种纳米材料的形状依赖性毒性已被广泛报道，包括碳纳米管、富勒烯、纳米氧化铝、纳米二氧化钛和纳米金等1419。已经有研究发现，棒状纳米载体比颗粒状纳米载体更容易穿透细胞，主要与棒状纳米颗粒具有更高的长径比和表面积、可与细胞膜上的蛋白质结合有关20。Sangabathuni 等21 对三种不同形状的纳米金(星形、棒状和三角形)进行细胞吸收的比较，检测发现不同形状的纳米金内吞途径具有显著差异，证实了形状可以调节细胞对纳米材料的吸收。目前对于纳米材料的形状与生物学作用之间的关系仍有待进一步探索。尽管尚不确定毒性机制，但已有研究发现由碳纳米管构成的形状不同的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管造成的人类肺细胞 DNA 和炎症损伤差异较大22。随着材料形状与纳米毒性的关系得到深入研究，纳米农药的生产和应用将进一步实现安全环保。23化学成分和晶体结构对纳米农药毒性的影响尽管颗粒尺寸在决定纳米材料毒性方面起着重要作用，但不能简单地忽略具有相同尺寸不同纳米材料毒性的研究。以半导体量子点研究为例，Kays 等23 研究发现，与无壳硫化铜量子点相比，掺杂硫化锌外壳的纳米颗粒在体内外毒性方面显著降低，从而强调了纳米材料的化学组成成分在确定纳米颗粒毒性中的作用。晶体结构也会影响纳米颗粒的毒性。例如，金红石型二氧化钛纳米颗粒在无光的情况下会诱发氧化性 DNA 损伤、脂质过氧化和细胞凋亡，而相同粒径和化学成分的锐钛矿纳米颗粒并未产生类似效应24。因此在进行纳米农药的毒理学评价时，确定纳米材料的化学组成和结构也是重要的环节之一。24表面电荷对纳米农药毒性的影响表面电荷在纳米农药的毒性中也起着重要作用，因为它在很大程度上决定了纳米颗粒与生物系统的相互作用。纳米颗粒的选择性吸附25、与血浆蛋白的结合26、对血脑屏障的渗透27、皮肤渗透28 和在血管外膜中的转运29 等均受表面电荷的调节。Amir 等30 用聚苯乙烯纳米颗粒对人肺泡细胞进行暴露研究，结果显示与类似带负电荷和中性的颗粒相比，带正电荷的聚苯乙烯纳米颗粒的积聚显著增强，此外，与对照细胞相比，带正电荷的纳米颗粒还会诱发溶血，激活细胞凋亡信号从而对机体造成严重损伤。郝放等31 以重组人体表皮细胞 3D 模型分别对不同表面电荷的金纳米颗粒(AuNP)和银纳米颗粒(AgNP)进行研究，检测发现与表面带负电荷的 AuNP 相比，表面带正电荷 AuNP 可以更快速地诱发溶血现象;而与带正电荷和中性的 AgNP 相比，带负电荷的 AgNP 会导致血管通透性增加从而引起血浆血管舒缓素激肽系统(KKS)的级联激活效应。25表面化学修饰对纳米农药毒性的影响表面化学修饰可以通过改变纳米颗粒的物理化学特性，如磁、电、光特性和化学反应性影响细胞毒性32，也可以改变纳米颗粒在体内的分布、蓄积和毒代动力学。存在于纳米颗粒表面的氧自由基和过渡金属能够导致 OS 的产生并诱发机体炎症反应。李瑞宾等33 已经证明，氧化石墨烯的特异性细胞毒性与表面自由基和表面活性氧的存在密切相关。然而，在另一方面，表面化学修饰也可以用来降低纳米颗粒的毒性。通过进行适当的表面修饰可以保持纳米颗粒的稳定性，并避免有毒离子从纳米材料中释放出来，从而减轻或消除纳米颗粒的不利影响。以纳米氧化铈(CeO2)的表面修饰为例，姚瑶等34 研究发现，通过氨基三亚甲基磷酸修饰后的纳米CeO2的毒性作用显著减低，与未经表面修饰的纳米 CeO2相比，释放出的铈离子含量明显减少。3纳米农药表征的检测和控制31形貌与尺寸依据是否有物质的重组和