1 Нанотехнологии и экологические риски Декан ВХК РАН РХТУ им. Д.И. Менделеева, д.х.н., профессор,Сметанников Ю.В.

2 «Философы лишь различным образом объясняли мир, а дело заключается в том, чтобы изменить его» К. Маркс, 19в.... чтобы сохранить его, 21 в.

3 Нанотехнология – совокупность методов и способов синтеза, сборки, структуро- и формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материалов, включая систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедческое, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологических операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, обусловленными проявлением наномасштабных факторов. Наноматериалы – вещества и композиции веществ, представляющие собой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систему базовых элементов с нанометрическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при кооперации наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материалов и систем совокупности ранее неизвестных свойств. Наносистемы – материальные объекты в виде упорядоченных или самоупорядоченных элементов с нанометрическими размерами, объединение которых обеспечивает возникновение у микро- или макрообъекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово- размерных, синергетически-кооперативных, коллективных, «гигантских» эффектов, являений, процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Очень короткая история 1959: Ричард Фейнман - лекция"Там, внизу, ещё много места" считается сегодня стартовой точкой в развитии нанотехнологий. Предложена возможность прямого манипулирования отдельными атомами как более мощного способа синтеза новых веществ. «Проглотить доктора»: хирургический наноробот. 1974: Норио Танигучи впервые определил термин «нанотехнология» как «обработка, разделение, объединение и деформирование материалов с помолекулярной и поатомной точностью». «Нанотехнология» - междисциплинарная, образующая технологии, позволяющей «технологично» (воспроизводимо, по описанным процедурам) производить исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне размеров и с допусками 0,1 100 нм 1981: электронный сканирующий микроскоп 1985: открытие фуллерена (С 60 )

Тезисы Н. Танигучи Нанотехнология - технология, в которой размеры и допуски в диапазоне 0,1 100 нм (от атомных размеров до длины волны фиолетового света) играют критическую роль... Поле, которое покрывает Нанотехнология, сводится к манипуляциям и обработке вещества внутри определенного выше диапазона размеров по вполне определенным, описанным и повторяемым алгоритмам, в противоположность произведению искусства художника или творению мастера - ремесленника… Нанотехнология – это «образующая» технология, опирающаяся на достижения других технологий. Нанотехнология относится к группе «горизонтальных» или межотраслевых технологий, техника и методы которой, с небольшими вариациями, могут быть применены в иных, сильно различающихся направлениях… Нанотехнология просматривается в частности важной и немедленно востребованной в таких областях, как материаловедение, машиностроение, оптика и электроника. 5

Ключевые исторические данные НТ 1998 год: Сиз Деккер (Технический университет, г. Делфтс, Нидерланды) создал транзистор на основе нанотрубок (измерил электрическую проводимость 2002 год: Сиз Деккер соединил углеродную трубку с ДНК, получив гибридный наномеханизм (искусственный с биологическим объектом) 2005 год: Создание ИСО ТК 229 по НТ – международное признание как самостоятельной дисциплины и включение в реестр стандартов 6

7

8

9 Уникальные свойства наночастиц Высокая дисперсность НЧ - 1 – 100 нм или 10 1 – 10 3 атомов ( размеры НЧ соизмеримы с размерами атомов) чрезвычайно высокая кривизна поверхности НЧ громадная удельная поверхность наночастиц огромная избыточная свободная поверхностная энергия НЧ крайне высокие величины напряженности электростатического поля у поверхности НЧ качественное изменение физико-химических свойств НЧ: температуры плавления и затвердевания давления паров растворимости адсорбционной активности; возможности активации молекул в электростатическом поле НЧ изменение реакционной способности и характера кинетики химических процессов и т.д.

10 традиционные физ – хим. характеристики определяющие свойства вещества структурная формула молекулярная масса агрегатное состояние температура плавления и кипения давление и концентрация насыщенных паров растворимость коэффициент распределения в системе октанол/вода дополнительные характеристики для НЧдополнительные характеристики для НЧ гетерогенность структуры НЧ распределение частиц по размерам распределение частиц по форме удельная поверхность НЧ поверхностный заряд НЧ

Свойства наночастиц зависят от размера Зависимость температуры плавления алюминия T m от радиуса наночастиц R (в ангстремах). Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72: ). 11

12 Классификации наночастиц По химической структуре По форме По размерам По структурированности По способам получения По биологической активности По токсичности и опасности

Имеются прогнозы развития нанотехнологий на ближайшие 40 лет с разбивкой по годам достигнутых результатов [ P.Pesti's compilation "Detailed Roadmap of the 21st Century" posted at the Georgia Tech website. (Nanowerk News]. "Detailed Roadmap of the 21st Century" 2009 Компьютерные запоминающие устройства высокой плотности Средства для отображения наноразмерных объектов, используемых для анализа и диагноза клеточных процессов, не повреждая их нормальную функциональность Создание лекарственных средств, основанных на наночастицах, с целенаправленной доставкой становится стандартным инструментом (для терапевтических целей и т.д), наноинструменты (оптический пинцет) для манипуляции в клетках при соблюдении целостности клеток и активности, биосенсоры для обнаружения отдельных молекул, основанных на nano множествах (например множества nanotubes), наноэлектронный чип на основе ДНК или пептидов, наноструктурированные биоматериалы для замены существующих материалов Сенсорные имплантаты, наночастицы и наноигрушки Недорогие углеродные нанотрубки с прочностью при растяжении 50GPa, алмазные нано-инструменты. Имеются прогнозы развития нанотехнологий на ближайшие 40 лет с разбивкой по годам достигнутых результатов [ P.Pesti's compilation "Detailed Roadmap of the 21st Century" posted at the Georgia Tech website. (Nanowerk News]. "Detailed Roadmap of the 21st Century" 2009 Компьютерные запоминающие устройства высокой плотности Средства для отображения наноразмерных объектов, используемых для анализа и диагноза клеточных процессов, не повреждая их нормальную функциональность Создание лекарственных средств, основанных на наночастицах, с целенаправленной доставкой становится стандартным инструментом (для терапевтических целей и т.д), наноинструменты (оптический пинцет) для манипуляции в клетках при соблюдении целостности клеток и активности, биосенсоры для обнаружения отдельных молекул, основанных на nano множествах (например множества nanotubes), наноэлектронный чип на основе ДНК или пептидов, наноструктурированные биоматериалы для замены существующих материалов Сенсорные имплантаты, наночастицы и наноигрушки Недорогие углеродные нанотрубки с прочностью при растяжении 50GPa, алмазные нано-инструменты. 13

2019 Использование нано-механизмы начинают применяться для управления технологическим процессом и производством Благодаря развитию нанобиотехнологии, поняты фундаментальные процессы клеточного цикла, достижения в нанобиотехнологии позволят запустить системы синтеза in vitro искусственных человеческих органов системы конверсии биологической энергии Нанофабрики Использование наноo-механизмов для терапии и диагностики в реальной медицинской практике, использование нано-меток для контроля и управления процессами, создание космических кораблей с использованием нанотехнологий, способных за короткий промежуток времени достигать планеты Солнечной системы Исследование с помощью нанообъектов процессов мозга и нервной системы Орбитальные станции с использованием наноконструкционных материалов, 2035 Применение в войне вооружения, основанного на нанотехнологиях Создание подъемника на основе корда с использованием углеродных нанотрубок Практическое получение с использованием нанотехнологий продовольствия, имеющего правильный пищевой состав, вкус и строение 14

Анализ стратегических рисков с позиции теории сложности Институт сложности в Санта-Фе Теория инновационного развития Брайана Артура Теория техноценоза Л.Г. Бадалян, В.Ф. Криворотова Структурно-демографические модели П.В. Турчина Н.Д. Кондратьев ( ) Большие волныБольшие волны Смена технологических укладовСмена технологических укладов Шестой технологический уклад – биотехнологии, проектирование живого, высокие медицинские технологииШестой технологический уклад – биотехнологии, проектирование живого, высокие медицинские технологии 15

16

Нанотехнологии и общество 17

18 Теория самоорганизации. Синергетика А. Пуанкаре ( ) Основатель нелинейной динамики Г.Хакен(1921) Основоположник синергетики Бифуркация – изменение числа и устойчивости решений определенного типа при изменении параметра. λ A

Зачем нужна нанотехнология? Необходимость понимания свойств материи на молекулярном и атомарном уровнях для проектирования, построения и манипулирования веществом на макроуровнях Имеются ограничения, накладываемые существующей технологией (нашей способностью работать с чрезвычайно малыми объектами), а не законами физики В наномасштабах многие вещества обладают уникальными характеристиками Влияние миниатюризации (перехода на наномасштабы): Проектирование и изготовление материалов и изделий Хранение и обработка информации Хранение и транспортировка энергии 19

«Молекулярное совершенство»: Фуллерены/ нанотрубки: Электро- и теплопроводность Механическая и термостойскость Вариативность свойств

Области применения нанотрубок Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки Оптические применения: дисплеи, светодиоды СТМ/АСМ микроскопы Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью

Применение углеродных нанотрубок для химических датчиков Каждый атом в одностенной нанотрубке (SWNT) находится на поверхности открыт для внешней среды, в т.ч для обмена электронами Малейшие изменения зарядов в НТ может вызвать сильнейшие изменения в ее электрических свойствах Чувствительные микродатчики для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях

Квантовые точки (Quantum Dots) кристаллы полупроводников нанометрового размера, которые имеют уникальные свойства, в т.ч. способность настраиваемой интенсивной люминесценции в узкой полосе от ИК до УФ в ответ на облучение с определённой частотой применение: раннее выявление заболеваний, в т.ч. опухолей Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быть спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток Возможно выявление 10 – 100 раковых клеток Нанокристалл селенида кадмия диаметром в пятнадцать атомов Скопление разных квантовых точек, облучаемых лазером

Биомедицина: Инженерия тканей Живой организм основан на многочисленных наноструктурах (белки) клетки тела приспособлены к взаимодействию с поверхностями, обладающими неровностями нанометровых масштабов костные импланты с нанонеровными Ti/ZnO покрытиями ускоряют регенерацию тканей кости в 5-8 раз подавляют воспалительные процессы на поверхности импланта

Биомедицина: лекарства Наномембраны для безинъекционного, постепенного (4-24 часа) введения лекарственных средств. Лечение диабета (homecare) Наночастицы как эмульсификаторы для введения гидрофобных/водонерастворимых лекарственных средств Паклитаксел – цистостатический препарат. Растворимость в воде – 0.03 мг/Л. Текущее прменение: инъекции раствора в Cremophor EL, обладающем серьезными побочными действиями Решение: эмульсия наночастиц, образованных выпариванием раствора действующего вещества в TPGS, локально доставляемая баллонным катетером Применение наночастиц для направленной доставки лечащих агентов (управление теплом, магнитным полем и т.д.)

Нанотехнологии и «чистая энергия» для населения Земли Нанотехнологические прорывы в производстве и хранении энергии: 1.Нано-тонкопленочные фотоэлементы – революционное уменьшение стоимости в раз 2.Хранение Н 2 - революция в сверхлегких материалах для водородных баков и /или новых реверсивных водородно-хемосорбционных систем (адсорбция Н 2 углеродными нанотрубками) 3.Топливные элементы – уменьшение стоимости в раз 4.Аккумуляторы и суперконденсаторы – увеличение удельной емкости в раз (электромобили, распределенная генерация электроэнергии) 5.Фотокаталитическое превращение CO 2 для производства жидкого топлива (метанол и др.)

Нанотехнологические прорывы в производстве и хранении энергии: Использование наноматериалов для прямого преобразования фотон + вода для производства водорода. 6. Наноэлектроника для компьютеров, датчиков и других устройств. 7.Высокотемпературные сверхпроводники для замены традиционных металлических 8.Нанопокрытия для буров – резкое снижение стоимости бурения геотермальных скважин 9.Светодиоды для замены традиционных источников освещения 27

Применение нанотехнологий в солнечных элементах 1) Кремниевые фотоэлементы: На данный момент кремниевые фотоэлементы наиболее распространены, обладают наибольшей эффективностью преобразования и наиболее долговечны; но они и самые дорогие Отражение света от поверхности фотоэлемента ограничивает эффективность Нанопокрытия кремниевых батарей уменьшают отражения в критических областях спектра

Применение нанотехнологий в солнечных элементах 2) Тонкопленочные фотоэлементы: дешевле удобнее в производстве и применении возможно применение как тонированных оконных покрытий Менее эффективны, менее долговечны и восприимчивы к воздействию окружающей среды Нанопокрытия тонкопленочных фотоэлементов: защищают батареи (гидрофобные нанопокрытия) перспективны как прозрачные электропроводящие пленки взамен дорогого и дефицитного индия

Применение нанотехнологий в солнечных элементах 3) Нано-фотоэлементы: повышение эффективности

«Нанотехнологии» в реальной жизни датчики ускорения микропереключатели газовые датчики самозатягивающееся покрытие лобовое стекло - поляроид БМВ пятой серии 31

Формулировка проблемы Оценка безопасности наноматериалов и нанотехнологий – высший приоритет в условиях ожидаемого глобального распространения и вероятного воздействия на человека при непосредственном контакте, или опосредованно через окружающую среду (воздух, воду, почву) и продукты питания 32

Экологический риск Экологический риск это вероятность появления негативных изменений в окружающей природной среде, вызванных негативным воздействием хозяйственной и иной деятельности, чрезвычайными ситуациями природного и техногенного характера, с учетом величины возможных ущербов. Мера экологической опасности рассматривается в двух основных аспектах: 1) вероятность нарушения природного равновесия; 2) вероятность негативного воздействия на человека.

Объективные Субъективные Стремление к «быстрой прибыли» любой ценой Причины возникновения рисков нанотехнологий Отсутствие в природе естественных защитных механизмов от воздействия наночастиц Неизвестность механизма взаимодействия нанообъектов органической и неорганической природы Отсутствие законодательного (технического) регулирования 34

Риски, связанные с безопасностью развития нанотехнологий Медицинская безопасность Информационна я безопасность Экологическая безопасность 35

Накопление в окружающей среде разных типов НЧ, используемых в различных изделиях 36

37 Масштабный отрезок 300 нм Наночастицы в клетках Наночастицы углеродной сажи в клетках кожи человека

38

39 Значимые токсикологические показатели наноматериалов для оценки безопасности Токсикодинамические показатели - Параметры острой токсичности - Параметры хронической токсичности - Пороги специфического действия Токсикокинетические показатели - Резорбция - Распределение в тканях - Биотрансформация - Экскреция - Персистенция - Степень задержки - Степень поглощения - Период полураспада - Период полувыведения Возможность формирования отдаленных последствий (мутагенное, канцерогенное, эмбрио-, гонадотропное, иммунотропное действие)

Риски возникновения угроз сверхмалые геометрические размеры наночастиц и их высокая проникающая способность при отсутствии у человека, животных и растений эволюционно выработанных механизмов защиты многообразие состава и нанокомпозиций – сложность их идентификации неразвитость нанотехнологической культуры у разработчиков, производителей, органов серитификации, санэпидемконтроля возможность достижения быстрого результата без правильной оценки риска и последствий малые массогабаритные и энергетические показатели нанотехнологических процессов и, следовательно, возможность их скрытой реализации, например, в террористических целях экологические и медицинские угрозы угрозы информационной инфраструктуре террористические угрозы военно-технические угрозы геополитические риски глобальные социально- экономические риски 40

41 Экологические и медицинские аспекты «нано»-угроз Совокупность факторов, определяющих риски человека, животных, растений и окружающей среды продукция наноиндустрии в виде наноматериалов различной структуры и состава обычная продукция, полученная с использованием наноматериалов в качестве основных и вспомогательных компонентов технологического процесса промышленные отходы и выбросы при реализации нанотехнологических процессов производства продукции наноиндустрии наноматериалы и наносистемы, используемые в качестве инструментальных, диагностических и лекарственных средств одежда, обувь, упаковка, продукты, созданные с применением наноматериалов и процессов нанотехнологии пищевая цепочка: вода, растения, животные – человек; ингаляционный путь: воздушная среда, растения, животные – человек

42 Некоторые вопросы токсикологии наночастиц Свойства НО (причина)Эффекты (следствие) Увеличение реакционной способности и каталитической активности свободные радикалы повреждение клетки апоптоз нарушение генома клетки Большая площадь поверхности, способность к адгезии увеличение биологической активности увеличение токсичности Увеличение летучести, растворимости, способность к сорбции изменение транспортных свойств ускоренное распространение в ООС, замедление биотрансформации увеличение биоаккумуляции Наноразмеры увеличение биодоступности преодоление биобарьеров (ГЭБ, гистогематического, плацентарного) на пути к биомишени, интенсификация фагоцитоза

Нано - эффекты окисления метана CH 4 +O 2 CO 2 + 2H 2 O +Q на Pt/Al 2 O 3 катализаторе. Valerii I. Bukhtiyarov, Nanosized effects in catalytic processes for ecology and Power supply system 43

44 Некоторые вопросы токсикологии наночастиц Свойства НО (причина)Эффекты (следствие) Увеличение реакционной способности и каталитической активности свободные радикалы повреждение клетки апоптоз нарушение генома клетки Большая площадь поверхности, способность к адгезии увеличение биологической активности увеличение токсичности Увеличение летучести, растворимости, способность к сорбции изменение транспортных свойств ускоренное распространение в ОС, замедление биотрансформации увеличение биоаккумуляции Наноразмеры увеличение биодоступности преодоление биобарьеров (ГЭБ, гистогематического, плацентарного) на пути к биомишени, интенсификация фагоцитоза

45 Показатели опасности наночастиц 1.Критерии потенциальной опасности - Стандартные показатели: агрегатное состояние, летучесть, растворимость, КВИО - Показатели потенциальной опасности наночастиц: реакционная способность, размер, форма, структура, площадь поверхности, степени чистоты и гетерогенности 2. Критерии реальной опасности - Стандартные показатели: Коэффициент кумуляции, зоны острого, хронического, биологического действия Предлагаемый показатель реальной опасности наночастиц: ИНДЕКС ОПАСНОСТИ (ИО) – показатель характеризующий опасность наночастиц вещества по сравнению с нативным веществом или микрочастицами ИО при остром воздействии = ЛД(ЛК) 50 нв/ЛД(ЛК) 50 нч или Lim ac нв /Lim ac нч ИО при хроническом воздействии = Lim ch нв /Lim ch нч

46 Классификация опасности наночастиц ЛД 50 для наночастиц меди – 413 мг/кг ЛД 50 микрочастиц меди – 5000 мг/кг (Bjorn et al., 2003; Galhardi et al., 2004) ИО наночастиц меди = ЛД 50 нв /ЛД 50 нч = 12 Поправочный коэффициент к ПДК в.р.з. аэрозоля наночастиц МЕДИ составит не менее 10 ПДК в.р.з. Меди / 10 = ПДК в.р.з. наночастиц меди Могут использоваться существующие классификации опасности, например ГОСТ Воздух рабочей зоны Величина индекса опасности может использоваться в качестве поправочного коэффициента для определения класса опасности при определении ориентировочных гигиенических регламентов и опасности наночастиц

Возможные формы зависимости «доза-эффект» в области малых «доз». Горизонтальная прерывистая линия разделяет область токсичности (сверху) и область благоприятного действия (снизу) НЧ. Пунктирный овал в правом верхнем углу – область проводимых исследований. Буквами обозначены различные формы зависимости: L – линейная зависимость (ионизирующая радиация); T – пороговая зависимость (большинство ядовитых веществ); S – надлинейная зависимость (химические вещества); H – сублинейная (большинство лекарственных средств). 47

48 Поступление НЧ в организм человека Дыхательные пути - распределение зависит от размера частиц - частицы размером нм эффективно захватываются в альвеолах и трахее, что обеспечивает их максимальную биодоступность Желудочно-кишечный тракт - активный и пассивный транспорт НЧ в ЖКТ - способны аккумулировать из водных источников тяжелые металлы, пестициды, малорастворимые токсиканты и доставлять их в организм Кожа - НЧ обладают местным и кожно-резорбтивным действием, поступая в кровеносную и лимфатическую системы - НЧ способны защищать сорбированные токсиканты от воздействия ферментов кожи Клетка - НЧ способны воздействовать на метаболизм живой клетки, нарушая его естественный ход, в том числе за счет образования свободных радикалов - НЧ способны проникать внутрь митохондрий и блокировать митохондриальную активность - НЧ способны вызывать повреждение ДНК в экспериментах с изолированными клетками, в том числе за счет блокирования активности рибосом

49 ADME информация – адсорбция, распределение, метаболизм, выделение (А.В. Соснов, 2007) Адсорбция зависит от: - Размера частиц - Формы поверхностной активности - Типа частицы Распределение зависит от: - Физико-химических свойств - Фагоцитарной активности - Возможности транспорта через ГЭБ, плаценту - Накопления в тканях или клетках Метаболизм зависит от: - возможности исходных частиц метаболизировать в биоактивные формы - взаимодействия с биомакромолекулами и/или ксенобиотиками Выделение зависит от: - возможности выведения наночастиц из организма Различные (по размеру и форме) частицы могут оказывать различное влияние на живые организмы даже при одинаковом химическом составе

Пути миграции НЧ, подтвержденные экспериментально (сплошная линия), и предполагаемые (точки). Возможные источники и причины деградации обозначены курсивом. 50

51

52 -Прогноз Дрекслера: машины уничтожения - Микробиологические войны - Наноассемблеры – путь к принципиально новым системам вооружений - Системы искусственного интеллекта, угроза появления «серой слизи» - Микродатчики, имплантируемые в организм структуры, роботы – андроиды -Прогноз Л.Хэмли: мокрые и сухие нанотехнологии – военное применение через 20 лет - Биологическое оружие триггерного действия -Проект «наблюдающей пыли» -Боевые насекомые Прогноз Б.Джоя – 2000 г. «Почему будущее не нуждается в нас?» - Генетика + нанотехнологии + робототехника (JNR) - Вероятность выживания человечества - 30% - Контроль за инфрастуктурой (мониторинг целостности) - Контроль за передвижениями - Контроль за состоянием организма - Контроль за психикой и сознанием - Контроль общества в целом - Радикальное повышение безопасности - Многократное повышение наблюдаемости и управляемости социальных процессов

57 Современное состояние токсикологических исследований НЧ Токсикологическая концепция наночастиц базируется на относительно систематическом изучении только около 10 типов частиц: оксид алюминия, оксид титана, оксид цинка, диоксид кремния, оксид железа, селенид кадмия, наночастицы золота, дендримеры, углеродные наночастицы (фуллерены, нанотрубки)

58 Исследование токсичности наноматериалов ИсследованияИсследованные эффектыТестированные наноматериалы Цитотоксич- ность Механизмы сродства к клеточным мембранам, оксидативных повреждений, связей «структура- функция» Al 2 O 3, CeO 2, CuO, Fe 2 O 3, NiO, SiO 2, TiO 2, ZnO, дендримеры Кожная токсичность Кожная абсорбция, кожная токсичностьCdSe, Fe, фуллерены Общая токсичность Свертываемость крови, генотоксичность, индукция генной экспрессии воспаления Al 2 O 3, CdSe, CdTe, GaN, PbSe, SiO2, TiO 2, ZnS, дендримеры, фуллерены, нанотрубки, нановолокна, квантовые точки Легочная токсичность Оксидативный стресс, воспаление, эффекты площади поверхности, нано- ненано эффекты, вновь возникшие/застарелые эффекты аггломерации, механизмы клиренса Al 2 O 3, CeO 2, CuO, Fe 2 O 3, NiO, TiO 2, ZnO, дендримеры, Au, много- и однослойные нанотрубки Транспорт/ Накопление Перенос к участкам, отдаленным от источника первоначального воздействия, персистентность in vivo Al 2 O 3, Fe 2 O 3, SiO 2, TiO 2, ZnO

59 Выводы о биологических эффектах НЧ токсичность зависит от концентрации НЧ и площади их поверхности, а не от массы/объема токсичность зависит от физико-химических свойств НЧ токсичность НЧ зависит от наносистемы, в которую входит НЧ токсичность НЧ выше, чем токсичность микрочастиц такого же размера факторы внешней среды могут влиять на токсичность НЧ отсутствуют данные по воздействию НЧ и нанообъектов на человека, а также на экосистемы как целое или на популяции как части экосистем

60

61 Общая концепция оценки, анализа и управления риском НЧ Логическая схема оценки и анализа риска, создаваемого НО для человека и ОС. Текущие исследования касаются в основном первых двух этапов и лишь незначительно – третьего. Для анализа и оценки риска НО, и тем более управления этим риском, необходима гораздо более обширная база экспериментальных данных, чем имеется сейчас Источники опасности Пути воздействия Оценка опасности Оценка риска Анализ риска Управление риском

62 Направления политики безопасносного развития нанотехнологий Риски для здоровья и окружающей среды токсичность экспозиция воздействие на жизненный цикл Риски восприятия как это видится обществу как общество может ответить Структурные риски система оценки промышленная структура Нештатные ситуации несчастные случаи неадекватное поведение терроризм

63 Дорожная карта: общая стратегия (Strategic Roadmap) 2009 – перечень показателей токсичности и опасности НЧ и НМ – перечень свойств НЧ и НМ, имеющих приоритетное значение для оценки их безопасности – классификация НЧ и НМ – критерии оценки токсичности и опасности НЧ и НМ методология регламентирования НЧ и НМ, разработка и стандартизация методов определения НЧ и НМ 2010 – прогностические модели in vitro и in vivo для оценки ответной реакции организма in vivo на воздействие НЧ и НМ – механизмы взаимодействия между наноматериалами и живыми организмами на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях – оценка факторов, влияющих на миграцию НЧ в объектах окружающей среды – тестирование токсичности НЧ и НМ методические рекомендации по оценке токсичности и опасности НЧ и НМ 2011 – исследование токсикологических свойств НЧ при остром, подостром и хроническом воздействиях – оценка отдаленных последствий – оценка абиотических и экосистемных эффектов методические рекомендации по гигиеническому регламентированию НЧ и НМ в объектах окружающей среды 2012 – характеристика воздействия НЧ и НМ на работающих – аттестация рабочих мест – разработка методов контроля НЧ и НМ на рабочих местах – разработка методических рекомендаций по факторам риска, дающих определение и классификацию НЧ и НМ, базирующихся на их физических и химических свойствах создание системы управления рисками с обратной связью, учитывающей характер влияния наноматериалов и нанотехнологий и эффектов ими вызываемых

64

65

Вирусы – живые ли они, или просто сложные молекулярные машины? Математическая модель вируса табачной мозаики 66

67

Вызовы науке Необходимость междисциплинарных исследований В исследованиях и разработках участвуют специалисты широкого круга – физики, химики, биологи и т.д. Необходимость многомасштабных исследований и разработок Необходимы исследования на разных уровней иерархии структуры объекта (атомарном-нано-микро- макро), поскольку свойства макрообъекта определяются всеми нижележащими уровнями. 68

Мультидисциплинарная природа нанотехнологии Нанонаука: объединяющая наука 69

1. Составить программу систематических исследований, ориентированных на определение возможного риска, связанного с наночастицами; 2. Разработать методы для измерения наночастиц в воздухе, воде и почве; 3. Создать методы определения возможной токсичности наноматериалов; 4. Сформировать модель, способную предсказать их возможное воздействие на здоровье человека и окружающую среду; 5. Разработать способы оценки воздействия наночастиц на здоровье человека и окружающую среду.