Jednou z oceněných v kategorii disertační práce 1. ročníku odborné soutěže Cena Lva Wintera, kde se hodnotily vynikající absolventské práce s problematikou BOZP, byla Táňa Závodná (Brzicová) s prací Management bezpečnosti nanočástic s ohledem na bezpečnost práce. Část její práce, kterou zde předkládáme, je takovým malým exkurzem do problematiky nanotechnologií a nanomateriálů.
Chemické látky jsou nedílnou součástí života. Vývoj nových chemických látek a nové aplikace již existujících chemických látek hrály zásadní roli v utváření moderní společnosti, neboť obvykle doprovázely či dokonce umožnily pokrok v nejrůznějších odvětvích lidské činnosti.
Abychom zabránili negativním zdravotním dopadům používání chemických látek, jsou stanovovány limitní hodnoty expozice na základě zhodnocení toxicity dané látky.
Klasické přístupy hodnocení toxicity látek na experimentálních zvířatech vykazují řadu nedostatků, které mohou vést k podhodnocení nebo naopak nadhodnocení rizika. Tyto nedostatky spolu s finanční a časovou náročností in vivo experimentů mohou významně limitovat potenciál nových technologií.
Příkladem intenzivně se rozvíjejících nových technologií jsou nanotechnologie využívající nanomateriály (NMs). NMs představují materiály extrémně malých rozměrů, které vykazují unikátní vlastnosti. Jejich využití vede k rozvoji řady oborů, například elektroniky, materiálových věd, energetiky, medicíny nebo dopravy. Aplikace NMs v těchto a dalších odvětvích mohou významně zlepšit kvalitu života a také přispět k řešení zásadních problémů, kterým čelí lidská společnost. Intenzivně jsou zkoumány aplikace NMs například v oblasti léčby rakoviny, nových přístupů k získávání zdravotně nezávadné pitné vody či získávání a uchovávání obnovitelných zdrojů energie.
Práce se zaměřuje na problematiku hodnocení toxicity NMs, čímž doplňuje výzkumné aktivity Fakulty bezpečnostního inženýrství Vysoké školy báňské -Technické univerzity Ostrava v oblasti managementu rizik NMs. Cílem práce bylo zpracování metodiky managementu bezpečnosti s ohledem na nanočástice v pracovním a životním prostředí, včetně návrhu screeningového testu nebezpečných vlastností zvoleného typu (např. imunologické odpovědi).
Management rizik chemických látek
Každá chemická látka, ať už přírodní nebo uměle připravená, je potenciálně toxická. O tom, zda se toxicita projeví, rozhoduje především míra, jakou je organismus dané látce vystaven. Kombinace závažnosti důsledků (nebezpečnosti) a pravděpodobnosti jejich výskytu (expozice) pak udává riziko. Z tohoto principu vychází základní koncept hodnocení rizik chemických látek, který byl poprvé formalizován americkou Národní výzkumnou radou (National Research Council, NRC) (NRC 1983). Na čtyřstupňový proces hodnocení rizik navazují další kroky, tvořící jako celek management rizik chemických látek (viz obrázek 1). Management rizik chemických látek je tedy logický systematický proces skládající se z několika na sebe navazujících kroků, jehož cílem je snížení rizika na akceptovatelnou úroveň.
Obrázek 1: Základní koncept hodnocení rizik chemických látek dle NRC (NRC 1983)
Nanomateriály a nanotechnologie
Jedněmi z aktuálně nejintenzivněji se rozvíjejících vědeckých a technických oborů jsou nanotechnologie. Počátky nanotechnologií jsou spojeny s rozvojem metod elektronového mikroskopování a rentgenové difrakce, které umožnily objasnění struktury materiálů na úrovni atomů a molekul, pochopení jejího vlivu na vlastnosti materiálů a cílenou manipulací tuto strukturu měnit, a vytvářet tak nové materiály – nanomateriály (NMs) s unikátními vlastnostmi (Maynard et al. 2011). NMs představují velmi diversifikovanou skupinu materiálů, jejichž společnými rysy jsou extrémně malé rozměry (v řádu jednotek až stovek nm) a vlastnosti na tyto rozměry vázané.
Obecně je v současnosti ve vědeckých i legislativních kruzích akceptován názor, že jako NMs označujeme látky, které mají alespoň 1 rozměr menší než 100 nm. Univerzální definice pojmu nanomateriál zatím neexistuje a vzhledem ke složitosti celé problematiky se objevují názory, že ani v budoucnu nebude vytvořena všeobecně platná a použitelná definice. V současnosti je přijímána definice uvedená v Doporučení Evropské komise (2011/696/EU). Nanomateriál je zde definován jako „přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší produkt nebo materiál vyrobený obsahující částice v nesloučeném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je u 50 % nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1-100 nm“. Také fullereny, grafenové vločky a jednostěnné uhlíkové nanotrubice jsou zahrnuty pod NMs, přestože jejich rozměry mohou být menší než 1 nm. Ve zvláštních případech a opravňují-li k tomu obavy týkající se životního prostředí, zdraví a bezpečnosti nebo konkurenceschopnosti, může být hranice 50 % ve velikostním rozdělení nahrazena hranicí 1-50 %. Tato definice by měla být podkladem pro rozhodování, zda lze určitý materiál považovat za „nanomateriál“ pro účely právních předpisů a politik v EU. Vědecký výbor pro vznikající a nově zjištěná zdravotní rizika (SCENIHR, Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks) ve svém Stanovisku, na jehož základě byla výše uvedená definice přijata, uvádí, že horní hranice 100 nm je běžně používána na základě všeobecné shody, přestože neexistují žádné vědecké důkazy, které by potvrdily náležitost této hodnoty (SCENIHR 2010).
Uvedená definice je založena na velikosti. Právě velikost patří k nejdůležitějším vlastnostem NMs, neboť v různé míře ovlivňuje jejich další charakteristiky a chování. Při určité „nanovelikosti“, která je specifická pro každý materiál, se chování hmoty začíná měnit. S klesajícími rozměry částic narůstá jejich povrch. V důsledku velkého poměru povrchu vzhledem k objemu charakteristického pro NMs se většina jejich molekul a atomů nachází na povrchu, nikoli uvnitř, jako je tomu v případě „klasických“ materiálů. Chování těchto povrchových molekul je odlišné a vede např. k nárůstu reaktivity. NMs s rozměry pod 20-30 nm jsou v důsledku nadbytku povrchové energie termodynamicky nestálé. Povrchová energie je zanedbatelná u makroskopických objektů, ale u NMs nabývá na významu. Při zmenšení velikosti částic z 1 cm na 1 nm, povrch a povrchová energie naroste o 7 řádů. Snaha o stabilizaci vede ke krystalografickým změnám (například k deformaci krystalové mřížky, ke změně uspořádání povrchových atomů apod.). Při extrémně malých rozměrech NMs navíc přestávají platit zákony klasické fyziky a začíná se uplatňovat kvantová povaha hmoty, která má za následek změnu vlastností nanorozměrných materiálů při stejném chemickém složení jako mají klasické materiály (Auffan et al. 2009). Dle současných poznatků není možné odvodit chování NMs na základě znalosti chování materiálů stejného chemického složení v jejich „ne-nano“ formě (Renn et al. 2006). Základní rozdíly mezi NMs a klasickými chemickými látkami jsou uvedeny v Tabulce 1.
Tabulka 1: Srovnání vlastností NMs a klasických chemických látek
Vlastnost | klasické chemické látky | NMs |
---|---|---|
Změna vlastností | Diskontinuální (krystalografické modifikace, izomery) | Kontinuální (např. se změnou velikosti, plochy povrchu) |
Samouspořádávání | Ne | Ano |
Heterogenita /homogenita | Homogenní | Mohou být heterogenní i při stejném chemickém složení (např. velikostní distribuce částic) |
Chování v biologickém prostředí | Stabilní | Nestabilní [např. změna velikosti (de)agregací, (de)aglomerací, rozpouštěním, srážením; změna povrchového náboje, adsorpce biomakromolekul na povrch NMs] |
Mechanismus transportu v prostředí | Difuze | Sedimentace, difuze (v závislosti na velikosti a stupni agregace NMs) |
Příkladem unikátních vlastností nebo extrémních hodnot klasických vlastností u NMs je supraparamagnetismus u nano-Fe2O3, fotoluminiscence a fluorescence u kvantových a uhlíkových teček, změna barvy v závislosti na velikosti a tvaru nano-Au, extrémní elasticita, pevnost v tahu a tvrdost u grafenu, reaktivita inertních materiálů (nano-TiO2), lepší elektrická vodivost (zvýšený přenos elektronů), fotokatalytické vlastnosti (nano-TiO2), změny teploty bodu tání aj.
Výroba NMs
NMs se mohou vyskytovat a uvolňovat do prostředí v průběhu celého životního cyklu výrobku. Avšak nejvyšší koncentrace lze očekávat v průběhu výrobního procesu. V pracovním prostředí mohou být NMs nejen záměrně vyráběny (tzv. engineered NMs), ale mohou vznikat i neúmyslně jako vedlejší produkty průmyslové výroby. Neúmyslný vznik a uvolňování NMs provázejí zejména spalovací procesy a procesy mechanického zpracování materiálů, jako drcení, mletí apod. (Eckhoff 2011). Hranice mezi záměrně a neúmyslně vyráběnými NMs není ostrá. Některé NMs mohou být cíleně syntetizovány a zároveň vznikat jako vedlejší produkt hoření. Příkladem jsou uhlíkaté fullereny a nanotrubičky, jejichž vznik byl zdokumentován i ve spalovacích procesech (Jung et al. 2013).
Samotná příprava úmyslně vyráběných NMs může probíhat mnoha různými způsoby. Obecně lze metody výroby NMs rozdělit do dvou základních kategorií: top-down a bottom-up. Postup top-down zahrnuje metody výroby NMs, při nichž jsou rozrušovány materiály větších rozměrů. Naopak při postupu bottom-up jsou jednotlivé atomy a molekuly spojovány do větších nanostruktur. Z hlediska možnosti uvolňování NMs do prostředí jsou nejrizikovější procesy zahrnující míchání, mletí, drcení a obrušování materiálů (Worsfold et al. 2012).
Evropská komise identifikovala jako hlavní kategorie NMs z hlediska objemu trhu (CSWP 2012):
Jako nejrozšířenější byly v dokumentu evropské komise konkrétně označeny následující NMs:
Využití NMs
Aplikace NMs mohou vést k převratnému pokroku téměř ve všech oblastech lidské činnosti, neboť teoreticky každý produkt a každá technologie může být vylepšena použitím materiálů v jejich nanoformě. V následujících odstavcích budou rozebrány vybrané intenzivně se rozvíjející oblasti aplikace NMs.
Nanomedicína
Velký poměr povrchu k objemu umožňující nést množství molekul a relativně snadno modifikovatelné optické, elektronické, magnetické i biologické vlastnosti činí NMs žádoucí pro řadu biomedicínkých aplikací. Jejich použití je cíleno nejen na zvýšení šancí na úspěšnou léčbu, ale významným způsobem také zlepšují komfort pacienta zmírněním vedlejších účinků v průběhu nebo následkem léčby (Janib et al. 2010; Kim et al. 2010).
V současné době se NMs uplatňují v tkáňovém inženýrství (např. uhlíkaté nanotrubičky mohou sloužit jako „lešení“ pro růst buněk a tvorbu tkání a orgánů), v diagnostice jako kontrastní látky pro magnetickou rezonanci, protézy (zubní a kloubní náhrady), antibakteriální vlastnosti NMs, zejména nanostříbra, jsou vyžívány k desinfekci povrchů, nemocničních materiálů i ran při léčbě popálenin a jiných špatně či dlouhodobě se hojících poranění. Slibným odvětvím je také cílené a kontrolované uvolňování léčiv intenzivně rozvíjené především v onkoterapii, kde významně omezuje dopad na zdravé buňky, a tím i nežádoucí vedlejší účinky léčby. NMs jsou v současnosti základem ve vývoji personalizované medicíny, zejména v oblasti vývoje tzv. teranostik. Teranostika představují multifunkční léčiva spojující v sobě terapeutickou a diagnostickou složku (Janib et al. 2010; Kim et al. 2010).
Energetika
NMs pomáhají zefektivnit jak samotné získávání elektrické energie, tak i její konverzi a uchovávání. NMs nacházejí uplatnění především v oblasti obnovitelných zdrojů energie (Serrano et al. 2009). Příkladem použití NMs v energetice je fotovoltaika (NMs umožňují např. absorpci širšího spektra záření), nanonátěry povrchů lopatek větrných elektráren omezující tvorbu ledu (Serrano et al. 2009), superkapacitory (speciální elektrolytické kondenzátory o vysoké kapacitě, dlouhé životnosti, schopné extrémně rychlého dobíjení) (Zhao et al. 2011).
Potravinářství a zemědělství
NMs mohou zlepšit konsistenci nízkotučných produktů, upravovat chuť i barvu potravin, stabilizovat pěnu v potravinách, zvyšovat stabilitu bioaktivních složek funkčních potravin při průchodu trávicím systémem (Chaudhry et al. 2008). NMs jsou v rostoucí míře inkorporovány také do obalů potravin s cílem zvýšit jejich ochrannou schopnost a bránit mikrobiální kontaminaci (Sozer et Kokini 2009; Acosta et al. 2009). Ve vývoji jsou nanosenzory pro ověřování kvality potravin (kontaminace patogeny, toxicity a čerstvosti) (Zhang et al. 2008). NMs jsou využívány také pro postupné uvolňování pesticidů (Acosta et al. 2009)
Analýzy ukazují, že významná část (více než jedna třetina) částic TiO2, které jsou běžným aditivem dodávajícím potravinám jasnou bílou barvu (žvýkačky, sladkosti, mléčné produkty aj.) je v nanoformě (Weir et al. 2012).
Ochrana životního prostředí
NMs se významně uplatňují při dekontaminaci složek životního prostředí. Ve formě nanosorbentů, nanokatalyzátorů, nanostrukturovaných membrán a bioaktivních nanočástic umožňují čištění a odsolování vod i remediaci kontaminovaných půd. Nanosenzory umožňují detekci kontaminantů v životním prostředí (Savage et al. 2005; Khin et al. 2012).
Kosmetika
TiO2 a ZnO jsou transparentní formou ochrany proti UV záření s vysokou mírou účinnosti hojně využívanou v opalovacích krémech. V kosmetických produktech jsou NMs také jako nosiče a pigmenty (Mihranyan et al. 2012).
Textilní průmysl
Aplikace NMs umožnuje vytvářet textilie s unikátními vlastnostmi: antibakteriální textilie, samočistící a nesmáčivé textilie, elektrovodivé textilie, textilie blokující průnik UV záření či ultralehké a ultratenké neprůstřelné materiály (Wong et al. 2006).
Elektronika
NMs jsou využívány např. v kvantových počítačích, kvantových laserech, velkokapacitních úschovnách dat či jednoelektronových transistorech (Yu et Meyyappan 2006).
Chemický průmysl
NMs mohou zlepšit funkčnost a vlastnosti prakticky všech tříd materiálů.
Stavebnictví
Ve stavebnictví se NMs uplatňují při přípravě samočistících povrchů, ultralehkých stavebních materiálů a hmot bránících šíření požáru urychlením tvorby nespalitelných látek. Přídavek nanočástic a nanovláken do cementu může několikanásobně zvýšit jeho pevnost (Pacheco-Torgal et Jalali 2011).
Použité zdroje
Jeruzalémská 1283/9
110 00 Praha 1 - Nové Město
IČO: 00025950
DIČ: CZ00025950