Phát triển có trách nhiệm công nghệ nano

Trong Chiến lược phát triển đến năm 2020, Liên minh châu Âu (EU) nhấn mạnh công nghệ nano là một trong những công nghệ chủ chốt (KET) thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh, bền vững và toàn diện trong toàn EU (1). Vật liệu nano (Engineered nanomaterials-ENM) và công nghệ nano góp phần đáng kể vào các mục tiêu đề ra trong Chiến lược của EU. Trong một tài liệu đánh giá tác động đối với môi trường và sức khỏe của Tổ chức Sáng kiến ​​công nghệ nano quốc gia Mỹ (US National Nanotechnology Initiative – NNI) cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của sự an toàn của công nghệ nano và ENM(2). Các chủ đề tương tự đã được thảo luận tích cực trong một tài liệu chiến lược được chuẩn bị ở các nước đang phát triển và các nền kinh tế trong thời kỳ quá độ ví dụ Nam PhI (3). Tuy nhiên, sự an toàn của ENM đã gây ra mối lo ngại ngày càng tăng không chỉ trong công chúng và các nhà quản lý mà cả các ngành công nghiệp sử dụng những vật liệu này. Trong thực tế, Ủy ban EU và các tổ chức khác như NNI và Bộ Khoa học và Công nghệ (DST) Nam Phi tin rằng việc đảm bảo tính an toàn của ENM là trở ngại lớn cho việc tiếp thị và những cải tiến dựa vào các công nghệ này(4). Do đó, điều quan trọng nhất là phải phát triển một nền tảng có cơ sở khoa học vững chắc để xây dựng một hệ thống phân loại đáng tin cậy về sự an toàn của ENM và công nghệ nano. Ví dụ, chúng ta cần hiểu rõ về mối quan hệ giữa các đặc điểm của ENM, chẳng hạn như hóa học bề mặt, những thay đổi sinh học chúng có thể gây ra ở các cơ thể sống trong suốt vòng đời của chúng. Đạt được những mục tiêu đó sẽ xóa bỏ được trở ngại trong việc hiện thực hoá các tiềm năng của các vật liệu và công nghệ này.

Bản chất của việc vật liệu nano thúc đẩy công nghệ nano

ENM bao gồm một số lượng lớn các nhóm và phân nhóm vật liệu khác nhau với các tính năng chung: kích thước của hạt một chiều, hai chiều hoặc ba chiều, từ 1- 100 nanomet. Nếu các hạt chỉ có một chiều và bằng hoặc nhỏ hơn 100 nm thì chúng là những thanh nano; nếu có hai kích thước thì sẽ là cấu trúc sợi hoặc hình ống; nếu có ba kích thước bằng hoặc nhỏ hơn 100 nm là cấu trúc hình cầu. Ví dụ về trường hợp thứ nhất là graphene; về trường hợp thứ hai là các ống nano carbon đơn vách (SWCNT) hoặc đa vách (MWCNT), và ENM với ba chiều bằng hoặc nhỏ hơn 100 nm là fullerene bao gồm cả oxit kim loại và các hạt nano kim loại (5).

ENM thường có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn và tỷ lệ giữa bề mặt và thể tích cũng lớn. Do có diện tích bề mặt lớn nên chúng có phản ứng hoá học mạnh hơn so với các vật liệu tương ứng có kích thước lớn hơn dù giống hệt nhau về tính chất hóa học. Chúng có những đặc tính độc đáo mà các vật liệu khác không có (6). Ví dụ, các ống nano carbon có sức căng tốt hơn so với thép không gỉ và độ dẫn điện tốt hơn so với đồng. Ngoài ra, vật liệu hữu cơ, chẳng hạn như sợi nanocenlulo, có những tính chất đặc biệt, trong đó có tính dẫn điện tuyệt vời. Do đó, các vật liệu độc đáo này kết hợp với công nghệ hiện có như điện tử đem lại lợi ích công nghệ khổng lồ và những kỳ vọng lớn về kinh tế. Số lượng bằng sáng chế về công nghệ nano đã tăng từ khoảng 100 bằng năm 1991 lên khoảng 12.000 bằng năm 2008. Tương tự như vậy, thị trường dự kiến ​​của sản phẩm cuối cùng kết hợp ENM ước tính khoảng ba nghìn tỷ đô la vào năm 2020 (5).

Tuy nhiên, trong khi mang lại lợi ích công nghệ, nhiều tính chất của ENM cũng có thể gây tổn hại thông qua tiếp xúc với các cơ thể sống, tức là với phân tử sinh học, tế bào, các cơ quan trên cơ thể (7). Kích thước nhỏ của các hạt gắn liền với khả năng vượt qua rào cản sinh học và khả năng thâm nhập vào bất cứ bộ phận hoặc tế bào nào trong cơ thể. Thông qua tiếp xúc bằng đường hô hấp, chúng có thể xuyên qua thành phế nang và do đó tiếp cận hệ tuần hoàn và đi đến các cơ quan và tế bào của cơ thể (8). Một trong những tính năng đáng lưu ý của một số ENM, đặc biệt là ống nano carbon (CNT) là tỉ lệ tương quan cao giữa chiều dài sợi với đường kính; có nghĩa là chúng giống như sợi amiăng (9,10). Ví dụ, các hạt nano oxit mangan được dẫn lên bởi các dây thần kinh khứu giác trong biểu mô khứu giác, cho phép chúng tiếp cận bầu khứu giác ở đáy của não trước, từ đó chúng đi tới các bộ phận khác của não (11).

Những vấn đề này đã dấy lên nỗi lo ngại cho công nhân, người tiêu dùng và nhà quản lý, cản trở việc đầu tư cho những đổi mới dựa vào công nghệ nano của nhiều lĩnh vực công nghiệp; các ngành công nghiệp đó cũng đang quan tâm đến tác động của các vật liệu này đối với sức khỏe.

Lỗ hổng kiến ​​thức cản trở việc đánh giá rủi ro của vật liệu nano

Phương trình cơ bản trong nghiên cứu về độc chất là: mối nguy hại x tiếp xúc = rủi ro. Vì vậy, nếu người ta có thể ngăn chặn các mối nguy hại hoặc sự tiếp xúc thì không có rủi ro (12). Thách thức hiện nay là việc thiếu kiến ​​thức trong việc đánh giá mối nguy hại của ENM  ảnh hưởng đối với sức khỏe, sự tiếp xúc ở các cấp độ khác nhau và sự đa dạng của ENM. Không có cơ sở dữ liệu hệ thống về mối nguy hại hoặc tiếp xúc, hoặc xác định có hệ thống mối quan hệ giữa liều lượng và ảnh hưởng của bất kỳ ENM nào. Viện An toàn và sức khỏe nghề nghiệp quốc gia Mỹ (NIOSH) đã đề xuất về mức tiếp xúc nghề nghiệp (OEL) đối với titanium dioxide có kích thước nano là 0,1 mg/m³ và có kích thước micromet là 2,4 mg/m³ dựa vào các nghiên cứu trên động vật về khả năng làm tăng nguy cơ khối u phổi của các hạt (13). Tương tự như vậy, NIOSH cũng đã đề xuất một OEL là 7 μg/m³ đối với CNT dựa trên khả năng chúng gây viêm và xơ hóa mô kẽ do tiếp xúc ở phổi (14). Châu Âu cũng đã có những nỗ lực nhằm xác định mức chuẩn cảnh báo đối với các loại ENM, sử dụng các phương pháp kỹ thuật để đánh giá sự tiếp xúc với các vật liệu này (15) nhưng chưa có OEL dự thảo nào được áp dụng, do vậy chúng không có hiệu lực pháp lý. Tuy nhiên, Viện sức khỏe nghề nghiệp Phần Lan (FIOH) đang trong quá trình chuẩn bị các giải pháp mẫu về làm thế nào để xử lý ENM một cách an toàn và làm thế nào để cung cấp các giá trị mục tiêu dựa trên cơ sở cảnh báo đối với các loại ENM khác nhau (16).  

 Đã có những nỗ lực nghiên cứu khả năng ảnh hưởng của ENM và các sản phẩm kết hợp với ENM trong môi trường lao động và môi trường xung quanh: không khí, đất, nước ngầm và nước bề mặt dẫn đến ảnh hưởng đến người tiêu dùng thông qua không khí, nước và thực phẩm. Vấn đề xả vật liệu naono từ các sản phẩm kết hợp ENM cũng đã được nghiên cứu (17). Những nghiên cứu này đã giúp mọi người có thêm hiểu biết về mức độ ảnh hưởng tới con người, môi trường và các con đường tiếp xúc trong suốt vòng đời của ENM. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào cung cấp đủ thông tin 1 cách lượng hoá về các tiếp xúc để đánh giá về rủi ro đối với sức khỏe hoặc môi trường.

		Các ống nano carbon đa vách trên phim carbon có lỗ (Ảnh: Esa Vanhala)
		Chuỗi các hạt nano tổng hợp (Ảnh: Esa Vanhala);
		Một tập hợp lớn các ống nano carbon (nhìn trên kính hiển vi điện tử truyền dẫn – Ảnh: Esa Vanhala)

Phân tích đánh giá rủi ro của vật liệu nano – con đường phía trước

Tiếp xúc với ENM

Người lao động và môi trường có thể tiếp xúc với ENM trong từng giai đoạn: sản xuất, vận chuyển và cất giữ ENM, cũng như việc đưa ENM vào sản phẩm. Điều này cũng bao gồm việc tái chế các vật liệu này. Người lao động có nguy cơ tiếp xúc ENM cao nhất qua đường hô hấp vì ENM xuất hiện dưới dạng son khí trong môi trường lao động. Tuy nhiên, người tiêu dùng cũng có thể bị tiếp xúc qua da khi sử dụng những sản phẩm, ví dụ như kem chống nắng hoặc mỹ phẩm (18).

Trong tất cả các giai đoạn trên: sản xuất, vận chuyển, cất giữ, đưa vào sản phẩm và tái chế, những vật liệu này cũng có thể rò rỉ vào môi trường  (không khí, đất, nước mặt và nước ngầm). Điều này có nghĩa là ENM bị đưa vào nước uống, không khí và thực phẩm thông qua sự ô nhiễm của cây trồng và vật nuôi từ đó dẫn đến sự phơi nhiễm của người tiêu dùng (19).

Cần phải phân tích kỹ lưỡng môi trường làm việc có sử dụng ENM. Schulte và cộng sự cho rằng những nơi làm việc như vậy nên kết hợp: 1) phòng thí nghiệm của các cơ sở nghiên cứu, 2) Triển khai và mở rộng quy mô hoạt động; 3) sản xuất ENM trên quy mô công nghiệp, 4) đưa ENM vào các sản phẩm của các ngành công nghiệp tiếp theo (ví dụ ngành công nghiệp mỹ phẩm), 5) loại bỏ và chấm dứt sử dụng, và 6) tái chế ENM trở thành nguyên liệu. Những thách thức về đánh giá rủi ro bao gồm độ tin cậy về đánh giá tiếp xúc, trong đó có sự tách nano nền khỏi ENM. Nếu không có thông tin này thì không thể thiết lập các giới hạn tiếp xúc nghề nghiệp đối với ENM (20).

Mối nguy hại của ENM đối với sức khỏe

Do không thể bàn luận về tất cả các nhóm ENM và ảnh hưởng của chúng đối với sức khỏe nên tôi sẽ lấy các ống nano carbon (CNT) làm ví dụ trong bài này. Các loại được biết đến nhiều nhất của CNT là ống cacbon đơn vách (SWCNT) và ống nano cacbon đa vách (MWCNT).

Các thí nghiệm đã cho thấy MWCNT có thể gây ra những thay đổi trong cơ thể sống giống như amiăng, làm dày trung biểu mô và u trung biểu mô trong khoang màng bụng của chuột (9,21). Kết quả của những nghiên cứu này hỗ trợ lẫn nhau (22) nhưng không phù hợp cho việc đánh giá rủi ro. Những nghiên cứu sau này cho thấy (23) MWCNT, khi tiếp xúc thông qua phổi, có thể đi tới khoảng trống dưới màng phổi và gây ra các u hạt dưới màng phổi. Thông qua con đường này chúng cũng có thể gây xơ và viêm phổi (23, 24). NIOSH (14) đã đề xuất một OEL là 7,0 μg/m3 đối với CNT. Ngoài ra, cũng đã  có đề xuất đối với các loại CNT khác, từ 1-2 đến 210 μg/m3 (25, 26). Cho đến nay, chưa có OEL nào trong số những OEL đề xuất được áp dụng. Cho đến nay, vẫn còn một thách thức lớn nữa chưa kể đến, đó là xây dưng các chiến lược xét nghiệm thông minh và các mô hình đánh giá an toàn để cho phép đánh giá an toàn đối với các loại ENM đang ngày 1 tăng cao (18). Các xét nghiệm độc tính và mô hình đánh giá rủi ro hiện đang sử dụng quá tốn kém nên chúng tôi không có đủ nguồn lực để giải quyết(17).

Quản lý và kiểm soát rủi ro của vật liệu nano

Đánh giá đầy đủ về rủi ro là điều kiện tiên quyết quan trọng cho việc quản lý rủi ro của ENM. Hơn nữa, việc kiểm soát rủi ro của ENM đòi hỏi phải phổ biến văn hóa an toàn trong những cộng đồng chính liên quan đến ENM, đặc biệt là các nhà quản lý, ngành công nghiệp, công đoàn, nhà nghiên cứu và công chúng nói chung. Sự tin cậy có tầm quan trọng đối với việc quản lý và kiểm soát thành công rủi ro của ENM.

Phương pháp tiếp cận quản lý rủi ro được sử dụng trong EU thường dựa vào quy định REACH   (27) thiếu các yếu tố ENM cụ thể. Tình hình tương tự cũng tồn tại ở các nước khác, trong đó có Mỹ (2). Không có nước đang phát triển nào hoặc các nền kinh tế trong thời kỳ quá độ nào có những quy định cụ thể về sự an toàn của ENM. Trong trường hợp của EU, quy định mới REACH không cung cấp hướng dẫn đáng tin cậy hoặc thực tế về cách đánh giá những rủi ro tiềm tàng của ENM, do đó sự hỗ trợ của REACH đối với quản lý và kiểm soát rủi ro của ENM bị hạn chế. Các phương pháp tiếp cận gần đây nhất bao gồm đẩy mạnh tư duy về an toàn trong suốt vòng đời của các vật liệu này, từ lập kế hoạch, thiết kế đến sản xuất. Coi an toàn là một yếu tố không thể thiếu trong tư duy kinh doanh sẽ có nghĩa là nâng cao hiểu biết về những lợi ích của an toàn để thực hiện những lời hứa của công nghệ nano. Để có thể tiến lên trên con đường hướng tới công nghệ nano an toàn và ENM an toàn cần có sự nhất trí toàn cầu về làm hài hòa sự an toàn và việc kiểm soát mối nguy hại của công nghệ nano và ENM: một thách thức toàn cầu đòi hỏi phải có các phương pháp tiếp cận toàn cầu và một giải pháp toàn cầu.

Tài liệu tham khảo

1. EU Strategy 2020. Communication from the Commission: EUROPE 2020- A strategy for smart, sustainable and inclusive growth. European Commission 2010.

2. NNI 2011 Environmental, Health, and Safety (EHS) Research Strategy http//nano.gov/sites/default/files/pub_resource/nni_2011_ehs_research_strategy.pdf

3. Gulumian M, Masoka X, Savolainer K. Nanomaterials in South Africa and occupational health. Occupational Health Southern Africa 2010;16(6).

4. Impact of Engineered Nanomaterials on Health: Considerations for benefit-risk assessment. Joint EASAC-JRC (European Academies Science Advisory Council-Joint Research Centre) Report. September 2011.

5. Roco MC, Mirkin CA, Hersam MC. Nanotechnology research directions for societal needs in 2020: retrospective and outlook summary. NSF/WTEC (National Science Foundation/World Technology Evaluation Center) report. 2010. (summary of the full report published by Springer).

6. Maynard AD, Aitken RJ. Assessing exposure to airborne nanomaterials: current abilities and future requirements. Nanotoxicology 2007;1:26-41.

7. Borm PJA, Robbins D, Haubold S, Kuhlbusch T, Fissan H, Donaldson K, Schins R, Stone V, Kreyling W, Lademann J, Krutmann J, Warheit D, Oberdörster E. The potential risks of nanomaterials: a review carried out for ECETOC. Part Fibre Toxicol 2006;3 11.

8. Nel AE, Mädler L, Velegol D, Xia T, Hoek EM, Somasundaran P, Klaessig F, Castranova V, Thompson M. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bia interface. Nat Mater 2009;7:543-57.

9. Poland CA, Duffin R, Kinloch I, Maynard A, Wallace WAH, Seaton A, Stone V, Brown S, MacNee W, Donaldson K. Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos- like pathogenicity in a pilot study. Nature Nanotech 2008;3:423-8.

10. Donaldson K, Murphy FA, Duffin R, Poland CA: Asbestos, carbon nanotubes and the pleural mesothelium: a review of the hypothesis regarding the role of long fibre retention in the parietal pleura, inflammation and mesotrielioma. Part Fibre Toxicol 2010;7:5.

11. Oberdörster G, Sharp Z, Atudorei V, Elder A, Gelein R, Kreyling W, Cox C. Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain. Inhal Toxicol 2004;16(6-7):437-45.

12. NRC. Risk Assessment in the Federal Government: Managing the Process. National Academy of Sciences. 1983. Washington, DC.

13. NIOSH. Approaches to Safe Nanotechnology: Managing the Health arid Safety Concerns with Engineered Nanomaterials: PubIication No. 2009-125.2009. CDC. http://www.cdc.gov/niosh/docs/2009-125/pdfs/2009-12S.pdf.

14. NIOSH. Occupational Exposure to Carbon Nanotubes and Nanofibers. Department of Health and Human Services, CDC. External review draft, November 2010. http://www.cdc.gov/niosh/docket/review/docket161a/pdfs/carbonNanotubeClB_PublicReviewOfDraft.pdf.

15. IFA. Criteria for assessment of the effectiveness of protectve measures. 2009. Available at: http://www.dguv.de/ifa/en/fac/nanopartikel/beurteilungsmassstaebe/Index.jsp

16. Finnish Institute of Occupational health: www.ttl.fi

17. Savolainen K, Alenius H, Norppa H, Pylkkanen L, Tuomi T, Kasper G. Risk assessment of engineered nanomaterials and nanotechnologies-A review. Toxicology 2010;269:92—104.

18. EIder A, Lynch I, Grieger K, Chan-Remillard S, Gatti A, Gnewuch H, Kenawy E, Korenstein R, Kuhlbusch T, Linker F. Human health risks of engineered nanomaterials: critical knowledge gaps in nanomaterials risk assessment. In: Linkov I, Steevens J. (Eds.), Nanomaterials: Risks and Benefits, 2009. Springer, Dordrecht, pp. 3-29.

19. Schulte PA, Murashov V, Zumwalde R, Kuempel ED, Geraci CL. Occupational exposure limits for nanomaterials: state of the art. J Nanopart Res 2010;12:1971-87.

20. Kuhlbusch TA, Asbach C, Fissan H, Göhler D, Stintz M. Part. Nanoparticle exposure at nanotechnology wnrkplaces: a review. Part Fibre Toxicol 2011;8:22.

21. Takagi A, Hirose A, Nisbimura T, et al. Induction of mesothelioma in p53+/- mouse by intraperitoneal application of multi-wall carbon nanotube. J Toxicol Sci 2008;33(1):105—16.

22. Kane AB, Hurt RH. Nanotoxicology: The asbestos analogy revisited. Nature Nanotech 2008;3:378-9.

23. Ryman-Rasmussen JP. Cesta MF, Brody AR, Shipley-Phillips JK. Everitt JI, Tewksbury EW, Moss OR, Wong BA, Dodd DE, Andersen ME, Bonner JC. Inhaled carbon nanotubes reach the subpleural tissue in mice. Nature Nanotech 2009;4:747—51.

24. Ma-Hock L, Treumann S, Strauss V, Brill S, Luizi F, Mertler M, Wiench K. Gamer AO, van Ravenzwaay B, Landsiedel R. Inhalation toxicity of multiwall carbon nanotubes in rats exposed for 3 months. Toxicol Sci 2009;112(2):468-81.

25. Kobayashi N, Ogura I, Gamo M, Kishimoto A, Nakanishi J. Risk assessment of manufactured nanomaterials: Carbon nanotubes (CNTs). Interim report issued on October16, 2009.
Available at: http://goodnanoguide.org/tiki-download_wiki_attachment.php?attld=31.

26. Pauluhn J. Multi-waIled carbon nanotubes (Baytubes): approach for derivation of occupational exposure limit. Regul Toxicol Pharmacol 2010;57(1):78-89.

27. REACH. Nanomaterials in REACH. European Commission. CA/59/2008 rev. 1;2008.

(Nguồn: Asian-Pacific Newsletter on OSH No. 3/2012)

(Nguồn tin: )