研究背景:随着纳米科技的飞速发展,人造纳米材料的应用领域和商业化生产不断扩大。与此同时,人们对各种纳米材料和纳米颗粒的暴露程度也随之日益加重。由于纳米颗粒具有普通颗粒物所没有的小尺度效应、表面效应、量子尺度效应和宏观量子隧道效应,当其进入生态环境或生物体后有可能引发特殊的生物效应,并对环境和人类健康造成潜在危害。因此,纳米材料的生物安全性问题引起了各国政府和学术界的广泛关注。虽然国内外对于纳米材料的毒理学研究逐渐增加,但目前关于纳米材料胚胎发育毒性的实验研究还鲜见报道。另外,不同种类纳米材料生物效应的对比研究极少,纳米颗粒毒性效应与其颗粒特征之间的内在关系尚不明确。研究目的:(1)研究不同种类的纳米材料的胚胎毒性效应;(2)探讨氧化应激是否是纳米材料引发胚胎毒性的主要方式之一;(3)探讨纳米材料毒性效应与粒径、形状、化学组成等基本颗粒参数之间的关系。研究方法:(1)选择4种典型的纳米材料:纳米碳黑(Nano-CB)、碳纳米管(CNTs)、纳米二氧化硅(Nano-SiO2)和纳米氧化锌(Nano-ZnO);以新生小牛血清制备颗粒悬液,并在透射电镜下观察纳米颗粒的分散状态;对其粒径、形状和化学组成基本颗粒参数进行表征。(2)通过动物整体试验对4种纳米材料的胚胎毒性效应进行对比研究:采用气管内滴注颗粒悬液的方式染毒受孕1d的Wistar大鼠,染毒剂量为每天10 mg/ kg bw,连续给药7d,对照组滴注相同体积的纳米颗粒分散液即新生小牛血清;于妊娠第20d处死动物,剖腹取出胚胎,检查大鼠妊娠情况及胚胎生长发育状况。(3)通过体外实验研究纳米材料对小鼠胚胎成纤维细胞(PMEF)的毒性效应:利用细胞形态学观察、MTT实验、WST实验和LDH检测研究纳米材料对细胞增殖能力和细胞活性的影响;通过测定细胞内活性氧(ROS)水平、还原性谷胱甘肽(GSH)水平、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量反映细胞内氧化应激水平;并通过单细胞凝胶电泳(SCGE)检测纳米颗粒造成的胚胎细胞DNA损伤。研究结果:(1)与溶剂对照组相比,4种纳米材料染毒组大鼠妊娠率均显著降低;Nano-CB组、CNTs组和Nano-ZnO组出现了明显的畸胎,如单胎、单侧胎、吸收胎;Nano-ZnO组的胎鼠数及胎鼠的体重、身长、尾长均显著低于对照组和其他颗粒组;(2)PMEF细胞经4种纳米材料染毒24h后发生不同程度的回缩变形,细胞间隙增大,排列稀疏,胞内颗粒物增多,细胞透明度下降;在不同染毒剂量水平上,4种纳米材料的毒性对比差异显著:低剂量水平上,Nano-CB与CNTs对PMEF细胞活性的抑制作用强于Nano-ZnO;随着染毒剂量的增加,Nano-ZnO的细胞毒性效应迅速升高;高剂量水平上,Nano-ZnO造成的细胞活性抑制程度显著高于另外三种纳米材料;Nano-SiO2的毒性效应相对较弱。(3)4种纳米材料均导致细胞内出现氧化应激状态,包括细胞内ROS水平上升、GSH含量减少、SOD活性下降及MDA生成增加,它们与细胞相对增殖率下降之间存在显著的相关性;(4)Nano-ZnO的胚胎毒性和细胞毒性效应均明显强于其他三种纳米材料,这与其导致细胞内产生较高的氧化应激水平之间具有显著的相关性;与Nano-ZnO相比,CNTs的细胞毒性效应较弱,但其在低剂量水平上造成的细胞内DNA损伤程度却显著高于Nano-ZnO。研究结论:吸入纳米材料能够显著影响动物妊娠和子宫内胚胎生长发育;氧化应激可能是纳米颗粒引发胚胎毒性效应的主要方式之一;不同种类纳米材料的毒性效应之间存在显著差异;颗粒化学组成可能是决定纳米材料毒性大小的关键因素,而颗粒形状、结构等特征可能对低剂量水平上纳米材料潜在的遗传毒性影响较大。