Post Date: 3 June 2011

利益兼顧：從環境、安全與健康角度看納米科技

(曾於2011年6月3日於《信報》「科技新知」刊登。)

Prof. Samuel Yu, Division of Environment, Adjunct Associate Professor
俞宗岱教授 香港科技大學健康安全及環境處/環境學部教授

科技發展日新月異，納米科技今天已經廣為人知。除了很多科研人員進行納米研究外，有些工人正使用納米材料製造產品，零售店職員在市場上售賣納米貨品，消費者則使用各種冠上「納米」名號的消費品。納米科技不是個別學科的發展，而是多學科、全方位、進入到納米層次，發展技術、操作材料，以及創造新納米材料。它將會在人類生活各方面帶來種種嶄新的應用，改變人類生活。因此「納米科技正帶來另一波工業革命」的說法，所言非虛。

十九世紀末工業革命以來，科技曾經為人類帶來種種「佳音」，然而部分科技普及化後，被發現對人類健康及生態造成損害，各種化學品的應用是好例子。譬如滴滴涕（DDT 殺蟲劑）雖然有效殺滅害蟲，卻因為難以分解及有生物累積性而對環境及人體造成威脅；石棉曾經廣泛應用於建築，但其纖維可沉積於人的肺部導致病變；氟氯化碳（CFC）曾大量用作冷卻劑，卻會造成臭氧層破損；四乙基鉛一度廣泛用作汽油添加劑，結果將大量鉛散布於環境中，損害人類神經系統，尤其對兒童造成長遠影響。殷鑒不遠，在我們大力發展納米科技的時候，應該同時研究納米材料及技術對環境、安全及健康（環安健）方面的可能影響，以期可以避免危害。

那麼，納米科技到底有什麼潛在的問題呢？其實任何一種科技都有其利弊，納米也不例外。讓我先簡單介紹一下「納米」是什麼。

納米的定義

納米（nanometer，簡寫為nm）是一種長度單位，即一乘十的負九次方米（10-9 m），也就是十億分之一米。一納米究竟有多小？

一粒原子的半徑約為0.1 至0.2 納米，即一納米大約是幾粒原子的大小。一條頭髮直徑大概是十萬納米。

納米科技基本上是在納米層次，發展技術、操作現有材料、或創造新材料。納米材料的定義，是長、闊、高三個維度中，最少一個小於100 納米。納米材料包括納米顆粒、納米線、納米碳管等。另外人工沸石等具有納米結構的材料，以及用納米技術製作電子部件等，都屬於納米科技。

碳納米材料佔了納米研究的一個重要位置。以納米碳管為例，由於它的超導性，它可以應用於平面顯示器、超小型電子儀器等。另外它擁有既強韌又輕的特性，比鋼鐵堅硬100 倍、而只有鋼鐵六分之一重量，成為一種有無數應用可能性的超強物料。

金屬及金屬氧化物納米顆粒是另一大類納米材料。例子包括二氧化鈦TiO2 光化學氧化劑，可分解污染物，製成自潔油漆等；氧化鋅ZnO 可用在化妝品、防曬霜；鐵納米顆粒Fe 可分解地下水污染物；氧化銅CuO 作抗菌劑；氧化鐵Fe2O3 可作磁共振成像（MRI） 造影劑等。

也有用半導體材料造成的納米顆粒。其中一種很有實用價值的是量子點（quantum dots），它可以代替螢光劑作為生物標籤。特別之處是同一材料造成不同大小的納米顆粒，可以放射出不同顏色的光，因此在醫學造像方面有強大潛力。而量子點已經有產品出售。

事實上市面已出現愈來愈多納米產品。據美國一個智庫機構Woodrow Wilson International Center for Scholars的資料顯示，截至2011 年3 月，全球30 個國家內，有587 家公司生產1317 項納米消費產品，而2005 年只有54 項，可見發展之迅速。產品包括保健用品、家居、汽車、食物、電子產品等，種類繁多。

既然納米科技已經開始被廣泛應用，從研究人員、生產線上的員工到消費者都有機會接觸納米材料與產品，我們自然要關注納米環安健的情況。

納米科技的環安健考慮

納米物質其實有不同的來源：大自然本身就存在納米物質，例如火山爆發和山火就會產生納米顆粒。此外，人類活動譬如運作內燃機時，也會排放一些納米顆粒副產品。但最值得我們關注的，還是為特定目的而研發的納米材料。這些材料本不存在於自然界，而又帶有納米物質的高活性，和很多前所而未知的特性。

先從納米物質的生物效應來看：由於納米材料，尤其是納米顆粒，尺寸超小、相對表面積龐大，因此極易於穿透進入生物體、快速散布，而且化學及生物活性極高，更可與細胞核等細胞器直接作用。從優點來說，這些特性令納米材料可用於診斷、治療與生物醫學研究。

從弊端來看，它能通過皮膚及上皮細胞快速吸收、又可以沿神經元（神經細胞）移動，一旦毒性展現，就可能引致嚴重危害。譬如傳統呼吸毒理學考慮吸入人體的粒子，從鼻腔到肺部經過重重過濾，只有很小的粒子才會到達肺氣泡，影響肺部功能；但研究發現，由於納米顆粒十分細小，吸入鼻腔後，就可能經由嗅覺神經直接進入腦部。這是一種前所未知的散布途徑。

從傳統毒理學看， 一般化學品的質量（mass）愈大或濃度愈高，則其毒性愈強；然而一個納米二氧化鈦TiO2的研究發現，納米顆粒的毒性強弱不是與質量、而是與表面積相關，顆粒愈小、表面積愈大則毒性愈強。這個結果顯示，納米顆粒的毒性不一定能按照傳統理論去分析，以往的測量方法、儀器等可能不適用。由此可見納米物質帶來毒理學研究，以及健康與安全控制方面的種種挑戰。

目前為止毒理研究顯示，當一種材料轉變成納米材料時，它的物理、化學性質已經與原來大不相同；我們必須把它當作是一種新的化學品。不同類型的納米材料都會導致生物體內氧化應激反應，例如自由基形成、抗氧化分子消耗等一些對生物體不利的影響。其中一項研究發現，有一種金屬納米顆粒，可以間接影響在多重類似胎盤細胞保護下的特定細胞DNA 。這發現突顯了前所未知的，納米顆粒生殖毒性的潛在危害。此外，石棉之所以可以引致肺部病變，是因為某些石棉纖維的形狀大小令體內的免疫細胞難以將之處理；同理，特定的納米材料的物理尺寸，也可能會導致類似石棉引致的肺纖維化，以及增加肺癌風險。

環境影響方面，我們特別關注納米顆粒，因為它們能夠懸浮在空氣中，容易飄散。

它們的大小尺寸又容易穿透生物組織。納米顆粒在環境中的變化與擴散（fate and transport）仍存在極大的不確定性。

加強「環安健」規管

納米科技迅速發展，然而有關納米的環安健研究仍然相對落後。由於有關法規尚未訂立，要進行納米的環安健管理自然存在一定困難。猶幸我們可以參考其他相關科技的環安健經驗，採取一些預防性措施，保護人員與環境，直至有足夠相關研究結果，再行調整。

除了確保研究人員的安全與健康，一般大眾會特別關注使用納米產品時，會否釋放出納米物質，若然，這些物質又會否影響健康。因此我們希望納米研究人員，與工業界開發納米產品、研究納米產品測試與認證的同時，加入產品安全測試。另一方面，我們亦希望推動生產人員的保護，和產品廢棄時的適當處理。由於納米科技屬於高增值產業，業界在資源充沛的情況下，應該有充分條件和很大誘因，去促進納米科技與其環境、安全、健康標準，同步發展。

香港科技大學的納米研究取得世界級的成績，同時我們的納米環安健措施亦實行已久。從2004 年開始，科大建立了多方面的納米安全措施，包括納米研究風險評估、納米安全課程、以及廢物處置、溢瀉應變等程式。2006 年，我們在美國校園安全會議上就納米研究安全進行簡報，與美國校園安全同業交流討論，確認了科大在納米環安健方面的工作處於前沿，與其他世界級的研究機構相比毫不遜色。

以往科技發展大多只眼於有利的應用，然後不利影響在廣泛使用後才逐漸浮現，但往往已經造成一定程度的損害。為免重蹈覆轍，我們每次在科技上有突破，都應該正視該項科技可能帶來的潛在危害。這並不是新想法：從中國的「治未病」，到西方的「公共衛生」與「預防醫學」；近年的環境影響評估，和藥物臨床試驗；都是「防患於未然」的傳統智慧。

而我們以「兩刃劍」或「水能載舟、亦能覆舟」來形容科技發展，可說是從「科技萬能」的錯覺裏，回歸正途。現今我們發展納米科技的同時，應該同時關注其研究安全、職業安全、產品安全、及廢棄物處理，同步開發納米科技相關之環安健技術，及早避免不良影響。這就是負責任的納米科技。

最後，讓我用一個「金的故事」作結：金本來是比較惰性的元素，化學性不活躍，金碧輝煌，金色正好象徵納米科技的亮麗前景；然而進入納米層次，金納米粒子變成有高活性，可用作催化劑，直徑30 至90 納米的金粒子懸浮水中時呈紅色，這紅色恰恰可以視為警告，叫我們小心應用納米科技。

這「金的故事」提醒我們，納米科技發展必須利害兼顧，取其利而避其害。