石墨烯残留会损害人体健康吗？

石墨烯纳米片（GNPs）是碳基纳米颗粒，通常用作纳米填料，以提高聚合物的导电性、机械强度和阻燃性。

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尽管已经设计了大量GNP增强产品，但尚未对这些产品在肺部燃烧产生的排放物的影响进行显着分析。最近，Empa研究人员试图解决这一研究差距，并调查了与石墨烯残留相关的健康风险。这项研究可在NanoImpact中找到。

基于GNP的产品的燃烧

GNP是一种二维（2D）材料，包含多层石墨烯片。如上所述，GNP是一种广泛使用的纳米填料，可增强商业复合材料的性能。因此，由于其使用量的增加，必须分析这种材料的安全性。

燃烧过程用于GNP增强聚合物的废物焚烧，这涉及以受控方式完全燃烧复合材料。但是，如果发生意外火灾，则仅发生部分燃烧，产生大量烟灰;此外，完全阐明基于纳米材料的聚合物的燃烧过程具有挑战性。

环氧树脂（EP）燃烧是一个快速的过程，会产生大量的有毒气体（例如一氧化碳）和烟尘。相反，含有GNP的聚合物具有阻燃性能。例如，当将GNP添加到EP树脂中时，由于阻隔效应，燃烧过程会减慢。这种效应归因于GNP在聚合物表面上的重新定位，形成保护层。

在高温下，即超过850°C，GNPs的转变是由于热氧化而发生的。在上述温度下，石墨层中形成空穴，或GNPs与基体发生位错。在GNP燃烧过程中产生的碳的炭或空气中形式的碳对人类和环境构成健康风险。

GNP对人类的生物影响

一些研究报告了GNP的生物学效应，特别是那些厚度为100纳米，直径约为25微米的GNPs。这些具有空气动力学直径的GNP可以沉积在纤毛气道和肺泡结构中。大于15μm（直径）的GNP不能被巨噬细胞吞噬，巨噬细胞诱导炎性细胞因子。受挫的吞噬作用也会失去细胞膜的完整性。

GNPs的不同物理化学特征，如厚度、表面化学、侧向尺寸和表面积，都会影响GNP的毒性。不同的物理化学特性导致国民生产总值的生物反应不同。

在碳纳米管（CNT）增强聚碳酸酯（PC）和聚氨酯（PU）的燃烧过程中，会产生吸附到颗粒上的高浓度的多环芳烃（PAH）。一些研究表明，PU-CNT会增加活性氧（ROS）形成的风险，从而破坏DNA。同样，与纯PC相比，PC-CNT在人支气管上皮细胞（BEAS-2B）中表现出更高的细胞毒性。细胞暴露于PC-CNT燃烧排放的增加显示出更高的细胞内ROS形成和DNA损伤。

GNP聚合物复合材料燃烧的影响

锥形量热仪用于研究纳米填料对燃烧的影响。如上所述，高于800°C的温度会破坏GNP。本研究揭示了EP-GNP和EP的燃烧特性。每个样品燃烧5至7分钟，燃烧峰值出现在130-140秒左右。

由于热扩散性，GNPs略微延迟了环氧树脂复合材料的点火时间。与EP相比，EP-GNP降低了峰值放热速率（pHRR），并略微增加了CO产量。这一发现可能是由于与纯EP相比，GNP的导热系数更高。更大的一氧化碳/一氧化碳₂比率表示不完全燃烧。

目前的研究表明，国产总值不影响微粒数量或燃烧大小。据观察，释放的气溶胶在10⁹颗粒/厘米³.由于发现EP和EP-GNP燃烧后的颗粒物排放大小小于4μm，因此表明在肺泡区域沉积的可能性。

对EP-GNP燃烧过程中产生的颗粒进行拉曼光谱和X射线衍射（XRD）显示，空气中的馏分中没有GNP，而在残余灰分中发现了GNP。

暴露于石墨烯残基24和96小时后肺泡上皮细胞的生物学反应显示出急性细胞效应。实验结果表明，即使在高颗粒浓度下，GNPs也没有引起任何明显的干扰响应。

当暴露于EP和EP-GNP的排放时，没有观察到细胞形态的明显变化。虽然EP燃烧的排放不会影响细胞膜完整性或线粒体活性，但EP-GNP燃烧导致线粒体活性降低。乳酸脱氢酶（LDH）的缺失表明EP-GNP燃烧不会导致细胞死亡。

科学家进行了细胞因子分析，以确定对空气传播排放物的炎症反应。在暴露于EP和EP-GNP燃烧排放的细胞中观察到较高的MCP-1水平。此外，EP-GNP引发了GM-CSF的产量增加。值得注意的是，当细胞暴露于EP或EP-GNP排放时，没有观察到氧化应激相关基因（HMOX1和SOD2）的显着变化。

综上所述，目前的研究表明，与燃烧后EP复合材料的排放相关的重大健康风险。

参考

Netkueakul, W. et al. (2022) Airborne emissions from combustion of graphene nanoplatelet/epoxy composites and their cytotoxicity on lung cells via air-liquid interface cell exposure in vitro. NanoImpact, 27, p. 100414. https://doi.org/10.1016/j.impact.2022.100414.