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서로 다른 물리화학적 특성을 갖는 탄소나노튜브(CNT)의 생물학적 독성 분석
Toxicity Analysis of Carbon Nanotubes Based on Their Physicochemical Properties 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.17 no.3 = no.54, 2011년, pp.273 - 279  

김수남 (한국화학연구원 부설 안전성평가연구소) ,  강민성 (한국화학연구원 부설 안전성평가연구소) ,  한영아 (한국화학연구원 부설 안전성평가연구소) ,  김재환 (한국화학연구원 부설 안전성평가연구소) ,  노진규 (광운대학교 화학공학과) ,  김영훈 (광운대학교 화학공학과) ,  최상돈 (아주대학교 분자과학기술학과) ,  박은정 (아주대학교 분자과학기술학과)

초록
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제조나노물질은 원료물질이 동일하더라도 제조방법에 따라 최종생산물의 물리화학적 특성은 매우 상이해질 수 있고 더불어 독성 또한 크게 달라질 수 있을 것으로 추정되고 있다. 본 연구에서 우리는 2종의 탄소나노튜브(단층벽 탄소나노튜브 및 다층벽 탄소나노튜브)를 마우스에 경구와 경기관지로 처리한 후 체중당 상대무게 및 염증반응 지표를 조사함으로써 길이와 전기전도성에 따른 독성을 동정하였다. 실험 결과, 다층벽 탄소나노튜브의 경우 체중 감소는 길이가 짧은 그룹에서 더 강하게 관찰된 반면, 염증 반응은 비교적 길이가 긴 그룹에서 더 강하게 유도되었다. 경기관지로 처리된 단층벽 탄소나노튜브는 뇌와 신장의 상대무게를 의미있게 감소시켰고, 기관지 세척액과 혈액 내 면역세포의 의미있는 변화는 처리 후 1일과 7일에서 주로 관찰되었다. 이 결과를 통해 길이, 입경, 층벽의 수와 같은 탄소나노튜브의 물리화학적 특성이 물질에 의한 독성과 염증 반응에 매우 중요한 인자로 작용하고 있음을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The physicochemical properties of manufactured nanomaterials can vary depending upon the methods of manufacture, although the utilized raw materials are same. Hence, the toxicity can also vary based on the methods of nanomaterials manufacture. In this study, we compared the toxicity effect of two ty...

주제어

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문제 정의

  • 그러나, 제조나노물질의 경우 기존의 일반 화학물질과는 달리 원료물질이 동일하더라도 제조방법에 따라 최종 생산된 나노물질의 물리화학적 특성은 매우 상이해질 수 있으므로 원료물질이 동일하더라도 최종산물의 독성결과를 동일하다고 평가하는 데는 많은 한계가 있을 것으로 판단되어 기존의 독성분류 방식을 보완할 방안을 마련하고자 많은 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 나노물질의 응용분야의 확대로 인한 노출경로의 다양화를 반영하기 위하여 서로 다른 길이와 wall number를 갖는 단층벽 탄소나노튜브와 다층벽 탄소나노튜브를 경구 및 경기관지로 주입한 후 일어나는 체중변화, 각 조직의 상대무게 변화, 염증반응 등을 관찰함으로써 탄소나노튜브의 길이나 wall number가 독성에 미치는 영향을 조사해보고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제조나노물질의 응용범위가 급속도로 증가하는 것은 어떤 특성으로 인한 것인가? 과학기술의 발전과 더불어 새로운 물질에 대한 노출의 기회가 빈번해짐에 따라 그 유해성에 대한 관심 또한 고조되고 있다. 제조나노물질의 경우도 그러한 예 중 하나이며, 21세기 들어 제조나노물질은 높은 전기전도성, 강도, 지속기간, 화학반응 등 독특한 물리화학적 특성으로 인해 전기/전자, 통신, 재료/제조, 의료/생명공학, 환경/에너지, 국방, 항공우주 등 그 응용범위가 급속도로 증가하고 있음에도 불구하고 독성에 관한 연구는 매우 더디게 진행되고 있다[1-3].
단층벽 탄소나노튜브 및 다층벽 탄소나노튜브를 마우스에 경구와 경기관지로 처리한 후 체중당 상대무게 및 염증반응 지표를 조사함으로써 길이와 전기전도성에 따른 독성을 동정한 결과는 무엇인가? 본 연구에서 우리는 2종의 탄소나노튜브(단층벽 탄소나노튜브 및 다층벽 탄소나노튜브)를 마우스에 경구와 경기관지로 처리한 후 체중당 상대무게 및 염증반응 지표를 조사함으로써 길이와 전기전도성에 따른 독성을 동정하였다. 실험 결과, 다층벽 탄소나노튜브의 경우 체중 감소는 길이가 짧은 그룹에서 더 강하게 관찰된 반면, 염증 반응은 비교적 길이가 긴 그룹에서 더 강하게 유도되었다. 경기관지로 처리된 단층벽 탄소나노튜브는 뇌와 신장의 상대무게를 의미있게 감소시켰고, 기관지 세척액과 혈액 내 면역세포의 의미있는 변화는 처리 후 1일과 7일에서 주로 관찰되었다. 이 결과를 통해 길이, 입경, 층벽의 수와 같은 탄소나노튜브의 물리화학적 특성이 물질에 의한 독성과 염증 반응에 매우 중요한 인자로 작용하고 있음을 확인할 수 있었다.
제조나노물질의 원료물질이 동일하더라도 최종산물의 독성결과를 동일하다고 평가할 수 없는 이유는? 경제협력개발기구(OECD, Organization for Economic Cooperation and Development)에서는 2007년부터 단층벽 탄소나노튜브(SWCNT, single-walled carbon nanotube), 다층벽 탄소 나노튜브(MWCNT, multi-walled carbon nanotube), 플러렌, 티타늄, 철 등을 포함하는 우선관리대상 나노물질 14종을 선정하고 각 물질별로 lead sponsor, co-sponsor, contributor 등을 지정하여 독성자료의 수집, 생산 등을 총괄하게 하고 있으며, 2008년부터 본격적으로 시행되고 있는 GHS (Globally Harmonized System of Classification and Labeling of Chemicals)에서는 생산된 제품의 원료물질과 더불어 최종산물에 함유된 성분의 독성자료도 요구하고 있다. 그러나, 제조나노물질의 경우 기존의 일반 화학물질과는 달리 원료물질이 동일하더라도 제조방법에 따라 최종 생산된 나노물질의 물리화학적 특성은 매우 상이해질 수 있으므로 원료물질이 동일하더라도 최종산물의 독성결과를 동일하다고 평가하는 데는 많은 한계가 있을 것으로 판단되어 기존의 독성분류 방식을 보완할 방안을 마련하고자 많은 노력을 기울이고 있다. 본 연구에서는 나노물질의 응용분야의 확대로 인한 노출경로의 다양화를 반영하기 위하여 서로 다른 길이와 wall number를 갖는 단층벽 탄소나노튜브와 다층벽 탄소나노튜브를 경구 및 경기관지로 주입한 후 일어나는 체중변화, 각 조직의 상대무게 변화, 염증반응 등을 관찰함으로써 탄소나노튜브의 길이나 wall number가 독성에 미치는 영향을 조사해보고자 하였다.
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참고문헌 (16)

  1. Ji, S. R., Liu, C., Zhang, B., Yang, F., Xu, J., Long, J., Jin, C., Fu, D. L., Ni, Q. X., and Yu, X. J., "Carbon Nanotubes in Cancer Diagnosis and Therapy," Biochim. Biophys. Acta, 1806(1), 29-35 (2010). 

  2. http://www.oecd.org/document/50/0,3343,en_2649_37015404_ 42059634_1_1_1_37465,00.html 

  3. Lam, C. W., James, J. T., McCluskey, R., Arepalli, S., and Hunter, R. L., "A Review of Carbon Nanotube Toxicity and Assessment of Potential Occupational and Environmental Health Risks," Crit. Rev. Toxicol. Mar., 36(3), 189-217 (2006). 

  4. Yoshioka, Y., "Nanosafety Studies of Nanomaterials about Biodistribution and Immunotoxicity," Yakugaku Zasshi., 131(2), 221-224 (2011). 

  5. van derZande, M., Junker, R., Walboomers, X. F., and Jansen, J. A., "Carbon Nanotubes in Animal Models: A Systematic Review on Toxic Potential," Tissue Eng. Part B Rev., 17(1), 57-69 (2011). 

  6. Kayat, j., Gajbhiye, V., Tekade, R. K., and Jain, N. K., "Pulmonary Toxicity of Carbon Nanotubes: A Systematic Report," Nanomedicine, 7(1), 40-49 (2011). 

  7. Mutlu, G. M., Budinger, G. R., Green, A. A., Urich, D., Soberanes, S., Chiarella, S. E., Alheid, G. F., McCrimmon, D. R., Szleifer, I., and Hersam, M. C., "Biocompatible Nanoscale Dispersion of Single-walled Carbon Nanotubes Minimizes in Vivo Pulmonary Toxicity," Nano Lett., 10(5), 1664-1670 (2010). 

  8. Johnston, H. J., Hutchison, G. R., Christensen, F. M., Peters, S., Hankin, S., Aschberger, K., and Stone, V., "A Critical Review of the Biological Mechanisms Underlying the in Vivo and in Vitro Toxicity of Carbon Nanotubes: The Contribution of Physico-chemical Characteristics," Nanotoxicology, 4(2), 207-246(2010). 

  9. Kim, M., Choi, K., Kim, Y., and Yi, J., "Risk Assessment for Health and Environmental Hazards of Nanomaterials," Clean Technology, 13(3), 161-172 (2007). 

  10. Tabet, L., Bussy, C., Setyan, A., Simon-Deckers, A., Rossi, M. J., Boczkowski, J., and Lanone, S., "Coating Carbon Nanotubes with a Polystyrene-based Polymer Protects Against Pulmonary Toxicity," Part Fibre Toxicol., 8, 3 (2011). 

  11. Yamashita, K., Yoshioka, Y., Higashisaka, K., Morishita, Y., Yoshida, T., Fujimura, M., Kayamuro, H., Nabeshi, H., Yamashita, T., Nagano, K., Abe, Y., Kamada, H., Kawai, Y., Mayumi, T., Yoshikawa, T., Itoh, N., Tsunoda, S., and Tsutsumi, Y., "Carbon Nanotubes Elicit DNA Damage and Inflammatory Response Relative to Their Size and Shape," Inflammation, 33(4), 276-280 (2010). 

  12. Donaldson, K., Murphy, F., Schinwald, A., Duffin, R., and Poland, C.A., "Identifying the Pulmonary Hazard of High Aspect Ratio Nanoparticles to Enable Their Safety-by-design," Nanomedicine (Lond)., 6(1), 143-156 (2011). 

  13. Donaldson, K., Murphy, F. A., Duffin, R., and Poland, C. A. "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 Mesothelioma." Part Fibre Toxicol., 7, 5 (2010). 

  14. Pacurari, M., Castranova, V., and Vallyathan, V. "Single- and Multi-wall Carbon Nanotubes Versus Asbestos: Are the Carbon Nanotubes a New Health Risk to Humans?," J. Toxicol. Environ. Health A, 73(5), 378-395 (2010). 

  15. Park, E. J., Cho W. S., Jeong J, Yi, J., Choi, K., and Park, K., "Pro-inflammatory and Potential Allergic Responses Resulting from B Cell Activation in Mice Treated with Multi-walled Carbon Nanotubes by Intratracheal Instillation," Toxicology, 259(3), 113-121 (2009). 

  16. Park, E. J., Roh, J. Kim, S. N., Kim, Y., Hong, J. T., and Choi, K., "A Single Intratracheal Instillation of Single-walled Carbon Nanotubes Induced Early Lung Fibrosis and Subchronic Tissue Damage in Mice," Arch. Toxicol., 85(9), 1121-1131 (2011). 

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