グラフェン系材料の安全性評価⑦グラフェン系材料の曝露・ライフサイクル解析＆まとめ

2022年6月3日 03:28

現在、懸念されているヒトへの曝露は、経皮・経口曝露もあり得るが、主にGBMの製造・取り扱い時の作業者の肺曝露である(4)。4）当然ながら、GBMを含むナノ材料を製造・研究する科学者や学生の安全性も無視できないが、最近の研究によれば、そうした職場におけるナノ材料の放出は非常に少ないと思われる(317,318)。(317,318) GBMの将来の生物医学的応用は、患者への曝露にもつながるが、すべての（新規）医薬品および医療機器の安全性を評価する必要がある。

グラフェン系材料への職業性曝露

　GBMの職業曝露に関連する研究は5件ある。グラファイト剥離法（319,320）、化学気相成長法（CVD）（166,320）、および特定されていない手法（おそらくCVD）によってGBMが製造されている（321,322）。(321,322) 残念ながら、これらの研究では、GBMの仕様や生産量は報告されていない。したがって、いくつかの結果は実験室規模の生産量（グラム以下）のGBMに適用でき（166,320）、いくつかは工業規模の生産に適用できる。(319,321,322) Spinazzèらは長期間の測定を行ったが(319)、他の研究は1プロセスサイクルで行われたものである。従って、暴露レベルのばらつきはよくわからない。しかし、このサンプルのすべての研究は、排出規制が適切に適用され、良い作業習慣が守られていれば、暴露レベルは非常に低いことを示した。米国の国立労働安全衛生研究所は、GBM（すなわちGNP）の製造と取り扱いに関する工学的制御に関する報告書を発表した（321）。著者らは、大バッチ（P1）と小バッチ（P2）の2種類の類似プロセスを用いてGBMの製造中に作業者の呼吸域濃度レベルを測定した。彼らは、製品の収穫とプロセスタンクの洗浄時に測定された濃度を報告した。P1では暴露制御を行わず、P2では下流に設置したブロワと回収容器上流に設置したバタフライバルブで製品採取を行った。回収容器が排出装置から取り外された製品の収穫時およびプロセスタンクの清掃時に、GBMの放出が検出されました。適切な作業方法と排出制御装置の適切な使用により、暴露レベルは88から99.9%以上に減少した。Bengtson らは、市販の CVD システムでグラフェンを合成する際に、人工的なエミッション制御を行わずにグラフェン暴露レベルを測定した（166）。(測定は、クリーンルームと工業用地において1生産サイクルにわたって行われた（166）。クリーンルームでは、粒子数濃度範囲のバックグラウンドレベルは<5 cm-3で、凝縮粒子計数器によるハッチ横の測定濃度は主にバックグラウンドレベルに留まった。反応器の開閉と乾式拭取りのみで、数秒間だけ15cm-3程度まで濃度が上昇した。TEM分析によると、試料には粒子が含まれていませんでした。著者らは、反応器の開放と乾式拭き取り時の濃度上昇が、凝集粒子計への配管や流れの乱れによるものであることも否定できなかった。工業用地内では、バックグラウンド粒子濃度が高いため、ハッチ横で測定した濃度上昇を検出できなかったという。(Lee らは、グラファイト剥離および CVD プロセスを用いた実験室規模のグラフェン製造と、グラフェンをポリエチレンテレフタレート（PET）シートに転写する際の作業者暴露を研究した（166）。(320）グラファイト剥離は液体中で行われるため、空気中の粒子は放出されないと考えられる。最も放出可能性が高いのは超音波処理時であると予想されたが、この工程は密閉されており、大気中にGBMは検出されなかった。CVD工程では、GBM採取時に短時間ながら粒子数濃度が上昇した。GBMのPETシートへの転写とシートの切断では、検出可能な濃度上昇は見られなかった。両製造エリアの空気から採取した粒子サンプルからは、GBM様構造が検出された。Spinazzèらは、年間30トンのGBM生産能力を持つ工業施設において、12ヶ月の間に6回の測定キャンペーンを実施した。(319）製造工程は以下のステップで構成されていた。(1) 原材料（グラファイト）の受け入れと保管、(2) プラズマ膨張、(3) 液体媒体中で行うプラズマ後処理/剥離、(4) 乾燥、(5) 仕上げ作業（例：包装）、(6) 最終製品の保管である。工程は自動化されており、作業者の作業は品質管理のための試料採取、清掃、保守作業であった。推定された8時間の時間加重平均濃度は、909～6438個/cm3、0.38～3.86μg/m3の範囲であった。グラフェン拡張室からのカスケードインパクターサンプルの重量分析では、質量の65%が250～500 nmのサイズ範囲であることが示されました。しかし、著者らは空気中の粒子の組成を分析していません。それにもかかわらず、この研究は全体として、作業員がGBMに著しく暴露される可能性は低いことを示唆した。しかし、この結果は、特定の作業（例えば、品質管理のための材料サンプリング）に直接関与する作業者は、日常的な生産に関与する作業者よりも職業的暴露の可能性が高いことも示している。(319)

グラフェン系材料のライフサイクル分析アプローチ

　毒性、生体内分布、運命、および曝露に関する情報は、環境中にGBMを導入することの危険性を理解する上で不可欠であるが、GBMの生産と使用の環境持続可能性を評価する上でも有用である。ライフサイクルアセスメント（LCA）手法は、製造プロセスおよびそれに関連するサプライチェーンのモデルと、環境中のGBM相互作用のモデルを組み合わせることにより、このような評価のための枠組みを提供するものである。(323）ここでは、GBMに関する最近のLCA研究を概観し、知識の現状と環境持続性評価におけるギャップを明らかにする。これまでのところ、LCA 研究は、グラフェン、（324,325）グラファイト・ナノプレートレット、（326）還元 GO の環境影響の主な原因を特定することに焦点を合わせている（327）。これらの研究では、化学還元、超音波剥離、ボールミルによる熱剥離、化学気相成長、エピタキシャル成長など、さまざまな製造方法を取り上げている(327)。たとえば、MISTRA Environmental Nanosafety プロジェクトの一環として行われた研究では、エネルギーや水の使用量、人体や生態への毒性の観点から、超音波処理または化学還元法によって製造されたグラフェンの違いが明らかにされている（327）（図9）。これらの研究結果は、対象となる GBM、製造方法、および生産スケールの範囲によって大きく異なっている。しかし，地球温暖化係数，淡水生態毒性，人体毒性，水使用量などの項目について，エネルギー消費と使用化学物質（ジエチルエーテルやメタンなど）が環境負荷の2大要因であることは，いずれも示している．これらの最近の LCA 研究は，GBM の環境持続可能性に関していくつかの洞察を与えてくれるが，重要な問題が残っている．主な懸念は、これらの研究のデータソースに起因するもので、科学論文、特許、将来的なモデルに基づいているため、モデルの不確実性が生じ、まだ評価が困難なことです。さらに、製造方法に関する他の仮定も改善される可能性がある。例えば、Arvidsson らは、グラファイトを超音波処理してグラフェンにするプロセスにおいて、95～99％の収率という仮説を用いている（327）。このように、この例は、さまざまな用途における有用性に影響を及ぼす可能性のある特性が大きく変化する機能として、幅広い種類のGBMについて適切な環境持続性評価を提供するという問題を提起している。この文脈では、異なるGBMを分類するために使用されるべき特性は、材料の用途と関連していなければならない。したがって、機械的強度、電気伝導度、熱伝導度、光吸収、および表面質量比などの特性はすべて、このようなグループを定義するのに関連する可能性がある。このようなグループを定義することで、環境への影響に関して適切な比較を行うことができます。なぜなら、グラフェンの応用が成熟するのは2025～2030年頃と予想されており（1）、国際レベルで温室効果ガスの目標を達成するためには、世界の電力ミックス（エネルギー消費に関する主要インプット）がその構成において（したがって関連する環境影響において）大幅に進化することが予想されるからである。
図9

GBMに関する最近のLCA研究から生じる他の重要な懸念は、GBMの人体および生態毒性に対する考慮が欠けていることである。この欠落は、現在のところ、既存のライフサイクル影響評価の枠組みの中にGBM特有の特性化係数（CF）が存在しないことによって説明される。このようなCFは、理論的には、GBM排出の影響を、ヒト、動物、植物、およびその他の生物に対する潜在的な毒性影響に変換するものである。

　
まとめ

　本総説では、GBMのヒトおよび環境に対する有害性評価の最新状況を概観し、これらの物質の潜在的毒性の根底にある構造活性相関を理解することの重要性を強調することを試みた。
そのためには、「材料を知る」ことが必要である。(333）また、ヒトの健康や環境安全性に関して、毒性学的試験に堅牢で検証された試験法を用いることも同様に重要である（334）。(334）
さらに、GBMに関する研究は、リスク評価に関連する問題を扱うべきであるが、（4）その生物学的相互作用の基本的な側面を扱う研究も必要である（335,336）。(このため、システム生物学的アプローチは、生体系におけるこの種のバイオマテリアルの挙動に関するさらなる洞察を得ながら、GBMの有害作用の根底にあるメカニズムを解明する手段を提供する（335, 336）。(337)
これまでの文献を概観すると、GBMの危険性評価は、生体系に対するGBMの潜在的な影響に取り組む研究が増え続け、一時代を築きつつある一方で、データギャップが依然として残っており、したがって、GBMの材料特性のみに基づく毒性予測が不可能であることが示されている。
実際、我々は、いくつかの選択されたエンドポイントについて、影響の（予測可能な）パターンが見え始めていることを示している（補足図S1～S5および表S1～S5参照）。
しかし、グラフェンとその誘導体の化学空間がまだ十分に探索されていないことも明らかである（図1）。しかし、この枠組みが、理想的にはGBMのライブラリーを用いた、あるいは少なくとも厳密な特性評価を受けたGBMを用いた、さらなる研究によって構築されることで、これらの材料の構造活性相関が明らかになることが期待されている。
実際、記述的毒性学から予測的毒性学に移行することが重要である。
Nelら（338）は、メカニズムに基づくハイスループットスクリーニングの使用を提案し、生物における疾患の結果につながる可能性のあるナノ材料の物理化学的特性について予測を行っている。
このアプローチに不可欠なのは、スクリーニングアッセイの大部分が試験管内で実施され、重要な検証アッセイは動物または全生物（例えば、ゼブラフィッシュ胚）で実施されるという事実である。これに加えて、システム毒性学的アプローチもまた、ナノ材料と生物との相互作用に光を当てることができる。(さらに、オミックスデータセット（トランスクリプトミクス、プロテオミクス、メタボロミクスなど）は、分子的な開始事象の特定に役立ち、生物組織のさまざまなレベルでの重要な事象の裏付けを提供し、AOPを充実させることができる（340）。(AOPsは、最終的には、予測モデルの開発に役立ち、GBMを含む化学物質やナノ材料（341）のリスク評価を支援することができる。欧州委員会の共同研究センター（JRC）は最近、人工ナノ材料の特性を予測するのに役立つ可能性のある計算手法の現状に関するレビューを発表した(342)。
著者らは、物理化学的およびハザード特性評価の方法、データの共有とアクセス性、モデルの規制適用性など、そのようなモデルの開発、取り込み、使用を妨げているいくつかの問題を特定した(342)。実際、（定量的）構造活性相関（QSAR）モデリングを十分に活用するためには、実験科学者とモデラーとの間のより強い協力関係が必要である(343)。(343）それでも、試験材料が十分に特性化され、試験系が堅牢であれば、in silicoアプローチは、GBMの明白でない構造-活性関係を抽出する手段を提供することができる。2017年、欧州委員会は8つのNanoData Landscape Compilationレポートを発行しました（https://publications.europa.eu/en/ 参照）。これらの報告書は、異なる応用分野におけるナノテクノロジーの環境のスナップショットを提供している。
「健康」に関する報告書では、GBMはほとんど言及されていないが、「環境」に関する報告書では、「少ない入手可能な証拠に基づき、ある形態のグラフェンがカーボンナノチューブと同様に強力な毒性物質になることを排除できない」と述べている。この発言は、カーボンナノチューブがアスベストのような性質を持つという疑念を抱かせるが（5）、国際がん研究機関（IARC）が最近発表した報告書によると、ある種の硬い多層カーボンナノチューブのみがヒトに対して発がん性がある可能性があると分類される（344）。(344）さらに、今回のレビューで長々と述べてきたように、GBMは一つの材料としてまとめることができない。実際、GBMは、グラフェン層の数、平均横方向寸法、および炭素と酸素の原子比という3つの重要なパラメータに関して異なっている（22）。(さらに、GBMはさまざまな方法で機能化することができ、それによってその特性や、おそらくはその生物学的特性を変化させることができる。)

サポート情報
Supporting Informationは、ACS Publicationsのウェブサイト（DOI: 10.1021/acsnano.8b04758）で無料公開されています。

毒性研究の対象となったGBMの範囲を示す3Dプロットを説明する5つの図と5つの表(PDF)

グラフェン系材料の安全性評価。ヒトの健康と環境に焦点をあてて

この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか？