一般用マスクに頻繁に含まれる二酸化チタン粒子の規制管理について
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公開日：2022年2月15日
一般用マスクに頻繁に含まれる二酸化チタン粒子の規制管理について
Eveline Verleysen, Marina Ledecq, ...Jan Mast 著者を表示する。
Scientific Reports 12巻、記事番号：2529（2022） この記事を引用する
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指標詳細
概要
二酸化チタン（TiO2）は吸入すると発がん性が疑われるが、繊維グレードのTiO2（ナノ）粒子が一般向けのマスクの合成繊維に含まれていることが実証された。様々な単回使用および再使用のマスクの断面のSTEM-EDX分析により、不織布、ポリエステル、ポリアミドおよび二成分繊維中の凝集したほぼ球形のTiO2粒子が可視化されました。構成粒子の中央径は89～184 nmであり、ナノサイズ粒子（<100 nm）の割合が大きいことが示唆された。ICP-OESで測定されたTiO2の総量は、マスクあたり791から152,345μgの範囲であった。繊維表面のTiO2量は17～4394µgと推定され、マスクを集中的に着用した場合の吸入によるTiO2曝露許容量（3.6µg）を系統的に上回った。フェイスマスク着用時の放出や吸入取り込みを直接測定して評価することができなかったため、TiO2粒子の放出の可能性そのものについては想定していない。COVID-19に対するマスク着用の重要性は疑う余地がない。しかし、これらの結果は、規制が不十分な使用によって将来起こりうる結果を避けるために、繊維における（ナノ）テクノロジーの応用について深く研究し、セーフ・バイ・デザインの原則に従ってTiO2粒子の量を段階的に削減または制限する規制基準を実施するよう促すものである。
はじめに
フェイスマスクの着用は、COVID-19のパンデミックを抑制するための重要かつ広く適用される公衆衛生対策である1。最近の研究では、個人用保護具として販売される予定のフェイスマスクのいくつかのバッチをテストし、調査したフェイスマスクの70％が100～2000 mg kgの量のTiO2を含んでいることが示された12。このことから、TiO2は、他のさまざまな繊維製品同様、マスクの繊維製品にも、紫外線に対する安定性の向上、白色着色剤、つや消し剤などとして一般的に使用されていることがわかります3,4。さらに、COVID-19の流行に関連した課題に対する新しいソリューションを導入するために、繊維企業は特定のナノファイバー、ナノ複合材料、ナノ粒子技術をフェイスマスクに組み込んでいます5,6。酸化チタン・ナノ粒子を含むナノファイバーは、銀8やグラフェン9と組み合わせて、抗菌フィルター7を作るために製造されている。綿布に酸化チタンナノ粒子をコーティングすることで、セルフクリーニングと抗菌性を向上させることができた10。
Palmeiriら5 は、最近の意見書の中で、マスクの性能を向上させるために適用される繊維製品におけるナノテクノロジーの不十分な規制の使用によって、将来起こりうる結果について警告している。動物実験では、TiO2粒子を吸入した場合11,12、経口摂取した場合13,14の毒性作用が報告されています。2017年、欧州化学機関（ECHA）のリスクアセスメント委員会（RAC）はTiO2の発がん性の可能性を検討し、二酸化チタンをCarcに分類することを提案しました。2, H351 (suspected human carcinogen)15として吸入により分類することを提案した。このCLP分類16が二酸化チタンに採用された。
マスクに含まれる二酸化チタン粒子が健康被害をもたらす可能性があるかどうかを評価するために、一部のマスクについて、その量、物理化学的特性および局在性を分析した。これらの測定結果を基に、繊維表面の酸化チタン量を推定し、マスク1枚あたりの吸入による酸化チタンへの許容暴露量（AELmask）と比較した。
結果および考察
一般市民が着用することを想定し、使い捨てマスクと再利用可能なマスクを含む12種類のフェイスマスクを、ベルギーとEUの様々なサプライヤーから入手した。マスクの原産地は世界各地である。選択されたマスクは、ポリエステル、ポリアミド、メルトブローンと熱融着不織布などの合成繊維、および綿などの天然繊維を含む様々な繊維で構成されています（表1）。マスクはすべてNIOSH未認証、Mask04とMask07はCEロゴ付き、Mask03とMask07はエコテックス認証です。Mask01、04、05は3プライタイプのマスクである17,18。調査したマスクの画像を補足資料1として示す。
表1 調査したフェイスマスクの特性
原寸表
TiO2粒子の量の代理として、各フェイスマスクに含まれるチタン（Ti）の総量を誘導結合プラズマ-発光分光法（ICP-OES）で測定したところ、TiO2の量はマスクあたり0.8～152 mgと強いばらつきがあった（Table 1）。
樹脂埋め込み型フェイスマスクの切片を高角度環状暗視野（HAADF）走査型透過電子顕微鏡（STEM）で分析したところ、合成繊維中に単一および凝集した構成粒子が認められた（図1a〜c,e）。この粒子は、調査した各フェイスマスクの少なくとも1つの層で観察された（表1および補足情報2）。エネルギー分散型X線分光法（EDX）により、これらの粒子はTiO2であることが確認された（図2、補足情報3）。TiO2粒子の一部は、繊維の表面に位置していた（図2b）。綿繊維（図1d）、メルトブローン不織布（図1f）、および熱接着不織布の一部にはTiO2粒子が観察されなかった（表1）。
図1
図1
フェイスマスクで観察された異なる種類の繊維の断面のHAADF- STEM画像。（a）ポリエステル、（b）ポリアミド、（c）二成分系マイクロファイバー、（d）綿、（e）熱接着性不織布、（f）メルトブローン不織布を使用。TiO2粒子は明るい白色のドットとして見える。
フルサイズ画像
図2
図2
粒子のSTEM-EDX分析（a）ポリエステル繊維中、（b）ポリエステル繊維の端、（c）二成分系マイクロファイバー中、（d）不織布中。 1列目）低倍率HAADF-STEM画像は、（2列目）高倍率HAADF-STEM画像に示す分析粒子（白矢印）を含む繊維の断面を示している。(3列目）EDXで得られたTi（緑）のスペクトル画像は、測定されたTiシグナルがSTEM画像に示された粒子の位置と一致していることを示し、（4列目）STEM画像に示された領域のEDXスペクトルはTiシグナルを示すことを表している。
フルサイズ画像
一般に、電子顕微鏡の結果は、TiO2粒子の量がポリエステルおよびポリアミド繊維よりも不織布の方が約10分の1少ないことを示すICP-OESの測定結果を裏付けるものである。
調査したフェイスマスク中の構成TiO2粒子および凝集体のサイズと形状（球形に近い形態）を測定した結果（表1、補足情報4-6）、全体として、フェイスマスク中のTiO2粒子の物理化学特性は、他の繊維に適用されているいわゆる繊維グレードTiO2の仕様と一致し19，20、E 171食品添加物のものと同様14であることが判明した。測定されたマスク内の酸化チタンのサイズ分布は、ECの定義21に従って、適用された酸化チタンがすべてナノ材料として認定されるわけではないが、Mask04以外の調査された各マスクは、ナノ粒子の顕著な割合（6～65％）を含み、適切なリスク分析が必要である。
酸化チタン粒子の吸入による危険性はよく知られているため11,22,23 、特に暴露解析はリスク解析のために重要である。マスクに含まれる酸化チタン（ナノ）粒子の曝露は、その放出量に依存する。フェイスマスクの繊維ポリマーに完全に取り込まれた凝集した酸化チタン粒子の移動は、理論的考察により除外できる：フェイスマスクを構成するポリマー中を移動できるのは5 nmより小さい粒子のみ24。しかし、繊維表面の粒子は、摩耗や空気力学的な力を受けると放出される可能性があります。しかし，通常の使用時にマスクから粒子が放出されるかどうか，また，どの程度の酸化チタンが放出されるかを判断する標準的な方法がないため，放出される粒子を直接測定することは困難である．粒子が単粒子として、凝集体として、凝集体を含む繊維の断片として、あるいはそれらの組み合わせとして放出され、その運命を変える可能性があるかどうかは不明である。さらに、TiO2含有繊維からのTiO2粒子の脱離/侵食/磨耗に関する情報を提供する文献データはほとんどない25。そこで、各マスクの繊維表面のTiO2の質量と、マスク1枚当たりで表される悪影響なく吸入可能なTiO2粒子の質量（AELmask）を比較する間接的アプローチを適用しました。この方法は、繊維表面ですべての粒子が放出されることを想定していません。許容暴露量を超えるためには、繊維表面のTiO2粒子がどの割合で放出されなければならないかを計算するだけである。マスクからの粒子の動態や放出メカニズムは現在のところ不明であるため、粒子の放出の可能性そのものは仮定していない。
AELmask は、補足情報 7 に記載されているように、一般成人集団によるフェイスマスクの集中的な使用 シナリオでの亜慢性暴露に対する閾値ベースのリスク特性評価を用いて 3.6μg と推定された。肺の炎症が重要な影響として選択された。Bermudez らによるラットの反復吸入試験12 に基づいて、有害事象が認められない濃度を 0.5 mg/m3 とし、さらに、TiO2 ナノフォームへの専門的な許容暴露レベルを決定するアプローチ26 に基づいてリスクを特徴付けた。集中使用シナリオでは、2枚のマスクを8時間にわたって着用し、4時間ごとにマスクを交換することが推奨されると仮定した27。
さらに，繊維マトリックス中の TiO2 粒子は移動せず，繊維表面の粒子のみが放出されると仮定した．繊維表面のTiO2粒子の割合（％）および質量（μg）は，方法セクションおよび補足情報9に記載したように，繊維内の均一な粒子分布を仮定してモデル化した。この仮定は、製造中にTiO2粒子が繊維マトリックスと混合されることから妥当であり、HAADF-STEM分析によって確認された。典型的な（ほぼ）円筒形の合成繊維（ポリエステル、ポリアミド、不織布）では、その割合は2～4%であった。繊維表面のTiO2量は、1マスクあたり17～4394μgと推定された（表1）。2 成分マイクロファイバー（図 1c）の構造により表面積が大きくなるため28 、補正係数を導入し、表面における粒子の割合を高くした（方法のセクションと補足情報 9 に記載されている）。
表 1 によると、調査したすべてのマスクで、繊維表面の酸化チタン粒子の量が AELmask を大幅に超えています。この系統的な超過は、ポリエステル、ポリアミド、熱接着不織布、二成分繊維を含むマスクが集中的に使用される場合、危険性と暴露に関する不確実性が残っている（補足情報7）保守的仮定に依存するアプローチを適用すると、健康リスクが排除されないことを示しています。再利用可能なマスクのAELmaskの超過は、単回使用のマスク（5～11倍）よりも高い（87～1220倍）。これは、再利用可能なマスクでは、繊維表面での粒子のごく一部の取り込みがすでに健康リスクをもたらしている可能性を示唆している。再利用可能なマスクは、一般的にマトリックス中のTiO2量が多く、質量が大きく（繊維が多いほどTiO2量が多い）、平均繊維径が小さくなります。すべてのマスクにおいて，TiO2 の総質量に関する複合測定不確かさ（k = 1）（表 1，補足情報 8）は，AELmask よりも大きくなっていた．そのため、マスク着用前後のTiO2の変化として測定されるAELmaskのオーダーでのTiO2放出は、総質量測定の不確かさの範囲内にあるため、実証することができない。
COVID-19のパンデミック対策として、マスクは重要な役割を担っている1。今のところ、マスクに含まれる酸化チタン粒子に関連するリスクの可能性が、防護策としてのマスク着用の利点を上回るとするデータはない。ですから、私たちはマスクの着用を中止するよう求めてはいません。しかし、繊維製品におけるナノテクノロジーの規制が不十分な使用によって将来起こりうる結果に対するPalmeiriら5人の警告は、TiO2粒子が白色着色剤または艶消し剤として、あるいは紫外線によるポリマー分解を抑える耐久性を保証するために従来通り適用されるフェイスマスクにも適用されるべきである3,4。これらの特性は、マスクの機能にとって重要ではなく、いくつかのマスクの層で観察されたように、マスクに適した合成繊維はTiO229なしで製造することができる（表1）。さらに、TiO2粒子の遺伝毒性に関する不確実性が残っている14。したがって、これらの結果は、「セーフ・バイ・デザイン」の原則に従って、TiO2粒子の量を段階的に削減または制限する規制基準の実施を促すものである。
このアプローチにより、フェイスマスクの品質パラメータの1つである、繊維表面のTiO2量を定量的に評価することができました。このような定量的なパラメータは、市場に出回っているマスクの評価、製品仕様や規制基準の策定、より良い製品の製造に重要である。
本研究では、マスクに含まれる酸化チタンの分析、特性評価、リスク評価に関連するいくつかの主要な課題を明らかにした： (i) 一般に、マスク中の（ナノ）粒子の存在、その特性、曝露、住民へのリスクに関する科学的データは限られている。(ii) フェイスマスク中のTiO2粒子の特性評価のための方法論は、時間がかかり、高価である。(iii)この研究は一般大衆向けのフェイスマスクに焦点を当てたが、医療用マスクのような合成繊維を含む他のタイプのマスクに、認証されていてもTiO2が存在することを排除するものではない。一般人用マスクに関する本研究は、医療用マスクや個人防護具用マスクにおけるTiO2粒子の存在とそれに伴う職業暴露に関連する潜在的な健康リスクを評価するために拡張されるべきである。(iv) フェイスマスクからの粒子の運命及び放出メカニズムは現在不明である。例えば、粒子は単粒子として、凝集体として、凝集体を含む繊維の断片として、あるいはそれらの組み合わせとして放出される可能性がある。凝集体は、pH、イオン強度、タンパク質の存在、担体媒体の動きなどの環境の変化に敏感であり、環境に応じて脱凝集したり、さらに凝集したりすることがある30,31。このことは、曝露シナリオや組織への取り込み、生体内分布におけるナノ粒子の複雑な挙動を引き起こすが、毒性や生体反応への影響はまだ十分に理解されていない30,32。(v) TiO2 粒子の毒性に関するリスク評価のための重要な情報が不足している：フェイスマスクに存在する特定の TiO2 粒子の危険性（吸入毒性閾値）に関するデータは、繊維グレードの TiO2 粒子を用いた堅牢で反復投与吸入試験で決定されるはずである。さらに、脆弱な集団、特に小児のリスクを評価するために、より多くの毒性および疫学的研究が必要である。
方法
ICP-OES 試料調製
ICP-OES による全チタン（Ti）分析のための試料調製に通常適用される分解工程に非常に耐性のある材料で構成されたフェイスマスクを調査した。しかし、密閉マイクロ波アシスト酸分解に基づく試料調製法の適応により、チタンの総量を測定することが可能になりました。マスクは、はさみで細かく切断し、切断部分を手動で混合することで均質化しました。マスクが織物層と不織布層の両方を含む場合、その層を別々に消化した。不織布層のみで、分離が困難な場合は、マスク全体をホモジナイズした。
素材に応じて2種類の分解方法を適用しました。織物（綿、ポリエステル又は他の合成繊維）は、硝酸と硫酸の4：1（v：v）混合物で、Mars 6マイクロ波（CEM、米国）において220℃で消化（密閉マイクロ波消化）された。この方法は、ポリエチレンテレフタレート消化のアプリケーションノート33から転用したものです。マスクの不織布は、完全な消化のためにより高い温度を必要とし、濡れにくい軽い繊維のために、この方法を適応させたのです。この方法では、まずiPrep 容器（CEM, USA）を用いて260 °Cの濃硫酸で炭化工程を行い、次に200 °Cの濃硝酸で消化工程を行います。
ICP-OES 分析
消化物を希釈した後、波長 368.520 nm の ICP-OES (Varian 720, Agilent technologies) によって全 Ti 濃度を測定した。すべてのサンプルは二重に調製され、分析された。チタン濃度は、すべてのチタンが TiO2 として存在すると仮定し、TiO2 の分子量 (79.88 g/mol) と Ti の分子量 (47.88 g/mol) の比として計算される係数 1.668 を乗じて TiO2 濃度に再計算された。
TEM試料の調製
繊維中の粒子の TEM 分析のための試料調製法は，Gashti ら 34，Lorenz ら 35，Hebeish ら 36 および Joshi ら 37 に基づいて開発された．
各マスクから 1 × 1 cm 角のピースをハサミで切り出し，マスクの各層を分離した。各層から 1 × 5 mm の帯を切り出した。各ストリップをシリコーンゴム製の埋込型［Silicone Mould 21 Cavity Blue（Agar Scientific Ltd.、G3549）］に移し、EPON812-Spurr樹脂混合物に埋没させた。
試料ブロックは、TM60トリミングユニット（Reichert-Jung A.G., Vienna, Austria）を用いて、0.5-2mm2の切断面が得られるようにトリミングした。ウルトラカット（Leica Microsystems, Wetzlar, Germany）を用いて，150～250 nmの厚さの半薄切片を切り出した．切片は，カーボンとピオロホルムでコーティングした150メッシュの銅グリッド（Agar Scientific Ltd., G2150C；カーボンとピオロホルム層は社内で追加）上に持ってきた．
TEMイメージングと解析
フェイスマスクの切片は，2 つのウィンドウレスシリコンドリフト検出器（SDD） （Thermo Fisher Scientific, Eindhoven, The Netherlands）からなる HAADF 検出器および Super-X EDS 検出器（Thermo Fisher Scientific, Eindhoven, The Netherlands）を備えた透過電子顕微鏡 Talos F200S G2 で解析した．TiO2粒子のサイズ、形態および凝集状態を検出、局在化、および測定することを目的としたSTEMイメージング、および観察された粒子の元素組成を決定することを目的としたEDXスペクトルおよびスペクトル画像は、Veloxソフトウェア（Thermo Fisher Scientific）を使用して記録された。元素分析を含む記述的分析は、3枚の個別マスクに基づき、3連で行われた。構成粒子と酸化チタン粒子の凝集体のサイズ分布は、高倍率と低倍率でそれぞれ10枚の代表画像を記録し、ImageJソフトウェア38,39,40を用いた画像解析によって推定した。凝集体の定量分析に使用する倍率は、繊維の断面の大きさに基づいて選択し、層に依存した。凝集体のサイズは、Particlesizer プラグインを使用して、単粒子モードで半自動的に決定した。構成粒子の定量分析のために、すべてのケースで88,000倍の倍率が選択された。E171 食品添加物の構成粒子の特性評価に適用され、粒子をマトリックスから分離し、その後の精密な（半自動）画像解析に必要な分散法は、ポリマーマトリックスに凝集体として埋め込まれたフェイスマスクの粒子に適用することはできません。したがって、構成粒子の測定は、限られたデータセットの手動測定に依存しており、これは比較的不正確で、観察されたサイズのばらつきの一部も説明しています。測定された粒子の数は繊維中のTiO2濃度に依存し、選択した倍率の10枚の画像で30から166個の構成粒子と12から416個の凝集体の範囲であった。画像解析から得られた生データは、記述統計の計算とヒストグラムのプロットのために、社内のPythonスクリプトを使用して処理された。繊維断面の表面積は，ImageJ ソフトウェアを使用して TEM 画像を基に測定し，光学顕微鏡で確認した．
繊維表面におけるTiO2粒子の割合の推定
マスク内の繊維表面に存在する（凝集した）TiO2粒子の質量（ ({M}_{sf}}）は、以下のように算出できる。
M}{sf}= \mathrm{F} * {M}{tot}$$ と計算できる。
(1)
但し、(1)は繊維表面の粒子の割合、(2)はマスク内のTiO2の総質量である。
凝集したTiO2粒子が繊維中に均一に分布していると仮定すると， \mathrm{F}} は繊維断面の外部リング状表面（Sr）と繊維断面の全体表面（Scs）の比として近似される（補足情報9）．外部リング状表面の厚さSrは、TiO2凝集体のメジアン径（da）によって決定される（補足情報9）。これは、繊維の断面が円形であると仮定して、以下のように近似できる。
$$\mathrm{F}=\frac{{S}{r}}{{S}{CS}}$$
(2)
$$\mathrm{F}=\frac{\frac{\pi }{4}{d}_{f}^{2}-\frac{\pi }{4}({d}{f}{-{d}{a})}^{2}}{\frac{\pi }{4}*{d}{f}^{2}}$$
(3)
$$\mathrm{F}=\frac{{d}{f}^{2}-({d}{f}{-{d}{a})}^{2}}{{d}_{f}^{2}}$$
(4)
ここで、dfは繊維の直径の中央値、daはTiO2凝集体の最小フェレット直径の中央値である。
繊維の特定のケース、すなわち2成分マイクロファイバーでは、繊維中の凝集したTiO2粒子の均一な分布という仮定は正しくない。2成分マイクロファイバーは、TiO2粒子が放出される表面積が大きいことが特徴である。この表面積の増加を考慮し、補正係数を導入したのが、Γ({S}_{r, mf})である。
S}{r, mf}={S}{r}* \frac{thum , wedges, perimeter}{fiber , perimeter}$$.
(5)
(5) Ⓐは繊維の楔状（TiO2含有）ポリエステル部分の外周の和、Ⓑは微細繊維の（ほぼ）円形断面の外周であり、Ⓒは繊維の外周の和である。
データの利用可能性
本研究で作成・分析したデータセットは、対応する著者から入手可能である。
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謝辞
この研究は、ベルギー連邦政府が資金提供したCOVID-19プロジェクトの一部です。科学的な議論に貢献してくれたMirjana Andjelkovicに感謝したい。
著者情報
著者名および所属
微量元素とナノ材料、Sciensano、Groeselenbergstraat 99、1180、Uccle、ベルギー
Eveline Verleysen, Marina Ledecq, Lisa Siciliani, Sandra De Vos, Frédéric Brassinne, Frederic Van Steen, Joris Van Loco & Jan Mast.
微量元素とナノ材料、Sciensano、Leuvensesteenweg 17、3080、Tervuren、ベルギー
Karlien Cheyns, Régis Nkenda, Ronny Machiels, Nadia Waegeneers, Joris Van Loco & Jan Mast（カーリエン・シャインズ、レジス・ネケンダ、ロニー・マキールズ、ナディア・ウェゲネア、ヨリス・ヴァン・ロコ、ジャン・マスト
サービスリスクと健康影響評価、Sciensano、Juliette Wytsmanstraat 14、1050、Brussels、ベルギー
Christiane Vleminckx, Marie-Noelle Blaude, Nadia Waegeneers & Joris Van Loco.
寄稿
概念化、J.M., E.V., K.C., C.V., M.-N.B., J.V.L.; 方法論, E.V., M.L., K.C., N.W., J.M., M.-N.B, C.V.; 形式分析、 L.S, M.L., E.V., S.D.V., F.B., F.V.S., K.C., R.N., R.M., M.-N.B.; data curation, J.M., E.V., L.S., K.C., M.-N.B.; writing-original draft preparation, E.V., J.M., K.C.., L.S.、執筆-レビューおよび編集、E.V.、J.M.、K.C.、M.-N.B.、C.V、 J.V.L.、N.W. 、可視化、E.V、 L.S. 、監督 J.M., J.V.L., E.V., K.C.., C.V.、プロジェクト管理、J.M.、E.V.、資金獲得 J.M.、J.V.L.、E.V. 全著者がこの原稿の公開版を読み、同意しています。
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Jan Mastに連絡する。
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著者らは、競合する利害関係を宣言していない。
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この記事の引用
Verleysen, E., Ledecq, M., Siciliani, L. et al. 一般用マスクに頻繁に含まれる二酸化チタン粒子は規制管理が必要である. Sci Rep 12, 2529 (2022)。https://doi.org/10.1038/s41598-022-06605-w。
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受領
2021年11月25日
受理済
2022年2月1日
公開日
2022年2月15日発行
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