Synteettiset nanohiukkaset – mitä ne ovat?

Miksi nanohiukkasia valmistetaan?

Nanoteknologiaa hyödyntäviä tuotteita on jo markkinoilla useita satoja. Tietokoneiden kovalevyjen lukupäissä ja siruissa on useita osia joiden toiminta perustuu nanoteknologiaan. Autojen katalysaattoreiden toiminta perustuu jalometalleista valmistettuihin synteettisiin nanohiukkasiin. Hiilinanoputkien avulla saadaan tehtyä kestävämpiä ja keveämpiä tennismailoja. Lisäämällä esimerkiksi auto- taikka käsipuhelimissa käytettäviin maaleihin nanokokoluokan nanopigmenttejä saadaan aikaan paremmin naarmuuntuvista kestäviä pintoja. Lääketieteessä nanoteknologiaa hyödynnetään jo lääketieteellisessä kuvantamisessa ja monien nanoteknologiaan perustuvien lääkkeiden kehitystyö on aivan loppumetreillä. Pian tällaisia "nanolääkkeitä" saadaan lääketieteelliseen käyttöön. Kosmetiikassa käytetään nanokokoista titaani- ja sinkkioksidia. Puhdistusaineissa on niin ikään nanohiukkassovelluksia.

Mitä erikoista nanohiukkasissa on?

Suuri pinta-ala lisää nanohiukkasten reaktiivisuutta ja kykyä reagoida erilaisten biologisten molekyylien kanssa. Niiden käyttäytyminen on erilaista kuin samaa kemiallista ainetta olevan isomman hiukkasen. Ihmisten valmistamien synteettisten nanohiukkasten käyttäytymistä ei ole vielä paljoa ehditty tutkia, mutta asian ymmärtämiseksi voimme käyttää hyväksi nanokokoisten luonnonhiukkasten ja kuitujen tutkimustietoa. Erityisesti tämä koskee polttoperäisten nanohiukkasten vaikutuksia ja niille altistumista.

Monesti synteettisiä nanohiukkasia on verrattu asbestiin uutena lupaavana teknologiana, jolla ei ole kuin hyviä ominaisuuksia. Aivan kuten asbestin käytön alkuaikoina synteettisistä nanohiukkasista tiedetään hyvin vähän ja aivan samalla tavalla ne ovat oman aikamme huipputeknologiaa. Synteettisten nanohiukkasten ja asbestin välillä on kuitenkin lukuisia eroavaisuuksia, joiden takia vertailujen tekeminen asbestin ja synteettisen nanohiukkasten vaikutusten välillä on vaikeaa. On myös harhaanjohtavaa puhua synteettisistä nanohiukkasista yleensä, koska niitä on tuhansia erilaisia. Osalla synteettisistä nanohiukkasista voi olla terveydelle haitallisia ominaisuuksia, mutta suurella osalla sellaisia ei todennäköisesti ole.

Nanopartikkelit käyttäytyvät kemiallisesti ja fysikaalisesti eri tavalla kuin suurempikokoiset sisarensa, mutta eroja on myös siinä miten ne käyttäytyvät elävässä kudoksessa. Aineiden erilainen käyttäytyminen nanokokoluokassa on haaste terveysvaikutusten tutkimukselle, mutta uutta tietoa kertyy koko ajan. Toistaiseksi ei ole kuitenkaan selvyyttä siitä, mihin synteettisten nanohiukkasten ominaisuuksiin - hiukkasten pinta-alaan, kokojakaumaan, lukumäärään taikka reaktiivisuuteen - vaikutuksia pitäisi suhteuttaa.

On osoitettu, että nanohiukkaset pääsevät etuaivojen alaosassa sijaitsevaan hajukäämiin nenän limakalvolta hajuhermon hermoratoja pitkin. Ilmansaastetutkimuksista on saatu tietää, että polttokaasuihin muodostuu palamisprosessissa hiilinanoputkia, jotka voivat päästä soluun eivätkä makrofagit onnistu niitä poistamaan. Nanohiukkanen osallistuu solun sisäisiin tapahtumiin käynnistämällä tulehdusreaktion tai vaikuttamalla suoraan verisuonten seinämän endoteeliin. Endoteelivaikutus johtaa sekundaarisiin verisuonimuutoksiin, joiden on ajateltu lisäävän sydänkohtauksen riskiä. Toistaiseksi ei ole näyttöä siitä, että synteettisillä nanohiukkasilla olisi tällaisia vaikutuksia.

Nykyään on käytössä suuri joukko tutkimusmenetelmiä, joiden avulla hiukkasten haitallisia vaikutuksia voidaan ennustaa jo ennen niiden käyttöönottoa. Niitä on systemaattisesti käytetty noin kolmekymmentä vuotta. Asbestin käyttöönoton aikoihin, 1920-luvulla, näin ei ollut asia. Ei ole erityistä syytä olettaa, että synteettiset nanohiukkaset vaikuttaisivat kuten asbesti ja aiheuttaisivat keuhkojen tai keuhkopussin syöpää.

Mitä riskejä nanoteknologiassa voi olla?

Tutkimusten mukaan erityisesti pitkät ja kapeat synteettiset nanohiukkaset, hiilinanoputket ja -vaijerit, voivat olla hengitettynä haitallisia ja niiden on osoitettu aiheuttavan koe-eläimillä keuhkotulehduksia ja arpikudoksen muodostumista. Lisäksi ilmansaaste-epidemiologiasta on saatu viitteitä, että polttoperäisillä nanohiukkasilla voi olla yhteys sekä äkillisiin sydäntapahtumiin että verisuonten seinämän paksuuntumiseen.

Monet uhkakuvat synteettisiä nanohiukkasia hyödyntävien nanoteknologioiden vaaroista ovat todennäköisesti liioiteltuja, mutta jo nyt on kertynyt selvää näyttöä siitä, että useilla synteettisillä nanohiukkasilla on haitallisia vaikutuksia koe-eläinmalleissa, jotka yleensä ennustavat hyvin terveyshaittoja ihmisissä. Näin ollen on selvää, että näiden hiukkasten turvallisuus täytyy tutkimuksin osoittaa.

Suurin nanohiukkasaltistus kohtaa kansalaista kadulla kulkiessa ja altistuttaessa polttoaineiden palaessa syntyville savukaasujen nanohiukkasille. Katukuiluissa tapahtuva nanoaltistus on haitallista, kun hiukkasia on suurina pitoisuuksina hengitysalueella ja kun altistumisajat ovat pitkiä. Ilmansaasteiden nanohiukkaset ovat kuitenkin erilaisia kuin teollisesti tuotetut ja niiden vaikutukset voivat olla erilaisia.

Teollisille taikka synteettisille nanohiukkasille altistuvat tällä hetkellä lähinnä tutkijat ja sellaisten tuotantolaitosten työntekijät, joissa tuotetaan synteettisiä nanohiukkasia. Näitä ei ole maailmalla vielä kovin monia. Yksittäiset ihmiset, kuluttajat, altistuvat synteettisille nanohiukkasille lähinnä uudenlaisia kuluttajatuotteita, kuten aurinkovoiteita taikka kosmetiikkaa käytettäessä.

Synteettisten nanohiukkasten mittaaminen

Normaali nanohiukkasten taustapitoisuus sisäilmassa on muutamia tuhansia partikkeleita millilitrassa ilmaa.. Suuri haaste synteettisten nanohiukkasten mittaamisessa on niiden tunnistaminen aina läsnä olevasta nanohiukkasten taustapitoisuudesta. Nanohiukkasia kyetään kyllä mittaamaan, mutta koostumukseltaan erilaisia hiukkasia ei kyetä erottamaan toisistaan, koska tämä edellyttäisi mittalaitteilta kykyä analysoida hiukkasten kemiallinen koostumus. Tähän ne eivät vielä kykene.

Viimeiset viisikymmentä vuotta ilmassa olevien hiukkasten pitoisuuksia on mitattu massaan ja lukumäärään perustuen. Synteettisiin ja muihin nanohiukkasiin tämä tapa mitata ei sovi, koska nanohiukkasten pienen koon takia massa on niiden mittaamisen kannalta epäolennainen suure. Olennaisia suureita ovat hiukkasten pinta-ala, hiukkaskokojakauma, hiukkasten lukumäärä ja reaktiivisuus, hiukkasten muoto, huokoisuus ja eräät muut ominaisuudet, joita nykyisillä mittalaitteilla ei kyetä mittaamaan taikka joita varten tarvitaan useita mittalaitteita yhtä aikaa.

Nykyiset REACH-lainsäädännön mukaiset massan mittaukset eivät anna oikeata kuvaa nanohiukkasista, sillä hiukkasten ominaisuudet eivät riipu massasta. Kilossa nanohiukkasia on miljoonia kertoja enemmän pinta-alaa kuin kilossa suurempia hiukkasia. Kun muistetaan, että hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa pintansa kautta esimerkiksi biomolekyyleihin, on helppoa ymmärtää, että hiukkasten pieni koko merkitsee enemmän vaikutuspinta-alaa.

Vielä ei tarkkaan tiedetä, mikä olisi paras tapa mitata synteettisiä (taikka muita) nanohiukkasia ilmasta. Pitääkö siis mitata lukumäärää, pinta-alaa, massaa, kaikkia yhtä aikaa taikka kokonaan jotain muuta. Tällä hetkellä nanohiukkasten mittalaitteet maksavat sadasta useaan sataan tuhanteen euroon ja mittauksia varten tarvittava laitepatteri painaa 200-300 kiloa.

Jotta saadaan luotettavaa tietoa altistumisesta synteettisille taikka muille nanohiukkasille, on välttämätöntä kehittää huokeita, helppokäyttöisiä ja monipuolisia laitteita, jotka ovat niin keveitä, että niitä on mahdollista helposti kuljettaa työpaikoilla ja käyttää ympäristömittauksissakin. Erityisesti keveitä ja luotettavia mittalaitteita tarvitaan yksittäisten työntekijöiden synteettisille nanohiukkasille altistumisen arviointiin. Tällä hetkellä sellaisia mittalaitteita ei ole olemassa.

Kun nanotuotteiden käyttö leviää, nanopartikkeleita joutuu väistämättä ympäristöön, maaperään, vesistöihin ja kenties pohjavesiin. Vielä ei ole mittalaitteita, joilla synteettisiä taikka muita nanohiukkasia voitaisiin mitata näistä ympäristöistä. Näidenkin mittalaitteiden kehittäminen on lähitulevaisuuden tärkeä haaste.

Ollaanko lähdetty varmistelematta liikkeelle?

Uudet teknologiat ovat yleensä täynnä lupauksia paremmasta tulevaisuudesta eikä niihin liitetä haittoja. Tällainen yhdistelmä on tosielämälle vieras, mutta mahdollisten haittojen toteamiseen kuluu yleensä aikaa, koska teknologioiden kehittäminen ja tutkiminen on alussa aina teknologiavetoista ja ajatustakin haitoista halutaan välttää. Tällä hetkellä globaalista nanoteknologian tutkimuksesta, noin kahdeksasta miljardista eurosta vuodessa, noin yksi prosentti suunnataan synteettisten nanohiukkasten haittojen taikka turvallisuuden tutkimukseen. On selvää, että nanoteknologioiden ja synteettisten nanohiukkasten terveellisyyden ja turvallisuuden tutkimus on vuosia teknologista tutkimusta jäljessä, ja viive pyrkii kasvamaan.

Nyt olisi erinomainen tilaisuus ennakoida uuden teknologian haittoja ennen sen laajaa käyttöä ja teknologian kehitystä ohjaamalla saada haitat minimoiduiksi. Olisi harmi, jos lupaava teknologia, jolla on paljon ihmiskunnalle annettavaa, joutuisi vastatuuleen ja saisi huonon maineen estettävissä olevien vahinkojen vuoksi. On nanoteknologiateollisuuden etu, että vaaroja ennakoidaan nyt ja kehitystyössä otetaan todetut riskit huomioon.

Kansainvälisesti synteettisten nanohiukkasten terveysvaikutustutkimukseen käytetään tällä hetkellä vajaat sata miljoonaa euroa. Julkaisuilla ja käytetyllä tutkimusrahalla mitattuna Euroopan Unioni johtaa, Yhdysvallat heti kannoillaan. Terveysvaikutustutkimus on vaatimattomampaa muissa nanoteknologian suurvalloissa, kuten Japanissa, Kiinassa ja Intiassa.

Suomessa nanoteknologian tutkimukseen on suunnattu tutkimusrahoitusta jo noin 80 miljoonaa euroa. Suurin rahoittaja on TEKES. Myös Suomen Akatemia ja Työsuojelurahasto ovat rahoittaneet nanoteknologiaa. Tehdyistä rahoituspäätöksistä noin 900,000 euroa on suuntautunut synteettisten nanohiukkasten terveysvaikutusten taikka turvallisuuden tutkimukseen. Nanoteknologioiden turvallisuustutkimus ja synteettisten nanohiukkasten terveysvaikutustutkimus tarjoavat myös huomattavia liiketoimintamahdollisuuksia ja ne olisivat myös tärkeitä nanoteknologiaan perustuvan teollisuuden hyvän maineen ylläpitämiselle.

Erityisesti lisää tietoja tarvitaan synteettisille nanohiukkasille altistumisesta, mahdollisista haittavaikutuksista valmistuksen yhteydessä sekä kuluttajien altistumisesta esimerkiksi aurinkovoiteille ja kuluttajatuotteille. Tärkeä tutkimuskohde on myös nanoteknologiaa hyödyntävien tuotteiden elinkaari. Työntekijöiden ja ympäristön altistuminen on mahdollista myös siinä vaiheessa, kun tuotteet muuttuvat esimerkiksi elektroniikkajätteeksi, ne murskataan ja synteettisiä nanohiukkasia voi joutua työpaikkailmaan tai ympäristöön.

Työsuojelun ja käytännön riskinarvioinnin ja -hallinnan kannalta materian erilainen käyttäytyminen nanokokoluokassa tarkoittaa, että esimerkiksi suurirakeiset ja nanokokoluokan titaanidioksidihiukkaset, vaikka samaa ainetta ovatkin, tarvitsevat oman erillisen riskinarviointinsa. Ei riitä, että saamme titaanidioksidin turvallisuustiedotteen, vaan tarvitsemme erillisen turvallisuustiedotteen karkeata ja nanokokoluokan titaanidioksidia varten. Sama vaatimus koskee myös muita aineita, myös hiilipitoisia synteettisiä nanohiukkasia.

Työterveyshuollon tehtävät

Työterveyslääkärit ovat yleensä joutuneet huolehtimaan uusien teknologioiden työntekijöille mahdollisesti tuomista terveyshaitoista. Asbestin jälkeen tulivat muovituotannon alkuun tuntemattomat riskit, sitten juotteiden käyttö elektroniikassa ja halpojen kumihansikkaiden lateksi-raaka-aineen aiheuttamat terveyshaitat. Nyt työlääketieteen haasteena on ottaa nanoteknologioiden tulevat riskit haltuunsa ja tarkastella niitä ennen ongelmien syntyä.

Tällä hetkellä paras tapa ehkäistä synteettisten nanohiukkasten mahdollisia terveyshaittoja on ehkäistä altistumista. Tämä tapahtuu käyttämällä suljettuja tuotantoprosesseja, puhdastiloja kaikessa käsittelyssä ja menetelmiä, joissa synteettiset nanohiukkaset ovat joko nestemäisessä kuljettimessa taikka sidottuna erilaisiin polymeereihin ja muihin materiaaleihin. Nanopartikkelit ilmassa poikkeavat muista ilman epäpuhtauksista, koska niiden pitoisuuksiin ei voida vaikuttaa normaalein siivous- ja suojaustoimin mm. niiden reaktiivisuuden takia ja sen vuoksi, että monet synteettiset nanohiukkaset käyttäytyvät pikemmin kaasujen kuin isompien hiukkasten tavoin. Lisäksi tulee varmistaa, että nanoteknologiaa hyödyntäneiden tuotteiden raaka-aineet kerätään turvallisesti ja tarkasti talteen niin, että ne eivät joudu ympäristöön tai työpaikkailmaan. Työterveyslääkärille synteettisiin nanohiukkasiin liittyvät haasteet tulevat vastaan ennemmin tai myöhemmin.

Tulevaisuus

Nanoteknologia on lupaava teollisuuden ala. Nanoteknologiaa kehittämällä voidaan saada nopeampia tietoliikenneyhteyksiä, pienempiä laitteita, parempia räjähteitä, tuhoavampia aseita, halvempaa energiantuotantoa, halpaa juomavettä - aivan miten halutaan. Nanoteknologia voi vähentää ympäristön kuormitusta pienentämällä materiaalivirtoja. Sen avulla voidaan kehittää parempia koneita, jotka kuluttavat vähän polttoainetta, hyviä eristeitä, luontoystävällisiä akkuja ja paloturvallista vaahtomuovia. Näiden etujen hyödyntäminen edellyttää vastuullisuutta niin teollisuudelta, viranomaisilta kuin tutkijoiltakin. Hyvän asian maine voidaan pilata toimimalla piittaamattomasti ja vastuuttomasti ja kuluttajien huolet laiminlyöden. Jälkimmäisestä hyvä esimerkki on geenimuunnellut tuotteet, joiden maine pilattiin Euroopassa kuluttajista piittaamattomalla tavalla toimia. Nanoteknologioiden hyötyjen tehokas käyttö edellyttää eri tahojen yhteistyötä ja merkittäviä lisäsatsauksia synteettisten nanohiukkasten terveellisyyden ja turvallisuuden tutkimukseen. Lisäksi työpaikkojen turvallisuus ja nanoteknologioihin perustuvien tuotteiden turvallinen elinkaari on varmistettava.