Nanohiukkaset voivat toimia uudella ja arvaamattomalla tavalla myös ihmisen kehossa.

Julkaistu Tiede-lehdessä 5/2013

Nanohiukkaset voivat toimia uudella ja arvaamattomalla tavalla myös ihmisen kehossa.

Teksti: Kirsi Heikkinen

Nanotekniikalla voidellaan suksia, pinnoitetaan kankaita ja puhdistetaan vettä. Nanoa käytetään kaljatölkeissä, öljyn lisäaineena, autonkoreissa, kännyköissä, maaleissa, ripsivärissä, kosteusvoiteissa, vitamiinikapseleissa ja ketsupissa.

Nanotuotteita on kuluttajien ulottuvilla jo tuhansia.

 – Jos insinöörillä olisi enemmän mielikuvitusta, niitä olisi paljon enemmän, naurahtaa tutkimusprofessori Kai Savolainen Työterveyslaitoksen nanoturvallisuuskeskuksesta.

Nanotekniikka auttaa myös sairaita, koska sen avulla lääkeaineet saadaan kuljetettua entistä tehokkaammin ja täsmällisemmin perille soluihin. Syöpää nujertava nano-ohjus nosti solubiologi Erkki Ruoslahden ScienceWatchin vuoden 2012 nobelveikkauslistan kärkikolmikkoon.

Nanoaineksilla voidaan lisätä ruoan hyviä ominaisuuksia ja karsia huonoja. Elintarviketurvallisuutta parannetaan nanopakkauksin ja biohälyttimin. Jääkaappeja ja nestepakkauskartonkeja vuorataan antibakteerisin nanohiukkasin. Ruokapakkauksiin on kehitteillä nanotunnistimia, jotka paljastavat sisältöä pilaavat mikrobit. Testeihin asti on edennyt  fluoresoivia nanovärejä, jotka syttyvät törmätessään salmonellan tai kolibakteerin vasta-aineisiin.

Michiganin yliopistossa kehitetään nanohälytintä, joka voitaisiin istuttaa suoraan lehmän sylkirauhaseen. Siellä se tunnistaisi kytevän hullun lehmän taudin yhdestä ainoasta prionin osasesta.

Pienellä eri ominaisuudet

Nanohiukkasten omat turvallisuusriskit ovat kuitenkin vielä hämärän peitossa. EU:n kemikaalilainsäädännön mukaan aineet, joita tuotetaan yli tonni vuodessa, pitää rekisteröidä Euroopan kemikaalivirastossa. Jos vuosituotanto ylittää kymmenen tonnia, aineesta täytyy toimittaa myös terveys- ja turvallisuustiedot EU-viranomaisille. Useimpien synteettisten nanohiukkasten tuotanto ei ylitä tonnirajaa, joten tietoja ei tarvitse toimittaa.

– Yhdestäkään nanohiukkasesta ei ole myrkyllisyystietokantaa, joka vaaditaan synteettisiltä aineilta.

Määräykset eivät ota huomioon hiukkaskokoa. Pikkiriikkisen hiukkasen pinta-ala on hyvin laaja suhteessa sen massaan. Synteettisten nanohiukkasten ominaisuudet voivat olla yllättävän erilaisia kuin muuten samanlaisten mutta isompikokoisten.

Nanohiukkasilla tarkoitetaan hiukkasia, joiden koko on 1–100 nanometriä eli millimetrin miljoonasosaa. Sellaisia on ennenkin pöllynnyt ilmaan polttouuneista, liikenteestä, energiantuotannosta, metsäpaloista ja tulivuorenpurkauksista. Tekesin vuoden 2006 pienhiukkasraportin mukaan mukaan ne muun muassa pahentavat astmaa ja sepelvaltimotautia.

Olennaista on koko: se ratkaisee, miten hiukkaset pääsevät elimistöön. Halkaisijaltaan 50 nanometrin hiukkasista vain kaksi prosenttia imeytyy keuhkorakkuloista verenkiertoon ja loput tulevat ulos hengitysilman mukana. Sen sijaan viiden nanometrin kokoisista imeytyy jo puolet.

Teollisissa nanohiukkasissa uutta on, että ne voidaan räätälöidä aivan erilaisiksi kuin ennestään ilmassa esiintyvät hiukkaset.

– Useimpia aineita voidaan tutkia siten, että katsotaan, mitä se aiheuttaa ihossa, hengitysteissä tai elimistössä. Na­nohiukkaset ovat hankalia, koska niiden ominaisuudet riippuvat siitä, missä ne ovat ja minkä kanssa joutuvat tekemisiin, Kai Savolainen sanoo.

Elimistöön päätyessään nanohiukkanen törmää väistämättä proteiineihin, rasvoihin tai sokereihin ja päällystyy joko happamilla tai emäksisillä molekyyleillä – millä, riippuu hiukkasen koostumuksesta ja pintarakenteesta. Kuorrutus muuttaa hiukkasen kokoa ja samalla sitä, miten se pääsee läpi solukalvosta tai muista biologisista kalvoista.

– Kuorrutus myös elää eli muuttuu, kun sitä ympäröivä pH muuttuu, Savolainen lisää.

Tästä syystä alun perin liukenematon aine voi muuttua liukenevaksi tai myrkytön myrkylliseksi.

Savolainen ottaa esimerkiksi sinkkioksidin, jota on muun muassa vaippaihottuman hoitoon tarkoitetussa sinkkipastassa. Se tekee pastasta hengittävämmän. EU:n ulkopuolella sitä käytetään myös aurinkovoiteissa pysäyttämässä uv-säteilyä.

Sinkkioksidi pääsee nanokokoisena helpommin sisään soluihin. Solussa se päätyy solun puhtaanapitolaitokseen, lysosomiin, joka on hyvin hapan. Siellä sinkkioksidihiukkanen halkeaa osasikseen ja ionisoituu. Sinkki-ionit taas ovat myrkyllisiä ja aiheuttavat solukuolemaa.

Kun sinkki lysosomeissa vapautuu ioneina, elimistön sinkkipitoisuudet voivat kohota paljon suuremmiksi kuin yleensä sinkille altistuttaessa. Sinkkioksidinanohiukkaset pystyvät siis salakuljettamaan suuria määriä sinkkiä soluun kuin Troijan hevoset.

Hiilinanoputkien haitat kuin asbestilla

Nanohiukkasten kulkeutumisreitit elimistössä tunnetaan toistaiseksi huonosti. Mahdolliset terveysriskit liittyvät todennäköisimmin niiden hengittämiseen. Ihoa ne näyttävät läpäisevän huonosti.

Nanohiukkasten ei ole todettu läpäisevän veri-aivoestettä eli pääsevän verestä aivoihin. Metallioksidihiukkaset voivat kuitenkin päästä aivojen hermosoluihin nenän kautta, hajuja aistivalta limakalvolta. Esimerkiksi mangaanioksidin on suurina annoksina havaittu vaurioittavan hiiren aivosoluja ja muuttavan välittäjäainepitoisuuksia. Iso kerta-annos titaanidioksidia taas vaurioitti hiirten ruokatorvea ja kertyi maksaan ja pernaan.

Kuitumaiset hiilinanoputket voivat puolestaan vahingoittaa samalla tavoin kuin asbesti: ne arpeuttavat keuhkoja ja aiheuttavat keuhkopussin ja vatsaontelon syöpiä. Asbesti on kuitumaista silikaattimineraalia, jota käytettiin 1920–1990-luvuilla rakennusmateriaaleissa, kunnes se havaittiin terveydelle erittäin haitalliseksi.

Kun Edinburghin yliopiston tutkijat laittoivat hiirten vatsaonteloon pienen kerta-annoksen moniseinäisiä hiilina­noputkia, niille syntyi jo yhden seurantaviikon aikana tyypillisiä asbestin aiheuttamia muutoksia.

Jotkin nanohiukkaset saattavat päästä istukan läpi si- kiöön. Saksalaisen Helmholtz-keskuksen tutkijat testasivat asiaa antamalla kantaville rotille nanohopeahiukkasia. Vuorokauden kuluttua niitä löytyi niin istukasta kuin sikiöistä.

Kierrätyksen yhteydessä nanomateriaaleja vapautuu ympäristöön, vesistöihin tai maaperään. Siellä niiden vaikutuksia on vaikea arvioida. Sinänsä haitattomista pallohiilistä eli fullereeneista esimerkiksi saattaa tulla myrkyllisiä, jos ne yhdistyvät ruskeavetisten luonnonvesien humushapon kanssa.

Myrkyllisestä yhtymisestä luonnonhapon kanssa on näyttöä. Ilpo Vattulainen Tampereen teknillisestä yliopistosta ja Emppu Salonen Aalto-yliopiston Teknillisestä korkeakoulusta ryhmineen osoittivat, ettei solujen toiminta häiriinny, kun ne altistuvat erikseen fullereeneille ja gallushapolle, jota esiintyy lähes kaikissa kasveissa. Mutta jos soluliuoksessa on yhtä aikaa fullereeneja ja gallushappoa, ne järjestyvät rakenteiksi, jotka sitoutuvat solujen pintaan ja tappavat ne kymmenessä minuutissa.

Vattulaisen ja Salosen tutkimukset paljastavat, kuinka vaikeaa on kartoittaa nanohiukkasten terveysvaikutuksia. Nanohiukkasten ja erilaisten biomolekyylien mahdollisia yhdistelmiä on suunnaton määrä, joten kaikkia on käytännössä mahdotonta tutkia. Hiilipohjaisia nanomateriaaleja on kymmeniätuhansia, muita vielä paljon enemmän.

Valtava määrä tutkittavaa

Epävarmuudet eivät pääty vielä siihen. Vaikka nanohiukkaset aiheuttaisivat muutoksia hiirissä tai soluviljelmissä, se ei kerro vielä todellisista terveysriskeistä ihmisille. Saman aineen hiukkaset voivat vaikuttaa eri tavalla eri kokoisina ja eri annoksina.

– Todennäköisesti valtaosa nanohiukkasista on täysin haitattomia tai myrkyllisiä vain silloin, jos niille altistuu hyvin suurina määrinä. Mutta miten tunnistetaan ne haitalliset? Kai Savolainen miettii.

Nanomateriaalit pitäisi tutkia sekä aerosolina että liuok­sena, mutta ei ole konsteja tehdä sitä kattavasti, nopeasti ja huokeasti. Savolaisen mukaan yhden aineen kunnolliseen tutkimiseen menee helposti miljoona euroa. On laskettu, että markkinoilla olevien synteettisten nanohiukkasten tutkiminen EU:n kemikaalilainsäädännön edellyttämälle tasolle veisi nykymenetelmin ja -voimavaroin 34–56 vuotta.

– Resurssit eivät riitä varmistamaan, että markkinoilla olevat nanomateriaalit on tutkittu kunnolla. Ja materiaaleja ja sovelluksia tulee lisää kaiken aikaa.

Puutetta alkaa paikata tänä keväänä Savolaisen johtama Nanosolutions-hanke, johon osallistuu kiinalaisia, eurooppalaisia, brasilialaisia ja yhdysvaltalaisia tutkimusryhmiä. Hankkeessa käytetään suurta määrää menetelmiä, joilla analysoidaan perin pohjin kymmenkunta nanomateriaalia.

Tavoitteena on määrittää se informaation vähimmäismäärä, jonka avulla haitallisuus voidaan tunnistaa. Tältä pohjalta on tarkoitus kehittää edullinen turvallisuusluokittelun työkalu viranomaisten ja yritysten käyttöön.

Vahinko pilaisi maineen

Savolaisen johtama Nanoturvallisuuskeskus tutkii nanoturvallisuutta myös työoloissa, onhan yksikkö osa Työterveyslaitosta.

– Eniten nanohiukkasille altistutaan niiden valmistuksen ja työstämisen aikana, joten jos mitään huolestuttavaa ei ilmene tuotannossa, sitä tuskin ilmenee muuallakaan.

Suomessa nanomateriaaleja hyödyntää noin 300 yritystä. Suurin osa niistä suhtautuu Savolaisen mukaan vastuullisesti vaikutuksiin, joita materiaaleilla voi olla.

Turvallisuus pitää Savolaisen mielestä saada hallintaan, koska nanoala kasvaa voimakkaasti. Sen yhteenlaskettu tuotanto maailmassa on ensi vuonna arviolta 2 000 miljardia euroa. Kyse on terveyden ja ympäristön lisäksi myös rahasta. Jos tuotteiden turvallisuuteen ei luoteta, niitä ei osteta.

– Jos tietämättömyytemme aiheuttaa vahinkoja, nanotekniikan maine pilaantuu. Se olisi suuri menetys, koska ala pystyy tuottamaan kaikkea hyödyllistä.

Kirsi Heikkinen on terveysaiheisiin ja aivotutkimukseen erikoistunut tiedetoimittaja.

Mikä nano?Hiukkanen on nano, kun sen yksi tai useampi halkaisija on 1–100 nanometriä eli millimetrin miljoonasosaa. Nanometri on bakteereita pienempi. Virukset kuuluvat kooltaan nanoluokkaan.

Nanohiukkaset ovat pienempiä kuin näkyvän valon aallonpituudet eivätkä siksi näy valomikroskoopilla. Nanohiukkaset voivat olla palloja, hiutaleita, putkia, vaijereita tai nuppuja.

Polttouuneissa ja moottoreissa syntyvistä hiukkasista osa on nanoa. Luonnossakin esiintyy nanokoon rakenteita. Virukset sekä maastopalojen ja tulivuorten pienimmät hiukkaset ovat sellaisia.

Synteettisiä nanomateriaaleja on tuhansia, kaupallisesti merkittäviä noin 200. Synteettisissä nanohiukkasissa voi olla ominaisuuksia.

Nanohiukkasten pitoisuus hengitysilmassa on yleensä alhainen, koska vapauduttuaan ne leviävät tehokkaasti ilmakehään. Teollisia nanohiukkasia voi leijua runsaasti työpaikan sisäilmassa.

Missä synteettistä nanoa?

Elektroniikassa, lääkkeissä, kosmetiikassa, rakennusmateriaaleissa, elintarvikkeissa, kulkuneuvoissa, vaatteissa, huonekaluissa ja urheiluvälineissä.

Merkintöjä tulossa meikkeihin ja ruokaan

N-kirjain voide- tai ripsiväriputkilossa kertoo pian, että tuote sisältää nanohiukkasia. EU on määrännyt nanomerkinnän pakolliseksi kosmetiikkatuotteisiin, jotka valmistetaan heinäkuun 2013 jälkeen. Myös elintarvikkeisiin on tulossa nanomerkintä. Synteettistä nanomateriaalia sisältävät ainekset on merkittävä elintarvikkeiden ainesosaluetteloon sanalla ”nano” ensi joulukuusta alkaen. Elintarvikkeiden nanomuotoiset ainesosat tarvitsevat ennakkohyväksynnän, ja pakkauksiin voidaan jo nyt määrätä nanomerkintä, jos sitä pidetään kuluttajalle tarpeellisena.