탄소나노튜브의 독성, 이젠 간단한 전기화학적 검사로 알 수 있어

 

탄소나노튜브의 독성, 이젠 간단한 전기화학적 검사로 알 수 있어

 

 

 

 

 

탄소나노튜브는 이미 실험실을 떠나 우리 실생활에 파고 들어와 있다.

 

다양한 스포츠 장비나 용품은 물론이고 항공기나 첨단 의료진단 장비에서도 어렵지 않게 탄소나노튜브를 발견할 수 있는 시대에 우리는 살고 있는 것이다. 하지만 탄소나노튜브가 적용된 제품을 사용 함으로서 우리에게 돌아오는 혜택이 위험을 감수할 정도의 것인가에 대해 생각해봐야 한다는 목소리가 점차 그 힘을 얻고 있다. 즉 안심하고 사용해도 될 만큼 탄소나노튜브의 안전성에 대한 검증이 필요하다는 뜻이다.

 

일본 국립재료과학연구원(National Institute for Materials Science) 마틴 푸메라(Martin Pumera) 박사 연구진은 이러한 이슈에 해결책이 될만한 연구결과를 영국화학회(Royal Chemical Society)에서 발행하는 나노스케일(Nanoscale) 저널에 최근 발표했다. 지금까지 많은 과학자들이 탄소나노튜브의 독성에 대한 연구결과를 발표했지만 결과의 편차가 너무 크거나, 기존 연구결과와 상반되는 결과가 보고되기도 했다. 이는 독성연구에 사용한 탄소나노튜브 시료가 표준화되어 있지 않기 때문에 나타난 결과이다.

 

대부분 탄소나노튜브를 매우 균일한 물질로 생각하고 있지만 실상은 그렇지 않다. 탄소나노튜브엔 제조과정에서 사용했던 금속촉매가 불순물로 상당량 존재한다. 그것도 상당히 많은 비중을 차지한다. 시료에 따라 그 양과 조성이 다르지만 금속촉매 불순물의 함유량은 적게는 1%에서 많게는 10%에 이를 경우도 있다. 탄소나노튜브를 이루고 있는 탄소의 화학적 구조는 흑연과 유사하여 화학적으로 매우 안정한 편이다. 때문에 기계적인 경로를 제외하곤 세포나 생체조직에 손상을 입히지 않는 것으로 알려져 있다. 하지만 금속촉매 불순물은 바이오마커(biomarker)와 대사중간체(metabolic intermediate)의 산화환원 성질을 강하게 교란하는 것으로 알려져 있다. 즉 이는 탄소나노튜브의 화학적 독성이 금속 불순물에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 의미한다.

 

탄소나노튜브는 제조방식이나 구조적 형태에 따라 잔존 금속촉매 불순물의 양과 조성이 매우 다양하다. 탄소나노튜브에서 발견되는 금속촉매 불순물은 니켈, 구리, 코발트, 몰리브덴, 철에 이르기까지 매우 다양하다. 모두 독성이 강한 금속 원소들이다. 일반적으로 잔존 금속촉매 불순물의 양이 1% 이하면 고품질 탄소나노튜브로 취급한다. 하지만 금속촉매 불순물 잔존량이 1%인 탄소나노튜브가 전세계적으로 매년 1톤이 생산되고 있다고 가정하면 매년 10kg에 달하는 맹독성 금속을 함유된 탄소나노튜브에 인류가 노출되고 있는 셈이다. 수요가 점차 늘어나 수 백만 톤이 되기 전에 독성에 대한 논의와 방안을 강구해야 한다.

 

기존의 전형적인 독성연구방식을 탄소나노튜브에 적용하기 위해선 우선 탄소나노튜브를 표준화해야 한다. 하지만 표준화에 성공한다 해도 돈과 시간이 너무 많이 든다. 효율성이 낮은 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방편으로 푸메라 연구진은 탄소나노튜브의 전기화학적 성질을 측정하는 방식을 택했다. 금속촉매 불순물은 탄소나노튜브의 전기화학적 성질, 즉 산화환원 프로파일(redox profile)에 큰 영향을 주기 때문이다. 전기화학적 방법을 이용하면 탄소나노튜브의 독성으로 인해 문제가 생길 가능성을 쉽고 빠르게 저렴한 비용으로 확인이 가능하다. 그러므로 문제의 소지가 있는 시료만 일차적으로 선별해서 실제로 그런 문제점이 일어나는지 독성학적 확인을 하면 되는 것이다.

 

푸메라 연구진은 5 종의 탄소나노튜브가 과산화수소(hydrogen peroxide)와 하이드라진(hydrazine), 두 가지 바이오마커를 산화시키거나 환원시키는 과정을 전기화학적 측정을 통해 관찰 함으로서 가능성을 입증해 보였다. 한가지 아쉬운 점은 연구진이 사용한 탄소나노튜브 시료의 구조가 제각기 달랐기 때문에 결과에 대한 해석이 쉽지 않다는 것이다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 동일한 구조이면서 금속 촉매 불순물 함량이 다른 탄소나노튜브의 전기화학적 특성에 대한 연구를 계획하고 있다.

 

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How safe are carbon nanotubes?

 

 

09 September 2009

Carbon nanotubes are increasingly being used in everyday products such as sporting equipment, biomedical devices and aeroplanes. But questions remain as to how safe these nanotubes really are.

A main factor in nanotube toxicity are the metal contaminants that remain from manufacture, which are typically one to ten per cent by weight, say Martin Pumera and Yuji Miyahara at the National Institute for Materials Science, Ibaraki, Japan. 'Carbon nanotubes are often viewed as homogenous materials, which is of course incorrect - they often contain impurities which are not even listed by the manufacturers,'  says Pumera.  The pair have used an electrochemical method to assess the effect metals have on nanotube toxicity. They say that their method is quicker and cheaper than laborious and expensive biomedical tests and could be more useful for initial assessments of carbon nanotube toxicity. 

Impurities in carbon nanotubes

 

 

Pumera and Miyahara measured how well five nanotube samples reduced or oxidised two simple biomarkers - hydrogen peroxide and hydrazine. They found that just 100 ppm of iron was needed to dominate the reduction ability, and therefore the toxicity. Pumera says this is very disturbing, as this value is significantly lower than the detection limits of the methods routinely used to assess nanotube purity. 'It is very likely that metallic impurities are responsible for large scatter in results of toxicological studies,' he adds.

"Carbon nanotubes are often viewed as homogenous materials, which is of course incorrect - they often contain impurities which are not even listed by the manufacturers"

- Martin Pumera, National Institute for Materials Science, Ibaraki, Japan

Kostas Kostarelos, who works at the Centre for Drug Delivery Research, The School of Pharmacy, London, UK, says 'this work is yet another testament of the imperative need for well-characterised and reproducible standardised carbon nanotube properties. Until this is achieved, comparative studies will continue to be difficult to interpret and predictive assays of complex interactions impacting the toxicological profile of the material will be difficult to establish.'

David Barden

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References

M Pumera and Y Miyahara, Nanoscale, 2009 (DOI: 10.1039/b9nr00071b)

 

 

Source : KISTI, rsc.org

 

 

2009. 10   흡입한 나노 튜브의 독성