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태연 진
5 years ago
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1 나노물질위해성평가 : 논점과전망 1) 김은주 * < 目次 > I. 배경 II. 나노물질의제조 III. 나노물질의노출경로 IV. 나노물질의독성평가 Ⅴ. 나노물질위해성평가문제점 Ⅵ. 나노물질위해성평가기술발전전망 I. 배경 최근들어, 산업각분야에서 나노물질 이라는포괄적의미의용어사용이늘어나고있다. 나노물질 의정의는일반적으로지름이 1~100nm인입자형태의물질을일컫는다. 그러나, 생명체내에존재하는단백질등고분자물질역시인류역사가시작된이래나노크기로존재하여왔음에도, 이러한 나노물질 의범주에포함되지않는다. 따라서, 나노물질 을보다구체적으로정의내려보면, 나노크기 (10-9 m) 수준으로물질의제조, 제어및분석이가능해지면서화학및바이오산업분야에널리사용되고있는 제조나노물질 로정의할수있을것이다. EU에서규정한정의 (EC 1123/2009) 는지금까지정의된유일한법적정의로서, 불용성또는생체내에서지속적이고, 의도적으로제조된것으로서, 하나이상의외부치수또는내부구조가 1~100nm의규모인물질 을나노물질로표시할수있다고정의하고있다. OECD에서정한우선연구대상나노물질의목록 (< 표 1>) 을보면, 은 (Ag), 탄소나노튜브 (C), 철 (Fe), 이산화티타늄 (TiO 2), 산화알루미늄 (AlO, Al 2O 3) 산화아연 (ZnO), 이산화규소 (SiO 2), 폴리스티렌등새로운성분의화합물이아닌, 지금까지다양하게사용되어온물질의성분으로구성되어있음을알수있다. 그럼에도불구하고, 나노물질을크기의범주하에분리하여고려하는이유는, 나노물질이보통크기의상대물질에비해 상당히다르게 행동하는것으로밝혀지고있기 * 대구경북과학기술원나노바이오연구부

2 194 環境論叢第 49 卷 (2010) 때문이다. 그러나제조나노물질의정확한크기를규정하기도쉽지않으며, 크기와성상의변화에따른나노물질의기능, 즉인체와의상호작용에대한규명또한정리되지않은상황이다. 본논문에서는, 현재까지알려진나노물질의위해성평가연구현황을토대로, 제조나노물질의위해성평가분야에서접하고있는과제와향후전망에대해서논의해보고자한다. Ⅱ. 나노물질의제조 나노물질의위해성을평가하기위해서는제조과정에대한이해가필요하다. 이는제조과정에서다른첨가제 ( 분산제등 ) 가포함되기도하고, 기존에사용되던금속물질의물리화학적성질과차이가발생하기때문이다. 나노입자를제조하는방법은기계적제조방법, 화학적합성방법, 전기적제조방법이있는데, 기계적인힘을이용하여분쇄하는기계적제조방법은공정상불순물의혼입으로고순도의입자를합성하기어렵고나노사이즈의균일한입자의형성이불가능하다 (Khanna, 2008). 화학적합성방법은크게기상법과액상법 (colloid법) 이있는데, 플라즈마나기체증발법을사용하는기상법의경우고가의장비가요구되는단점이있어, 저비용으로균일한입자의합성이가능한액상법이주로사용되고있다 (Yamamoto, 2003). 이액상법에의한금속나노입자의제조방법은액상에서금속화합물을해리시킨후환원제나계면활성제를사용하여히드로졸 (hydrosol) 또는콜로이드형태의금속나노입자를제조하는방법이다. 예를들어은나노입자의경우, 질산은과같은염 (salt) 형태의은화합물을물이나유기용매에녹인후, NaBH 4 와같은환원제를첨가하여가열및교반에의해입자성물질로변형시킨다. 형성된입자표면은대부분높은열역학적불안전성으로인해높은에너지수준을가지게되며, 이는곧입자의응집 (aggregation) 을초래한다. 따라서나노입자를수용액에분산시키기위해서는, 다양한분산법또는분산안정제 (capping material) 를사용하게된다 (Olenin, 2008; Si, 2007). 분산안정제로는포름알데히드 (HCHO), 보로수소화나트륨 (NaBH 4), 구연산염 (citrate) 등이보고되고있으며, 고분자계열의분산안정제로폴리아크릴아마이드 (PA), 폴리비닐알콜 (PVA), 폴리비닐피롤리돈 (PVP) 및폴리에틸렌글리콜 (PEG) 이사용되고있다. 또한계면활성제로는라우릴황산나트륨 (SDS) 이대표적인물질이다. 최근에는유해한물질대신전분 / 글루코스, Klebsiella pneumoniae 추출물등의무해한환원제를사용하여나노입자를제조하는방법들이소개되고있다. 분산안정제의사용은입자의크기, 모양, 구조를조절하는면에서는유리하지만사용된화학물질에의한독성발현이우려되고, 반대로무해한화학물질에의해서나노입자표면반응점이코팅되어독성발현을지연, 혹은억제시킬가능성이있다 ( 배은주등, 2009). < 그림 1> 은은나노입자의분산제처리전과후의모습을보여준다. 은나노입자를 PVP로도포하여분산하게되면, 입도의크기가커지고, 규칙적인구형모양에서막대또는각이있는입자

::;;- 나노물질위해성평가 195 < 표 1> OECD 지정우선연구대상제조나노물질목록 번호 물질명 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Silver nanoparticles Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) Fullerenes

3 ::;;- 나노물질위해성평가 195 < 표 1> OECD 지정우선연구대상제조나노물질목록 번호 물질명 Silver nanoparticles Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) Fullerenes (C60) Iron nanoparticles Carbon black Titanium dioxide Aluminum oxide Cerium oxide Zinc oxide Silicon dioxide Polystyrene Dendrimers Nanoclays g :--:iic-- (-a-- m Dp.5 om -:(--I g R w :Dp.57.1nm -Q zg ] -z m m I di:uutter (U l) -.' - -. "- ~ -~ o (a) PVP 첨가전 (b) PVP 첨가후 출처 : 김상민등 (2009). < 그림 1> 분산안정제 (PVP) 첨가전후의은나노입자의입도및모양의변화. 위, 입도분석기 (DLS) 분석 ; 아래, 투과전자현미경 (TEM) 분석.

4 196 環境論叢第 49 卷 (2010) 모양으로변화되는것을관찰할수있다 ( 김상민등, 2009). Ⅲ. 나노물질노출경로 < 표 2> 와같이, OECD에서정한우선순위나노물질의용도를살펴보면, 의료및생활용품, 에너지, 반도체, 촉매등다양한분야에사용됨을알수있다 (Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks, 2006). 이러한적용분야가운데, 상용화된제품내에포함된나노물질, 또는원료나노물질로부터인체및환경노출을고려하여위해성평가를수행하여야한다. 외부물질의인체침입경로는호흡, 피부노출, 섭취가있는데나노물질은일반적으로흡입과피부노출이중요한노출경로가된다 (Yoon et al., 2004). 공기중부유되어있는나노물질의거동에는입자의크기가매우중요한역할을한다. 입자의크기에따라확산, 응집, 건식및습식침강이일어나며다소큰입자에대해서는중력에의한침강이작용할수있다. 직경이 100nm이하인나노입자는공기중에서가스처럼확산법칙을따르는것으로알려져있다. 이들입자는공기중에서짧은시간동안체류하면서, 대부분이응집되어큰입자로전환, 침강하게된다. 응집된 2000nm이하의입자는공기중에서며칠또는몇주간동안머물러오랫동안부유해있다가건식또는습식침강을하게된다. 2000nm보다큰입자인경우중력침강으로침전된다. 그러나나노입자의표면에분산안정제를코팅한경우, 공기중거동이달라지게된다. 즉, 공기중에서응집, 침전, 재비산등이일어날있으며, 인체는호흡을통하여, 경우에따라서는응집이일어난큰입자도흡입할수있는것이다. < 그림 2> 는나노물질이제품또는원료로부터방출되어인체노출이일어나기까지의경로를도식화한것이다. 방출된나노물질은공기, 토양, 수계를통하여인간또는생물체내로흡수될수있으며, 이때, 방출된나노물질은환경중생물체를거치거나, 또는환경매체를통하여바로인체노출로연결될수있는경로로거동할것으로예측된다. 나노물질및제품에서방출된입자의생체영향은입자의침착부위에따라크게달라지는데입자의호흡기계침착은직경과관계가있는것으로알려져있다. 100nm 이하의작은입자와 1 μm이상의큰입자는체내에들어와침착되기쉬운반면, 100nm~1μm사이의입자는다시체외로배출되어약 30% 정도만폐에침착된다고알려져있다 (Hewett, 1995). 이에따르면, 100nm이하의입자는흡입되어폐까지도달하기쉬운데제조나노물질은대부분이크기에속한다. 반면, 수μm이상의입자는폐에도달하기전에비강이나기도의벽에있는점액에의해제거되어소화기관으로가는제거기전을통해제거되기쉽다 (Yoon et al., 2004). < 그림 3> 은나노물질의크기에따라호흡기침착위치가달라지는것을보여준다. 100nm~1μm사이의입자는폐조직침착이적으며, 100nm 이하의작은입자와 1μm이상의큰입자들에서기관지및기도입구에침착되는양이늘어남을보여준다.

5 나노물질위해성평가 197 < 표 2> 나노물질의용도및주요노출경로 나노물질 용 도 노출경로 탄소결정체 Fullerene 약물전달, 연료전지, 화장품, 스포츠용품, 에너지저장및피부, 섭취, 호흡등 IT 기기 탄소나노튜브 가스센서, 고강도고분자, 약물전달, 전자제품 섭취, 호흡, 피부등 카본블랙 색소, 자동차타이어은강화제, 레이더, 흡수제, 프린터토너호흡, 피부등 금속또는금속산화물은나노물질 의류, 세탁기, 상처치료용밴드, 세제, 항균코팅등 피부, 호흡등 산화철나노물질 지하수정제, 메모리장치, MRI 조영제, 합금, 촉매등 섭취, 피부, 호흡등 이산화티타늄 백색색소, 자외선차단크림, 반도체, 광촉매, 오폐수정화 피부, 호흡등 처리등 산화알미늄 내열성재료, 세라믹, 광택제, 연마제등 섭취, 피부, 호흡등 산화세리움 연료전지전극, 자동차촉매제 피부, 호흡등 산화아연 감기약, 자외선차단크림, 씨리얼 ( 아연영양소 ), 색소, 반도체등 섭취, 피부, 호흡등 이산화규소 반도체, 방습제 ( 식품보관용 ), 절연체, 거품제거제 ( 의료용 ), 피부, 섭취, 호흡등 치약 고분자폴리스티렌 플라스틱, 절연물질등 피부, 호흡등 덴드리머기타무기물나노클레이 약물전달, 광활성물질, 유기발광소자등자동차부품, 에너지, 포장, 접착제등 섭취, 피부, 호흡등섭취, 피부, 호흡등 니노올질훤경중앙 g 흥작 / 융잉 / 을 '1 화학적성질연회 공 ' 1 수께 토앙 훤경생용 ( 용식용 ) 로흥수 ~ 인간에께흥수 익이시 g 축적 I I 생분에 < 그림 2> 나노물질의환경중거동및인체노출경로.

6 198 環境論叢第 49 卷 (2010) ι I o6oo gg 04OO Paπcle Diameter (microns) 출처 : Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR), < 그림 3> 흡입된나노입자의조직별축적량. 피부는기존의입자상물질을인체내로흡수되지않도록하는, 매우효과적인장벽으로알려져있다. 나노물질의피부흡수는다른화학물질보다더많은관심을갖게하는데, 그이유는나노물질함유의약품이나화장품이직접피부에접촉하기때문이다. 특히나노물질이손상되지않은피부또는손상된피부를통해어떻게침투가되는가에대해지속적으로많은연구가이루어져왔다. 나노물질의특성이나, 피부의생리적인특성에서보면나노물질이큰입자상물질보다피부를통해흡수될위험성이더크다. 즉, 나노물질은피부가장바깥에위치한각질세포를이루는과립층과기저층사이의체액층으로나노물질이이동될수있고이는진피로이동하여혈액순환계로흡수될수있다. Ryman-Rasmussen 등 (2006) 은큰입자가통과할수없는피부각질층을나노크기의입자가통과하기위해서는입자의크기뿐아니라화학적조성도영향을미치는것으로보고하였다. 음식등과함께섭취를통한나노물질의체내흡수는장을통하여이루어지는데, 의약품, 식품, 식품첨가물에포함된나노입자의경우섭취경로에대한노출을고려하여야한다. 그러나, 의약품및식품첨가물의경우질량단위로는그양이매우작을것으로예측된다. 또한호흡기계를통해흡입된나노물질이상기도의점액에의해위로들어가소화기관을통해흡수될경우도고려하여야한다.

7 나노물질위해성평가 199 Ⅵ. 나노물질독성평가 나노입자의건강위험성과독성에대한연구는비교적최근에활발히수행되고있지만물리화학적성질과연계되어체계적으로설명되지못하고있으며, 독성평가수행시용량-반응평가가뚜렷하지않은경우도종종나타난다. 이는, 나노물질의낮은분산성으로인하여, 시간이지나면서응집, 침전등이발생하여, 최초시험농도로균일하게유지되지않는데기인한다. 또한, OECD에서지정한일부나노물질 (< 표 1>) 을대상으로중점적인연구가진행되고있는실정이다. 여기서는, 알려진나노물질독성가운데서, 호흡계, 순환계, 유전독성, 발암성, 뇌독성부분에중점을두고논의하고자한다. 1) 인체내이동나노물질이인체내로흡수됨과동시에각기관으로분포되는지, 또는소변을통하여배출되는지여부는, 나노물질의인체독성의연구방향을결정하는중요한열쇠가된다. Kreyling 등 (2002) 정맥주사로방사성이리듐나노물질을주입하였을때, 빠른속도로소변으로배출됨과동시에인체내각기관으로폭넓게분포된다는것을보고하였다. 또한, Elder 등 (2006) 은흡입된산화망간나노입자들이후각신경세포를통하여전뇌후각기관 (olfactory bundle) 로흡수된다는것을보고하였다. 최근에는, 나노크기의이산화티타늄이쥐의순환계에도달한다는사실이밝혀지기도하였다 (Nurkiewicz et al., 2008). 이러한결과는나노물질들이인체내로흡수된후, 서로다른경로를통하여뇌, 간, 신장, 면역계, 혈관계로침투되며, 각기관에대한독성영향을미칠수있음을의미하는것이다. 2) 호흡계염증 Donaldson 등 (2002) 은제조나노물질이호흡계에심각한염증을유발한다는사실을밝힌바있다. 즉, 산화티타늄이나탄소나노튜브를쥐의폐에주입하였을때, 낮은농도에서강한염증반응을나타내었다. 이러한염증반응은, 기관지세포액 (broncho-alveolar fluid, BAL) 내에서염증매개인자를증가시킴으로서발현되는것으로보고되었다 (Shvedova et al., 2007). 3) 유전독성탄소나노튜브는기관지세포의미토콘드리아 DNA를손상시킴으로서, 유전독성과관련이있는것으로보고되었다 (Li et al., 2007). 이러한유전독성은, 지금까지알려진바로는폐에유발되는염증과관련이있는것으로보인다. In vitro 실험에서탄소나노튜브를세포에주입한결과, 나노물질노출량과비례하여유전독성현상이관찰되는, 용량-반응관계가나타났다 (Cunningham, 2007).

8 200 環境論叢第 49 卷 (2010) 4) 발암성발암성은종종염증성세포에서활성산소또는활성질소의증가로인하여유발되는것이관찰되었다 (Takagi et al., 2008). 탄소나노튜브의발암성에관한연구결과, 활성산소증가로인한산화적스트레스와염증, 육아종 (granuloma), 1) 섬유증 (fibrosis) 이동시에발현됨으로써, 잠재적발암성이있음이발견되었다. 장기적인섬유증은암세포와관련이있으며, 탄소나노튜브가잠재적발암성이있음을의미하는것이다 (Muller et al., 2008). 5) 순환계영향이산화티타늄의경우노출량과비례하여혈관내혈전생성량의증가가관찰되었다 (Nurkiewicz et al., 2008). 탄소나노튜브역시혈소판의응집과혈관내혈전생성의증가를유발하는것이관찰되었다 (Radomski et al., 2005). 이러한결과는나노물질이호흡에의하여인체내에흡수된다할지라도, 체액을통하여이동하여순환계에도달할수있으며, 혈액의응고를촉진하여원활한혈액순환을방해할수있음을보여주는것이다. 이와같이나노물질의독성은, 입자의크기, 구조와화학적조성에따라인체내에서분배되는양상이달라지며, 각조직에서독성영향을미치는것이보고되었다. 이러한결과는, 나노물질의화학적조성, 즉, 원소고유의성질에의해서뿐아니라, 제조방법등에따라달라지는입자의물리화학적성질에따라각조직에미치는유해성이달라진다는것을의미한다. 건강위해성에관련하여입자의구조, 크기, 성상, 전기화학적특성등에관한일차적연구자료를확보해야하는이유는, 나노물질이기존의벌크형물질또는이온성물질과다른특성을나타내는것이, 작은크기로입자화되어, 표면특성등물리화학적구조가생물학적활성과밀접한관련이있기때문이다. 이러한생물학적활성은, 나노물질고유의유용성과관련이있으며, 나노물질로서의유용성발생함과동시에, 생물학적활성이나타나, 인체에유해한영향을미칠가능성이높을것이라예측할수있다. 따라서나노물질의독성평가가기존의독성평가방법과다른것은, 물리화학적성질의제어를기반으로하여야만비로소의미있는독성자료를확보할수있다는점이다. 주입농도 (nominal concentration) 위주의농도산정은, 나노물질독성평가시적용되지않는데, 이는평가기간동안시험물질의물리적또는화학적변형으로인하여, 균일한시험조건을유지할수없기때문이다. 이러한점을극복하기위해서는, 무엇보다특성규명이명확하게이루어진시험물질을확보한후독성평가를수행하여야만할것이다. 1) 주 ) 염증성종양세포.

9 나노물질위해성평가 201 Ⅴ. 나노물질위해성평가의문제점 1) 나노입자의물리화학적성질확보의어려움위해성평가를위한물리화학적특성분석방법들은매우다양하고, 물질에따라서도세분화가진행되어왔다. 하지만, 나노물질의경우기존의물리화학적성질분석방법을따르기가곤란한점이발생하고있다. 따라서기존의유해화학물분석법들을검토하여개선이필요한지, 새로개발해야하는지여부를판단할필요가있다. OECD 제조나노물질작업반 (WPMN) 에서도과제초기부터지금까지몇번의번복을거쳐서나노물질의물리화학적특성분석항목들을수정해오고있다. < 표 3> 에서는 OECD 나노물질작업반에서협의된나노물질위해성평가를위한평가항목을보여준다. 제조나노물질의크기는보건, 환경위해가능성을평가하는데있어서기본적인사항이다. 앞서정의한바와같이나노물질은보통 100nm 미만의크기를지니는물질이다. 지금까지사용되어온측정방식은입자가구모양이라는가정하에측정을수행하고있으며이와같은방식으로는입자의다양한모양을반영하지못하는한계점이존재한다. 또한나노입자한개의크기인지개개의나노입자가서로응집된형태의크기를나타내는것인지구분할필요가있다. 따라서, 분산혹은응집정도에따라서나노물질의크기에대한측정방법이나결과값을표현하는방법은달라져야한다. 하지만, 나노입자의크기를결정하는일상화된방법은아직정립되지못한상태이며, 이로인하여나노물질특성규명의가장중요한시작점부터다른조건으로위해성평가가진행되고있다는문제점이있다. 2) 시료준비 ( 분산 ) 의어려움시료준비과정에서큰문제점은, 제조나노물질의물리화학적특성이준비과정에서변화하는지, 혹은독성시험과정에서응집및침전이발생할수있는지여부를확인해야한다는점이다. 제조나노물질의시료준비는기존의표준화방법을적용해야하지만, 추출방법은다른유해화학물질과달라질수있다. 예를들면, 토양이나퇴적물에서무기질나노물질 ( 금속, 산화금속등 ) 을추출해내는경우초음파세척과분산제를사용할수있다. 유기질나노물질중 fullerene은토양입자에흡착되어있어도톨루엔과같은용매를사용하여추출해낼수있으나, 탄소나노튜브는토양입자로부터추출, 분리해내는방법이개발되어있지않다. 추출된시료를정제하는방법은크게세단계로나눠지는데, 침전, 원심분리, 여과과정으로구성된다. 침전은입자의크기에따라침전속도가차이가나는원리로, 나노입자가상대적으로낮은침전속도를가지는것을이용한다. 다음으로, 나노물질의정량적인주입을위해적당한용액상에분산되어있는나노물질시료

10 202 環境論叢第 49 卷 (2010) < 표 3> 나노물질위해성평가를위한평가항목 물리화학적성질및물질의특성 (Physical-Chemical Properties and Material Characterization) 환경거동 (Environmental Fate) 환경독성 (Environmental Toxicology) 포유류독성 (Mammalian Toxicology) 응집 / 집적 (Agglomeration/aggregation) 수용해도 (Water solubility) 결정상 (Crystalline phase) 분진성 (Dustiness) 결정크기 (Crystallite size) TEM 사진 (Representative TEM picture(s)) 입자크기분포 (Particle size distribution) 표면적 (Specific surface area) 제타전위 / 표면전하 (Zeta potentiall; surface charge) 계면화학 (Surface chemistry, where appropriate) 광촉매활성 (Photocatalytic activity) 유동밀도 (Pour density) 다공성 (Porosity) 물 / 옥탄올분배계수 (Octanol-water partition coefficient, where relevant) 산화환원전위 (Redox potential) 라디칼형성가능성 (Radical formation potential) 물에서의분산안정성 (Dispersion stability in water) 생물학적분해 (Biotic degradability) 이해성 (Ready biodegradability) 지표수에서의분해성에대한모의시험 (Simulation testing on ultimate degradation in surface water) 토양모의시험 (Soil simulation testing) 침전물모의시험 (Sediment simulation testing) 하수처리모의시험 (Sewage treatment simulation testing) 분해산물확인 (Identification of degradation product(s)) 분해산물확인시험 ( 필요시 Further testing of degradation product(s) as required) 비생물적분해및거동 (Abiotic degradability and fate) 표면이변형된나노물질에대한가수분해 (Hydrolysis, for surface modified nanomaterials) 흡착-탈착 (Adsorption-desorption) 토양또는저질에대한흡착 (Adsorption to soil or sediment) 생축척가능성 (Bioaccumulation potential) 급성 / 만성원양생물영향 (Effects on pelagic species; short term/long term) 급성 / 만성퇴적생물영향 (Effects on sediment species; short term/long term) 급성 / 만성토양생물영향 (Effects on soil species; short term/long term) 육상생물영향 (Effects on terrestrial species) 미생물영향 (Effects on microorganisms) 독성동력학 (Pharmacokinetics; ADME) 급성독성 (Acute toxicity) 반복독성 (Repeated dose toxicity) 만성독성 (Chronic toxicity) 생식독성 (Reproductive toxicity) 발달독성 (Developmental toxicity) 유전독성 (Genetic toxicity) 출처 : OECD, GUIDANCE MANUAL FOR THE TESTING OF MANUFACTURED NANOMATERIALS: OECD SPONSORSHIP PROGRAMME; FIRST REVISION, ENV/JM/MONO(2009) 20/REV, 2010.

11 나노물질위해성평가 203 의준비는독성평가의기초적인과정이지만매우중요하고어려운작업이다. 나노물질을분산시키는방법은여러가지가있지만, 분산과정에서독성평가결과에영향을미칠있다는점을고려하여야한다. 가장이상적인독성평가용나노물질시료는분산안정제가첨가되지않은상태에서나노물질고유의특성을그대로유지한채, 응집현상없이균일하게수용액상에분산되어있는형태라고할수있다. 하지만이와같은이상적인시료를제조하는것은실제로는대단히어려운작업이다. 예를들어, 분산제안정제와같은첨가제가없는나노물질시료는분산도가높은, 고농도의나노물질을제조하기힘들뿐아니라분산을유지하는능력이떨어질가능성이크게된다. 분산제가첨가되는경우분산도측면에서이익일수있으나, 분산제자체가독성결과에미치는영향이있을수있고분산제가나노물질고유의특성을변화시킬가능성이크다. 따라서여러가지과정을통하여나노물질시료를제조하고, 각각의제조과정이나노물질고유의성질에미치는영향을고찰하여가장적합한시함물질제조법을찾아내는것이중요한문제이다. 즉, 나노물질시료제조, 물리화학적특성분석, 유해성평가과정을모두종합적으로고려하여, 서로간의상관관계를정립하면서결과를분석, 고찰하는것이중요하다. Ⅶ. 나노물질위해성평가기술발전전망 1) 나노물질의특성을고려하여각각의나노물질의표면특성및물리화학적특성의포괄적인정보와독성정보를획득하는기술이우선적으로발전할것으로보인다. 현재이용가능한나노물질위해성평가자료역시나노물질의물리화학적특성에기반한독성자료일때에만채용가능할것으로판단된다. 독성시험가이드라인에물리화학적특성분석에대한정확한프로토콜이제시될것이고, 이를위한 QA/QC 방법또한새롭게발전할것으로기대된다. 2) 나노물질별위해성평가에서나노제품별위해성평가로발전해나갈것으로예측된다. 이를위해서, 제품으로부터용출되어인체에노출되기까지의노출관련정보 ( 노출제어, 노출원, 노출량, 노출경로 ( 흡입, 섭취, 피부 ), 등 ) 를파악하는방법론및기술의개발이필요할것으로보인다. 3) 환경매체에배출된나노물질의검출및분석을위한측정기기및분석기술연구가활발히진행될것으로보인다. 기존의원소분석에서나아가, 나노입자에바이오이미징기술을접목하여, 비침습적검출기술로발전하고있는추세이다. 또한, 나노입자검출및노출량산정을위한특화된플랫폼개발과관련기술의개발이주목을받고있다. 4) 환경매체에서의나노물질의거동현상을예측할수있는다매체거동모델의개발이필요하다고본다. 나노물질에대한환경중거동에대해서는거의알려진바가없는실정이다. 따라서, 나노물질의특성을고려한모델의개발과타당성검증이필요하며, 이는위해성평가에중요한자료를제공할것이다. 5) 나노물질의인체및환경의독성평가를위하여정량적구조-독성관계 (quantitative

12 204 環境論叢第 49 卷 (2010) structure-toxicity relationship, QSTR) 에관한관심이필요하다. 나노물질은물리화학적성질의제어를통하여, 특이하고유용한성질을부여한제조물질이다. 따라서, 물리화학적구조에기반한독성예측모델링을위한기초자료생산이필요하다. 이를토대로, 생물학적활성에대한스크리닝, 예측이가능하며, 이는사전에위해성이조절된나노물질의제조를통하여, 나노기술의지속가능성을높여줄수있을것이다. 새로운나노물질출현은점점가속화되고있다. 신규물질로서기존방법으로독성평가방법을따르는것은시간과노력이대단히많이소요되는작업이다. 나노물질은물리화학적성질특성에따라주요독성이결정되는만큼, 무엇보다 QSTR을이용한독성예측기술을심화시킬필요가있다. 이러한나노물질독성평가기술은기존의화학물질독성평가기술에도영향을미쳐서, 보다진화된위해성평가기술을발전시키는계기가될것으로예측된다. 예를들어, 나노기술기반의물리화학적성질분석을기반으로하는이른바 나노기술 " 을동원한위해성평가방법이시도되고, 일반적인화학물질독성평가에도적용될경우, 보다신뢰성있는화학물질관리의기반이될것으로기대된다. 나노물질위해성평가에대한연구가본격화되면서, 전문가집단에서도새로운변화가오고있다. 생명과학중심의독성전문가가그룹이나노물질의위해성평가를위하여화학-나노분야전문지식을필요로하게되고, 이는위해성평가분야에서도학제간연구, 또는 1인이여러분야의지식과기술을섭렵하여야만하는필요성이생긴것이다. 이를계기로위해성연구분야에서학제간융합연구가활발해지고있으며, 이는화학물질위해성평가기술의발전에매우긍정적인역할을할것으로예측된다. 현재, 나노물질의물리화학적성질을제어할수있는기술이속속개발되고있다. 표면특성, 크기, 전기화학적성질등, 다양한물리화학적성질들이생물체내에서어떤영향을미치며, 용량-반응관계를나타내는지속속밝혀짐에따라, 나노물질의생물학적영향역시제어가필요한시점이라할수있다. 이는화학물질제조단계에서생물학적영향을고려한물질조성과구조, 표면특성개질등을통하여, 위해성을저감하면서다양한기능을가진나노소재의개발로이어져야할것이다. 참고문헌 김상민 박성대 김기도 김희택, 2009, 은나노입자의합성과분산안전성, 세라미스트, 12(3): 배은주 이정진 김영훈 최경희 이종협, 2009, 제조나노물질의안전성평가를위한시료준비및물리화학적특성분석, 기법한국환경분석학회지, 12(2):

13 나노물질위해성평가 205 Cunningham, M.J., 2007, Gene cellular interactions of nanomaterials: genotoxicity to genomics. In: N.A. Monteiro-Riviere and C.L. Tran, Editors, Nanotoxicology Characterization, Dosing and Health Effects, Informa healthcare, New York, USA. Donaldson, K., D. Brown, A. Clouter, R. Duffin, W. MacNee, L. Renwick, V. Stone, 2002, The pulmonary toxicology of ultrafine particles, J. Aerosol Med., 15: Elder, A., R. Gelein, V. Silva, T. Feikert, L. Opanashuk, J. Carter, R. Potter, A. Maynard, Y. Ito, J. Finkelstein, G. Oberdörster, 2006, Translocation of inhaled ultrafine manganese oxide particles to the central nervous system, Environ. Health Persp., 114: Hewett, P., 1995, The particle size distribution, density and specific surface are of welding fumes from SMAW and GMAW mild and stainless steel consumables, American Industrial Hygiene Association Journal, 56(2): Khanna, P., D. Kulkarni, R. Beri, 2008, Synthesis and characterization of myristic acid capped silver nanoparticles, J. Nanoparticle Research, 10: Kreyling, W.G., M. Semmler, F. Erbe, P. Mayer, S. Takenaka, H. Schulz, G. Oberdörster, A. Ziesenis, 2002, Translocation of ultrafine insoluble iridium particles from lung epithelium to extrapulmonary organs is size dependent but very low, J. Toxicol. Environ. Health, Part A. 65: Li, W.X., J.Y. Xu, X.Q. Cai, R.L. Liu, Y.J. Li, Q.F. Zhao, Q.N. Li, 2007, Comparative study of pathological lesions induced by multiwalled carbon nanotubes in lungs of mice by intratracheal instillation and inhalation, Environ. Toxicol., 22(4): Muller, J., I. Decordier, P.H. Hoet, N. Lombaert, L. Thomassen, F. Huaux, D. Lison, M. Kirsch-Volders, 2008, Clastogenic and aneugenic effects of multi-wall carbon nanotubes in epithelial cells, Carcinogenesis, 29: Nurkiewicz, T.R., D.W. Porter, A.F. Hubbs, J.L. Cumpston, B.T. Chen, D.G. Frazer, V. Castranova, 2008, Nanoparticle inhalation augments particle-dependent systemic microvascular dysfunction, Particle and Fibre Toxicology, 5: Olenin A.Y., Y.A. Krutyakov, A.A. Kudrinskii, G.V. Lisichkin, 2008, Formation of surface layers on silver nanoparticles in aqueous and water-organic media, Colloid J, 70: Radomski, A., P. Jurasz, D. Alonso-Escolano, M. Drews, M. Morandi, T. Malinski, M.W. Radomski, 2005, Nanoparticle-induced platelet aggregation and vascular thrombosis, Brit. J. Pharmacol., 146(6): Ryman-Rasmussen, J.P., J.E. Riviere, N.A. Monteiro-Riviere, 2006, Penetration of intact skin by quantum dots with diverse physicochemical properties, Toxicol. Sci., 91(1):

14 206 環境論叢第 49 卷 (2010) Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR), The appropriateness of existing methodologies to assess the potential risks associated with engineered and adventitious products of nanotechnologies (2006). Shvedova, A.A., T. Sager, A.R. Murray, E. Kisin, D.W. Porter, S.S. Leonard et al., 2007, Critical issues in the evaluation of possible adverse pulmonary effects resulting from airborne nanoparticles. In: N.A. Monteiro-Riviere and C.L. Tran, Editors, Nanotoxicology Characterization, Dosing and Health Effects, Informa Healthcare, New York, USA. Si S, T.K. Mandal, 2007, Tryptophan-based peptides to synthesize gold and silver nanoparticles: a mechanistic and kinetic study, Chem Eur J, 13: Takagi, A., A. Hirose, T. Nishimura, N. Fukumori, A. Ogata, N. Ohashi, S. Kitajima, J. Kanno, 2008, Induction of mesothelioma in p53+/- mouse by intraperitoneal application of multi-wall carbon nanotube, J. Toxicol. Sci., 33(1): Yamamoto, M., M. Nakamoto, 2003, Novel Preparation of Monodispersed Silver Nanoparticles Via Amine Adducts Derived from Insoluble Silver Myristate in Tertiary Alkylamine, J. Mat. Chem., 13: Yoon, C.S., 2004, Welding fume and others from welding processes, Korean Journal of Environmental Health, 30(4):

[ 화학 ] 과학고 R&E 결과보고서 나노입자의표면증강을이용한 태양전지의효율증가 연구기간 : ~ 연구책임자 : 김주래 ( 서울과학고물리화학과 ) 지도교사 : 참여학생 : 원승환 ( 서울과학고 2학년 ) 이윤재 ( 서울과학고 2학년 ) 임종

[ 화학 ] 과학고 R&E 결과보고서 나노입자의표면증강을이용한 태양전지의효율증가 연구기간 : 2013. 3 ~ 2013. 12 연구책임자 : 김주래 ( 서울과학고물리화학과 ) 지도교사 : 참여학생 : 원승환 ( 서울과학고 2학년 ) 이윤재 ( 서울과학고 2학년 ) 임종찬 ( 서울과학고 2학년 ) 소재원 ( 서울과학고 2학년 ) 1,.,.,.... surface