ナノ材料の現状と未来健康影響と作業管理 -...

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ナノ材料の現状と未来健康影響と作業管理

明星敏彦産業医科大学産業生態科学研究所

労働衛生工学研究室

[email protected]

２００７／４／２７

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ナノ粒子・ナノ材料とは

ナノ粒子・ナノ材料の定義代表寸法（粒径や膜厚）が100nm以下のものを対象とする。

ナノ粒子・ナノ材料の種類１）製品として生成されたナノ粒子

意図して生成されたもの、DDSなど２）それ以外のナノ粒子

意図せずに体内や環境に入るもの製品やプロセスから発生

ナノ粒子の定義は現在もISOなどで議論中

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ナノ粒子のリスク管理

すでに大量生産されているナノ粒子にはカーボンブラック、

ヒュームドシリカ、二酸化チタンなどがある。またフラーレンや

カーボンナノチューブなど新しいナノ物質の生産もはじまって

いる。

このナノ粒子は機能性の高い材料であり、そのサイズに起因

する生体影響については、まだ解明されていない。

文献的には、ミクロンサイズ粒子に比較して肺への影響が大

きいことや、体内動態が異なることが示されているため、ナノ

粒子の生体影響に関心があつまっている。

新規のナノ粒子やナノ物質の開発や製造に関わる作業者の

曝露防止についても検討されなければならない。

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m

mm μm

nm

http://www.nanotec.org.uk/finalReport.htm）

粒子の大きさの広がり

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種々の形状の酸化亜鉛と単層カーボンナノチューブAD Maynard

ナノ粒子の形状

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日本においてナノ粒子の開発や生産に関わる企業・大学は多いSource: Cientifica 2003

企業

大学・研究機関

ナノ粒子の開発や生産に関わる企業・大学

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ナノ粒子の安全な管理と使用には

ナノ材料のキャラクタリゼーションナノ材料のキャラクタリゼーション

ハザードハザード曝露曝露

リスク評価リスク評価

リスク管理（リスク低減対策）


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ナノ粒子の生体影響の因子

物理的な因子

粒径、形状、微細構造、凝集状態、

エアロゾル、懸濁液

化学的な因子

化学組成、表面活性、副生成物・不純物

これらの物理化学的な因子の明確化キャラクタリゼーションが不可欠

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ナノ粒子エアロゾルの呼吸器からの曝露（経気道曝露）

曝露経路としては経気道の他に経皮、経口がある。

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0.1 1 10 100 1000 100000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0ナノ粒子

気管支部

肺胞部

頭部・上部気道部

呼吸器全体

部分

沈着

率 (

-)

粒径（nm）

呼吸器の部位別粒子沈着率 ICRP 1994

鼻道

咽頭

喉頭気管

気管支

細気管支

肺胞

頭部・上気道部

気管・気管支部

肺胞部

（成人が1.2 m3/hで鼻呼吸した場合）

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ナノ粒子エアロゾルの測定方法

質量基準

質量濃度(mg/m3)

利点：生体影響評価に広く使用されている

個数基準

個数濃度(particles/m3)

利点：クリーンルームの管理等に使用されている

表面積基準

表面積濃度(mm2/cm3)

利点：表面積と生体影響が関係するといわれている

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質量基準による測定方法

質量濃度(mg/m3) または光散乱光強度などの相対値

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現在作業環境計測などで使用されている散乱光式粉じん計の特性 (NaClエアロゾル）

0.1 10.1

1

10

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0.05

Light scattering photometers laser-photodetector tungstenlamp-PMT

Sen

sitiv

ity (

cpm

/ (μ

g/m

3 ))

Diameter (μm)1000 nm100 nm50 nm

ナノ粒子マイクロメータサイズ粒子感度小だが質量大

ナノサイズ粒子感度小で質量小

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個数基準の測定方法

個数濃度(particles/cm3)

走査型電気移動度粒径分析器SMPS

17T.Kuhlbusch and H.Fissan (2003)

作業環境中のナノ粒子カーボンブラックの袋詰め作業

ナノ粒子エアロゾルのバックグラウンドは高い作業の有無に関係小

ナノ粒子

サブミクロン粒子

ミクロン粒子

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面積基準の測定方法

表面積濃度(mm2/cm3)

ナノ粒子表面積計 NSAM(TSI 3550 ）

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ナノ粒子の測定方法のまとめ

質量基準質量濃度(mg/m3)欠点：測定に十分な量を捕集することが困難

光散乱強度が低い

個数基準個数濃度(particles/m3)欠点：環境中ではバックグラウンドのナノ粒子が多い

表面積基準表面積濃度(mm2/cm3)

欠点：新しい装置で評価が確立していない

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管理手法の例；Control-banding

曝露因子

ハザード因子

小大

大

リスク低減対策の種類

AD Maynard,2006

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リスク低減措置の検討と実施

１）設計や計画段階での措置

有害性の調査検討

２）工学的対策

密閉化、局所排気装置の設置など

３）管理的対策

マニュアルの整備、曝露管理、教育訓練など

４）個人用保護具の使用

１から３の措置を講じた上で１から３の措置を講じた上で

労働安全衛生法（平成18年改正）に導入化学物質等による危険性又は有害性等の調査等に関する指針

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ナノ粒子の捕集除去

エアフィルタ

防じんマスク、掃除機、排気装置などで粒子除去に使用されている。

積層状、綿状、ろ紙状、スポンジ状、膜状

利点：高効率

欠点：再利用が困難

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フィルタの捕集効率の因子

1) フィルタの構造

繊維の太さ、充填密度、充填状態、繊維の荷電状態など

2) 粉じん粒子

粒径、粒子の形状、荷電状態、液体か固体か

3) 粉じん流入速度

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繊維による粒子の捕集

慣性衝突

さえぎり効果

拡散効果

(Air filtration by R.C. Brown)

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静電気沈着

影像力

クーロン力

＋＋

－

＋

－


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粒子捕集機構別に速度、粒径、繊維径の捕集効率に与える影響

速度粒径繊維径

慣性衝突

さえぎり効果

拡散効果

静電沈着

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10μmのワイヤに捕集された1μmの鉛粒子慣性衝突による

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10μmのワイヤに捕集された0.3μmの鉛粒子拡散効果による

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単一繊維捕集効率と粒径、流速

流速小

流速大


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防じんマスクのフィルタ

繊維層フィルタ

１）ガラス繊維フィルタ

細いガラス繊維、折りたたんで面積拡大

２）静電フィルタ

羊毛や合成繊維に静電気処理を加えた繊維

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粒径別フィルタ通過率の測定装置

CPC

1 lpm

10 lpm

0.3 lpm

1 lpm

Dust respirator

100 : 1 diluter

C 2

C 1

DMA and CNCFiltration Performance

Computer

CNC

DC power

Am-241

DMA

Sample aerosol

Test aerosol

30 lpm

NaCl エアロゾル

30 L/min

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防じんマスク用フィルタの粒径別通過率

10 100 10000.01

0.1

1

10A glass fiber filter

start 30 min after 60 min after

Pene

tratio

n (%

)

Diameter (nm)

通気流量３０L/min

220 nm

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防じんマスク用フィルタの粒径別通過率

10 100 10000.01

0.1

1

10

An electrically charged filter

start 30 min after 60 min after

Pene

tratio

n (%

)

Diameter (nm)

通気流量３０L/min

50 nm

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ナノ粒子に対するフィルタの捕集効率by Pui and Kim

200 nm

ガラス繊維フィルタ

10nm 100nm1nm 1000nm

粒子の通過率(%)

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ナノ粒子の捕集効率

E = η εE：粒子のエアフィルタ捕集効率

η ：粒子の沈着確率

ε ：粒子の付着確率η

ε

HC Wang and G Kasper (1991)

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ナノ粒子のフィルタ捕集効率の推定粒子の付着確率を考慮

HC Wang and G Kasper (1991)

10nm

粒子の通過率

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ナノ粒子のフィルタ捕集効率ナノ粒子の捕集効率の実測

包ほか (2005)

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ナノ粒子除去のまとめ

１０nm以上の粒子除去についてはエアフィルタの原理を用いた捕集装置は使用可能であるが、性能は検定試験されていない。

１０nm以下の粒子除去については未知の点が多い。

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ナノ粒子と呼吸用保護具

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防じんマスクの現状

粉じん作業に用いる防じんマスクは規則に基づきその性能を検定して販売されている。

検定制度は厚生労働省が管理している。

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防じんマスクの性能試験用粒子（2000年以降）

項目日本米国欧州

試験粒子塩化ナトリウム塩化ナトリウム塩化ナトリウムDOP DOP パラフィンオイル

平均粒径 0.06～0.1μm 0.075±0.02μm 0.06μm0.15～0.25μm 0.185±0.02μm 0.4μm

幾何標準偏差1.8以下 1.86以下約21.6以下 1.6以下約1.8

試験流量 85 L/min 85 L/min 95 L/min

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0.01 0.1 1

質量基準CMD = 0.25 μmσg = 1.8

粒径　（μm）

0.01 0.1 1

個数基準CMD = 0.1 μmσg = 1.8

防じんマスクと防じん機能付き防毒マスク試験用粒子（塩化ナトリウム粒子）の粒度分布

Fig2

測定対象粒子

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防じんマスクと防じん機能付き防毒マスク

DL2DS2 RL2RS2

95 %80Pa70Pa

DL1DS1 RL1RS1

80 %

DL3DS3 RS3 RL3

99.9 %

取替え式使い捨て式

固体粒子用

液体粒子用

取替え式使い捨て式防毒マスク

捕集効率下限値

吸気抵抗上限値

160Pa150Pa

70Pa60Pa

防じんマスク防じん機能付き防毒マスク

L2S2

95 %

L1S180 %

L3S3

99.9 %

捕集効率下限値

吸気抵抗上限値

370-400Pa*

290-320Pa*

280-310Pa*

（＊；フィルタと吸収缶の和のため、　　　吸収缶の種類により異なる）

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ナノ粒子からの呼吸保護

フィルタのろ過効率だけでは呼吸保護は決まらない

顔との密着性や陰圧の程度などの要因で、マスクの中に有害物が侵入する経路はフィルタだけではない

工学的対策（局排など）の不可能な場合に保護具を使用

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ナノ粒子の安全管理の今後

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ナノ粒子ナノ材料の安全な使用のためには以下のような研究が必要

毒性情報の蓄積経気道、経皮、経口の曝露による生体影響ナノ材料とバルク材料では違いがあるか？

（安全性試験方法の確立）

環境や曝露評価方法の開発ナノ粒子エアロゾルの測定法

曝露防止策の評価と開発ナノ粒子の管理方法フィルタの性能評価法など

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産業医科大学産業生態科学研究所

「ナノ粒子特性評価手法の研究開発」に係る受託研究ナノ粒子の気管内注入試験とエアロゾル吸入試験

労働衛生工学研究室田中勇武、明星敏彦、大藪貴子、角谷力、西賢一郎、山崎小由美

呼吸病態学研究室森本泰夫、大神明、村上昌宏、廣橋雅美

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ご清聴ありがとうございました

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