1

Nanotechnology Nanotechnology & &

Risk AssessmentRisk Assessment

Sirasak Teparkum, Ph.D.Director of Academic

& Technology Transfer Division

National Nanotechnology CenterNational Science and Technology

Development Agency

OutlineOutline

• What is nanotechnology?• Nano in nature• Quantum effect in nanoscale• The dilemma of nanotechnology• Safety issues of nanotechnology• Toxicity of nano-materials • Who is NANOTEC?• Roles of NANOTEC

NANOTEC

นาโนเทคโนโลย…คออะไร?

“นาโนเทคโนโลย” คอเทคโนโลยประยกตซงเกยวของกบการจดการ การสราง การควบคม การสงเคราะหวสดหรอผลตภณฑทมขนาดเลกอยในชวง 1 - 100 นาโนเมตรไดอยางถกตองแมนยา ซงจะสงผลใหโครงสรางของวสดหรอสสารตางๆมคณสมบตทพเศษขนทงทางดานกายภาพ เคม และชวภาพ ทาใหมประโยชนตอผใชสอยและเพมมลคาทางเศรษฐกจได

(นาโนเมตร)0.1 1 10 100 1,000 100,000

นาโนเทคโนโลย

อะตอมไฮโดรเจน DNA ไวรส ไมโครชพ เสนผมมนษยATP synthase

ความกวางของเกลยวดเอนเอ ~2 นาโนเมตร

สงทมในธรรมชาต

เครองกลไฟฟาขนาดจว10 -100 ไมโครเมตร

ฝนละออง~ 10-20 ไมโครเมตร

หวเขมหมด 1-2 มลลเมตร

เสนผานศนยกลางเสนผม~ 10-50 ไมโครเมตร

ขนาดเมดเลอดแดง~ 6-8 ไมโครเมตร

มด ~ 5 มลลเมตร

เสนผานศนยกลางเอนไซม ATP synthase ~10 นาโนเมตร

อาณาจกรไมโคร

10-2 เมตรเซนตเมตร

10-3 เมตรมลลเมตร

10-4 เมตร

10-5 เมตร

10-6 เมตรไมโครเมตร

10-7 เมตร

10-8 เมตร

10-9 เมตรนาโนเมตร

10-10 เมตร

อาณาจกรนาโน

เสนผานศนยกลางวงกลมทเกดจากการจดเรยงอะตอมเหลกจานวน 48 อะตอมบนทองแดง ~14 นาโนเมตร

สงทมนษยสรางขน

เสนผานศนยกลางทอนาโนคารบอน ~ 2 นาโนเมตร

เสนผานศนยกลางโมเลกลฟลเลอรน ~ 1 นาโนเมตร

เลกแคไหนถงจะเปน...ระดบนาโน?

Generations of Nanotechnology

• Gen 1 – passive nanostructures• Gen 2 - active nanostructures• Gen 3 – nanosystems w/ interactive

components• Gen 4 – integrated nanosystems

Mihail Roco (US.NNI)

How small is How small is nanonano--small?small?

2

NanoNano in Nature (Photonic)in Nature (Photonic)

Blue butterfly scale (nanocrystal, nanophotonic)

NanoNano in Naturein Nature(Gecko(Gecko’’s Foot)s Foot)

Nanohairs (spatulae)

on geckoes’ feet

NanoNano in Nature in Nature (Lotus Effect)(Lotus Effect)

ศาสตราจารย รชารด ฟายนแมน (Richard Feynman)

ไดรบรางวลโนเบลสาขาฟสกสในป ค.ศ. 1965

“หลกการทางฟสกส เทาทขาพเจามองเหน ไมไดกลาวคานความเปนไปไดในการจดการกบสงของในระดบอะตอม การกระทาดงกลาวกไมใดเปนความพยายามทจะฝนกฎเกณฑทางวทยาศาสตรใดๆ อนทจรงแลวเปนสงหนงในทางหลกการท สามารถจะ ทาได แตในทางปฏบต เรายงไมใดทานนเปนเพราะวาเราใหญเกนไป”

There’s plenty of room at the bottom, 1959

NANOTEC

ค.ศ. 1981เกรด บนนง (Gred Binning) และ ไฮนรช โรหเฮอร (Heinrich Rohrer) ประสบความสาเรจในการสรางกลอง Scanning tunneling microscope ทสามารถมองเหนการจดเรยงตวของอะตอมของสสารตางๆ ไดอยางชดเจน

Scanning tunneling microscope (STM)

The microscope relies on a tip that is positioned within 2nm of the surface and measures the electron density of

the surface.

NANOTEC

The atomic force microscope (AFM)

NANOTEC

Bacterial Xanthan Gum Bacterial Polysaccharide Acetan

3

Atomic force microscope (AFM)

HR-SEM

MBE

STMUHR-TEMAFM

NANOTEC

อปกรณและเครองมอเฉพาะทางดานนาโนเทคโนโลย

Sizer

Atom ManipulationAtom ManipulationDon Igler,1986

Xenon on NickelXenon on Nickel

“First time in the world history of atomic-level writing in Thai letters, formed by 50 carbon monoxide molecules on the surface of copper (Cu 111)”--- achieved by IBM and National Nanotechnology Center

(NANOTEC) on 10 Sept. 2004

คณสมบตพเศษทเกดจากความเลกระดบนาโนวสดทมขนาดเลกลงเทาใดจะสงผลใหสดสวนของจานวนอะตอมทอยบนผวหนา (surface) และ ผวสมผส (interface) ของวสดเพมขนเทานน ซงจะมผลกระทบโดยตรงตอคณสมบตทางเคม และกายภาพ สงผลใหคณสมบตทางไฟฟา ทางกายภาพ ทางแมเหลก และทางแสง แตกตางไปจากเดม

•ผลจากปรากฏการณทางควอนตม (quantum effects)

•ผลจากพนทผวหนา (surface effects)

•ผลจากผวสมผส (interface effects)

•ผลจากกฎการลดขนาด (scaling laws)

NANOTECวสดหยาบ (bulk materials) วสดนาโน (nanomaterials)

3 Nano-dimensions

การจาแนกประเภทของวสดนาโน

<100 นาโนเมตร

<100 นาโนเมตร <100 นาโนเมตร

2 Nano-dimensions

- อนภาคนาโน - ผงนาโน- นาโนแคปซล- ฟลเลอรน- เดนไดรเมอร- ควอนตมดอท- โครงสรางนาโน- โพรงนาโน

- เสนใยนาโน- ลวดนาโน- ทอนาโนคารบอน

- ฟลมบางนาโน

1 Nano-dimension

4

แถบพลงงานทแตกตางไปตามขนาดอนภาค ของหมดควอนตม (Quantum Dot)

200อนภาคทองนาโน 1 นาโนเมตร

350อนภาคทองนาโน 2 นาโนเมตร

860อนภาคทองนาโน 5 นาโนเมตร

1,064 ทองปกต (Bulk gold)

จดหลอมเหลว (C)ชนดของทองคา

สาเหต อนภาคนาโนของโลหะ มจดหลอมเหลวตากวาปกต เกดจากอนภาคนาโนมปรมาณอะตอมผวหนามาก โดยทอะตอมผวหนา จะมระดบพลงงานทใชในการยดตดกนและกน นอยกวาทพบในของแขงปกต และจากอทธพลเคลวน (Kelvin effect) จะพบวาอนภาคนาโนจะมความดนไอสงขนซงจะทาใหระเหยไดงายขน

จดหลอมเหลวทเปลยนแปลงไปจากเดมอณ

หภมจ

ดหลอ

มเหล

ว (K

)

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

รศมของอนภาค CdS (นาโนเมตร)

จดหลอมเหลวปกต

อณหภ

มจดห

ลอมเหล

ว (K

)

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

รศมของอนภาค CdS (นาโนเมตร)

จดหลอมเหลวปกต

จดหลอมเหลวของแคดเมยมซลไฟดทมขนาดผลกแตกตางกน

NANOTEC

จดหลอมเหลวทเปลยนแปลงไปจากเดม

1000

100

10

1

S/S 0

2 3 4 5 6 2 3 4 5 6

10-9 10-8 10-7

รศมของอนภาคควอตซ (เมตร)

ควอตซแบบบลค

1000

100

10

1

S/S 0

2 3 4 5 6 2 3 4 5 6

10-9 10-8 10-7

รศมของอนภาคควอตซ (เมตร)

ควอตซแบบบลค

ความสามารถในการละลายดขน

การเปรยบเทยบความสามารถในการละลายของควอตซทมเกรนในระดบนาโนเมตร กบควอตซแบบกอนใหญ (ทมา: Rev.Mineral. 1990 23: 133)

3

2

1

0

ความ

แขง

(GPa

)

ขนาดของผลก (นาโนเมตร)1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Siegel

Lim & Chaudhri

3

2

1

0

ความ

แขง

(GPa

)

ขนาดของผลก (นาโนเมตร)1 10 100 1000 10000 100000 1000000

Siegel

Lim & Chaudhri

สมบตเชงกลทเปลยนไปจากเดมโลหะทมโครงสรางผลกในระดบนาโน (nanocrystalline metals) จะมความ

แขงแรง (strength) และความแขง (hardness) มากกวาโลหะทมขนาดผลกใหญ และมคณสมบตในการตานทานกระแสไฟมากขน มความจความรอนเฉพาะมากขน และสามารถขยายตวไดดขน

ผลกทองแดงทมขนาดในระดบนาโนจะมความแขงสงกวาทองแดงทมขนาดใหญกวา

พนทบรเวณขอบเกรน (grain boundary area) วสดโดยทวไปจะมสดสวนของอะตอมอยทบรเวณขอบเกรนนอยมาก แตวสดทมขนาดเกรนอยในระดบนาโนจะมสดสวนของอะตอมอยทบรเวณขอบเกรนมาก จงทาใหวสดทมขนาดเกรนในระดบนาโนมคณสมบตแตกตางจากวสดทมเกรนขนาดใหญกวาเปนอยางมาก

วสดมสมบตเชงกลทเปลยนไปจากเดม

ขนาดเกรนของวสดหยาบ ขนาดเกรนของวสดนาโนขนาดเกรนของวสดหยาบ ขนาดเกรนของวสดนาโน

5

Colored Glass Film

โลหะนาโนมสมบตเชงแสงทเปลยนไปจากเดม

ทองคานาโนมสแดง ซงเกดจากปรากฏการณ Surface Plasmon Resonance

SEM image of Gold nanoparticles

โครงสรางผลกของโลหะนาโนมลกษณะเฉพาะตว

Truncated octahedron Icosahedron

Marks decahedron Cuboctahedron

Truncated octahedron Icosahedron

Marks decahedron Cuboctahedron

ลกษณะโครงสรางผลกทของกลมกอนโลหะทมขนาดในระดบนาโนเมตร คอมพวเตอรกราฟกแสดงลกษณะโครงรางผลก

ขนาด 1.4 นาโนเมตร ทเกดจากการจบกลมของเงนจานวน 55 อะตอม (ซาย) และทองจานวน 55 อะตอม (ขวา)

Nanotechnology for Everyday Life

All rights reserved. No part of this confidential report may be reproduced in any form or by any means without a written permission from ASTRI

Nano-Coating Conventional Coating

Nanotechnology for Everyday Life

All rights reserved. No part of this confidential report may be reproduced in any form or by any means without a written permission from ASTRI

Advantages

• Nano particles serve various purposes

Nano particles serve various purposes• Enhance formulation properties and acceptability

: new elements of color, penetration, solubility, transparency, chemical reactivity

6

Nano particles serve various purposes

• Have a direct effect on skin : anti-aging

Nano particles serve various purposes

• Protect skin : see through broad spectrum UV reflector

Nano particles serve various purposes

• Bactericidal with more surface areas to attack bacteria

Nano particles serve various purposes

• Ready to absorb vitamins and other active health supplement ingredients

Skin Care• Anti-wrinkle skincare line using

nanoparticles• Minimize the look of uneven skin

pigmentation• Moisturizing lotion

Sunscreen• Broad spectrum UV filters• Sunscreen and anti-aging treatment

7

• Ace Silver Plus Nano ToothpasteNano silver toothpaste

Crystal Clear Nano Silver Health Supplement by Drunvalo• Protects against colds, flu,and hundreds of diseases(even anthrax)

Nano is an enabling technology for the future

นาโนเทคโนโลยชวยเพมมลคาทางอตสาหกรรมและทาใหชวตความเปนอยดขน

Nanochips

Nanocapsules

Nanofilms

Handheld computer, watchphone

Electronic transdermaldrug delivery patch

Flexible thin screen

Nan

otec

hn

olog

y

NOW FUTURE

Dilemma of Nanotechnology Dilemma of Nanotechnology

Utopian dreams Apocalyptic nightmares

Utopian dreamsUtopian dreams

1. Pollution-free environment

2. Ideal society

3. Disease-free life

4. Long and healthy life

Apocalyptic nightmaresApocalyptic nightmares

1. War of the world

2. Epidermic of nanobots into the

food chain and ecosystems

3. Economic break-down

Safety IssuesSafety Issues

• Life cycle of nanomaterials• The right technique to measurement

nanomaterials• The effects of manufactured nanomaterials on

human (in vitro and in vivo) • The contamination of dispersed

(unmanufactured) nanomaterials in the environment

• Scope of regulation and safety guideline• Etc.

8

• Size• Surface area• Surface chemistry• Solubility• Shape

5S Factors involved in toxicity of nanomaterials Potential routes of nanomaterial exposure

Inhalation: Lung

Ingestion: Gastro-intestinal tract

Dermal: Skin

Parenteral: Blood circulation

Local / systemic adverse effects

Inhalation is a well established entry route

Pulmonary Deposition as a Function of Particle Size

Potential Pathway for Nanoparticles in the Lung

Interstitialization pathway

Clearance

Alveolar macrophage

SecretionsParticle-laden macrophage

Capillary

Secretions Interstitial macrophage Secretions

Fibroblast

Lymph

Epithelium

Interstitium

Broncho-alveolarspace

Gastrointestinal Tract and Site of Absorption

Ingestion: a potential route of exposure of nanofoods

Nanoparticles simply pass through the GI tract and are rapidly eliminated

Rats: Fullerenes (water solubilized using albumin and PEG)

98% elimination (feces) within 48 h 2% elimination (urine)

Indicated Systemic uptakeChem. Biol. 1995, 2: 385-389

Polystyrene Sphere (50 nm - 3 um) 1.25 mg/kg orally for 10 daysFemale SD rats :Absorption : 50 nm 34%

100 nm 26%> 300 nm 0%

No particle was detected in heart or lung tissues

J.Pharm.Pharmacol. 1990, 42: 821-826

9

Possible NanomaterialAdverse Effects

Loss of enzyme activity,* auto-antigenicityProtein denaturation, degradation*

Asymptomatic sequestration and storage in liver, spleen, lymph nodes, possible organ

enlargement and dysfunction

Uptake by reticulo-endothelial system*

Tissue infiltration with inflammatory cells, fibrosis, granulomas, acute phase protein

expression (e.g., C-reactive protein)

Inflammation*

Inner membrane damage,* permeability transition (PT) pore opening,* energy failure,*

apoptosis,* apo-necrosis, cytotoxicity

Mitochondrial perturbation*

Phase II enzyme induction, inflammation, mitochondrial perturbation

Oxidative stress*

Protein, DNA and membrane injury, oxidative stress

Reactive Oxygen Species (ROS) generation*

Possible pathophysiological outcomesExperimental NM effects Possible pathophysiologicaloutcomes

Experimental NM effects

DNA damage, nucleoprotein clumping,* autoantigens

Nuclear uptake*

Brain and peripheral nervous system injury

Uptake in neuronal tissue*

Chronic inflammation, fibrosis, glanulomas, interference in clearance of

infectious agents

Perturbation of phagocytic function,* "particle overload," mediator release*

Atherogenesis,* thrombosis,* stroke, myocardial infarction

Endothelial dysfunction, effects on blood clotting*

Autoimmunity, adjuvant effects Generation of neoantigens, breakdown in immune tolerance

Proliferation, cell cycle arrest, senescence

Altered cell cycle regulation

Mutagenesis, metaplasia, carcinogenesis

DNA damage

Possible NanomaterialAdverse Effects

Toxicity studies on Nanomaterials

1. Silver2. Zinc3. Copper

etc.

Potential adverse affects“Potent bactericide”

1. Development of antibiotic resistant bacteria2. Harmful to beneficial bacteria which form

symbiotic relationship to plants, animals and humans Disrupt ecosystem function

Consumer products• Food packaging• Odor resistant textiles• Wound dressings

etc.

“The most prevalent nanomaterials used in consumer products”

1. Nanosilver

Silver (bulk): Toxic to fish, algae and crustaceans, some plants and fungi

Nanosilver: Toxic (in vitro) to mammalian liver cells, stem cells and brain cells

Colloidal silver ingestion: Neurological problems, (micro and nano) kidney damage,

GI upset, headaches, fatigue, skin irritation

Toxicity: Nanosilver >> Silver (bulk) or other heavy metals

Acute toxicological effects of zinc nanoparticles in vivo

• In mammals, Zn is an essential metal for DNA synthesis, cell growth and division, membrane metabolism and brain development etc.

• In human, the requirement of Zn is recommended as 10-20 mg/day• Zn deficiency cause a variety of disorder• High dose of Zn oral administration (2-8 mg/kg/day) results in GI damage,

N/V, abdominal cramps and diarrhea

Background

Micro-Zn: 5 g/kg/day• average size 1.08μm

ExperimentMice• CD-ICR strain, both sexes, age 5 wks• Oral gavage for 14 days

Wang B et al., 2006 Tox Lett 161:115-123

2. Zinc Nanoparticles

Nano-Zn: 5 g/kg/day• average size 58 nm

10

Blood Biochemical Parameters

Group ALT (U/L) AST (U/L) ALP (U/L)

Micro-Zn 25.4* 77* 119*

Nano-Zn 23.7* 67 119*

Control 17.8 57 91

Liver function tests : AST = aspartate aminotransferase, ALT = alanine aminotransferase, ALP = alkaline phosphatase* P<0.05 vs control

(5 g/kg)

(5 g/kg)

Wang B et al., 2006 Tox Lett 161:115-123

Control

Micro-Zn

Nano-Zn

Renal pathological examination

Arrow Glomerulus swelling

Circle area Proteinaceous casts in renal tubular

Kidney from mice exposed to zinc powder at a dosage of 5 g/kg on 14 days

Wang B et al., 2006 Tox Lett 161:115-123

• Liver damage was probably induced by both micro- and nano-Zn

• Renal pathological examination: Severe renal lesions were found in nano-Zn mice

• Nano-Zn could cause severe anemia

• Slight stomach and intestinal inflammation was found in all Zn-treated mice

Summary

Wang B et al., 2006 Tox Lett 161:115-123

Acute toxicological effects of copper nanoparticles in vivoChen Z et al., 2006 Tox Lett 163:109-120

• Copper is essential micronutrient• In human body copper is maintained in homeostasis• Copper toxicity results in hemolysis and liver and kidney damage

Background

Micro-copper• average size 17μm• Specific Surface Area (SSA) 3.99 x 102 cm2/g

ExperimentMice• ICR strain, both sexes, age 8 wks,• Single oral gavage, tissues: collected 48 h after dosing

Nano-copper• average size 23.5 nm• Specific Surface Area (SSA) 2.95 x 105 cm2/g

3. Copper Nanoparticles

Blood Biochemical Parameters

Group BUN (mmol/L) Cr (μmol/L) ALP (IU) LD50 (mg/kg)

Micro-Cu 8.0 49.0 92 >5000

Nano-Cu 14.3* 66.0* 186* 413

Control 8.8 51.8 112 NA

Renal function tests: BUN= Blood urea nitrogen, Cr = CreatinineLiver damage: ALP = Alkaline phosphatase* P<0.05 vs control

(734 mg/kg)

(736 mg/kg)

Chen Z et al., 2006 Tox Lett 163:109-120

Pathological Changes in Kidney

Nano-Cu exposed mice exhibits dramatic changes in color and become bronze-colored

Chen Z et al., 2006 Tox Lett 163:109-120

Pathological Changes in Spleen

Nano-Cu particles cause severe atrophy and color changes

11

• The difference in size of Cu particles alteredbiological effects

• Comparison of toxicity/biological activity should be based on SSA

• Kidney, liver and spleen are found to be target organs of nano-Cu particles

• Toxicity of nano-Cu is also gender-dependent:male mice exhibit more severe toxic symptom

Summary

Chen Z et al., 2006 Tox Lett 163:109-120

Environmental Risks• Bind to soil and sediment particles

Environmental Risks• Bind to contaminating substances :

possible of transporting pollutants in groundwater

Environmental Risks

• Nano zinc and titanium washed off from skin may aggregate to larger mass : reduce potential microbial activity

Environmental Risks

• Longevity of particles : effects on other species

Nanomaterial researchScale-up & Product manufacturer

Consumers &

Environment

Human exposure(Researcher)

Human exposure (Worker)

Ecological exposure

Human exposure (Public) Ecological exposure

Products Attrition & DisposalEngineered Nanomatrrials

Value Chain Potential for release of and exposure to nanoscale substance

ตนนา ----------------------------> กลางนา --------------------------> ปลายนา

12

Who are we?

BIOTEC

Sub-committees

NSTDA President

NSTDA Board chaired by

Minister of MOST

National Research Centers

CorporateTechnology

ManagementCenter

MTECNECTEC NANOTEC

NSTDA: National Science and Technology Development Agency

NANOTEC Strategic Plan

Nano-coating(C1-17)

Nano-encapsulation(C1-18)

Func. nano-structures

(C1-19)

Nano-measurements & Nano-characterizations

Textiles

Technical & Functional

Bi-component fiber(pilot scale)

Applications

Test (& Certify)

Apparels & non-conventional

Cosmeceuticals

Nano-emulsion and Nano-capsule

Skin care nano-emulsion with Thai herbs actives

Nano-capsule for Thai fragrance

Controlled/sustained released technology

Foods

Encapsulation of food ingredients

Oil-based processed foods

Encaped tropicalfavors

Encaped vitamins

Emerging market

Solar cells

Diagnostics

DDS

Nanomaterials Safety Program

Cooperation with NANOTEC

NANOTEC

National Universitiese.g. CU, MU, KU, CMU, KKU, KMITL, KMUTT,SIIT, AIT, etc.

Foreign Universitiese.g. TIT, Osaka Univ.,Kyoto Univ., Caltech, UCLA, Stanford, MIT, Berkeley, RPI, etc.

MTEC

BIOTECNECTEC

GovernmentAgencies

NSTDA

International Collaboration e.g. AIST

JAPANORNLUSA

KRIBBS. KOREA

ITRITAIWAN

Domestic and Foreign Private Industries

e.g. Corporations, SMEs, Start-ups

Roles of NANOTEC in Safety & Ethical Issues

• A driving force of establishing nano-standardization and nano-labels

• Developing nano-safety guideline in Thailand

• Establishing nano-safety committee to monitor nanotechnological researches

Minimize Risks & Maximize Benefits

For more info.: www.nanotec.or.th

www.thai-nano.com

02-564-7100 ext. 6502

sirasak@nanotec.or.th

Thank you for your attentions