신규 화학물질 또는 신소재의 발견과 개발을 통해 점차 잠재적인 생물학적 효과 및 건강 유해성에 관한 새로운 지식이 요구되고 있다. 이러한 물질이 다른 용도로 출시되기 전에, 건강에 미치는 위해성이 없는 안전성에 관한 시험이 각 국가의 법적 요건에 따라 실행되어야만 한다. 예컨대, 독일의 경우 화학물질법령, 의료제품 관련법, 식품규정, 화장품 및 세제 관련 법령 그리고 기타 다른 규정들이 있다. 이러한 법적 요건들은 나노물질에 대해서도 유효하게 적용된다.

그러나 예컨대 물질 내 나노 변이체(nanovariant)의 특정한 성질이 생물학적 계(biological system) 내 물질 거동(material’s behavior)에 물리적, 화학적 또는 다른 차원의 영향을 미치거나 이를 변화시킬 수 있는지를 확인하기 위한 추가적 요소를 고려해야 하기위해 나노물질에 관한 독성학적 분석이 이루어진다. 이러한 분석은 서로다른 원리의 두 가지 방법, 즉 생체외 분석(in vitro) 또는 생체내 분석(in vivo)을 통해 이루어지며, 이때 독성학자, 화학자, 의학 과학자 또는 생물학자는 이 중 하나를 연구방법으로 선택할 수 있다.

인체 내에서 발생할 수 있는 나노물질의 생물학적 효과를 평가하는 것과 더불어, 나노물질의 역학적 영향(epidemiological impacts), 즉 인구 수준에서 건강에 미치는 효과를 평가하는 것 역시 중요하다. 연구가 필요한 위해성 중에는 예컨대 작업 현장의 유해성(workplace hazards)이 포함된다.

또한, 가공된 나노입자(engineered nanoparticles)가 환경 내 모든 생물에 미치는 영향이 고려되고 연구되어야 한다. 과연 나노입자에 의한 환경 ‘오염(pollution)‘이 화학물질에 의한 환경오염과 유사한 효과를 나타내는가?

그럼에도 불구하고 화학물질의 건강 유해성이 대개 농도에 따라 좌우된다는 사실을 확인하는 것이 중요하다.

“모든 것은 독이다; 독이 없는 것은 존재하지 않는다; 용량만이 무독성을 결정한다”
– 파라켈수스(Paracelsus)(1493-1541)

이러한 주장은오늘날까지도 타당한 것으로 간주되어, 어떤 물질이든지 생물학적/독성학적 효과를 갖는다고 여겨진다. 단지 생물의 농도(또는 용량) 만이 그 효과가 부정적인지 아닌지를 결정한다.

인간 및 환경이 나노입자의 결합 및 작용에 노출되는 것은 오직 나노입자가 배출된 경우에만 발생할 수 있다. 결국, 나노입자가 배출되지 않으면 어떠한 효과도 유발되지 않는다.

그러나 나노물질의 수명 기간 동안 나노입자는생산 및 적용 시 또는 사용 후에 다양한 공정등에 의해 배출될 수 있다.

복합재료(composite material) 내에 삽입된 나노입자는 기계적, 열적 또는 화학 공정에 의해 환경에 배출될 수 있다. 기계적 공정에는 드릴링(drilling), 그라인딩(grinding) 및 소잉(sawing) 등이 있다. 연소(combustion)는 나노입자가 배출될 수 있는 열 공정의 전형적인 예이고, 표면 상에 부식성 화학물질(corrosive chemicals)을 도포하는 것은 화학적 공정의 예이다.

서로 다른 배출 공정은 단독으로 또는 서로 결합하여 적용될 수 있다. 예컨대 나노입자가 삽입된 복합재료의 그라인딩은 그에 따른 기계적 마모(mechanical abrasion) 와 생산된 열에 의해 나노입자의 배출을 초래할 수 있다.

원 소재(original material)에서 배출된 입자는 개별 나노입자가 아닌 경우가 종종 있다. 그러한 입자는 대개 다른 입자(집합체(agglomerates) 또는 응집체(aggregates))와 결합하거나 매트릭스 소재(matrix material)(예컨대 플라스틱 파편) 내에 삽입된 상태로 환경에 유입된다.

나노입자를 포함한 배출 입자는 환경 내로 이동(transport)할 수 있다. 인간, 동물 또는 식물과 같은 보호 대상으로의 이동은 거리와 시간에 따라 크게 달라진다. 입자가 이동하는 동안 변화(분해(decomposition), 표면의 변화, 나노입자 집합체의 분리 등)를 겪을 수 있다. 입자는 수송되는 동안 작용하는 다수의 인자들에 의해 환경, 노동자, 소비자 및 일반 대중이 배출된 동일 물질에 상이하게 노출될 수 있다. 따라서 각 배출 시나리오(release scenario)를 구체적으로 고려하고 개별적으로 평가할 필요가 있다.

특정 나노물질은 그 뛰어난 특성 때문에 미래 시장을 정복할 것으로 예상된다. 이와 같은 나노물질을 포함한 제품의 생산 및 사용이 크게 증가하면서 인간 및 환경의 노출도 더 증가될 수 있다. 인간에게는 이는 생산중 작업장과 관련이 있을 수 있으며, 이와같은 물질이 사용되거나 처리되는 과정의 한 역할일 수 있다. 보호조치 또는 예방 검사는 항상 직업적 건강 및 안전성 그리고 제품 안전성 조치의 일부가 된다.

가공된 나노입자의 환경 내 배출은 생산 공정 시 또는 제품의 폐기나 사용 시 발생할 수 있다. 나노입자는 공기 중에, 수공간 내에 그리고 토양 속으로 유입될 수 있다.

뿌리에 닿은 토양과 물을 통하거나, 잎에 닿은 공기를 통해 나노입자와 접촉하는 식물 이외에도, 박테리아나 곰팡이와 같은 다수의 미생물 역시 고려해야 한다.
이러한 미생물은 생태계 내에서 중요한 기능을 수행하며 토양, 공기 및 물을 통해 나노입자에 노출될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 토양내 벌레 및 수생물과 같은 다수의 생물은 단지 하나의 환경 구획(environmental compartment)을 통해서만 노출된다. 그 외 다른 생물, 예컨대 인간의 경우에는 공기가 나노입자 유입의 가장 중요한 경로가 된다. 이러한 맥락에서, 가공된 나노입자와 천연 나노입자를 구별하는 것이 중요하다. 천연 나노입자는 연소 과정(화산, 산불)이나 바람과 비에 의한 암석의 풍화작용에 의해 발생한다. 우리 환경과 인간 동물 그리고 식물의 자연요소를 대표하는 나노입자들은 장기노출에 적응하게 된다. 이는 우리 환경요소의 성질을 띄는 나노입자이며, 인간, 동물 그리고 식물들은 이러한 입자의 장기노출에 적응하였다.

그러나 가공된 나노입자는 완전히 새로운 과제이다. 이와 같은 극소 입자를 측정(분석)하는 것은 어렵다. 측정에 필요한 도구는 매우 고가이며 아직까지는 환경 내 어디에서도 정확한 측정이 불가능하다. 그러므로 연방환경청 및 유럽연합이 후원하는 다양한 프로젝트를 통해, 작업 현장 및 환경내의 나노입자에 대한 정확하고 신뢰도 높은 측정을 개발하고자 한다.

재료 또는 물질의 생물학적 효과는 인체, 더 정확히 말하자면 인체 내 기관 및 세포에 도달하는 능력에 따라 좌우된다. 각 생물 내 흡수(uptake)에 대한 검출은 나노물질 및 나노입자를 평가하는데 있어서 필수적인 인자이다.

다른 물질의 경우와 마찬가지로 나노물질은 환경 내 발생 경로에 따라 결합된다: 분리입자(free particles)로서; 다른 물질 내에 결합된 방식, 예컨대 플라스틱 보강재(reinforcements)로서; 액체 내에 분포되는 방식, 예컨대 윤활유 또는 기름 성분으로서.

기본적으로 분리 나노입자를 포함한 모든 물질들이 인체에 도달하는 세 가지 경로는 다음과 같다:

• 공기 중에서 흡입을 통해 : 흡입성 흡수(inhalative uptake)
• 소화관을 통해: 구강 흡수(oral uptake)
• 피부를 통해: 피부 흡수(dermal uptake)

일단 그 입자들이 혈류에 도달하게 되면 이미 “고전적인 장벽(classical barriers)“을 극복한 것으로 간주된다. 이와 관련하여 아직까지 영향을 받지 않은 새로운 조직장벽(tissue barrier), 예컨대 어머니와 자녀 간의 태반장벽(placental barrier)이 중요한 의미를 갖게 된다.

원칙적으로 인간과 환경적 유기체(environmental organisms) 내 나노입자의 흡수에 대해서는 동일한 조건이 적용된다.

흡입성 흡수

나노입자는 쉽게 침전되지 않고 오히려 공기 중에 남아있는 경향을 가진 매우 가벼운 입자이다. 따라서 대다수 전문가의 견해에 따르면 폐가 주 흡수 기관이다.
기본적으로 매우 미세한 입자들은 폐의 가장 깊숙한 곳인 폐포(alveolus)에 도달할 수 있다. 원칙적으로 직경 3μm 미만의 – 인체 모발 직경보다 20배 더 작은 – 모든 입자들은 가장 미세한 입자에 속한다. 이는 생체에 필수적인 기체교환(vital gas exchange)이 일어나는 폐의 부분이므로 그 영역 내 진애(airborne particle)의 침전은 흡수된 용량에 따라 문제가 될 수 있다.

구강 흡수

인체에 필요하지 않은 어떤 물질이 장(bowel)에 수송되어 인체의 다른 부분에 도달하기 전에 처리될 수 있다. 결국 식품을 통해 흡수된 입자들은 대변을 통해 배설된다.
다음과 같은 세 가지 큰 인체장벽이 있다: 피부, 폐 그리고 장 점막. 천연 또는 합성 나노입자는 기본적으로 하나의 경로 또는 다른 경로를 통해 장내장벽(intestinal barrier)을 통과할 수 있는 것으로 간주된다(M세포를 통한 내포작용(endocytosis), 과흡착(persorption): 융모(villus) 끝의 죽은 세포를 통한 흡수). 수송 속도(transport rate) 또는 생체이용률(bioavailability)은 매우 낮다(각 용량의 1%를 넘지 않음). 그러나 장내장벽의 기능을 방해하는 염증성질환으로 인해 증가될 수도 있다.
사실상, 피부 또는 폐 연구와 더불어 장내 점막을 통한 구강 흡수 경로에 관한 나노 독성학적 연구에 대한 특정한 요구가 있다.

피부 흡수

물질들은 약물 패지(drug patches)등과 같이 피부를 통해 흡수될 수도 있다. 따라서 피부는 나노입자가 유입될 수 있는 또 다른 입구가 된다.유럽 연구 프로젝트인 NANODERM은 이러한 사안을 철저히 조사하고 대부분의 자외선 차단 크림(sun cream) 내에 포함된 나노 구조의 이산화티타늄(Titanium dioxide) 및 산화아연(Zinc oxide)을 분석하였다. 프로젝트 결과에 따르면 피부는 깊숙한 층을 통해 어떠한 입자나 집합체도 남기지 않는 매우 우수한 장벽임을 알 수 있었다.
피부는 12개의 죽은 각막 세포 층으로 덮여 있으므로 살아있는 세포는 나노 구조의 입자와 접촉할 수가 없다.

태반을 통한 흡수

태반 조직은 매우 단단한 조직으로서 어머니와 태아 간의 기체 교환을 조절하며 서로 분리된 두 개의 순환(circulation)을 유지한다.나노 크기의 물질들이 태반 조직을 통과할 수 있다는 사실이 생쥐를 통한 동물 실험을 통해 최초로 확인되었다. 그러나 이러한 동물 실험에서 나온 데이터를 인체에 적용할 수는 없다. 왜냐하면 인체 태반의 해부학적 구조와 생리학적 구조는 독특하기 때문이다. 인간의 생체 밖(ex vivo) 태반 관류 모델(placenta perfusion model)에 의해 태반경유 수송(transplacental transport)을 연구하기 위한 제어 시스템은 나노입자가 인체 태반장벽을 통과할 가능성을 가질 수 있다는 사실을 보여주었다. 인체 태반을 경유하는 입자가 경로를 찾는 방법에 관한 근본적인 메커니즘에 대한 연구가 현재 계속 진행되고 있다.

추가 정보는 “태반장벽에 있는 나노입자“에 관한 크로스커팅(cross cutting) 기사에서 볼 수 있다.

흡수 – 환경적 유기체

소화관 내 탄소나노튜브(붉은색 화살표)를 갖는 요각류(copepod)원칙적으로 인간 및 환경적 유기체에 대한 나노입자의 흡수에 대해서는 동일한 조건이 적용되지만, 환경적 유기체는 그 다양성 때문에 더 많은 흡수 가능성이 존재한다. 따라서 수생 생물의 호흡 기관인 아가미와 같은 추가 경로가 고려되어야 한다. 생물의 주 서식지가 어디냐에 따라서 나노입자는 물, 토양 또는 공기를 통해 흡수된다.실험실에서 이루어진 실험에서 호박식물은 그 뿌리를 통해 물로부터 나노입자를 흡수할 수 있음이 확인되었다. 크기가 작은 게를 탄소나노튜브를 포함하는 물 속에 두면 일정시간 후에 그들의 소화관 내에서 이러한 나노튜브의 덩어리가 명백히 확인될 수 있다. 또한, 나노입자가 세포 내로 흡수되지 않고도, 예컨대 박테리아 상에서 유해하게 작용할 수 있다는 증거들이 있다.

인체 내

인체 기관들은 밀도가 높은 세포층, 소위 상피에 의해 외부로부터 밀봉되어 있다. 나노입자는 예컨대 세포 간의 단단한 결합을 방해하거나 세포 안으로 침투하여 이러한 상피장벽을 극복하지 않는 한, 인체 안으로 들어갈 수 없다. 이를 달성하기 위해서는 나노입자가 각 인체 세포를 둘러싸는 막을 극복하고 환경으로부터 그 막을 밀봉해야만 한다.
이러한 과정은 내포 작용과 관련된다. 세포가 환경으로부터 물질들(영양성분, 단백질 및 설탕, 액체 등)을 흡수하기 때문에 내포 작용은 거의 모든 인체 세포 내에서 계속해서 일어나는 과정이다.

세포 바로 근처에 있는 나노입자는 의도적으로(예컨대 폐 내부의 청소세포(scavenger cells)를 통한 활성 식세포작용(active phagocytosis)에 의해) 또는 비의도적으로 다른 물질 내 통합(inclusion)에 의해 흡수될 수 있다. 이러한 나노입자는 일단 흡수가 되면 세포 내에서 다른 물질들과 상호작용할 수 있다. 인체 내부로 침투한 나노입자들은 대개 배설과 같은 자연 경로를 통해 배출된다.

환경 내

환경 내로 배출된 나노입자들은 매우 상이한 방식으로 변화하고 환경의 다른 성분들과 상호작용할 수 있다. 나노입자들은 물 안에서 천연 유기물로 수송되거나 천연 유기물과 결합할 수 있으며 그 입자의 특정 성분들은 용해될 수 있다. 토양 및 공기 중에서는 예컨대 천연 나노입자와 함께 더 큰 어셈블리(집합체)를 형성하거나 다른 유기 성분들과 결합할 수 있다. 이러한 집합체는 나노 크기보다 큰 크기 및 무게를 가지므로 공기 및 물 안으로 가라앉을 수 있다. 이러한 모든 과정들은 환경적 유기체가 나노입자와 접촉하게 될지 아닐지를, 그러한 접촉이 어떤 방식으로 이루어지는지를 그리고 흡수될 수 있는지 아닌지를 결정한다.

나노입자와 같은 신규 화학물질 또는 신소재의 사용과 관련된 위해성(risks) 평가는 복잡한 규제 과정이다. 독성학에서는 기본적으로 잠재적 위해성(potential risk)이 ‘노출(exposure)‘ 및 ‘유해성(hazard)‘ 변수를 통해 정해진다.

건강 위해성은 이 두 가지 척도로 이루어진 함수로서 양 변수의 존재(existence)에 따라 좌우된다. 기본적으로 단지 하나의 변수만 존재할 경우에는 위해성이 존재하지 않는다.

RiskTox = f{exposure; hazard}

그러나 사회 또는 개인에게 있어서는 이러한 위해성이 기본적으로 특정 사건이 발생할 개연성(P)과 피해 수준(D)의 함수이다.

Risksoc = P * D

향후 매우 다양한 나노물질의 제조는 인간과 환경의 노출 증가를 초래할 것으로 예상된다. 또한, 최초로 실행된 생체외(in vitro) 및 생체내(in vivo) 연구에서 나노입자가 생물학적 효과를 유발할 수 있다는 사실이 확인되었다. 따라서 이러한 극소 물질을 대표하는 몇몇 물질들은 건강에 영향을 미치는 것으로 추정된다. 잠재적 위해성의 전제조건이 확인되었기 때문에 그러한 위해성을 평가하기 위해 노출이 조사될 필요가 있다. 노출이 증명된 경우에는 위해성을 제거하거나 최소화하기 위해 측정이 실행되어야 한다(위해성 관리).