多组分纳米材料安全设计中的数据最小化策略：基于分组方法的应用研究

为解决纳米材料安全评估中个案测试需求量大、成本高的问题，研究人员开展了多组分纳米材料(MCNMs)分组方法研究。通过扩展单组分纳米材料(NMs)分组假设模板，构建了适用于MCNMs的SSbD(安全可持续设计)框架，提出以"物理化学特性-归趋行为-危害机制"为评估维度的矩阵式分组子假设。研究以SiO2@ZnO为案例，验证了该模板在减少数据需求、指导材料安全设计方面的实用性，为复杂纳米材料的早期创新开发提供了新思路。

　　

随着纳米技术的快速发展，多组分纳米材料(MCNMs)因其独特的增强性能在催化、医药等领域展现出巨大应用前景。然而，这类材料的复杂性也给安全性评估带来挑战——传统的个案测试方法不仅耗时耗力，还难以捕捉组分间的协同效应。更棘手的是，欧盟提出的"安全可持续设计"(SSbD)框架要求从创新早期就考虑材料安全性，但现有评估工具主要针对单一组分纳米材料。面对这一困境，来自欧洲SUNSHINE、HARMLESS和DIAGONAL项目的联合团队开展了一项开创性研究。

研究人员基于GRACIOUS项目框架，创新性地开发了适用于MCNMs的分组假设模板。该方法通过构建"物理化学特性(what they are)-归趋/毒代动力学(where they go)-危害机制(what they do)"三维评估矩阵，将复杂的整体假设分解为多个可独立验证的子假设。关键技术包括：1）建立包含组分相互作用和增强性能的MCNMs表征体系；2）开发基于溶解/解离速率的转化预测模型；3）采用分层测试策略(从计算机模拟到体外实验)验证假设；4）应用贝叶斯因子等算法进行相似性定量评估。研究特别以建筑用光催化材料SiO₂@ZnO为案例，系统验证了该方法的实用性。

研究结果部分，作者通过多个维度展示了创新发现：

"多组分复杂性影响安全性和分组"部分揭示：MCNMs的增强性能可能同时影响功能和危害；组分间存在独立作用、加和效应或协同/拮抗等混合效应；不同组分在生物介质中呈现差异转化速率，如ZnO在溶酶体环境中快速溶解而SiO₂保持稳定。

"分组模板概览"部分构建了迭代评估框架：从材料描述、使用场景到生命周期分析；确定优先暴露途径和危害终点；通过决策节点矩阵关联理化特性与归趋/危害指标；采用分层策略验证关键子假设。

"案例研究：切入点"部分以SiO₂@ZnO为例：该MCNM通过ZnO的光催化性能降解NO_x，SiO₂基质提高分散稳定性；主要暴露风险来自生产过程中的气溶胶吸入；基准材料包括单独组分和可溶性ZnCl₂。

"案例研究：'它们是什么'"部分发现：ZnO填充SiO₂孔隙导致比表面积显著降低；MCNM中Zn的溶出速率(20%)高于单独ZnO(10%)，表明存在组分相互作用。

"案例研究：'它们去向何方'"部分证实：在肺液模拟环境中，SiO₂部分溶解而ZnO保持颗粒态；在溶酶体条件下则呈现相反趋势；定量相似性分析显示MCNM与单独SiO₂的溶解行为更接近。

"案例研究：'它们的作用'"部分阐明：Zn²⁺通过氧化应激引发细胞毒性；THP-1细胞测试显示MCNM的炎症反应介于单独组分之间，存在轻微协同效应。

在结论讨论部分，作者强调该研究首次建立了专门针对MCNMs的SSbD分组评估体系。相比传统监管框架，新模板具有三大优势：1）通过子假设矩阵简化复杂评估，早期创新阶段可聚焦关键参数；2）兼容非动物替代方法(NAMs)和已有数据，显著降低评估成本；3）动态迭代的设计允许随研发阶段调整评估深度。案例研究证实，该方法能有效识别危害驱动因素——如发现SiO₂@ZnO的急性毒性主要来自Zn离子释放，而慢性风险与SiO₂颗粒持续存在相关。这些发现不仅为材料改型提供方向（如优化ZnO包覆完整性），也为建立MCNMs分类预测模型奠定了基础。论文发表在《Materials Today》期刊，为推进纳米材料的可持续创新提供了重要方法论支持。