面向纳米技术的“安全与可持续设计”（SSbD）：科学基础、全球政策视角与工业实践

《Nano Convergence》：Safe and sustainable by design (SSbD) for nanotechnology: scientific foundations, global policy perspectives, and industrial practice

　　

专业摘要翻译 “安全与可持续设计”（Safe and Sustainable by Design, SSbD）正 emerging as 一个变革性框架，旨在将安全性、可持续性与功能性整合于纳米技术之中。本综述提供了一个关于SSbD的统一视角，衔接了其科学基础、全球政策发展与工业实践。研究人员（代替“我们”）着重指出，纳米材料-生物相互作用机制理解的进展使得更早期、更具预测性的安全评估成为可能，从而为明智的材料设计提供支撑。在政策层面，各区域不断演进的监管与治理方法正在塑造可持续性与安全性要求的整合方式。从工业视角来看，SSbD正在推动材料替代、工艺优化以及面向生命周期的设计创新。尽管取得了上述进展，但在标准化、数据整合以及监管框架与工业实践之间的协调方面仍存在挑战。本工作将SSbD定位为实现负责任创新、加速向更安全且更可持续的纳米技术转型的核心范式。

论文主体内容总结

1 安全与可持续设计（SSbD）——概念、演进及其与纳米材料的相关性

1.1 背景与动机

针对日益加剧的污染与化学品安全担忧，“安全与可持续设计”（Safe and Sustainable by Design, SSbD）代表了一种范式转变。这种整体性方法主动将人类与环境安全，以及环境、经济和社会可持续性嵌入化学品、材料和技术的设计阶段，标志着从传统被动应对措施向预防性策略的转变。科学界与政策界的共识正推动全球向SSbD转变，将重点转向在市场投放前“设计消除”危害。通过欧盟化学品可持续性战略（Chemicals Strategy for Sustainability, CSS）、经济合作与发展组织（Organisation for Economic Co-operation and Development, OECD）创新框架以及新兴的国家可持续化学计划等举措，SSbD原则正日益被纳入国际政策与研究议程。与此同时，联合国环境规划署（United Nations Environment Programme, UNEP）的绿色与可持续化学框架强调在化学和材料创新全过程中整合环境保护、资源效率与人类健康考量，强化了安全与可持续性必须作为技术发展的内在组成部分而非事后处理的国际共识。机制毒理学、预测建模、高通量筛选、生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）、数据科学、人工智能及新方法学（New Approach Methodologies, NAMs）的并行进展，进一步加速了将安全考量直接整合到材料和化学创新管线中的努力，使SSbD从概念性治理框架演变为日益可操作、数据驱动的范式。

1.2 SSbD的定义与关键原则

SSbD被广义定义为一种将安全性和可持续性方面整合到化学品、材料或技术开发最早阶段的方法，其明确目标是预防危害而非事后管理。与在产品质量开发后评估危害和暴露的传统风险管理范式不同，SSbD从一开始就将这些考量作为设计约束嵌入，确保安全性和可持续性成为最终产品的固有属性。其概念核心建立在若干广泛共享的原则之上：第一，采用生命周期视角，要求考虑从材料提取到报废处置全过程中对人类健康、生态系统和材料的影响；第二，强调对内在属性、暴露及过程相关风险的考量，突出在不确定性条件下优先选择更安全、更可持续材料的主动创新驱动方法；第三，强调功能性的保持，认识到更安全、更可持续的替代品必须保持技术可行性和经济竞争力才能实现实际应用；最后，纳入涵盖环境、经济和社会维度的多维度可持续性框架，超越纯毒理学终点走向更整体的影响评估。SSbD旨在科学不确定性条件下运作，其预防性逻辑支撑了“无悔”原则，反映了风险治理向预期性而非反应性决策的转变。SSbD原则旨在整个创新周期中迭代应用和重新审视，并强调多利益相关方整合，要求行业、监管机构、研究人员和民间社会在创新过程中积极参与。

1.3 历史演进：从SbD到SSbD

SSbD是“安全设计”（Safe-by-Design, SbD）概念的演进，后者由纳米技术界大力推动以应对纳米尺度材料的独特不确定性。虽然SbD旨在早期开发阶段主动“设计消除”风险，但其效力常受限于危害和暴露方面的重大数据缺口。认识到安全性不能作为孤立指标评估，该框架已扩展为更整体的SSbD范式。这一转变整合了更广泛的可持续性标准，如资源效率、能源需求和生命周期影响，与传统毒理学安全协议相结合。通过将SbD的主动哲学与绿色化学、可持续化学、绿色毒理学、生命周期评估、可持续工程和循环经济战略的概念相整合，SSbD已演进为一个更广泛的框架，旨在优化材料和技术在整个生命周期中的整体安全和可持续性能。从SbD到SSbD的演进也与机制毒理学、计算建模、FAIR数据基础设施和NAMs的进展相吻合，将SSbD从很大程度上概念性的愿景转变为日益可操作、可预测和数据驱动的材料创新框架。

1.4 为何纳米材料需要SSbD

纳米材料（Nanomaterials, NMs）是SSbD范式的核心，既代表可持续创新的前沿，也对传统风险评估构成挑战。纳米材料在医学、能源和环境修复领域实现突破的同时，其独特的物理化学性质——如高反应性、高表面积与体积比以及穿越生物屏障的能力——引入了不可预见的毒性和持久性风险。因此，源自纳米技术领域的SbD“从一开始就正确设计”的哲学旨在缓解这些固有不确定性。SSbD扩展了这一使命，确保纳米材料的功能效益不会被“令人遗憾的替代”或生命周期可持续性陷阱所抵消。通过在设计阶段整合可降解性和可回收性等标准，SSbD协调了纳米材料的变革性经济潜力与全球环境和人类健康保护需求。纳米技术日益成为应对先进材料创新相关更广泛挑战的模型系统，从纳米材料中首次遇到的许多科学、监管和可持续性挑战现在正出现在更广泛的先进和多组分材料系统中。尽管势头强劲，但在纳米材料和先进材料系统SSbD的操作化方面仍存在重大挑战，包括预测长期生态毒性、持久性、转化行为和生命周期末期可持续性特征的困难，以及安全、技术性能、气候影响、资源效率和经济可行性之间复杂权衡的引入。

1.5 本综述的范围与目标

本综述考察SSbD如何从概念性治理框架演变为纳米技术和纳米材料创新的操作性范式。综述主要聚焦于纳米技术领域的SSbD，同时也扩展到面临类似预测性安全评估、可持续性评估和生命周期治理挑战的更广泛先进材料系统。综述特别关注全球政策视角，考察各区域（如欧盟、美洲和亚洲）的监管框架和治理策略如何塑造SSbD在纳米技术中的发展、协调和实施。综述强调SSbD、可持续化学、绿色毒理学、循环经济战略和国际层面预测性毒理科学之间日益增长的融合。后续章节将深入探讨SSbD的科学基础，调查促进SSbD的不断演进的政策格局和全球框架，并讨论SSbD在纳米技术应用和价值链中实施的案例研究。综述旨在通过整合机制纳米安全科学、先进分析工具、NAMs、生命周期评估和计算建模，提供关于纳米材料SSbD的可访问的跨学科概述，强调更广泛的纳米安全科学、可持续性评估、数据驱动方法和预期性治理向先进材料开发综合创新生态系统的融合。

2 SSbD的全球政策格局

尽管SSbD的操作化在欧盟内部最为积极推进，更广泛的国际政策倡议也促进了围绕安全和可持续创新的全球治理环境。UNEP于2020年推出的《绿色与可持续化学：框架手册》建立了与可持续发展目标（Sustainable Development Goals, SDGs）及化学品和废物健全管理相一致的推进化学创新的全球概念框架，其强调的原则与SSbD紧密一致，包括危害最小化、避免令人遗憾的替代、可持续原料采购、生命周期思维、无毒循环性和价值链层面的系统创新。

2.1 欧盟：既有框架与化学品可持续性战略（CSS）

2.1.1 欧盟委员会SSbD框架

欧盟委员会（European Commission, EC）于2022年通过其联合研究中心（Joint Research Centre, JRC）发布的一系列指导报告首次引入SSbD框架。经过专门的测试和利益相关方反馈期后，该框架于2025年修订，随后EC建议采纳更新框架。EC已开发出迄今操作上最成熟、政策整合度最高的SSbD框架，提供与CSS相一致的结构化方法来评估和指导化学品和材料的开发。修订后的EC SSbD框架组织为循环迭代过程，从定义创新目标开始，通过范围分析确定创新目标和系统边界，制定相应的SSbD情景，然后对化学品、材料或技术过程的安全性和可持续性方面进行整体评估。评估过程结构化为两个主要部分：安全性和可持续性评估。安全性部分涵盖人类健康、环境和与化学品或材料在整个生命周期中用途相关的过程安全。可持续性部分包括环境和社会经济可持续性两个维度。该框架的一个决定性结构特征是分层评估方法，允许评估深度根据创新阶段和数据可用性进行校准，这在纳米技术背景下尤其有价值。尽管范围全面，EC SSbD框架仍面临若干实际挑战，包括高级别全面多标准评估的数据要求可能对中小企业构成障碍，以及标准危害评估方法最初并非针对纳米材料独特物理化学复杂性而开发。

2.1.2 REACH修正案与纳米形态

在欧盟内部，纳米材料特定监管义务已嵌入一般REACH和CLP架构中，纳米材料作为化学物质被覆盖，同时REACH下引入了明确的纳米形态要求。根据委员会法规（EU）2018/1881，REACH附件I、III和VI至XII被修订以处理纳米形态，自2020年1月1日起适用修订要求。在欧洲化学品管理局（European Chemicals Agency, ECHA）更新的纳米形态物质注册指南中，定义了纳米形态术语，提供了构建和论证纳米形态集的建议，并规定了需报告的定性信息。尺寸分布、形状和表面化学或表面处理的差异已被确定为区分不同纳米形态的决定因素。法规（EU）2020/878中，法规（EU）2018/1881下纳米形态特定要求的引入被明确引用为修订REACH附件II关于安全数据表的理由。

2.1.3 欧盟研究项目与政策整合

欧盟纳米技术领域SSbD议程的操作化通过政策-项目-政策反馈循环进行，将建立欧盟SSbD化学品和材料框架的委员会建议与连续的Horizon 2020和Horizon Europe研究组合相联系。第一波Horizon 2020项目将安全设计和SSbD原则转化为纳米材料和纳米赋能产品的操作工具，包括ASINA（数据驱动的安全设计管理方法论）、SAbyNA（面向更安全纳米形态、纳米赋能产品和纳米过程的综合网络指导平台），以及SUNSHINE、HARMLESS和DIAGONAL（通过分层工具套件和决策支持系统为多组分和高纵横比纳米材料操作化SSbD策略）。从2023年末起，第二波Horizon Europe项目将SSbD操作化扩展到核心纳米安全组合之外，包括计算整合（如PINK）、机制通路建模（如INSIGHT）、新方法学（如CHIASMA）和部门示范项目（如DESIDERATA）。在生态系统层面，项目成果向实践的转化通过PARC、IRISS、化学品和材料安全与可持续性网络（NSC）及相关SSbD社区基础设施制度化。

2.2 美洲：基于风险的监管方法与可持续化学倡议

2.2.1 美国

在美国，针对纳米材料的监管工作由美国环境保护署（US-EPA）主导，在《有毒物质控制法》（Toxic Substances Control Act, TSCA）下制定纳米特定条款，重点关注环境保护和人类健康。美国对纳米材料的方法不应仅描述为纳米特定监管框架，近期联邦文件表明纳米材料治理日益嵌入更广泛的可持续化学和先进材料研发生态系统。2023年《可持续化学报告：构建联邦格局》提出了联邦共识定义，涵盖化学品、材料和产品在整个生命周期中的有意设计、制造、使用和报废管理。2024年《联邦可持续化学战略计划》进一步将此格局转化为四个目标：发现更可持续的化学、弥合发现到商业化的鸿沟、促进企业和次国家级政府的采纳，以及创建21世纪联邦可持续化学服务。此外，US-EPA一直在实施高通量筛选平台（如ToxCast和Tox21）以评估化学品跨多条通路的生物活性，并强烈鼓励使用NAMs作为减少动物试验依赖的替代方案。美国食品药品监督管理局（FDA）建立了涉及多个中心和办公室的纳米技术工作组，针对化妆品、食品、药品和医疗器械等领域的纳米技术应用，其指导文件强调在上市前批准过程中进行彻底物理化学表征的重要性。美国还有多个组织参与纳米技术标准化，包括美国国家标准协会（ANSI）和美国材料与试验协会（ASTM）国际委员会E56。总体而言，美国方法反映了分布式但高度创新导向的可持续材料治理模型。

2.2.2 加拿大

加拿大拥有完善的化学品管理基础设施，目前正演进以纳入更多预防性、可持续和社会公平的标准。化学品管理计划（Chemicals Management Plan, CMP）由加拿大卫生部和环境与气候变化部（ECCC）联合管理，在《加拿大环境保护法》（CEPA）下系统评估和管理有毒物质。近期通过的S-5法案（《加强环境保护促进更健康加拿大法案》）代表了加拿大化学品监管的重大转变，修订后的CEPA正式承认健康环境权利，授权制定用NAMs替代脊椎动物试验的策略，并要求考虑累积效应和保护弱势群体。同时，加拿大在“知情替代”和替代品评估（Alternatives Assessment, AA）方面势头日益增强，旨在通过评估替代品在危害、性能和经济可行性方面的表现来避免“令人遗憾的替代”。

2.2.3 巴西及其他南美国家

在巴西，纳米技术治理的显著进展由科学技术与创新部（MCTI）推动，国家卫生监督局（ANVISA）与巴西环境和可再生自然资源研究所（IBAMA）及国家计量、质量与技术研究所（INMETRO）等机构共同监督纳米技术赋能产品的安全评估和批准。尽管缺乏明确针对纳米材料的特定监管框架，联邦参议院仍在审议的第880/2019号法案旨在建立纳米技术和先进材料的法律基础。巴西已发展纳米技术标准化和安全评估的国家基础设施，INMETRO与国家纳米技术实验室系统（SisNANO/MCTI）合作支持技术程序、参考材料和纳米安全相关方法论的开发。巴西还参与了国际纳米安全合作，包括NANoREG、欧洲纳米安全集群、NanoCommons KB、CompSafeNano和INSIGHT。巴西在作为动物试验替代方案的NAMs方面也扩大了活动，3R原则通过Arouca法纳入国家立法。2024年批准的巴西化学品管理法（第15,022号法律）引入了受欧洲REACH框架启发的国家化学品注册系统。除巴西外，墨西哥、阿根廷、哥伦比亚和哥斯达黎加等几个拉丁美洲国家日益参与纳米技术治理、纳米安全倡议和与国际标准化活动。

2.3 亚太地区：国家基础设施与国际标准协调

2.3.1 韩国：绿色化学倡议

在韩国，与SSbD相关的政策发展仍以纳米安全治理为中心，而非统一的国家SSbD框架。第5次韩国纳米技术倡议（2021-2030）由九个部委实施，将纳米安全和标准化确定为核心政策支柱。环境部的纳米安全管理计划和第3次总体规划（2022-2026）涵盖环境和产品监测、暴露评估、物理化学表征和风险评估。国家环境研究所也在应用包括气液界面系统在内的新方法学进行纳米颗粒毒性研究。