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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
탄소나노물질의 독성정보 제공 체계 구축에 관한 연구
- 연구책임자
- 조완섭 외 4명
- 수 행 연 도
- 2018년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- ,1. 연구 제목: 탄소나노물질의 독성정보 제공 체계 구축에 관한 연구 2. 연구 필요성 및 목적 나노기술의 발전으로 다양한 종류의 나노물질이 합성 및 생산되고 있으나 나노물질에 대한 유해성 정보가 부족한 상황에서 일부 나노물질의 대량생산이 이루어지고 있다. 나노물질은 고유한 물리화학적 특성에 따라서 독성이 결정되거나 영향을 받는 것으로 보고되고 있기 때문에 모든 나노물질에 대한 개별적인 독성실험이 아니라 물리화학적 특성과 독성의 상관관계를 기반으로 한 모듈식 규제 방법이 현재로서는 가장 현실성있고 과학적인 방법으로 제안 되고 있다. 나노물질의 분류에서 구성원소에 따른 분류를 할 때 탄소기반 나노물질은 유기 나노물질(organic nanomaterials)로서 금속기반의 무기 나노물질(inorganic nanomaterials)과 크게 구분할 수 있다. 탄소기반의 나노물질에는 카본블랙, 플러렌, 그라핀, 나노다이아몬드, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유로 구분할 수 있으며 특히 섬유상의 긴 종횡비를 가지는 탄소나노튜브와 탄소나노섬유는 석면과 같은 발암물질로 의심되고 있기 때문에 위해성평가의 우선순위가 매우 높은 물질 군에 해당된다. 본 연구는 탄소기반 나노물질에 대한 분류, 특성확인법, 특성과 독성의 상관관계 규명, 국내외 나노물질의 규제/비규제 현황 조사, 위해평가를 위한 방법 등을 포함하는 탄소기반 나노물질에 대한 과학적, 정책적 정보들을 제공하고자 하였다. 3. 연구 내용 및 방법 1) 탄소나노물질의 분류 및 특성 확인 탄소로 구성된 나노물질을 문헌 조사를 통해서 카본블랙, 플러렌, 그라핀, 나노다이아몬드, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유로 구분하였으며 각 물질과 관련된 활용 범위 및 물리화학적 특성 분석 항목을 조사하였다. 특히 OECD 문건에서 나노물질의 분류체계에 관한 문건(예, No. 66 - Categorisation of manufactured nanomaterials) 을 분석하여 합리적인 분류체계를 마련하였다. 탄소 나노물질의 물리화학적 특성 및 측정 방법에 대한 조사는 논문과 OECD 문건(예, No. 65 - Physical-chemical properties of nanomaterials:Evaluation of methods applied in the OECD-WPMN testing programme)을 조사하였다. 또한 나노물질의 흡입 발생 전과 발생 후에 측정되어야 하는 항목을 모두 조사하였으며, 이러한 특성분석 방법은 공동연구원인 전기수, 유일재 박사팀이 Leader로 활동하는 ISO 국제표준(ISO TR 23463 “Nanotechnologies-Characterization of carbon nanotube and carbon nanofibreaerosols to be used in inhalation toxicity tests”)과 연계하여 제시 하였다. 2) 독성관련 주요 특성인자 발굴 탄소 나노물질의 독성과 관련이 있는 특성인자에 대한 정성적, 정량적 분석을 수행하였다. OECD 문건과 연구논문을 중심으로 각 나노물질의 독성시험자료를 흡입시험, 폐장내 투여 시험(intratracheal instillation, pharyneal aspiration), 흉강내 투여 또는 복강내 투여 시험, in vitro 시험으로 구분하여 각 시험계에서 수행된 독성 논문을 전수 조사하고 물리화학적 특성과 독성의 상관성을 제시한 논문을 확보하여 분석하였다. 3) 국내외 규제/비규제 현황 조사 나노물질에 대한 국내외 규제/비규제 현황을 조사하였다. 미국, 유럽, 기타 국가를 중심으로 각국의 규제 현황과 국제암연구소, OECD 등의 국제기구에서의 규제 현황을 조사하였다. 4) 국내 탄소나노물질 위해 평가 체계 제안 탄소나노물질에 대한 유해성·위해성 평가 도구의 제한점 및 조화방안을 조사하였다. 또한 탄소나노물질의 물리화학적 특성과 독성의 상관성 분석을 바탕으로 우리나라의 탄소나노물질의 위해도 분류 및 관리 방법에 대한 제안을 수행하였다. 4. 연구 결과 1) 탄소나노물질의 분류 및 특성 확인 에어로졸 생성 이전에 측정되어야 하는 특성 항목으로 크기, 크기분포, 모양, 뭉침/집합, 표면 면적, 표면전하, 결정 구조, 구성, 순도, 길이와 두께를 제안하였다. 에어로졸 생성 이후에 측정되어야하는 특성 항목으로는 에어로졸 크기, 크기 분포, mass medianaerodynamic diameter, 에어로졸의 뭉침/집합, 에어로졸 모양, 표면 화학, 농도(질량, 수, 표면 면적, 부피)를 제시하였다. 2) 독성관련 주요 특성인자 발굴 탄소나노물질 중에서 버키볼, 그라핀, 나노다이아몬드에 대한 독성자료는 거의 없으며 물질들이 생체에 염증을 거의 유발하지 않는 비교적 안전한 물질로 판단된다. 카본블랙은 IARC에서 Group 2B발암물질로 규정된 물질이나 카본블랙의 폐암 가능성은 카본블랙이 표면 활성이 높고 자극성이 높은 물질 때문이라기 보다는 고농도의 카본블랙에 장기간에 노출되는 환경(디젤 베기 가스 등)에 의한 것이며 역학적인 연구를 통해서 제안되고 있는 것이기 때문에 실제로 독성은 크지 않다. 반면에 카본나노튜브와 카본나노섬유는 고종횡비와 생체 지속성(biopersistence)을 가지고 있기 때문에 석면과 유사한 발암물질로 의심되고 있으며 특히 Mitsui-7에 대해서는 IARC에서 2014년에 Group 2B 발암물질로 규정하였고 5년 이내에 다른 종류의 카본나노튜브 또는 섬유에 대해서 재평가를 수행하겠다고 공표하였다. 따라서 본 보고서에서는 섬유상 나노물질인카본나노튜브와 카본나노섬유의 물리화학적 특성과 독성의 상관성에 대해서 중점적으로 분석하였다. 물리화학적 특성을 (1)크기와 모양, (2)구성과 순도, (3)표면활성과 작용기, (4)생체 지속성으로 분류하였다. 크기와 모양과 관련이 높은 세부 항목으로 두께, 길이, 강성(rigidity), 결함(defect)을 제시하였으며 두께가 두꺼울수록(대략 100 nm이하에서), 길이가 길수록(5 μm 이상), 강성이 높을수록, 결함이 있을수록 독성이 커지는 것으로 제시되었다. 구성과 순도의 관점에서는 일반적으로 탄소나노물질의 순도가 높을 것으로 생각할 수 있으나 실제로는50~99.9%까지 다양하며 합성과정에서 촉매로 사용하는 다양한 metal이 오염되며 대표적으로 Fe, Co, Ni, Mo 등이 높은 농도로 검출되는 것으로 보고되며 순도가 낮을수록 독성이 높아지는 것으로 제시되고 있다. 표면활성과 관련해서는 탄소나노튜브는 ROS를 생성하기도 하지만 ROS를 제거할 수도 있으며 순도가 낮고 결함이 많을수록 ROS 생성/제거의 특성이 높으며 표면활성이 높아지는 것으로 보고되어있다. 작용기는 COOH기를 적용한 물질은 독성이 감소되며 PEI를 적용하여 양전하를 가지는 물질은 독성이 증가하는 것으로 보고되었으며 명확한 패턴을 제시하기 위해서는 더 많은 연구가필요하다고 생각된다. 생체 지속성관점에서는 탄소나노물질은 생체지속성이 매우 높은 물질이지만 나노튜브의 직경이 얇은 단일벽탄소나노튜브는 효소/비효소적 방법에 의해서 생체 내에서 변성/분해될 수 있다고 제시되고 있다. 즉 직경이 얇을수록 독성이 낮아질 수 있다고 볼 수 있다. 3) 국내외 규제/비규제 현황 조사 미국, 유럽 등의 선진국에서는 나노물질에 대한 규제를 강하게 하는 방향으로 정책을 수립하고 있으며 현재는 카본나노튜브 등의 대표적인 나노물질을 규제를 진행하고 있으나 향후 나노물질의 범위가 확대될 것은 확실하다. 나노물질의 규제는 물질 단계에서의 규제와 제품 단계에서의 규제가 모두 적용된다. 나노물질에 대한 규제는 개별 나노물질에 대한 규제가 아닌 그룹핑의 방법을 적용한 모듈식 규제 방식을 적용할 가능성이 매우 높기 때문에 나노물질의 물리화학적 특성과 독성의 상관성 연구는 매우 필요하고 적절하다고 생각된다. 4) 국내 탄소나노물질 위해 평가 체계 제안 탄소나노물질에 대한 유해성·위해성 평가 도구의 제한점 및 조화방안을 조사하였다. 또한 탄소나노물질의 물리화학적 특성과 독성의 상관성 분석을 바탕으로 우리나라의 탄소나노물질의 위해도 분류 및 관리 방법에 대한 제안을 수행하였다. 5. 활용방안 및 기대성과 1) 탄소나노튜브 유해성에 대한 체계적 정보 구축 및 전달 가능 탄소 기반 나노물질은 매우 다양하며 많은 용량이 생산되고 있다. 특히 우리나라는 탄소나노튜브에 대한 개발과 관련하여 많은 연구비를 투입하여 생산 기술 및 기반 시설이 갖추어져 있으며, 최근에는 유럽이나 미국으로 수출을 하고 있을 정도로 많이 생산되고 있다. 그러나 기술적 발전에 비하여 탄소기반 나노물질에 관한 독성 정보와 위해평가 관련된 충분한 자료가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구의 연구 결과는 탄소나노튜브의 유해성에 관한 체계적 인 정보를 구축하는데 기여할 수 있으며 작업자 또는 소비자를 보호하는 과정에 도움이 될 것이다. 나. 사업장에 대한 재해 예방 지원 및 지도에 관한 정부의 책무 이행 산업안전보건연구원은 사업장의 재해 예방을 위한 지원 및 지도의책무가 있다. 따라서 최근에 국내 작업장에서 생산이 급격하게 증가하고 있는 탄소나노튜브 등의 탄소 기반 나노물질에 관한 위해 정보를 확보함으로써 작업장의 재해 예방을 위한 지도 및 관리가 가능할 것이라고 판단된다. 6. 중심어: 탄소나노물질, 위험정보, 위해평가, 물리화학적 특성 7. 참고문헌 및 연락처 가. 참고문헌 "What is carbon black". International carbon black Association.Retrieved 2009-04-14. Ponnamma D, Sadasivuni KK, Grohens Y, Guo Q, Thomas S:Carbon nanotube based elastomer composites - an approach towards multifunctional materials. Journal of Materials Chemistry C 2014, 2:8446-8485.Moon HK, Lee SH, Choi HC: In vivo near-infrared mediated tumor destruction by photothermal effect of carbon nanotubes. ACS nano 2009, 3(11):3707-3713.Hammel, E; Tang, X; Trampert, M; Schmitt, T; Mauthner, K; Eder, A; Potschke, P (2004). "Carbon nanofibers for composite applications". Carbon. 42 (5？6): 1153？8.Kuempel, Eileen D.; Sorahan, Tom (2010). "Identification ofResearch Needs to Resolve the Carcinogenicity of High-priorityIARC Carcinogens". Views and Expert Opinions of an IARC/NORA Expert Group Meeting, Lyon, France, 30 June ？ 2 July 2009. IARC Technical Publication No. 42. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer. 42: 61？72. Retrieved August 30,2012. Riediker, M., C. Ostiguy, J. Triolet, P. Troisfontaine, D. 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