中國正在完成從中國製造向中國創造的歷史性轉變。單就日化領域,就已經有、膠原兩種化妝品原料的應用達到世界領先地位,現在的富勒烯化妝品原料,我國也正呈引領態勢。
1985年英美兩國天文學家和化學家合作,在研究宇宙星雲的組成時發現了富勒烯,並以《C60:巴克明斯特富勒烯》為題發表於《自然》雜誌上[1],隨後在1996年這三位富勒烯發現者獲得諾貝爾化學獎。近年來,科學家們探索了富勒烯在生物醫藥[2]、能源[3-4]、潤滑劑[5],以及化妝品[6-7]等領域的廣泛應用,掀起了一波又一波的研究熱潮,富勒烯已經逐步從化學和材料領域的明星分子,逐步為大眾廣為接受。
近年來中國,日本,法國,美國,瑞士,俄羅斯和烏克蘭等國家都有大量科學家團隊研究富勒烯,而我國更是富勒烯材料研究、生產和應用開發的大國。由中國科學院化學所、國家奈米科學中心、廈門大學、中國科技大學、北京大學等機構的研究者們組成了中國富勒烯研究的核心梯隊,不但包括多位中國科學院院士,以及十幾位國家級科研人才,而且吸引了數以千計的年輕科技人才投入到富勒烯這一欣欣向榮的領域。目前我國在富勒烯應用於大健康領域和能源等領域的研究和產業化穩居國際首位,每年發表的學術論文和授權專利的數量位居世界第一。
任何一項技術和材料的基礎研究非常關鍵,這是科技和社會進步的基礎,是企業進行轉化的基礎。但是,對一項技術和材料的終極判定,必須是以產業化規範和市場導向為準則。最具有代表性的就是判定一個材料的安全性,必須是以材料的純度和雜質控制為前提的;沒有純度和雜質研究基礎,就去研究材料的安全性和功效性,是完全不可取的,也不符合規範的。中國的富勒烯技術之所以突飛猛進,並在世界範圍已經是領先地位,源於中國市場富勒烯的產業化過程中產學研用始終相互協作,科研院所和企業緊密合作,真正從產業應用角度出發,從為社會和消費者服務的角度出發,以嚴格的產業規範推進富勒烯產業化。
中科院化學所王春儒研究員於2006年在國內開始推進富勒烯產業化,始終以材料應用和產業規範為準則,研發了四代富勒烯製備技術和工業化純化技術,並牽頭制定了多項富勒烯檢測國家標準(《[60]和[70]富勒烯的純度測定 》 GB/T 44241-2022;《[60]和[70]富勒烯中殘留溶劑測定 氣相色譜法》 T/CSTM 00195-2021;《[60]和[70]富勒烯製品的含量測定 高效液相色譜法》 T/CSTM 00194-2021),實現了高純度富勒烯的高產能;目前新技術年產高純度富勒烯純品可達到噸級。該團隊不僅發展了國際領先的富勒烯的生產製造工藝,而且驗證了高純度的富勒烯是安全的,沒有遺傳和基因毒性,沒有致癌性。
在研究的過程中該團隊發現,很多關於富勒烯毒理研究的文章中,並沒有將富勒烯的純度、雜質、溶劑殘留等問題進行分析,這些研究人員忽略了最重要的問題:離開原料純度談毒性不但不合理,而且會得出錯誤結論,會對後來研究人員、協會團體及消費者產生錯誤引導。由福納康公司獨立自主研發的第四代富勒烯生產裝置,克服了富勒烯產業化應用瓶頸同時,所生產的富勒烯純度能夠達到99.9%以上。
在2021年北京福納康生物技術有限公司對高純度富勒烯的遺傳毒性進行測試,透過中國倉鼠卵巢細胞體外染色體畸變試驗以及大鼠微核試驗和細菌回覆突變試驗驗證了福納康的高純度富勒烯沒有基因毒性、無遺傳毒性、無致癌性。測試依據(CFDA:Technical guidelines for drug genotoxicity studies;ICH:Guidance on genotoxicity testing and data interpretation for pharmaceuticals intended for human use,S2(R1);OECD:OECD Guideline for the Testing of Chemicals (473): In Vitro Mammalian Chromosomal Aberration Test)。
事實上,此前國際上也有許多有關富勒烯安全性的報道。例如,Takagi et al等 [8]在P53基因雜合敲除小鼠的腹腔注射單劑量富勒烯、石棉和碳奈米管;25周後進行檢驗,發現在暴露於石棉或碳奈米管的小鼠中發現間皮瘤,然而在暴露於富勒烯的小鼠沒有出現腹膜粘連或腫瘤,說明富勒烯無致癌性。近期中國學者王春儒研究員團隊報道了口服富勒烯阻止上皮細胞中癌基因P53的突變並降低NF-kB炎症途徑的啟用;這進一步顯著減少了促炎M1巨噬細胞和中性粒細胞在結直腸腫瘤處的募集,進而恢復結直腸區域的免疫穩態,最終抑制了腫瘤發生 [9]。Tsutsumi et al等 [10]在孕鼠靜脈注射不同型別的奈米材料後發現,用氧化鈦或氧化矽處理後觀察到幼鼠出現生長和發育缺陷,注射了富勒烯的孕鼠未觀察到生長和發育缺陷,說明富勒烯無生殖毒性。Shinohara et al等人 [11]研究大鼠透過吸入途徑暴露於富勒烯中(透過氣管內給藥作為吸入暴露途徑給藥4周)。在暴露後,在一些鼠的肺中只觀察到輕微的暫時性炎症,但未觀察到持續的炎症;沒有遷移到肝臟或大腦,也沒有對其他器官有任何影響,說明富勒烯無吸入毒性。
人體是由細胞構成的,在生命活動中持續產生的自由基不斷地損傷細胞,而細胞又具有一定的自我修復能力,達成微妙的平衡。但長久看來自由基的破壞作用總會佔上風,最終造成部分細胞的衰弱和死亡,人體也因此逐漸衰老。因此,在我們生命過程中如何對抗過剩的自由基是是保持身體健康的關鍵。
富勒烯具有極強的淬滅自由基能力,其抗氧化能力是VC的1000倍以上,因此被譽為“自由基海綿”。實驗發現,透過高效地淬滅自由基,富勒烯具有非常好的保護和修復受損傷細胞的作用,而且能夠持久發揮作用 [12] 。將其應用於護膚領域,富勒烯可強力抵抗紫外線和雙氧水氧化損傷 [13-14] ;抑制炎症因子抑制脂質過氧化 [15-16] ;促進毛囊角質細胞增殖等 [17] ,並促進微迴圈。將其應用於重大疾病治療方面,富勒烯透過強力修復受損傷細胞活力,同樣表現出顯著的治療效果。例如能有效抑制全身炎症級聯,延緩高飽和脂肪(HFD)引發的動脈粥樣硬化 [18] ;能夠重塑腸道免疫,增強全身抗腫瘤免疫力 [19] ;能夠調節腸道微生物群的多樣性、增加短鏈脂肪酸(SCFAs)含量和恢復腸道屏障的完整性來減輕神經炎症,減少神經炎症可防止多巴胺能神經元退化,從而緩解帕金森症等 [20] 。
近日歐盟SCCS就富勒醇/水合富勒烯、富勒烯的安全性發布了意見;意見表示富勒醇/水合富勒烯存在安全隱患,但並沒有認定富勒烯存在風險。而且就歐盟採用的富勒醇/水合富勒烯文獻來看,相關文獻資料並沒有研究其純度就做了毒理研究,嚴重缺乏嚴謹性。不對材料的純度和潛在雜質做出系統性研究,就去判定其安全性,是極其不嚴謹的行為,也為歐盟的判定起到了一些不夠嚴謹的引導。
在這裡要科普一下富勒烯、富勒醇/水合富勒烯,它們是不同的物質;富勒烯是純碳材料;富勒醇是透過化學反應在富勒烯碳籠外接入大量羥基集團,是一種新分子。關於如何鑑別這兩種分子,也很簡單,富勒烯有紫外吸收,富勒醇已經沒有對應的紫外吸收。
首先,高純度的富勒烯是沒有毒性的,這一點中科院化學所王春儒研究員團隊、福納康公司、仁生澤發公司已經做了系統性的驗證。
其次,歐盟消費者安全科學委員會(SCCS)在參考資料時,一直根據2011 年版的歐盟奈米材料定義(EU recommended Definition of ananomaterial - 2011/696/EU),將富勒烯視為奈米材料,認為應按照上述指南來進行安全性評估。僅採納指南(SCCS/1611/19)指定方法進行測試得出的結論,因此會出現資料不足無法評估的情況。實際上2022年歐盟修改了對奈米材料的定義(Guidance on the implementation of the Commission Recommendation 2022/C 229/OI on the definition of nanomaterial),刪除了富勒烯應被視為奈米材料的表述,並明確表示富勒烯(C60,C70)應被視為分子,SCCS的最終意見存在明顯的滯後性。
最後,富勒烯的應用有水溶、油溶、粉末三種形式。油溶富勒烯是分子態,非奈米材料;水溶富勒烯其尺寸大於100奈米,也非奈米材料;富勒烯粉體是微米級,更加不是奈米材料。在中國化妝品市場流通較多的是福納康(現仁生澤發)出品的含富勒烯原料,是經過權威驗證的安全無毒的,效果經過臨床驗證的。
經過中國科學家團隊和企業的長期堅持以及在技術上的投入,在富勒烯研究方面中國已經遙遙領先,不但在製備和純化技術方面取得突破,並建立了相關國家標準,而且在生物安全性研究和評價方面也進行了大量嚴謹而翔實的實驗,證實了高純度富勒烯無遺傳毒性;無致癌性;無生殖毒性。
近日某媒體標題黨,為了博眼球增加文章閱讀量,針對SCCS模稜兩可的針對水合富勒烯安全性評估意見,透過斷章取義,用東拼西湊的語言發表文章,嚴重扭曲了事實,違背科學專業。
富勒烯產業發展至今已有30餘年,這種材料由於其獨特的結構和性質,已被廣泛應用於眾多重要領域。無論是在能源、大健康還是在材料科學,富勒烯都展現出了巨大的潛力。這讓我們深刻認識到科學的力量,也讓我們更加堅信,只有嚴謹的科學態度和研究方法,才能推動科技的進步,讓科技真正為人類服務。
然而,科學的進步並不僅僅是科學家的事情,更需要社會的關注和支援。希望更多的機構能夠關注富勒烯等前沿科技的研究,推動相關研究成果的科普和應用,讓更多的人瞭解和認識這些科技的重要性。這樣,科學才能真正造福人類,幫助更多有需要的人。
【參考文獻】
1.Kroto H W , Heath JR , Obrien S C,et al. Co: Buckminsterfullerene. Nature , 1985 , 318 (6042): 162-163.
2.Quick K L , Ali S S,ArchR,et al. A carboxyfullerene SOD mimetic improves cognition and extends the life span of mice.NeurobiologyofAging , 2008 , 29 (1): 117-128.
3.Self-Doped and Crown-Ether Functionalized Fullerene as Cathode Buffer Layer for Highly-Efficient Inverted Polymer Solar Cells.
4.Combining Energy Transfer and Optimized Morphology for Highly Efficient Ternary Polymer Solar Cells.Adv. Energy Mater.2017,7,13.
5.Gupta B,Bhushan B. Fullerence particles as an additive to liquid lubricants and greases for low friction and wear.Lubrication Engineering , 1994 , 50(7): 524-528.
6.Mcewen C N,Mckay R G, Larsen B S. Ceo as a radical sponge. Journal of the American Chemical Society, 1992114 (11): 4412-4414.
7.Xiao L, Takada H, Maeda K, t al. Antioxidant effects of water-soluble fullerene derivatives against ultravioletra[1941or peroxylipid through their action of scavenging the reactive oxygen species in human skin keratinocytes Biomedicine& Pharmacotherapy , 2005 , 59 (7): 351-358.
8.Takagi et al: J. Toxicol. Sci., 33, 105-116(2008);
9.Cao, Xinran et al. “Oral fullerene tablets for colorectal cancer therapy based on modulation of tumor inflammatory microenvironments.” Journal of materials chemistry. B vol. 10,45 9457-9465. 23 Nov. 2022.
10.Yamashita et al: Nat. Nanotechnol., 6, 321-328(2011);
11.Shinohara, N. (ed) Risk Assessment of Manufactured Nanomaterials: Fullerene (C60) NEDO project (P06041) (2011)
12.Fujimoto, T., Ito, S., Ito, M., Kanazawa, H., & Yamaguchi, S. (2012). Induction of different reactive oxygen species in the skin during various laser therapies and their inhibition by fullerene. Lasers in surgery and medicine, 44(8), 685–694.
13.Kato, S., Aoshima, H., Saitoh, Y., & Miwa, N. (2010). Fullerene-C60/liposome complex: Defensive effects against UVA-induced damages in skin structure, nucleus and collagen type I/IV fibrils, and the permeability into human skin tissue. Journal of photochemistry and photobiology. B, Biology, 98(1), 99–105.
14.Souto, G. D., Pohlmann, A. R., & Guterres, S. S. (2015). Ultraviolet A irradiation increases the permeation of fullerenes into human and porcine skin from C₆₀-poly(vinylpyrrolidone) aggregate dispersions. Skin pharmacology and physiology, 28(1), 22–30.
15.Wang, T., Li, H., Xu, Z., & Wang, C. (2022). Skin anti-inflammatory activity of water-soluble fullerene nanocomposites encompassed by sodium hyaluronate. Journal of cosmetic dermatology, 21(9), 4016–4019.
16.Shershakova et al. Anti-inflammatory effect of fullerene C60 in a mice model of atopic dermatitisJNanobiotechnol (2016) 14:8
17.Zhou, Z., Lenk, R., Dellinger, A., MacFarland, D., Kumar, K., Wilson, S. R., & Kepley, C. L. (2009). Fullerene nanomaterials potentiate hair growth. Nanomedicine : nanotechnology, biology, and medicine, 5(2), 202–207.
18.Su, Shenge et al. “Efficiently Inhibiting Systemic Inflammatory Cascades by Fullerenes for Retarding HFD-Fueled Atherosclerosis.” Advanced healthcare materials vol. 12,11 (2023).
19.Cao, Xinran et al. “Oral Immunotherapy Reshapes Intestinal Immunosuppression via Metabolic Reprogramming to Enhance Systemic Anti-Tumor Immunity.” Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany), e2302910. 26 Oct. 2023.
20.Li, Xue et al. “Oral [60]fullerene reduces neuroinflammation to alleviate Parkinsons disease via regulating gut microbiome.” Theranostics vol. 13,14 4936-4951. 4 Sep. 2023.