ВРЕДНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЗДОРОВЬЕ ИСКУССТВЕННЫХ ВОЛОКОН 
 
Clara S. Ross, James E. Lockey 

Промышленное применение различных типов искусственных волокон существенно возросло, особенно после наложения ограничений на использование асбеста - из-за его пагубного воздействия на здоровье. Потенциальное неблагоприятное воздействие, связанное с производством и использованием искусственных волокон все еще изучается. В данной статье будет дан обзор общих принципов, касающихся потенциальной токсичности этих волокон, а также приведен краткий перечень выпускаемых (таблица 10.23) и разрабатываемых волокон в контексте проведенных и продолжающихся исследований их потенциального влияния на здоровье.

--------------------------------------------------------------------------------
     
Таблица 10.23 Синтетические волокна

Искусственное волокно 	Волокно на основе оксида алюминия
Волокно на основе углерода/графита
Кевларовые® параамидные волокна
Кремнийуглеродные (силиконовые) волокна и нити
	  	
Искусственное стекловолокно 	Стекловолокно

Минеральная вата

Огнеупорное керамическое волокно
	Стекловата
Непрерывные стеклянные нити
Стекловолокно специального назначения 

Минеральная вата
Шлаковата 	
     
--------------------------------------------------------------------------------

Детерминанты токсичности
Основными факторами, определяющими токсический эффект воздействия волокон являются:

1. размер волокон 
2. прочность волокон и
3. доза, приходящаяся на поражаемый орган.

Обычно длинные и тонкие (но "вдыхаемого" размера) долговечные волокна обладают наибольшим потенциалом неблагоприятного воздействия при попадании в легкие в достаточном количестве. В непродолжительных по времени экспериментах с животными токсичность волокон была связана с воспалением, цитотоксичностью, изменением функций макроцита и биологической сопротивляемости. Канцерогенный потенциал, скорее всего, связан с повреждением клеточной ДНК посредством образования безкислородных радикалов, формирования кластогенных факторов, или missegregation хромосом в клетках в митозе - по одиночке или в комбинации. К волокнам "вдыхаемого" размера относятся те, у которых диаметр меньше 3,0 - 3,5 мкм, а длина меньше 200 мкм. Согласно "гипотезе Стентона" канцерогенный потенциал волокон (как определено из опытов плевральных имплантаций у животных) обусловлен их размером (самый большой риск связан с волокнами менее 0,25 мкм в диаметре и более 8 мкм длиной) и долговечностью (Stanton et al. 1981). Встречающиеся в природе минеральные волокна, типа асбеста, существует в виде поликристаллической структуры, которая имеет склонность расщепляться в продольной плоскости, образуя более тонкие волокна с более высоким соотношением длина/толщина, токсичность которых потенциально более высока. Огромное большинство искусственных волокон имеет некристаллическую или аморфную структуру и расщепляется перпендикулярно продольной плоскости на более короткие волокна. Это важное различие между асбестовыми и неасбестовыми волокнистыми силикатами и искусственными волокнами. Долговечность попавших в легкие волокон зависит от способности легких к очищению, а также от физических и химические свойств волокон. Долговечность искусственных волокон может быть изменена в процессе производства в соответствии с эксплуатационными требованиями посредством добавления определенных стабилизаторов, например . Из-за такого разнообразия химического состава и размера искусственных волокон их потенциальная токсичность для каждого типа должна быть оценена отдельно.

Искусственные волокна

Волокна на основе оксида алюминия
Предположение о токсичности кристаллических волокон окиси алюминия было сделано после сообщения о фиброзе легких у рабочего, который в течение 19 лет был занят на выплавке алюминия (Jederlinic et al. 1990). Рентгенограмма его грудной клетки выявила внутритканевой фиброз. При анализе легочной ткани методами электронной микроскопии обнаружилось  кристаллических волокон на грамм сухой ткани легкого, или в десять раз больше, чем количество асбестовых волокон, найденных в тканях легких у страдающих асбестозом шахтеров, занятых добычей хризотилового асбеста. Для определения роли кристаллических волокон окиси алюминия в развитии фиброза легких необходимы дальнейшие исследования.

Тем не менее, этот случай свидетельствует о потенциальной возможности развития фиброза при наличии благоприятных условий окружающей среды, например увеличенном оттоке воздуха от расплавленных материалов. При обнаружении клинических случаев вызванного волокном пневмокониоза для идентификации присутствующих в воздухе и в легких волокон используется фазово-контрастная световая микроскопия и электронная микроскопия совместно с дисперсным рентгеновским анализом.

--------------------------------------------------------------------------------
     
Рис. 10.31     Растровая электронная микрофотография (SEM) волокна окиси алюминия     

     
--------------------------------------------------------------------------------               

Углеродные/графитовые волокна
Содержащие углерод смолы, искусственный шелк или волокна полиакрилонитрила, нагретые до , образуют аморфные углеродистые волокна, а при нагревании выше  - кристаллические графитовые волокна (рисунок 10.32). В расплав могут добавляться связующие компоненты, чтобы увеличить прочность и улучшить пластичность и обрабатываемость материала. Обычно эти волокна имеют диаметр от 7 до 10 мкм, но в зависимости от производственного процесса и механических манипуляций размер их может меняться. Углеродистые/графитовые композиты используются в авиационной и автомобильной промышленности, при производстве спортивных товаров. Воздействие вдыхаемых частиц углерода/графита может происходить в процессе их производства и механической обработки. Кроме того, небольшое количество волокон "вдыхаемого" размера могут образовываться при нагревании композитов от 900 до . Существующих знаний об этих волокнах недостаточно, чтобы дать определенный ответ относительно возможности из неблагоприятного воздействия на здоровье. Исследования, включавшие эндотрахеальную инъекцию различных графитовых волокон крысам, дали неоднозначные результаты. Три образца обнаружили минимальную токсичность, у двух образцов выявилась значительная токсичность, проявившаяся в цитотоксичности для альвеолярных макрофагов, и различии в общем количестве восстановившихся клеток легких (Martin, Meyer and Luchtel 1989). При изучении мутагенности наблюдались кластогенные эффекты для волокон на основе смол, но не у полиакрилонитриловых углеродистых волокон. Десятилетние наблюдения за рабочими, занятыми в производстве углеродистых волокон диаметром от 8 до 10 мкм, не выявили никаких аномалий (Jones, Jones and Lyle 1982). До проведения дальнейших исследований рекомендовано, чтобы уровень содержания углеродистых/графитовых волокон "вдыхаемого" размера не превышал 1 волокна/мл, и чтобы содержание частиц композита "вдыхаемого" размера поддерживалось ниже установленного стандарта для обычной пыли.

--------------------------------------------------------------------------------
     
Рис. 10.32 SEM волокон углерода 

--------------------------------------------------------------------------------

Кевларовые параамидные волокна
Кевларовые параамидные волокна имеют диаметр примерно 12 мкм и изогнутые, похожие на ленточки ворсинки толщиной менее 1 mм на поверхности (рисунок 10.33). Ворсинки частично отслаиваются от волокон и сцепляются друг с другом, образуя комки, слишком большие по размеру, чтобы их можно было вдохнуть. Кевларовые волокна отличаются значительной термостойкостью и прочностью. Они находят разнообразное применение, в том числе как упрочнители пластмасс, тканей и резины, а также в качестве материала для изготовления тормозных колодок автомобилей. Средний восьмичасовой предельно допустимый уровень (TWA) содержания волокон при их производстве и применении составляет от 0,01 до 0,4 волокон/мл (Merriman 1989). При применении кевлара во фрикционных материалах в атмосферу выделяется чрезвычайно низкое количество кевларовых арамидных волокон. Два единственных известных эффекта на здоровье выявлены в результате экспериментов с животными. Ингаляция крысами в течение двух-трех лет волокон в концентрациях 25, 100 и 400 волокон/мл приводила к альвеолярному бронхиолиту, тяжесть которого зависела от полученной дозы. При более высоких дозах отмечался также легкий фиброз и фиброзные изменения альвеолярных протоков. Фиброз, возможно, был связан с перегрузкой механизмов очистки легких. У некоторых животных развился особый тип опухоли, характерный для крыс, кистоподобная опухоль, представленная ороговевшими клетками (Lee et al. 1988). Исследование кратковременной ингаляции у крыс показало, что волокна недолго остаются в легочной ткани и быстро выводятся (Warheit et al. 1992). Исследований влияния кевларовых параамидных волокон на здоровье человека не проводилось. Однако, ввиду очевидности уменьшения биологической резистентности и физической структуры кевлара, риск для здоровья будет минимальным при поддержании концентрации волокон на уровне 0,5 волокон/мл или менее, как в настоящее время принято в промышленности.

--------------------------------------------------------------------------------
     
Рис. 10.33 SEM кевларовых пара-амидных волокон 

--------------------------------------------------------------------------------
     
Кремнийуглеродистые волокна и нити
Карбид кремния (карборунд), который широко используется в качестве огнеупорного материала, получается путем соединения кремния и углерода при температуре . Кремнийуглеродистые волокна и нити - рисунок 10.34 (Harper et al. 1995) - могут получаться как побочные продукты при производстве кристаллов карбида кремния или производиться специально в виде поликристаллических волокон или монокристаллических нитей. Обычно волокна имеют диаметр менее 1 - 2 мкм и длину от 3 до 30 мкм. Средний диаметр нитей составляет 0,5 мкм, а длина - 10 мкм. Добавление волокон и нитей из карбида кремния приводит к повышению прочности таких материалов, как композиты с металлической основой и керамика. Контакт с волокнами и нитями может происходить в процессе производства самих материалов и изделий из них и потенциально при отделке и обработке изделий. Например, кратковременная концентрация волокон во время обработки вторсырья достигала уровня 5 волокон/мл. При механической обработке композитов с основой из металла и керамики восьмичасовые TWA концентрации достигали уровней от 0,031 до 0,76 волокон/мл (Scansetti, Piolatto and Botta 1992; Bye 1985).

--------------------------------------------------------------------------------
     
Рис. 10.34 SEMs волокна карбида кремния (A) и нитевидных кристаллов (B) 

--------------------------------------------------------------------------------

Существующие данные, полученные в результате исследований животных и человека, указывают на определенный фиброгенный и возможный канцерогенный потенциал кремнийуглеродистых волокон. Лабораторное исследование культуры клеток мыши, подвергавшихся воздействию нитей карбида кремния, выявило цитотоксичность этих волокон, сопоставимую или даже большую, чем у асбеста-крокидолита (Johnson et al. 1992; Vaughan et al. 1991). При изучении подострой ингаляции волокон у крыс была зарегистрирована стойкая аденоматозная гиперплазия легких (Lapin et al. 1991). Исследования овец показали, что для них пыль карбида кремния оказалась инертной. Однако воздействие волокон карбида кремния приводило к фиброзному альвеолиту и увеличило активность роста фибробласта (Bйgin et al. 1989). Исследование образцов легочной ткани у рабочих, занятых в производстве карбида кремния, выявило наличие кремниевых узелков и железосодержащих частиц, а также показало, что волокна карбида кремния долговечны и могут накапливаться в высоких концентрациях в паренхиме легких. На рентгенограмме грудной клетки также наблюдались узелковые и несимметричные внутритканевые изменения и плевральные бляшки.

Волокна и нити из карбида кремния имеют "вдыхаемый" размер, они долговечны и оказывают определенное фиброгенное воздействие на ткани легкого. Производители нитей из карбида кремния установили внутриотраслевой стандарт восьмичасового TWA на уровне 0,2 волокон/мл (Beaumont 1991). Это благоразумная рекомендация, основанная на располагаемой в настоящее время информации о воздействии волокон этого материала на здоровье.

Искусственное стекловолокно
Искусственное стекловолокно (MMVF) обычно подразделяют на:

1. стеклянные волокна (стекловата или стекловолокно, непрерывные стеклянные нити и стекловолокно специального назначения)
2. минеральную вата (минеральная вата и шлаковая вата) и
3. керамическое волокно (керамическое текстильное волокно и жаропрочное керамическое волокно).

Производственный процесс начинается с плавления сырья с последующим быстрым охлаждением, что приводит к образованию некристаллических (или стекловидных) волокон. Некоторые производственные процессы позволяют получить различное по размерам волокно с нижней границей диаметра менее 1 мкм (рисунок 10.35). Для изменения физических и химических свойств - прочности на растяжение, эластичности, долговечности и теплоизоляционных свойств - в волокно могут добавляться стабилизаторы (типа ,  и ZnO) и модификаторы (типа MgO, , BaO, CaO,  и ).

--------------------------------------------------------------------------------
     
Рис. 10.35 SEM шлаковаты 

--------------------------------------------------------------------------------

Стекловолокно получают из двуокиси кремния и различных концентраций стабилизаторов и модификаторов. Большая часть стекловаты вырабатывается при помощи ротационного процесса, в результате чего получаются отдельные волокна со средним диаметром от 3 до 15 мкм и некоторое количество волокон с диаметром 1 мкм или меньше. Волокна стекловаты обычно связываются фенольными и формальдегидными смолами, которые затем полимеризуются нагреванием. В зависимости от технологического процесса в волокно могут добавляться и другие агенты, включая пластификаторы и увлажнители. При производстве непрерывных стеклянных нитей получаются волокна с меньшим разбросом среднего диаметра, чем у стекловаты и стекловолокна специального назначения. Диаметр непрерывных стеклянных нитей получается в пределах от 3 до 25 мкм. Производство стекловолокна специального назначения включает процесс пламенного затухания фибризации, который приводит к образованию волокон со средним диаметром менее 3 мкм.

Производство шлаковой и минеральной ваты представляет собой процесс плавления и фибризации, соответственно, шлака от металлической руды и вулканической породы. В процессе участвуют барабанный лоток и центрифуга. В результате получаются отдельные волокна со средним диаметром от 3,5 до 7 мкм, длина которых может меняться в широких пределах. В минеральную вату может добавляться, а может и не добавляться связующий компонент - в зависимости от назначения.

Жаропрочное керамическое волокно получают при помощи центрифуги или струи пара из расплавленной каолиновой глины, оксида алюминия/кремнезема, или двуокиси алюминия/кремния/циркония. Средний диаметр волокон составляет от 1 до 5 мкм. При нагревании до температуры выше  жаропрочные керамические волокна могут превратиться в кристаллический кремнезем.

У стекловолокон с различным диаметром волокон и химическим составом насчитывается более 35000 применений. Стекловата используется в промышленном и гражданском строительстве для звуко- и теплоизоляции, а также в системах кондиционирования воздуха. Непрерывная стеклянная нить используется в текстильной промышленности и как упрочнитель пластмасс, например тех, которые применяются в автомобилестроении. Стекловолокно специального назначения используется в тех областях - например, в самолетостроении - где требуются высокие теплоизоляционные и звукоизоляционные свойства. Минеральная и шлаковая вата без связующих компонентов используется для blown изоляции и производства потолочных плиток. Минеральная и шлаковая вата со связующими компонентами используются в производстве изоляционных материалов, например, изоляционных слоев и обертывающих покрытий. На жаропрочное керамическое волокно приходится от 1 до 2 % мирового производства стекловолокна. Жаропрочное керамическое волокно используется в специализированных высокотемпературных промышленных установках, например, в печах для плавления и обжига материалов. Стекловата, непрерывная стеклянная нить и минеральная вата производятся в огромных количествах.

Считается, что стекловолокно менее вредно для здоровья, чем природные волокнистые силикаты (типа асбеста) из-за своего некристаллического строения и склонности разбиваться на более короткие волокна. Существующие данные дают основание предположить, что наиболее распространенное стекловолокно, стекловата, является наименее опасной для здоровья; за ней следуют минеральная и шлаковая вата, затем стекловолокно специального назначения с повышенной долговечностью и жаропрочное керамическое волокно. Наибольшую опасность в отношении возможности ингаляции представляют стекловолокно специального назначения и жаропрочное керамическое волокно, поскольку их диаметр составляет 3 mм. Стекловолокно специального назначения (с повышенной концентрацией стабилизаторов типа ) и жаропрочное керамическое волокно также стойки к физиологическим жидкостям. Непрерывные стеклянные нити имеют большой размер и поэтому не представляют потенциальной опасности для легких.

Доступные данные относительно воздействия стекловолокна на здоровье получены из экспериментов на животных и изучения заболеваемости и смертности работников, занятых в производстве MMVF. Исследование последствий вдыхания крысами двух промышленно применяемых видов стекловаты со средним диаметром 1 мкм и длиной 20 мм выявило умеренную реакцию клеток легких, которая частично реверсировала при последующем прекращении воздействия. Подобные результаты наблюдались и при вдыхании животными шлаковой ваты. При ингаляции минеральной ваты у животных наблюдался слабый фиброз. Ингаляция жаропрочных керамических волокон приводила к раку легких, мезотелиоме и плевральному и легочному фиброзу у крыс, к мезотелиоме и плевральному и легочному фиброзу у хомяков при максимальной переносимой дозе 250 волокон/мл. При 75 и 120 волокон/мл у крыс развивались только мезотелиома и слабый фиброз, а при 25 волокон/мл наблюдалась реакция клеток легких (Bunn et al. 1993).

В зависимости от концентрации и выполняемой работы у людей может наблюдаться раздражение кожи, глаз и верхних и нижних дыхательных путей. Наиболее часто встречается раздражение кожи, которое заставляет до 5 % новых работников, занятых в производстве стекловолокна, увольняться в течение нескольких недель. Данное явление вызвано механическим травмированием кожи волокнами диаметром более 4 - 5 мм. Это можно предотвратить при помощи соответствующих мер охраны окружающей среды, в том числе исключением непосредственного контакта кожи с волокнами, ношением свободной одежды с длинными рукавами и отдельной стиркой рабочей одежды. Раздражение верхних и нижних дыхательных путей может происходить в чрезмерно запыленных помещениях, особенно при производстве и конечном применении стекловолокон, а также в жилых помещениях при неправильном использовании, установке или ремонте изделий из стекловолокна.

Изучение заболеваемости органов дыхания у работников предприятий по производству стекловолокон - по внешним симптомам, при помощи рентгенограммы грудной клетки и функциональных тестов - обычно не выявляет никаких аномалий. Однако, продолжающееся обследование рабочих завода, выпускающего жаропрочное керамическое волокно, выявило повышенную распространенность плевральных бляшек (Lemasters et al. 1994). Обследование работников, занятых на выпуске вторичной продукции, и конечных пользователей стекловолокна носят ограниченный характер и затруднены вероятностью предыдущего воздействия асбестовых волокон.

Изучение смертности работников предприятий по производству стекловолокна и минеральной ваты проводятся в Европе и в Соединенных Штатах. Данные европейских исследователей показывают общее увеличение смертности от рака легких по отношению к общенациональному, но не местному уровню. Наблюдалась тенденция роста заболеваемости раком легких у работников, имевших дело со стекловатой и минеральной ватой, пропорционально времени, прошедшего с момента прихода на работу, но независимо от продолжительности контакта. Наблюдался рост смертности от рака легких по сравнению с местным уровнем для ранних стадий производства минеральной ваты (Simonato, Fletcher and Cherrie 1987; Boffetta et al. 1992). Данные из Соединенных Штатов продемонстрировали статистически значимое увеличение риска развития рака дыхательных путей, но не выявили связь между развитием рака и воздействием различных концентраций волокон (Marsh et al. 1990). Это согласуется с результатами других исследований рабочих предприятий по выпуску стекловолокна, которые выявили увеличенный риск раковых заболеваний, связанный с курением, но не с повышенным воздействием стекловолокна (Wong, Foliart and Trent 1991; Chiazze, Watkins and Fryar 1992). Изучение смертности работников, занятых в производстве непрерывных стеклянных нитей, не выявило никакого повышенного риска (Shannon et al. 1990). В Соединенных Штатах в настоящее время проводится изучение смертности работников, занятых в производстве жаропрочных керамических волокон. Исследования работников, занятых в производстве конечного продукта из стекловолокна, и конечных пользователей имеют крайне ограниченный характер.

В 1987 году International Agency for Research on Cancer (IARC) классифицировало стекловату, минеральную вату, шлаковая вату и керамические волокна как возможные человеческие канцерогены (группа 2B). Продолжающиеся опыты с животными и изучение заболеваемости и смертности работников, имеющих дело со стекловолокном, помогут определить потенциальные опасности для здоровья человека. Доступные в настоящее время данные свидетельствуют о том, что стекловолокно гораздо менее опасно, чем асбест - с точки зрения и заболеваемости, и смертности. Подавляющее большинство исследований людей проводились на предприятиях с уровнем концентрации стекловолокна в воздухе мене 0,5 - 1 волокно/мл в течение восьмичасового рабочего дня. Отсутствие данных о повышенной заболеваемости и смертности работников, связанных с вторичным использованием стекловолокна, дает основание считать разумным поддерживать концентрацию вдыхаемых волокон ниже этих уровней посредством мер по охране окружающей среды, соответствующих технологий, обучения работников и программ по защите органов дыхания. Это особенно актуально при контакте с долговечной жаропрочной керамикой и специальным стекловолокном, а также любым другим типом искусственных волокон "вдыхаемого" размера, которые являются стойкими к биологической среде и поэтому могут осаждаться и накапливаться в паренхиме легких.