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연구 보고서
중장기적인 정책연구과제와 대안을 포괄적인 시각에서 이론적 · 실중적 분석을 통해 제시함으로써 연구원의 설립목표를 가장 잘 실행하고있는 보고서입니다.
실험동물을 이용한 카본블랙 초미세입자의 심혈관계 영향 평가
- 연구책임자
- 임철홍,한정희,강민구
- 수 행 연 도
- 2011년
- 핵 심 단 어
- 주 요 내 용
- , 1.연구 필요성 및 목적 카본블랙은 탄소의 불완전한 연소 또는 열분해로 생성되는 검은색의 작은 알갱이 또는 가루 형태의 입자상 물질로 1864년 현대적 방법의 생산기술이 개발되고 1915년부터 자동차 타이어의 보강제로서 사용되기 시작하면서 산업적으로 중요하게 되었다.현재 전 세계적으로 연간 1천만 톤 이상의 카본블랙이 생산되며, 이 중 타이어제조 등의 고무 보강제로서 90% 정도 소비된다. 카본블랙의 인체에 미치는 영향은 일관성을 보이고 있지 않으며,고무타이어 제조 공장에서 발생한 순환기계 및 호흡기계 질환 등의 원인과 카본블랙과의 관련성도 명확하지 않다.또한 카본블랙은 비교적 무해한 입자상 물질로 분류되어 관리대상유해물질 등에 해당되지 않고 있으며, 현재의 노출기준도 1962년 Nau등이 수행한 동물시험결과와 1960년 Sand등이 임시로 제안한 3.5mg/m3이 유지되고 있다. 산업보건학적으로 카본블랙의 유해성에 대한 재조명은 국내 모 타이어 제조 공장에서 집단적 사망이 발생한 것과 나노입자의 독성이 미세입자에 비하여 높다는 나노독성학적 관심의 증가에 기인한다.역학조사 결과 흡입성분진의 농도가 정련공정에서 최고 2.96mg/m3으로 카본블랙의 노출기준인 3.5 mg/m3보다 낮기 때문에 카본블랙과 타이어제조 공장에서 발생한 호흡기 및 순환기질환에 의한 사망과의 직접적인 연계성은 없는 것으로 보고 되었다. 그러나 상기 역학조사에서는 카본블랙의 나노영향이 배제되어 타이어제조공장에서 발생한 호흡기 및 심혈관계 질환과 카본블랙의 관련성을 확인하기 위해서는 카본블랙의 나노 영향에 대한 추가적인 연구가 요구되었다. 이전의 연구 결과,카본블랙은 1차 입자의 크기가 유해성에 영향을 주며, 2차 입자의 크기(응집/집괴 집자의 크기)도 유해성이 영향을 줄 수 있는 것으로 의심되고 있었다.즉,나노 카본블랙의 독성은 1차 입자 크기가 14nm 수준인 Printex 90등이 주로 사용되었으며,흰쥐를 이용한 13주 반복 노출에 의한 NOAEL값이 1mg/m3으로 보고되었으나 카본블랙의 2차 입자의 특성에 대한 평가가 이루어지고 있지 않아 카본블랙의 유해성평가를 위해한 2차 입자의 특성이 독성에 미치는 영향 파악이 필요한 것으로 파악되었다. 따라서 본 연구의 목적은 나노 카본블랙의 2차 입자의 특성을 반영하여 유해성을 평가하는 것으로 연구결과를 통하여 나노 카본블랙의 작업장에서의 기준농도를 제시하는 데 있다.본 연구에서는 Printex90을 3가지의 방법으로 현탁시켜(진탕교반,초음파처리,초음파분산안정제처리)3일,2주,4주 및 13주간 흰쥐에 반복 노출시켜 2차 입자의 특성이 나노 카본블랙의 독성에 미치는 영향을 파악하였으며,나노 카본블랙의 2차 입자 특성을 반영하여 작업장 기준농도를 제시하고자 하였다. 2.연구내용 및 방법 시험물질로 1차 입자크기가 14 nm이며,쉽게 응집되는 특성을 가지고 있는 Printex90을 사용하였으며,시험동물은 SD 랫트를 사용하였다. Printex90을 3가지 방법(Group1은 탈이온수에 카본블랙을 넣고 1분간 진탕교반,Group 2는 탈이온수에 카본블랙을 넣고 3분간 초음파처리,G3군은 2.5mg의 알부민이 포함된 탈이온수에 카본블랙을 넣고 3분간 초음파처리)으로 5 mg/ml의 카본블랙 현탁액으로 제조하였다.조제된 카본블랙 현탁액은 비부노출형 흡입쳄버에 10 mg/m3으로 분사하여 1일 6시간, 주 5일 동안 3일,2주,4주,13주간 반복 노출시켰다. 노출기간 물과 사료는 제한하지 않고 공급하였고,체중 및 임상관찰을 수행하였으며,13주 노출시험에서는 추가적으로 2주,4주,12주 노출 후 폐기능 및 혈압을 측정하였다.호흡기 및 심혈관계 영향을 포함한 카본블랙의 생체 영향을 확인하기 위하여 혈액학적 변화,혈액생화학적 변화 등의 임상의학적 지표와 폐,간,심장에서 병리적 소견을 확인하였다.폐포세척액에서의 cytokine변화와 폐포세척액에서의 염증세포를 관찰하였으며,폐에서의 Printex 90의 양과 덩어리를 개수하여 2차 입자의 특성에 따른 카본블랙의 폐 흡수를 비교하였다. 3.연구결과 Printex 90을 3가지 방법으로 분산시켜 10 mg/m3의 농도로 3일,2주,4주,13주 반복 노출시킨 결과 다음과 같은 결과를 얻었다. 가.Printex 90 현탁액의 평균입자크기(2차입자크기)는 진탕교반군(Group 1)에서 7140 nm,초음파처리군(Group 2)에서 218.9nm,초음파분산 안정제처리군(Group 3)은 1875 nm였으며, 다분산성은 Group 1, Group2,Group3에서 각각 0.850,0.331,0.701로 Group2에서 입자크기가 가장 작고 동질성이 높았으며,Group 1은 입자크기가 가장 크고,다양한 크기로 만들어졌다. 나.비후노출형 흡입쳄버 내 Printex 90의 농도는 Group 1,Group 2, Group 3에 대하여 각각 3일 반복노출시험에서는 13.1,13.7,11.6mg/m3,2주 반복노출시험에서는 9.83,9.08,10.9mg/m3,4주 반복노출시험에서는 10.5,11.3,11.4 mg/m3이었으며,13주 반복노출시험에서는 8.84,8.60,8.97mg/m3이었다.Cascadeimpactor로 측정한 입자의 평균크기는 Group 1,Group 2,Group 3에서 각각 1.52,1.30, 0.97mg/m3 였다. 다.Printex90을 3일,2주,4주,13주 반복노출 시킨 결과,Printex90을 노출시킨 Group1,Group2,Group3모든 군에서 정상대조군과 비교하여 Printex90에 의한 것으로 판단되는 체중변화,혈액학적인 변화,혈액생화학적인 변화,병리학적 변화가 나타나지 않았으며,13주 반복노출시험에서 추가로 실시한 폐 기능과 심박동수,혈압 등에서도 Printex90에 의한 것 으로 판단되는 이상증상은 관찰되지 않았다. 라.폐포세척액에서의 사이토카인의 변화는 관찰되지 않았으나,2주 반복노출부터 정상대조군과 비교하여 Printex 90처리군에서 총세포수,대식세포, 호중구의 수가 증가하였으며,세포수의 증가는 진탕교반군(Group 1)보다 초음파처리군(Group2,Group3)에서 높게 나타났다.한편,Printex90을 먹은 대식세포는 3일부터 관찰되었기 시작하여 노출기간이 길어짐에 따라 보다 많은 세포에서 보다 뚜렷하게 나타났으며,진탕교반군(Group1)보다 초음파처리군(Group2,Group3)에서 카본블랙이 진하여 관찰되었다. 마.폐 조직에서 Printex90의 덩어리 수를 측정한 결과 초음파처리군(Group2,group 3)에서 진탕교반군(Group 1)보다 많이 관찰되었으며,Printex 90 농도를 측정한 결과에서도 초음파처리군에서 진탕교반군보다 Printex 90의 농도가 높았다.다만,Printex90의 덩어리 수는 Group3에서 가장 높았으며,농도는 Group2가 가장 높게 나타났다.한편,Printex90의 폐추적에 대한 비율의 차이는 노출기간이 길어짐에 따라 줄어들어,폐농도의 경우,3일 노출시험에서는 Group1에 비하여 Group2가 3.2배 높았으나, 13주 반복노출 시험에서는 1.7배로 낮아졌다. 이상의 결과 랫트를 이용한 Printex90의 13주 반복노출 결과 호흡기 등에 대한 영향은 이전의 다른 연구와 유사하였다.2차 입자의 제조 방법에 따른 폐축적양의 차이와 폐 염증 유발강도의 차이가 일부 관찰되었으나,조직병리학적인 영향 등 다른 지표에서의 차이가 변화가 관찰되지 않았으며,이러한 차이는 노출기간이 길어짐에 따라 오히려 줄어드는 것의 결과를 근거로 카본블랙의 2차 입자의 특성에 따른 독성의 영향은 미미한 것으로 판단되었다. 4.활용 및 기대효과 본 연구는 나노 카본블랙의 사업장 관리기준을 위한 자료로 활용될 수 있다. 5.중심어 나노,카본블랙,1차 입자,2차 입자,유해성평가
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