さまざまなタイプの人造繊維の工業的使用が増加しており、特に健康被害が知られていることを考慮してアスベストの使用が制限されて以来、増加しています。 人造繊維の生産と使用に関連する健康への悪影響の可能性は、まだ研究されています。 この記事では、そのような繊維に関連する毒性の可能性に関する一般原則の概要、製造中のさまざまなタイプの繊維の概要 (表 1 に記載)、およびそれらの潜在的な健康への影響に関する既存および進行中の研究に関する最新情報を提供します。 .
表 1. 合成繊維
| 人造繊維 |
酸化アルミニウム カーボン/グラファイト ケブラー素材® パラアラミド 炭化ケイ素繊維と |
|
| 人造ガラス繊維 |
ガラス繊維
ミネラルウール
耐火セラミック繊維 |
グラスウール ロックウール |
毒性決定要因
繊維への暴露による毒性の可能性に関連する主な要因は次のとおりです。
- 繊維寸法
- 繊維の耐久性と
- 標的臓器への線量。
一般に、長くて細い (ただし呼吸に適したサイズ) 耐久性のある繊維は、十分な濃度で肺に送達されると、悪影響を引き起こす可能性が最も高くなります。 繊維毒性は、短期間の動物吸入研究で、炎症、細胞毒性、大赤血球機能の変化、および生体持続性と相関しています。 発がん性の可能性は、酸素フリーラジカルの形成、染色体異常誘発因子の形成、または有糸分裂中の細胞における染色体の誤分離 (単独または組み合わせ) による細胞 DNA 損傷に関連している可能性が最も高いです。 呼吸に適したサイズの繊維は、直径が 3.0 ～ 3.5 mm 未満、長さが 200 μm 未満のものです。 「スタントン仮説」によると、ファイバーの発がん性 (動物の胸膜移植研究によって決定されたもの) は、その寸法 (最大のリスクは、直径が 0.25 μm 未満で長さが 8 mm を超えるファイバーに関連しています) と耐久性に関連しています。 (スタントンら 1981)。 アスベストなどの天然鉱物繊維は、多結晶構造で存在し、縦方向の面に沿って切断する傾向があり、長さと幅の比率が高く、毒性の可能性が高いより細い繊維を作り出します。 人造繊維の大部分は非結晶性または非晶質であり、縦方向の面に対して垂直に破砕してより短い繊維になります。 これは、アスベストと非アスベストの繊維状ケイ酸塩と人工繊維の重要な違いです。 肺に堆積した繊維の耐久性は、繊維を除去する肺の能力と、繊維の物理的および化学的特性に依存します。 人工繊維の耐久性は、最終用途の要件に応じて、Al などの特定の安定剤を添加することにより、製造プロセスで変更できます。2O3. 人造繊維の化学成分とサイズにはこのようなばらつきがあるため、それらの潜在的な毒性は繊維の種類ごとに評価する必要があります。
人造繊維
酸化アルミニウム繊維
結晶性酸化アルミニウム繊維の毒性は、アルミニウム製錬で 19 年間雇用された労働者の肺線維症の症例報告によって示唆されている (Jederlinic et al. 1990)。 彼の胸部レントゲン写真は、間質性線維症を明らかにしました。 電子顕微鏡技術による肺組織の分析は、1.3×10 を示しました9 乾燥した肺組織 1 グラムあたりの結晶繊維、または石綿肺のクリソタイル アスベスト鉱山労働者の肺組織に見られるアスベスト繊維の数の XNUMX 倍の繊維。 結晶性酸化アルミニウム繊維 (図 XNUMX) と肺線維症の役割を決定するには、さらなる研究が必要です。 しかし、この症例報告は、適切な環境条件が共存する場合、溶融材料全体の空気の流れが増加するなど、繊維化が起こる可能性を示唆しています。 位相差光学顕微鏡法とエネルギー分散 X 線分析を伴う電子顕微鏡法の両方を使用して、作業環境および肺組織サンプルで浮遊繊維の可能性を特定し、繊維誘発塵肺と一致する臨床所見がある場合に使用する必要があります。
図 1. 酸化アルミニウム繊維の走査型電子顕微鏡写真 (SEM)。
T. Hesterberg の厚意による。
カーボン/グラファイト繊維
1,200°C に加熱された炭素質ピッチ、レーヨン、またはポリアクリロニトリル繊維は非晶質炭素繊維を形成し、2,20°C 以上に加熱されると結晶性グラファイト繊維を形成します (図 2)。 樹脂バインダーを添加して強度を高め、材料の成形と機械加工を可能にすることができます。 通常、これらの繊維の直径は 7 ～ 10 μm ですが、製造工程や機械操作によってサイズにばらつきが生じます。 カーボン/グラファイト複合材料は、航空機、自動車、スポーツ用品業界で使用されています。 呼吸に適したサイズの炭素/グラファイト粒子への暴露は、製造プロセス中および機械的操作によって発生する可能性があります。 さらに、複合材料を 900 ～ 1,10 °C に加熱すると、少量の呼吸に適したサイズの繊維を生成できます。 これらの繊維に関する既存の知識は、健康への悪影響を引き起こす可能性について明確な答えを提供するには不十分です. ラットにおける異なるグラファイト繊維複合粉塵の気管内注射を含む研究では、不均一な結果が得られました。 テストされた粉塵サンプルのうち 1989 つは最小限の毒性を示し、8 つのサンプルは肺胞マクロファージに対する細胞毒性と肺から回収された細胞の総数の違いによって明らかにされる一貫した毒性を示しました (Martin、Meyer、および Luchtel 10)。 染色体異常誘発効果は、ピッチベースの繊維の変異原性研究で観察されていますが、ポリアクリロニトリルベースの炭素繊維では観察されていません。 直径 1982 ～ 1 mm の繊維を製造する炭素繊維製造労働者の XNUMX 年間の研究では、異常は見られませんでした (Jones、Jones、および Lyle XNUMX)。 さらなる研究が利用可能になるまで、呼吸に適したサイズの炭素/グラファイト繊維への暴露は XNUMX 繊維/ml (f/ml) 以下であり、呼吸に適したサイズの複合微粒子への暴露は現在の呼吸に適した粉塵の基準未満に維持することが推奨されます。迷惑なほこり。
図 2. 炭素繊維の SEM。
ケブラーパラアラミド繊維
ケブラー素材 パラアラミド繊維は直径約12μmで、繊維表面の湾曲したリボン状フィブリルの幅は1mm未満です（図3）。 フィブリルは繊維を部分的に剥がし、他のフィブリルと絡み合って、呼吸に適さないサイズの塊を形成します。 の物性 ケブラー素材 繊維には、かなりの耐熱性と引張強度があります。 プラスチック、布、ゴムの補強剤、自動車のブレーキ摩擦材など、さまざまな用途があります。 製造中および最終用途でのフィブリル レベルの 0.01 時間加重平均 (TWA) は、0.4 ～ 1989 f/ml の範囲です (Merriman XNUMX)。 非常に低いレベルの ケブラー素材 アラミド繊維は、摩擦材に使用する際にダスト中に発生します。 入手可能な唯一の健康影響データは、動物実験によるものです。 25 年から 100 年の期間と 400、1988 および 1992 f/ml での線維への曝露を含むラットの吸入研究では、用量に関連した肺胞の細気管支化が明らかになった。 わずかな線維症と肺胞管線維症の変化も、より高い暴露レベルで認められました。 線維症は、肺クリアランスメカニズムの過負荷に関連している可能性があります。 ラットに特有の腫瘍型である嚢胞性角化扁平上皮腫瘍が、数匹の研究動物で発生した (Lee et al. XNUMX)。 短期間のラット吸入研究は、フィブリルが肺組織での耐久性が低く、急速に除去されることを示しています (Warheit et al. XNUMX)。 への暴露によるヒトの健康への影響に関する利用可能な研究はありません。 ケブラー素材 パラアラミド繊維。 しかし、生体内持続性が低下しているという証拠を考慮し、その物理的構造を考えると、 ケブラー素材フィブリルへの暴露が 0.5 f/ml 以下に維持されれば、健康へのリスクは最小限に抑えられるはずです。
図 3. ケブラー パラアラミド繊維の SEM。
炭化ケイ素繊維およびウィスカー
炭化ケイ素 (カーボランダム) は、2,400°C でシリカと炭素を組み合わせることによって製造される、広く使用されている研磨および耐火材料です。 炭化ケイ素繊維とウィスカー (図 4 (Harper et al. 1995)) は、炭化ケイ素結晶の製造の副産物として生成されるか、多結晶繊維または単結晶ウィスカーとして意図的に生成されます。 繊維は一般に、直径が 1 ～ 2 μm 未満で、長さが 3 ～ 30 μm の範囲です。 ウィスカの平均直径は0.5μm、長さは10μmです。 炭化ケイ素繊維とウィスカーを組み込むことで、金属マトリックス複合材、セラミック、セラミック部品などの製品に強度が加わります。 繊維やウィスカーへの曝露は、生産および製造プロセス中に発生する可能性があり、機械加工および仕上げプロセス中に発生する可能性があります. 例えば、リサイクル材料の取り扱い中の短期暴露は、最大 5 f/ml のレベルに達することが示されています。 金属およびセラミック マトリックス複合材料の機械加工により、0.031 時間の TWA 暴露濃度はそれぞれ 0.76 f/ml および最大 1992 f/ml になりました (Scansetti、Piolatto、および Botta 1985; Bye XNUMX)。
図 4. 炭化ケイ素繊維 (A) とウィスカー (B) の SEM。
A.
動物およびヒトの研究から得られた既存のデータは、明確な線維形成性および発がん性の可能性を示しています。 インビトロの 炭化ケイ素ウィスカーを含むマウス細胞培養研究は、クロシドライトアスベストに起因するものと同等かそれ以上の細胞毒性を明らかにした(Johnson et al. 1992; Vaughan et al. 1991)。 ラット肺の持続性腺腫性過形成が、亜急性吸入試験で示された(Lapin et al. 1991)。 炭化ケイ素の粉塵を含むヒツジの吸入研究では、粒子が不活性であることが明らかになりました。 しかし、炭化ケイ素繊維への曝露は、線維性肺胞炎を引き起こし、線維芽細胞の増殖活性を増加させました (Bégin et al. 1989)。 炭化ケイ素製造労働者からの肺組織サンプルの研究は、珪肺結節と鉄体を明らかにし、炭化ケイ素繊維が耐久性があり、肺実質に高濃度で存在できることを示しました. 胸部レントゲン写真も、結節性および不規則な間質性変化および胸膜プラークと一致しています。
炭化ケイ素繊維とひげは、サイズが呼吸に適しており、耐久性があり、肺組織で明確な線維形成の可能性があります。 炭化ケイ素ウィスカーの製造業者は、内部標準を 0.2 時間 TWA として 1991 f/ml に設定しました (Beaumont XNUMX)。 これは、現在入手可能な健康情報に基づく慎重な推奨事項です。
人工ガラス繊維
人工ガラス繊維 (MMVF) は、一般的に次のように分類されます。
- グラスファイバー（グラスウールまたはファイバーグラス、連続グラスフィラメント、特殊グラスファイバー）
- ミネラルウール（ロックウールとスラグウール）と
- セラミック繊維（セラミック織物繊維および耐火セラミック繊維）。
製造プロセスは、原料を溶かして急速に冷却することから始まり、非結晶性 (またはガラス質) 繊維が生成されます。 一部の製造プロセスでは、ファイバー サイズに関して大きなばらつきが許容され、下限は直径 1 mm 以下です (図 5)。 安定剤（Alなど2O3、TiO2 および ZnO) および改質剤 (MgO、Li など)2O、BaO、CaO、Na2OとK2O) を添加して、引張強度、弾性、耐久性、非熱伝導性などの物理的および化学的特性を変えることができます。
図 5. スラグ ウールの SEM。
ロックウール、ガラス繊維、耐火セラミック繊維は外観が同じです。
ガラス繊維は、二酸化ケイ素とさまざまな濃度の安定剤と改質剤から製造されています。 ほとんどのグラスウールは、回転プロセスを使用して製造され、平均直径が 3 ～ 15 μm で、直径が 1 μm 以下の不連続繊維になります。 グラスウール繊維は、最も一般的にはフェノールホルムアルデヒド樹脂で結合され、熱硬化重合プロセスにかけられます。 製造工程によっては、潤滑剤や湿潤剤などの他の薬剤を添加することもあります。 グラスウールや特殊用途グラスファイバーと比較して、連続グラスファイバー製法により平均繊維径のばらつきが少なくなります。 連続ガラスフィラメント繊維の直径は3～25μmです。 特殊用途ガラス繊維の製造には、平均直径 3μm 未満の繊維を製造する火炎減衰繊維化プロセスが含まれます。
スラグウールとロックウールの生産には、それぞれ金属鉱石と火成岩からのスラグの溶融と繊維化が含まれます。 製造工程には、皿型ホイールとホイール遠心分離プロセスが含まれます。 平均直径が 3.5 ～ 7 μm の不連続繊維が生成され、そのサイズは呼吸に適した範囲に収まる可能性があります。 ミネラル ウールは、最終用途に応じて、バインダーの有無にかかわらず製造できます。
耐火セラミック繊維は、溶融カオリン粘土、アルミナ/シリカ、またはアルミナ/シリカ/ジルコニアを使用して、ホイール遠心分離または蒸気ジェット繊維化プロセスによって製造されます。 平均繊維径は1～5μmの範囲です。 1,000°C を超える温度に加熱すると、耐火セラミック繊維はクリストバライト (結晶シリカ) に変化する可能性があります。
繊維径と化学組成が異なる MMVF は、35,000 以上の用途で使用されています。 グラスウールは、住宅用および商業用の防音および断熱用途、ならびに空気処理システムで使用されています。 ガラス長繊維は、織物や自動車部品などのプラスチックの補強材として使用されています。 特殊用途のグラスファイバーは、航空機など、高い熱と防音特性を必要とする特殊な用途に使用されます。 バインダーなしのロックウールとスラグウールは、吹き込み断熱材や天井タイルに使用されています。 フェノール樹脂バインダーを含むロックウールとスラグウールは、断熱ブランケットやバットなどの断熱材に使用されます。 耐火性セラミック繊維は、MMVF の世界生産量の 1 ～ 2% を占めています。 耐火セラミック繊維は、炉やキルンなどの特殊な高温産業用途で使用されます。 グラスウール、連続グラス フィラメント、ミネラル ウールが最も多く製造されています。
MMVF は、非結晶状態であり、より短い繊維に砕ける傾向があるため、天然に存在する繊維状ケイ酸塩 (アスベストなど) よりも健康への悪影響を引き起こす可能性が低いと考えられています。 既存のデータによると、最も一般的に使用されている MMVF であるグラスウールは、健康への悪影響を引き起こすリスクが最も低く、ロックウールとスラグウールが続き、耐久性が向上した特殊用途のグラスファイバーと耐火セラミックファイバーの両方が続きます。 特殊用途のガラス繊維と耐火セラミック繊維は、一般に直径が 3 mm 未満であるため、呼吸に適したサイズの繊維として存在する可能性が最も高い. 特殊ガラス繊維（Alなどの安定剤を高濃度化）2O3）および耐火セラミック繊維は、生理液の中でも耐久性があります。 連続ガラス フィラメントはサイズが呼吸に適していないため、潜在的な肺の健康リスクを表すものではありません。
利用可能な健康データは、動物の吸入研究と、MMVF 製造に関与する労働者の罹患率と死亡率の研究から収集されます。 平均直径 1μm、長さ 20μm の 250 つの市販のグラスウール断熱材へのラットの暴露を含む吸入研究では、軽度の肺細胞反応が明らかになり、暴露を中止すると部分的に回復した。 ある種のスラグウールの動物吸入研究からも同様の結果が得られました。 ロックウールへの動物の吸入暴露では、最小限の線維化が実証されています。 難治性セラミック繊維の吸入試験では、最大耐量 75 f/ml で、ラットに肺がん、中皮腫、胸膜および肺線維症、ハムスターに中皮腫および胸膜および肺線維症が発生した。 120 f/ml と 25 f/ml では、ラットで 1993 つの中皮腫と最小限の線維症が示され、XNUMX f/ml では肺細胞反応が見られた (Bunn et al. XNUMX)。
皮膚、目、上気道および下気道への刺激が発生する可能性があり、これは曝露レベルと職務によって異なります。 皮膚の炎症は最も一般的な健康への影響として指摘されており、MMVF 製造工場の新規労働者の最大 5% が数週間以内に離職する可能性があります。 これは、直径 4 ～ 5 μm を超える繊維による皮膚への機械的外傷によって引き起こされます。 繊維との直接の皮膚接触を避ける、ゆったりとした長袖の衣服を着用する、作業着を別々に洗濯するなど、適切な環境管理対策を講じることで防ぐことができます。 上気道および下気道の症状は、特に MMVF 製品の製造および最終用途での異常な粉塵の多い状況、および MMVF が正しく取り扱われ、設置または修理されていない住宅環境で発生する可能性があります。
症状、胸部 X 線写真、および製造工場の労働者の肺機能検査によって測定される呼吸器罹患率の研究では、一般的に悪影響は見られませんでした。 しかし、耐火性セラミック繊維製造工場の労働者に関する進行中の研究では、胸膜プラークの有病率が増加していることが明らかになりました (Lemasters et al. 1994)。 二次生産労働者と MMVF のエンドユーザーの研究は限られており、以前のアスベスト暴露の交絡因子の可能性によって妨げられてきました。
グラスファイバーおよびミネラルウール製造工場の労働者の死亡率調査は、ヨーロッパと米国で継続されています。 ヨーロッパでの研究から得られたデータは、地方ではなく国全体の死亡率に基づく肺がん死亡率の全体的な増加を明らかにしました。 グラスウールとミネラルウールのコホートでは、最初の雇用からの時間とともに肺がんが増加する傾向がありましたが、雇用期間では増加しませんでした。 地域の死亡率を使用すると、ミネラルウール生産の初期段階で肺がんによる死亡率が増加しました (Simonato、Fletcher、および Cherrie 1987; Boffetta et al. 1992)。 米国での研究のデータは、呼吸器がんのリスクが統計的に有意に増加していることを示しましたが、がんの発症とさまざまな繊維曝露指数との関連性を見つけることはできませんでした (Marsh et al. 1990)。 これは、スラグウールとガラス繊維製造工場の労働者の他の症例対照研究と一致しており、タバコの喫煙に関連して肺がんのリスクが増加することを明らかにしたが、MMVF 曝露の程度までは増加していない (Wong, Foliart and Trent 1991; Chiazze, Watkins と Fryar 1992)。 連続ガラス フィラメント製造労働者の死亡率調査では、死亡リスクの増加は明らかにされていません (Shannon et al. 1990)。 米国では、耐火性セラミック繊維労働者に関する死亡率調査が進行中です。 製品の製造に携わる労働者と MMVF のエンドユーザーの死亡率に関する研究は非常に限られています。
1987 年、国際がん研究機関 (IARC) は、グラス ウール、ロック ウール、スラグ ウール、およびセラミック繊維を人間の発がん性物質の可能性があるものとして分類しました (グループ 2B)。 MMVF に関与する労働者の進行中の動物研究と罹患率および死亡率の研究は、潜在的な人間の健康リスクをさらに定義するのに役立ちます。 入手可能なデータに基づくと、MMVF への暴露による健康リスクは、罹患率と死亡率の両方の観点から、アスベストへの暴露に関連するリスクよりも大幅に低くなります。 しかし、人間を対象とした研究の大部分は、MMVF 製造施設からのものであり、0.5 日 1 時間の作業で暴露レベルが一般に XNUMX ～ XNUMX f/ml レベル未満に維持されています。 MMVF の二次使用者と最終使用者の罹患率と死亡率のデータが不足しているため、環境管理対策、作業慣行、労働者の訓練、呼吸保護プログラムを通じて、これらのレベル以下に呼吸性繊維への暴露を管理することが賢明です。 これは、耐久性のある耐火性セラミックおよび特殊目的ガラス MMVF、および生体内で耐久性があり、肺実質に堆積して保持できるその他のタイプの呼吸可能な人工繊維への曝露に特に適用できます。