各種類型的人造纖維的工業用途一直在增加，特別是因為鑑於其已知的健康危害而限製石棉的使用。 與人造纖維的生產和使用相關的潛在不良健康影響仍在研究中。 本文將概述與此類纖維相關的潛在毒性的一般原則，概述生產中的各種類型的纖維（如表 1 中所列）以及有關其潛在健康影響的現有和正在進行的研究的更新.
表 1. 合成纖維
| 人造纖維 |
氧化鋁 碳/石墨 芳綸® 對位芳綸 碳化矽纖維和 |
|
| 人造玻璃纖維 |
玻璃纖維
礦棉
耐火陶瓷纖維 |
玻璃棉 岩棉 |
毒性決定因素
與因接觸纖維而引起的潛在毒性相關的主要因素是：
- 纖維尺寸
- 纖維耐久性和
- 對靶器官的劑量。
通常，如果以足夠的濃度輸送到肺部，又長又細（但尺寸可吸入）且耐用的纖維最有可能造成不良影響。 在短期動物吸入研究中，纖維毒性與炎症、細胞毒性、鉅細胞功能改變和生物持久性相關。 致癌可能性很可能與通過氧自由基的形成、染色體斷裂因子的形成或細胞有絲分裂中染色體的錯誤分離而導致的細胞 DNA 損傷相關——單獨或組合。 可吸入尺寸的纖維是直徑小於 3.0 至 3.5 毫米且長度小於 200 微米的纖維。 根據“斯坦頓假說”，纖維的致癌潛力（由動物胸膜植入研究確定）與其尺寸（最大風險與直徑小於 0.25 微米且長度大於 8 毫米的纖維相關）和耐用性有關（斯坦頓等人，1981 年）。 天然存在的礦物纖維（例如石棉）存在於多晶結構中，該結構傾向於沿縱向平面分裂，從而產生具有更高長寬比的更細纖維，這具有更大的毒性潛力。 絕大多數人造纖維是非結晶或無定形的，並且會垂直於其縱向平面斷裂成較短的纖維。 這是石棉和非石棉纖維狀矽酸鹽與人造纖維之間的一個重要區別。 沉積在肺中的纖維的耐久性取決於肺清除纖維的能力，以及纖維的物理和化學性質。 人造纖維的耐久性可以在生產過程中改變，根據最終用途的要求，通過添加某些穩定劑，如鋁2O3. 由於人造纖維的化學成分和尺寸存在這種可變性，因此必須逐一評估它們的潛在毒性。
人造纖維
氧化鋁纖維
一名在鋁冶煉行業工作了 19 年的工人發生肺纖維化的病例報告表明結晶氧化鋁纖維具有毒性（Jederlinic 等人，1990 年）。 他的胸片顯示間質纖維化。 通過電子顯微鏡技術對肺組織的分析表明 1.3×109 每克乾肺組織中含有結晶纖維，或者是在患有石棉肺的溫石棉石棉礦工的肺組織中發現的石棉纖維數量的十倍。 需要進一步研究以確定結晶氧化鋁纖維（圖 1）和肺纖維化的作用。 然而，該案例報告表明，當適當的環境條件共存時，例如增加穿過熔融材料的氣流，可能會發生纖維化。 在臨床發現與纖維誘發的塵肺病一致的情況下，應使用相差光學顯微鏡和具有能量色散 X 射線分析的電子顯微鏡來識別工作環境和肺組織樣本中潛在的空氣傳播纖維。
圖 1. 氧化鋁纖維的掃描電子顯微照片 (SEM)。
由 T. Hesterberg 友情提供。
碳/石墨纖維
碳質瀝青、人造絲或聚丙烯腈纖維加熱到 1,200°C 會形成無定形碳纖維，當加熱到 2,20°C 以上時會形成結晶石墨纖維（圖 2）。 可以添加樹脂粘合劑以增加強度並允許材料的成型和加工。 通常，這些纖維的直徑為 7 至 10 微米，但由於製造過程和機械操作，尺寸會發生變化。 碳/石墨複合材料用於飛機、汽車和體育用品行業。 在製造過程中和機械操作過程中可能會接觸可吸入大小的碳/石墨顆粒。 此外，當複合材料加熱到 900 至 1,10 °C 時，會產生少量可吸入尺寸的纖維。 關於這些纖維的現有知識不足以就它們對健康造成不良影響的可能性提供明確的答案。 涉及在大鼠氣管內註射不同石墨纖維複合粉塵的研究產生了不同的結果。 所測試的三個灰塵樣本產生的毒性極小，而兩個樣本產生的毒性一致，表現為對肺泡巨噬細胞的細胞毒性和從肺中回收的細胞總數的差異（Martin、Meyer 和 Luchtel 1989）。 在瀝青基纖維的致突變性研究中觀察到致突變作用，但聚丙烯腈基碳纖維沒有。 對碳纖維生產工人進行了長達十年的研究，製造直徑為 8 至 10 毫米的纖維，沒有發現任何異常情況（Jones、Jones 和 Lyle 1982）。 在進一步研究可用之前，建議暴露於可吸入大小的碳/石墨纖維為 1 纖維/毫升 (f/ml) 或更低，並且暴露於可吸入大小的複合微粒保持低於當前可吸入粉塵標準討厭的灰塵。
圖 2. 碳纖維的 SEM。
Kevlar 對位芳綸纖維
芳綸 對位芳綸纖維的直徑約為 12 微米，纖維表面彎曲的帶狀原纖維寬度小於 1 毫米（圖 3）。 原纖維部分剝離纖維並與其他原纖維互鎖形成尺寸不可呼吸的團塊。 的物理性質 芳綸 纖維包括顯著的耐熱性和拉伸強度。 它們有許多不同的用途，用作塑料、織物和橡膠的補強劑，以及用作汽車製動摩擦材料。 在製造和最終使用應用期間，原纖維水平的八小時時間加權平均值 (TWA) 範圍為 0.01 至 0.4 f/ml (Merriman 1989)。 非常低的水平 芳綸 芳綸纖維用於摩擦材料時會產生粉塵。 唯一可用的健康影響數據來自動物研究。 大鼠吸入研究包括一到兩年的時間段和暴露於 25、100 和 400 f/ml 的原纖維，顯示肺泡細支氣管化與劑量相關。 在較高的暴露水平下，還注意到輕微的纖維化和肺泡管纖維化變化。 纖維化可能與肺清除機制超負荷有關。 大鼠特有的一種腫瘤類型，囊性角化鱗狀細胞瘤，在一些研究動物中發展（Lee 等人，1988 年）。 大鼠短期吸入研究表明，原纖維在肺組織中的耐久性較低，並且會被迅速清除（Warheit 等人，1992 年）。 沒有關於暴露於人體健康影響的研究 芳綸 對位芳綸纖維。 然而，鑑於生物持久性降低的證據並考慮到 芳綸, 如果原纖維的暴露量保持在 0.5 f/ml 或更低，健康風險應該是最小的，就像現在在商業應用中的情況一樣。
圖 3. Kevlar 對位芳綸纖維的 SEM。
碳化矽纖維和晶須
碳化矽（碳化矽）是一種廣泛使用的磨料和耐火材料，是通過在 2,400°C 下將二氧化矽和碳結合而製成的。 碳化矽纖維和晶須——圖 4（Harper 等人，1995 年）——可以作為製造碳化矽晶體的副產品產生，也可以有目的地生產為多晶纖維或單晶晶須。 纖維的直徑通常小於 1 至 2 微米，長度範圍為 3 至 30 微米。 晶須的平均直徑為 0.5μm，長度為 10μm。 碳化矽纖維和晶須的加入增加了金屬基複合材料、陶瓷和陶瓷部件等產品的強度。 在生產和製造過程中以及可能在機械加工和精加工過程中，可能會接觸到纖維和晶須。 例如，在處理回收材料期間的短期暴露已被證明達到高達 5 f/ml 的水平。 金屬和陶瓷基複合材料的加工導致八小時 TWA 暴露濃度分別為 0.031 f/ml 和高達 0.76 f/ml（Scansetti、Piolatto 和 Botta 1992 年；Bye 1985 年）。
圖 4. 碳化矽纖維 (A) 和晶須 (B) 的 SEM。
A.
來自動物和人類研究的現有數據表明，它具有明確的纖維化和可能的致癌潛力。 體外 涉及碳化矽晶須的小鼠細胞培養研究表明，細胞毒性等於或大於青石棉石棉產生的細胞毒性（Johnson 等人，1992 年；Vaughan 等人，1991 年）。 在一項亞急性吸入研究中證實了大鼠肺部的持續性腺瘤性增生（Lapin 等人，1991 年）。 涉及碳化矽粉塵的綿羊吸入研究表明這些顆粒是惰性的。 然而，接觸碳化矽纖維會導致纖維化肺泡炎和成纖維細胞生長活性增加（Bégin 等人，1989 年）。 對碳化矽製造工人肺組織樣本的研究顯示矽質結節和鐵質小體，表明碳化矽纖維經久耐用，可以在肺實質中以高濃度存在。 胸片也與結節和不規則間質變化和胸膜斑塊一致。
碳化矽纖維和晶須尺寸可吸入，經久耐用，並且在肺組織中具有明確的纖維化潛力。 一家碳化矽晶須製造商將內部標准設定為 0.2 f/ml 作為八小時 TWA (Beaumont 1991)。 這是基於當前可用健康信息的審慎建議。
人造玻璃纖維
人造玻璃質纖維 (MMVF) 通常分為：
- 玻璃纖維（玻璃棉或玻璃纖維、連續玻璃絲和特殊用途玻璃纖維）
- 礦棉（岩棉和礦渣棉）和
- 陶瓷纖維（陶瓷紡織纖維和耐火陶瓷纖維）。
製造過程從熔化原材料開始，隨後快速冷卻，從而產生非結晶（或玻璃質）纖維。 一些製造工藝允許纖維尺寸有很大變化，下限為直徑 1 毫米或更小（圖 5）。 穩定劑（如鋁2O3鈦白粉2 和 ZnO）和改性劑（如 MgO、Li2O、BaO、CaO、Na2歐和K2O) 可以添加以改變物理和化學性能，例如拉伸強度、彈性、耐久性和熱不轉移性。
圖 5. 礦渣棉的 SEM。
岩棉、玻璃纖維和耐火陶瓷纖維在外觀上完全相同。
玻璃纖維由二氧化矽和各種濃度的穩定劑和改性劑製成。 大多數玻璃棉是通過使用旋轉工藝生產的，產生平均直徑為 3 至 15μm 的不連續纖維，直徑變化為 1μm 或更小。 玻璃棉纖維結合在一起，最常見的是用酚醛樹脂，然後進行熱固化聚合過程。 根據生產過程，還可以添加其他試劑，包括潤滑劑和潤濕劑。 與玻璃棉和專用玻璃纖維相比，連續玻璃長絲生產工藝導致平均纖維直徑的變化更小。 連續玻璃長絲纖維的直徑範圍為 3 至 25 微米。 特種玻璃纖維生產採用火焰衰減纖維化工藝，生產的纖維平均直徑小於3μm。
礦渣棉和岩棉生產分別涉及熔化和纖維化來自金屬礦石和火成岩的礦渣。 生產工藝包括碟形輪和轉輪離心工藝。 它生產平均直徑為 3.5 至 7μm 的不連續纖維，其尺寸可能在可吸入範圍內。 礦棉可以使用或不使用粘合劑製造，具體取決於最終用途。
耐火陶瓷纖維是使用熔化的高嶺土、氧化鋁/二氧化矽或氧化鋁/二氧化矽/氧化鋯通過輪式離心機或蒸汽噴射纖維化工藝製造的。 平均纖維直徑範圍為 1 至 5μm。 當加熱到 1,000°C 以上的溫度時，耐火陶瓷纖維會轉化為方石英（一種結晶二氧化矽）。
具有不同纖維直徑和化學成分的 MMVF 用於超過 35,000 種應用。 玻璃棉用於住宅和商業隔音和隔熱應用，以及空氣處理系統。 連續玻璃長絲用於織物和用作塑料的增強劑，例如用於汽車零件。 特殊用途玻璃纖維用於需要高隔熱和隔音性能的特殊應用，例如飛機。 不含粘合劑的岩棉和礦渣棉用作發泡絕緣材料和天花板瓷磚。 帶有酚醛樹脂粘合劑的岩棉和礦渣棉用於絕緣材料，例如絕緣毯和棉絮。 耐火陶瓷纖維佔全球 MMVF 產量的 1% 至 2%。 耐火陶瓷纖維用於專門的高溫工業應用，例如熔爐和窯爐。 玻璃棉、連續玻璃絲和礦棉的產量最大。
MMVF 被認為比天然存在的纖維狀矽酸鹽（如石棉）產生不良健康影響的可能性更小，因為它們是非結晶狀態並且容易斷裂成較短的纖維。 現有數據表明，最常用的 MMVF 玻璃棉對健康產生不利影響的風險最低，其次是岩棉和礦渣棉，然後是耐久性更高的特種玻璃纖維和耐火陶瓷纖維。 特種玻璃纖維和耐火陶瓷纖維最有可能作為可吸入尺寸的纖維存在，因為它們的直徑一般小於 3 毫米。 專用玻璃纖維（增加濃度的穩定劑如Al2O3) 和耐火陶瓷纖維在生理液體中也很耐用。 連續玻璃絲的尺寸是不可吸入的，因此不代表潛在的肺部健康風險。
可用的健康數據是從動物吸入研究以及參與 MMVF 製造的工人的發病率和死亡率研究中收集的。 吸入研究涉及將大鼠暴露於兩種平均直徑為 1μm、長度為 20μm 的商用玻璃棉絕緣材料，結果顯示肺部細胞反應輕微，在停止暴露後會部分逆轉。 對一種礦渣棉進行的動物吸入研究也得出了類似的發現。 最小的纖維化已被動物吸入暴露於岩棉所證實。 難治性陶瓷纖維吸入研究在大鼠中導致肺癌、間皮瘤和胸膜和肺纖維化，在倉鼠中導致間皮瘤和胸膜和肺纖維化，最大耐受劑量為 250 f/ml。 在濃度為 75 f/ml 和 120 f/ml 時，大鼠出現了一種間皮瘤和輕微的纖維化，在濃度為 25 f/ml 時，出現了肺細胞反應（Bunn 等人，1993 年）。
可能會發生皮膚、眼睛和上呼吸道和下呼吸道刺激，這取決於接觸程度和工作職責。 皮膚刺激一直是最常見的健康影響，可能導致多達 5% 的新 MMVF 製造工廠工人在幾週內離職。 它是由直徑大於 4 至 5 微米的纖維對皮膚造成的機械損傷引起的。 可以通過適當的環境控制措施來預防，包括避免皮膚直接接觸纖維、穿寬鬆的長袖衣服以及單獨洗滌工作服。 在異常多塵的情況下，尤其是在 MMVF 產品製造和最終使用應用中，以及在未正確處理、安裝或維修 MMVF 的住宅環境中，可能會出現上呼吸道和下呼吸道症狀。
通過症狀、胸片和肺功能測試對製造工廠工人的呼吸系統疾病進行的研究通常沒有發現任何不良影響。 然而，一項針對耐火陶瓷纖維製造廠工人的持續研究表明胸膜斑塊的患病率增加（Lemasters 等人，1994 年）。 對二次生產工人和 MMVF 最終用戶的研究是有限的，並且受到以前接觸石棉的混雜因素的可能性的阻礙。
歐洲和美國仍在繼續對玻璃纖維和礦棉製造廠工人的死亡率進行研究。 來自歐洲的研究數據顯示，肺癌死亡率的總體上升基於國家死亡率，而非地方死亡率。 自首次就業以來，玻璃棉和礦棉隊列中肺癌的發病率隨著時間的推移而增加，但與就業時間無關。 使用當地死亡率，在礦棉生產的最早階段，肺癌死亡率有所增加（Simonato、Fletcher 和 Cherrie，1987 年；Boffetta 等人，1992 年）。 來自美國的研究數據表明，呼吸道癌的風險在統計學上顯著增加，但未能發現癌症的發展與各種纖維暴露指數之間存在關聯（Marsh 等人，1990 年）。 這與礦渣棉和玻璃纖維製造廠工人的其他病例對照研究一致，這些研究表明，吸煙與肺癌風險增加有關，但未達到接觸 MMVF 的程度（Wong、Foliart 和 Trent，1991 年；Chiazze，沃特金斯和弗萊爾 1992 年）。 一項針對連續玻璃絲製造工人的死亡率研究並未顯示死亡風險增加（Shannon 等人，1990 年）。 美國正在進行一項涉及耐火陶瓷纖維工人的死亡率研究。 涉及產品製造的工人和 MMVF 的最終用戶的死亡率研究非常有限。
1987年，國際癌症研究機構（IARC）將玻璃棉、岩棉、礦渣棉和陶瓷纖維列為可能的人類致癌物（2B組）。 正在進行的動物研究以及涉及 MMVF 的工人的發病率和死亡率研究將有助於進一步確定任何潛在的人類健康風險。 根據現有數據，從發病率和死亡率的角度來看，接觸 MMVF 造成的健康風險大大低於與石棉接觸相關的健康風險。 然而，絕大多數人體研究來自 MMVF 製造設施，在這些設施中，暴露水平通常在八小時工作日內保持在 0.5 至 1 f/ml 以下。 由於缺乏關於 MMVF 的二級用戶和最終用戶的發病率和死亡率數據，因此通過環境控制措施、工作實踐、工人培訓和呼吸保護計劃將可吸入纖維暴露控制在這些水平或以下是謹慎的做法。 這尤其適用於暴露於耐用耐火陶瓷和特殊用途玻璃 MMVF 以及任何其他類型的可吸入人造纖維，這些纖維在生物介質中具有耐用性，因此可以沉積並保留在肺實質中。