Practical implementation of a Safe-by-Design framework: a proof of concept for early-phase hazard assessment of PFAS-free formulations
本文展示了在欧盟资助的 PROPLANET 项目中，通过利用法规数据挖掘、计算机模拟筛选（in silico screening）和体外测试（in vitro testing），实施了一个分层级的“设计安全”（Safe-by-Design）框架，旨在评估并指导技术纺织品、食品包装机械及玻璃应用领域中无 PFAS 配方的开发，同时强调了方法论上的空白以及进一步进行危害特征表征的必要性。
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几十年来，工业涂料领域一直依赖于一类被称为全氟和多氟烷基物质（PFAS）的合成化学家族。这些材料因其具有疏水、疏油、耐热以及耐强化学品的能力而备受青睐，使其成为从不粘锅到防护装备等各种用途的理想选择。然而，正是使 PFAS 如此实用的碳-氟键本身，也使得它们在自然界中几乎无法降解。它们在环境中持续存在数百年，并在生物体内积累，并与包括免疫系统损伤和癌症风险增加在内的严重健康问题有关。随着各国政府开始禁止这些“永久性化学物质”，科学家和工程师面临着一个艰巨的挑战：如何创造出既能提供同样高性能，又没有毒性遗产的新型材料。解决方案在于一种被称为“设计安全”（Safe-by-Design）的理念，它要求研究人员在产品创建过程的最开始阶段就考虑安全性与可持续性，而不是在产品制成后再试图解决问题。
来自欧洲各地的研究团队最近在实际的现实场景中测试了这一理念。在欧盟资助的 PROPLANET 项目框架下，他们致力于开发用于三种特定用途的新型无 PFAS 涂料：技术纺织品、食品包装机械中的金属部件以及低维护玻璃。该团队并没有简单地用一种化学物质替换另一种，而是建立了一个严谨的、循序渐进的过程，在这些新配方进入市场之前对其安全性进行筛选。他们的方法结合了对现有安全记录的深入挖掘、基于计算机的预测，以及一系列使用细胞和微小生物进行的生物学测试。目标是在任何潜在危险出现之前将其拦截，从而能够丢弃有风险的配方，并将资源集中在最安全、最有效的选项上。
该过程始于对团队考虑使用的每一种成分进行彻底审查。他们搜寻了安全数据表和官方欧洲化学数据库，以识别任何已知会导致癌症、损伤遗传物质或危害生殖的物质。这种初步筛选起到了严格过滤的作用。如果某种化学物质被正式归类为危险物质，它会立即从候选名单中剔除。团队还寻找了数据空白。对于他们想要使用的一些新型特种化学品，现有的安全信息很少甚至完全没有。为了填补这些空白，他们转向了根据分子结构预测化学品行为的计算机模型。然而，他们很快发现标准计算机模型并非为处理他们正在研究的这类特定硅基化合物而设计。由于这些化学品与模型训练时使用的化学品差异太大，预测结果往往并不可靠。为了解决这个问题，团队开发了专门针对这些新材料定制的计算机模型，从而确保其数字筛选的准确性。
在成分经过审核后，研究人员进入了下一个阶段：测试实际的混合物。这是至关重要的一步，因为混合物中的化学物质可能会发生相互作用，从而改变其毒性。一种单独存在的物质可能是安全的，但与其他物质混合后可能会变得有害，或者混合物可能会产生新的副产物。团队在人类肺细胞和一种被称为“秀丽隐杆线虫”（C. elegans）的微小透明蠕虫上测试了他们的液体配方，后者是研究繁殖和发育的标准模型。他们观察了细胞死亡、DNA 损伤、炎症和激素干扰的迹象。对于某些候选方案，结果是立竿见影且具有决定性的。一种旨在用于纺织品的配方（含有氧化锌）导致了显著的细胞和 DNA 损伤。尽管该成分具有潜在益处，但明显的伤害证据促使团队完全放弃了那条研发路径。同样，一种包含疑似致癌物的玻璃涂层配方也被放弃了，因为其安全风险超过了性能收益。
对于通过初步安全检查的配方，团队进行了第二轮更高级的测试。这些实验使用了更复杂的模型，包括一个比简单细胞培养更能模拟气道的三维肺组织模型。他们还测试了癌症发生和生殖损伤等长期风险。这里的实验结果具有细微差别。一种名为 NIC 4.1 的纺织品配方在所有测试中均未显示出危险迹象，这标志着它是进一步开发的有力候选者。然而，对于用于玻璃和金属的涂层，情况则有所不同。虽然这些混合物在预定工作中表现极其出色，但在安全测试中却触发了警报。金属涂层显示出损伤 DNA 的迹象，而玻璃涂层则显示出潜在的生殖问题。研究人员并未立即排除这些方案，而是将它们标记为需要进行重大进一步调查和重新配方，才能被认为足够安全以进入下一阶段的开发。
这项研究最终证明，结构化的分层安全评估不仅是一个理论上的理想，也是一种实用的创新工具。通过将安全检查整合到设计的最早阶段，团队能够在投入时间和资金进行大规模生产之前，识别并消除危险路径。他们发现，仅依赖单一方法是不够的；结合数据挖掘、定制计算机建模和生物学测试，可以提供单一工具无法提供的完整图景。这项工作也强调了处理复杂混合物的挑战，特别是当成分难以溶解或在测试环境中发生不可预测的反应时。这些困难有时会掩盖真实的风险，需要对数据进行仔细解读。
最后，该项目成功证明，只要将安全性作为从第一天起的核心设计参数，设计出既安全又高性能的 PFAS 替代品是可能的。团队确定了一种可以继续推进的有前景的纺织品涂料，同时也明确指出了玻璃和金属应用中必须克服的具体安全障碍。这项工作为化学工业如何利用现代技术和生物学测试的结合，在确保产品对人类和地球都既有效又安全的前提下，完成向远离有害物质的转型，提供了蓝图。
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