principal investigator: prof. Bice Fubini
years: 2010-2013
Al crescente interesse per le nanotecnologie mostrato, negli ultimi anni, da molte industrie si è accompagnata anche una crescente attenzione della comunità scientifica all’impatto delle nanotecnologie stesse sugli ambienti di vita e di lavoro.

 La preoccupazione circa i possibili danni alla salute causati dall’esposizione a nanoparticelle (sia quelle derivanti dalle nanotecnologie propriamente dette, sia quelle di origine “non intenzionale”, ossia generate come prodotti secondari in alcuni tipi di impianti industriali come quelli di saldatura, fusione e trattamento dei metalli o dagli inceneritori) ha però raggiunto velocemente anche i media sotto forma di un forte allarme generalizzato verso qualunque tipo di nanoparticella. Effettivamente, nell’intervallo dimensionale nanometrico (<100 nm) i materiali presentano proprietà diverse da quelle possedute dagli stessi materiali con dimensioni maggiori: elevata area superficiale e conseguente elevato rapporto tra gli atomi di superficie e gli atomi del bulk, forze interparticellari spesso pronunciate che possono portare alla formazione di aggregati o agglomerati. In alcuni casi la riduzione della taglia può portare all’insorgenza di reattività specifiche non presenti negli analoghi materiali micrometrici. La maggior reattività, associata ad una elevata biopersistenza all’interno degli organismi ed ad una maggior penetrabilità all’interno dei tessuti/organi potrebbe rendere queste sostanze pericolose per lavoratori e utilizzatori.
Ciò non implica, tuttavia, che tutte le nanoparticelle siano più tossiche dello stesso materiale micrometrico: la composizione chimica, così come il metodo di preparazione influisce, infatti, in modo determinante sulla tossicità del materiale nanometrico. Pertanto, ogni tipologia di nanoparticelle deve essere studiata singolarmente.

Sulla base dell’impianto industriale piemontese saranno esaminate tre tipologie di particelle ultrafini: una di origine non intenzionale (fumi di saldatura) e due di sintesi (biossido di titanio e “carbon black”).

Fumi di saldatura: si tratta di una miscela complessa di gas e di particelle di taglia variabile da pochi ad alcune centinaia di nm che in atmosfera tendono ad aggregare. La composizione è variabile e dipende dal materiale e dalla tecnica di saldatura usati: in generale sono costituiti da metalli di transizione (Fe, Mn, Cr, Co) ma anche alluminio, silicio ed elementi alcalini od alcalino terrosi, principalmente sotto forma di ossidi. Studi epidemiologici (Antonini, 2003) hanno evidenziato alterazioni della funzionalità polmonare (asma, in particolare in presenza di nichel e cromo; febbre da metalli, provocata principalmente da fumi contenti zinco; siderosi, bronchiti croniche). È invece ancora controverso il legame tra esposizione a fumi di saldatura e comparsa di cancro polmonare in quanto la maggior parte degli studi epidemiologici che indicano un eccesso, seppure limitato, di questa patologia sono viziati da elementi confondenti quali contemporanea esposizione ad amianto ed a fumo di sigaretta. Pochi anche gli studi in vitro su sistemi cellulari volti a caratterizzarne la cito e genotossicità: dati preliminari indicano un ruolo importante della solubilità dei metalli che sarebbero alla base della maggiore tossicità dei fumi derivanti da saldatura manuale piuttosto che da quelli derivanti da saldatura ad arco in gas inerte (Antonini et al., 2003).
La valutazione della potenziale patogenicità dei fumi di saldatura e l’individuazione dei fattori chimico-fisici eventualmente coinvolti richiede la conoscenza dell’origine, della composizione (con particolare rilievo alla presenza di metalli la cui tossicità è accertata come Cr, Ni, Co ecc.), della presenza di una frazione di metalli solubile in ambiente acquoso e della tendenza a formare aggregati. Alla luce di queste considerazioni sui campioni prelevati negli ambienti di lavoro individuati in collaborazione con INAIL Piemonte e le parti sociali, verrà effettuata l’analisi composizionale mediante “Inductively Coupled Plasma Atomic Emission” (ICP-AE) o fluorescenza a raggi X (XRF). Verranno quindi valutati due aspetti strettamente collegati con la capacità delle particelle di indurre danno cellulare, la capacità di rilasciare ioni tossici ed il potenziale ossidativo (Xia et al. 2008, Nel 2009). Il rilascio di ioni a pH fisiologico verrà valutato in soluzioni simulanti i fluidi biologici con cui le particelle possono venire a contatto. Il potenziale ossidativo verrà valutato attraverso la produzione diretta di radicali liberi (tecnica dello “spin trapping” associata alla spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica), sia mediante l’interazione ed il consumo di molecole (acido ascorbico, cisteina, glutatione) che entrano a far parte delle difese antiossidanti delle cellule.
Parallelamente, si procederà a studi con campioni modello puri per chiarire ruolo e meccanismo d’azione dei singoli componenti.

Particelle carboniose (“carbon black”): si tratta di polveri formate per il 98-99% da carbonio elementare. Sono prodotte per decomposizione termica di diverse materie prime (gas naturale, residui della lavorazione del petrolio ecc.) e si differenziano per la superficie specifica, la capacità di adsorbire composti aromatici, la presenza di impurezze metalliche.
A causa della carenza di studi epidemiologici sull’uomo e di studi sperimentali sugli animali, in via cautelativa, i carbon black sono stati classificati nel 1996 dalla IARC in classe 2B (“possibili cancerogeni per l’uomo”). Tuttavia, una rivalutazione effettuata nel 2006 principalmente sulla base di alcuni dati sulla frazione ultrafine ha confermato l’indicazione precedente. La frazione ultrafine, infatti, avrebbe degli effetti pro-infiammatori più marcati rispetto alla frazione micrometrica (Stoeger et al., 2006). Il dibattito sui meccanismi d’azione alla base di questi effetti è ancora aperto: un contributo importante potrebbe derivare dalla presenza di sostanze organiche (idrocarburi aromatici) e/o inorganiche (metalli di transizione) adsorbite alla superficie analogamente a quanto osservato per il particolato atmosferico (Donaldson 2005)..
Verranno analizzati campioni prelevati negli ambienti di lavoro e derivanti principalmente dai comparti della plastica e della gomma.Per ogni tipo di campione si valuteranno: l’area superficiale (metodo BET); la presenza di sostanze organiche (analisi termogravimetrica) e di metalli di transizione (XRF); la presenza di ioni metallici potenzialmente rilasciabili nei fluidi biologici (incubazione in soluzioni simulanti i fluidi biologici ed analisi mediante Uv-Vis e ICP-AE); il grado di difettività della struttura (spettroscopia micro-Raman); il potenziale ossidativo.
I risultati ottenuti verranno confrontati con quelli di campioni modello aventi caratteristiche chimico fisiche controllat.

Biossido di titanio (TiO2): le polveri di biossido di titanio (inserite dalla IARC nel gruppo 2B) sono ampiamente utilizzate nell’industria. Quelle di dimensioni micrometriche trovano applicazione come pigmenti bianchi nell’industria alimentare, farmaceutica, edile. Quelle di dimensioni nanometriche, trasparenti, vengono ampiamente usate nel settore cosmetico. Alcuni studi mostrano però che, proprio in forma nanometrica, queste polveri possono generare radicali liberi con meccanismi che dipendono dalla fase cristallina (anatasio o rutilo) della polvere (Gurr et al 2005, Fenoglio et al. 2008). Per ridurne il potenziale ossidativo le polveri di TiO2 vengono spesso ricoperte con materiali quali allumina, silice, silani ecc. Tuttavia, non sempre questi ricoprimenti sono efficienti (Rampaul et al. 2007, Carlotti et al. 2008). Inoltre, i radicali rilasciati possono provocare il deterioramento dei materiali di copertura con conseguente ripristino della reattività di superficie. La scarsa divulgazione dei metodi di sintesi e copertura di queste polveri (la maggior parte dei metodi è coperta da brevetto) costituisce un’ulteriore complicazione nello studio di queste polveri.
Verranno analizzate polveri industriali micro/nanometriche nude o rivestite e con diversa fase cristallina. Le polveri verranno caratterizzate in termini di area superficiale (metodo B.E.T.) e composizione (XRF). Verrà poi misurato il potenziale ossidativo (capacità di generare radicali liberi con o senza irraggiamento, ossidazione di molecole organiche di rilevanza biologica attraverso EPR/spin trapping e spettroscopia UV/Vis) così come l’esistenza di siti reattivi esposti alla superficie (spettroscopia EPR della polvere). Nel caso in cui la copertura risulti efficace nel prevenire il rilascio di specie reattive verranno effettuati esperimenti di durabilità del rivestimento in soluzioni simulanti i fluidi biologici con o senza cicli di irraggiamento.