principal investigator: prof. Dario Ghigo
years: 2004-2006

La parola silice comprende un’ampia varietà di sostanze contenenti due maggiori elementi, il silicio e l’ossigeno (SiO₂). La silice non esiste come molecola discreta ma è costituita da una serie continua di atomi di silicio e ossigeno legati insieme a formare una struttura in cui l’unità fondamentale è un tetraedro SiO₄

con al centro il silicio e ad ognuno dei quattro angoli atomi di ossigeno condivisi con un atomo di silicio vicino (tetraedri con vertici condivisi). Disposizioni diverse (per posizione ed orientazione) dei tetraedri nello spazio danno origine a materiali a base di silice con una differente struttura interna. La silice è presente in natura in forme cristalline ed amorfe. Nelle forme cristalline i tetraedri sono allineati secondo un ordine a lungo raggio dettato dal reticolo mentre le strutture amorfe sono caratterizzate da tetraedri di SiO₂ orientati a caso e dalla mancanza di ordine a lungo raggio. Le forme più comuni di silice vengono classificate come amorfe e cristalline, sintetiche e naturali. Il quarzo costituisce la gran parte della silice cristallina presente in natura (che corrisponde a ca. il 12 % in volume della crosta terrestre) tanto che il termine quarzo è spesso erroneamente usato come sinonimo di silice cristallina. Altri polimorfi cristallini meno comuni sono la cristobalite e la tridimite i quali possono formarsi ad alte temperature nelle rocce vulcaniche (IARC 1997). Le forme naturali amorfe possono essere di origine minerale come silici idrate (ad esempio l’opale) o derivate dalla fusione di materiali silicei in vulcani e meteoriti (silice vetrosa), oppure di origine biogenica (ad esempio la terra di diatomee, un prodotto formato nelle ere geologiche dalla deposizione dello scheletro siliceo di alcune alghe). La silice sintetica viene prodotta industrialmente nella forma amorfa, ad esempio come silice pirogenica, preparata per combustione di un composto volatile del silicio, o come silice precipitata, ottenuta per precipitazione da soluzioni acquose di ortosilicati. Una silice amporfa vetrosa può inoltre essere prodotta per fusione di qualsiasi polimorfo di silice. L’inalazione di polveri di silice cristallina, in particolare quarzo, a cui possono essere esposti i lavoratori di diversi settori dell’industria, è causa dell’insorgenza di due gravi malattie polmonari, la silicosi ed il cancro polmonare (IARC 1997, Castranova et al. 1996, Fubini 1998a,b). Le forme sintetiche di silice amorfa sono invece ritenute innocue. Sono anche stati riportati casi di malattie autoimmuni in seguito a esposizione a diverse forme di silice anche per via diversa da quella polmonare (Stratta et al. 2001). La patogenicità delle polveri di quarzo varia molto a seconda dell’origine e della storia della polvere. Questa variabilità ha reso spesso difficile una chiara correlazione tra inalazione delle polveri ed insorgenza delle malattie (IARC 1997, Donaldson and Borm 1998, Fubini 1998a,b, Daniel et al. 1990, Fubini and Otero-Arean 1999). La silice è una sostanza pressoché insolubile nell’ambiente biologico, e la lunga persistenza di questo materiale nei tessuti è da imputare proprio a questa sua caratteristica. La risposta dei tessuti alle polveri insolubili è fondamentalmente legata alla superficie delle particelle. Negli ultimi anni la comunità scientifica ha focalizzato la sua attenzione proprio sullo stato della superficie delle polveri di silice in quanto esso può variare enormemente sia come conseguenza delle caratteristiche interne della polvere (cristallina o amorfa), che come conseguenza della metodica di preparazione (macinazione, combustione, precipitazione etc…) o anche di trattamenti o inquinamenti accidentali che sono avvenuti in seguito alla preparazione (IARC 1997, Donaldson and Borm 1998, Fubini 1998c). Le principali caratteristiche chimico-fisiche di superficie delle particelle di silice sono: - idrofilicità-idrofobicità: è determinata dalla capacità della superficie di legare molecole di acqua (Bolis et al. 1991) ed è importante nei fenomeni di adsorbimento di molecole organiche che possono avvenire nell’ambiente biologico (proteine, tensioattivo polmonare, componenti delle membrane cellulari). Questa proprietà è legata alle caratteristiche della popolazione silanolica di superficie, cioè alla presenza e tipologia (isolati o interagenti) di gruppi silanoli SiOH. Tale proprietà può variare molto nelle diverse forme di silice (Fubini et al. 1993). Un contributo importante alla idrofilicità è anche dato dalla presenza di impurezze superficiali costituite da ioni metallici. Studi precedenti hanno evidenziato come l’idrofilia influenzi la citotossicità su alcuni sistemi cellulari (Fubini et al. 1999, Elias et al. 2000) - Presenza di difetti radicalici: le polveri di quarzo derivano da processi di macinazione in cui la rottura dei cristalli comporta la troncatura omolitica ed eterolitica di legami Si-O, con formazione di centri reattivi esposti sulle nuove superfici create. La rottura omolitica porta alla formazione di siti radicalici i quali decadono per la maggior parte dopo la macinazione anche se, una piccola parte può persistere a lungo. Essi possono costituire dei siti attivi nella generazione di radicali liberi in soluzione da parte della superficie delle particelle (Dalal et al. 1990, Fubini et al. 1990). - Presenza di impurezze di ioni metallici alla superficie: esse derivano dalla esposizione delle impurezze naturalmente contenute nel materiale o da successivo inquinamento ad esempio durante la macinazione (Fenoglio et al. 2001a). Tra di esse ricordiamo i metalli alcalini, alcalino-terrosi, gli anfoteri, come l’alluminio, ed i metalli di transizione in particolare ferro, rame, manganese. Particolarmente rilevante e’ il ferro (Fenoglio et al. 2001b), il quale a causa delle sue proprietà ossido-riduttive può, in alcuni casi, produrre alla superficie siti attivi nella generazione di radicali liberi nell’ambiente biologico. Studi precedenti ganno indicato che la generazione di radicali liberi ossigenati in soluzione è legata all’effetto trasformante su cellule embrionali di cavia (Fubini et al. 2001, Elias et al. 2002) In letteratura sono già descritti numerosi studi sulla capacità del quarzo di produrre un responso cellulare in diversi sistemi. Questi studi per la maggior parte utilizzavano materiali complessi (ad esempio, per composizione superficiale) o set di materiali che si differenziavano per più di una caratteristica di superficie, rendendo così impossibile una valutazione parallela dell’effetto su sistemi biochimici e cellulari delle polveri e delle caratteristiche di superficie e conseguente reattività superficiale. L’oggetto dell’indagine della nostra unità riguarderà: i) la preparazione di materiali a base silicea aventi proprietà superficiali definite. ii) la caratterizzazione spettroscopica e calorimetrica della natura di tali superfici le cui caratteristiche influenzano direttamente la risposta cellulare. Parallelamente alle indagini con metodologie sperimentali verranno utilizzate tecniche di modellistica molecolare che consentono di simulare tramite opportuni programmi di calcolo superfici silicee a topologia controllata. L’approccio computazionale è un complemento indispensabile agli esperimenti, in quanto aumenta la comprensione dei processi microscopici di adsorbimento alle superfici dei materiali di interesse e permette una interpretazione più accurata dei dati sperimentali.