Introduzione

Nanomateriali

I nanomateriali, secondo la definizione della Raccomandazione 2011/696/EU della Commissione Europea (CE) sono materiali naturali, incidentali o ingegnerizzati contenenti particelle allo stato libero, aggregato o agglomerato, e in cui, per almeno il 50% delle particelle nella distribuzione dimensionale numerica, una o più dimensioni esterne siano comprese nell’intervallo tra 1 nm e 100 nm (1 nanometro (nm) = 1 miliardesimo di metro).

In altre parole, sono materiali composti per almeno il 50% da particelle di grandezza compresa tra 1 e 100 nanometri. Si consideri che 1 nanometro si ottiene dividendo 1 millimetro in un milione di parti uguali, ad esempio un virus può essere lungo 100 nanometri, o in una goccia di acqua sono contenute 1021 molecole di acqua che hanno un diametro di 0,2 nm ognuna. Dunque i nanomateriali possono essere anche 10.000 volte più piccoli della larghezza di un capello umano.

I nanomateriali sono classificati in:

  • nanomateriali naturali, molto diffusi nell’ambiente, derivano da processi biologici e geologici, come ad esempio processi di combustione naturale o eruzioni vulcaniche
  • nanomateriali incidentali, sono prodotti involontariamente, ad esempio derivano dal traffico dei veicoli, dai motori diesel, dagli inceneritori delle industrie, da operazioni di saldatura e processi di stampa laser delle fotocopiatrici
  • nanomateriali ingegnerizzati, sono prodotti intenzionalmente a livello di laboratorio per scopi scientifici e industriali e hanno una composizione chimica ben definita

I nanomateriali hanno proprietà fisiche, chimiche, elettriche e meccaniche uniche che si modificano man mano che diminuiscono le dimensioni. Queste proprietà sono diverse rispetto ai corrispondenti materiali originali (non in forma “nano”) e dipendono dall’aumentato rapporto superficie-volume che comporta un’aumentata reattività, maggiore conducibilità e resistenza elettrica e, potenzialmente, una maggiore attività biologica. Sono queste caratteristiche a rendere i nanomateriali particolarmente interessanti per l’utilizzo in diversi campi di applicazione; essi sono in uso ormai da decenni e nuove generazioni di materiali in nanoforma continuano a svilupparsi rapidamente, tanto che si prevede che il loro mercato sia destinato a crescere.

Essi si differenziano in base alla composizione chimica, alla forma e alla struttura, tra questi ricordiamo:

  • dendrimeri
  • nanocellulose
  • nanoceramiche
  • nanodiamanti
  • nanocompositi a matrice polimerica
  • grafene
  • nanotubi di carbonio
  • ossidi e biossidi di metallo

La Commissione scientifica europea sui rischi emergenti per la salute umana (Emerging and Newly Identified Health Risks, SCENIHR, 002/05) nella sua Opinione del 2006, definisce nanoscienza la scienza che studia i fenomeni e la manipolazione di materiali in scala atomica, molecolare e macromolecolare, se le proprietà differiscono significativamente da quelli di dimensione maggiore, e nanotecnologia la progettazione, caratterizzazione, produzione e applicazione di strutture, dispositivi e sistemi limitando la forma e le dimensioni su scala nanometrica.

Inoltre, poiché le sostanze chimiche in nanoforma hanno proprietà chimico-fisiche che differiscono da quelle delle corrispondenti sostanze in scala non nanometrica, esse potrebbero avere una diversa attività biologica con potenziali effetti dannosi sulla salute e sull’ambiente. Per tale ragione, si definisce nanotossicologia la disciplina che studia gli effetti dei nanomateriali sugli organismi viventi, e nanoecotossicologia la scienza che studia gli effetti sulla biosfera e sugli ecosistemi.

Applicazioni dei nanomateriali

Grazie alle loro particolari caratteristiche, i nanomateriali consentono la produzione di prodotti più efficienti, più vantaggiosi da un punto di vista economico, più innovativi e all’avanguardia rispetto a quelli attualmente in uso. I principali settori industriali che traggono vantaggio dalle nanotecnologie sono quello chimico, dei trasporti e delle comunicazioni, elettronico, informatico, tessile, farmaceutico, biomedico, agroalimentare, aerospaziale.

In particolare, i nanomateriali sono utilizzati prevalentemente per:

  • produzione di vernici e rivestimenti per pareti,  rendono le superfici di facile pulizia, resistenti ai graffi e all’attacco dei microbi, grazie alle proprietà antimacchia e di notevole resistenza alla penetrazione dell’acqua. I nanomateriali maggiormente impiegati in tale ambito sono il biossido di titanio, il biossido di silicio e l’argento in nanoforma
  • fabbricazione di pneumatici (soprattutto nanomateriali a base di nerofumo e di silice) per rinforzare la gomma e allungarne la durata
  • fabbricazione di alcuni componenti del computer, per renderli più leggeri, ridurre il consumo energetico, aumentare la velocità con cui lavorano e la capacità di archiviazione dei dati
  • inchiostri e toner a getto d’inchiostro, dove la nanoforma aumenta la qualità dei colori della stampa e riduce il rischio di otturazione degli ugelli della stampante
  • produzione tessile, inclusi capi di abbigliamento per bambini, per attribuire le caratteristiche di protezione antibatterica (ad esempio nei costumi da mare) resistenza ai raggi UV e impermeabilità ai tessuti (ad esempio negli indumenti da montagna o nelle tovaglie)
  • produzione di attrezzature sportive (come le racchette da tennis, le mazze da golf e i telai delle biciclette) per renderle più leggere e, allo stesso tempo, più rigide. I nanotubi di carbonio sono il materiale più diffuso, essendo più leggeri, dotati di una grande flessibilità e di un’elevatissima resistenza alla rottura per trazione rispetto ad alcuni metalli usati nel settore industriale
  • creme solari e idratanti, prodotti per la cura dei capelli e trucco, nelle creme solari, in particolare, i nanomateriali a base di biossido di titanio e ossido di zinco evitano che il prodotto, una volta applicato sulla pelle, si presenti bianco come accade con i prodotti solari ad elevata protezione solare. Queste nanoparticelle rendono il prodotto trasparente, quindi la persona tende ad applicarlo di frequente, ottenendo una maggiore protezione dai raggi UV. I nanomateriali a base di argento vengono utilizzati per la loro attività antibatterica naturale
  • inchiostri per tatuaggi e trucco permanente, che possono contenere nanomateriali a base di biossido di titanio, ossido di alluminio, ossido di zinco e ossidi di ferro allo scopo di migliorare l’aspetto estetico dei pigmenti
  • nella produzione di prodotti per la diagnosi e la cura delle malattie (disciplina della nanomedicina). Alcuni nanomateriali, come il solfato di bario, per esempio, essendo opachi ai raggi X, vengono usati come mezzo di contrasto per le radiografie; altri possono essere applicati per migliorare le proprietà e l’azione terapeutica di un farmaco. Se, per esempio, un farmaco assunto per bocca (via orale) ha difficoltà a distribuirsi nel corpo, può essere incapsulato in un nanomateriale maggiormente solubile e assorbibile che ne facilita la distribuzione nell’organismo. Inoltre, l’uso dei nanomateriali facilita il rilascio del farmaco in maniera selettiva e specifica verso l’organo dove è maggiormente necessario che esso agisca. Per esempio, alcuni farmaci antitumorali risultano essere molto tossici per l’intero organismo, ma utilizzando materiali in nanoforma come vettori di trasporto del farmaco, è possibile favorire il rilascio del farmaco solo nella zona tumorale e non in quella sana, limitando gli effetti tossici collaterali associati alla chemioterapia
  • fabbricazione di prodotti per l’imballaggio e la conservazione dei cibi, e nei cibi stessi, come componenti di additivi per aumentare il tempo di conservazione e la resa degli alimenti. I contenitori d’imballaggio sono nella maggior parte dei casi di plastica, materiale poco adatto per impedire ai gas, come l’ossigeno, di penetrare e raggiungere gli alimenti; l’aggiunta di nanomateriali, come nanoargille e biossido di titanio, può rendere la plastica più leggera e resistente, impedendo ai gas e alla luce di entrare nella confezione e causare deterioramento durante i lunghi periodi di conservazione. Di recente si stanno progettando imballaggi “intelligenti” che usano sensori in nanodimensione per monitorare la condizione degli alimenti. Si tratta di sensori a base di nanoparticelle, le quali danno un segnale visivo di allarme quando nel cibo è presente un contaminante. L’argento in nanoforma viene utilizzato per rivestire superfici di frigoriferi e di contenitori per alimenti per le note proprietà antibatteriche
  • migliorare la purezza e la potabilità dell’acqua e la salubrità dei terreni, sono utilizzati per risanare le acque contaminate da metalli pesanti e per eliminare gli inquinanti provenienti dagli scarichi dei mezzi di trasporto 

L’esposizione umana ai nanomateriali

Considerando l’attuale grande diffusione dei nanomateriali, tutte le persone sono direttamente o indirettamente esposte a essi.

L’esposizione umana ai nanomateriali può dipendere dal lavoro svolto, ad esempio lavoratori addetti alla loro produzione e/o manipolazione; oppure può essere accidentale, consumando e/o utilizzando prodotti in cui essi sono contenuti.

Per quanto riguarda i lavoratori, sono state individuate le possibili fasi in cui può aumentare il rischio di esposizione ai nanomateriali:

  • durante i processi di fabbricazione, poiché possono essere rilasciate nell’aria nanoparticelle che possono rappresentare un potenziale rischio per la salute dei lavoratori, soprattutto in assenza di utilizzo di mezzi di protezione
  • durante la manutenzione delle attrezzature
  • durante la pulizia e lo smaltimento dei rifiuti

Le principali vie di esposizione per l’uomo sono quella inalatoria, orale o cutanea. L’esposizione inalatoria rappresenta la prima e più importante via d’ingresso dei nanomateriali nell’organismo e vi sono numerosi studi sui potenziali effetti dei nanomateriali a carico dell’apparato respiratorio. A causa delle loro dimensioni, questi materiali possono attraversare le barriere biologiche e raggiungere, oltre ai polmoni, altri organi e tessuti tra cui il fegato, la milza, i reni, il cuore, il cervello e i tessuti molli in genere.

Effetti sulla salute umana e sull’ambiente

Se da una parte l’ampio utilizzo dei nanomateriali ha suscitato grande interesse per gli evidenti vantaggi economici e sociali, dall’altra vi è una crescente preoccupazione in ambito internazionale sui loro potenziali effetti sulla salute umana e sull’ambiente.

L’ambiente può essere contaminato durante le fasi della produzione, trasporto, stoccaggio, utilizzo e smaltimento dei prodotti contenenti nanomateriali. Una volta entrati nell’ambiente (aria, acqua, suolo), i nanomateriali possono rimanere intatti, oppure trasformarsi in altre sostanze chimiche, unirsi tra loro formando aggregati o depositarsi. Ciò dipende dalle loro caratteristiche chimiche e fisiche, ma anche dalle caratteristiche dell’ambiente con cui essi interagiscono: pertanto, risulta complesso e difficile valutare i rischi nei vari settori ambientali.

I nanomateriali presenti nell’ambiente possono essere assorbiti e/o ingeriti dai vari organismi animali e vegetali e quindi diffondersi anche attraverso la catena alimentare, che rappresenta una delle vie di esposizione per l’uomo.

Lo studio dei potenziali effetti dannosi dei nanomateriali per la salute umana prende il nome di nanotossicologia. Si tratta di una nuova disciplina di fondamentale importanza, che si occupa non solo di valutare gli effetti dei nanomateriali ma anche di valutare se i metodi e gli strumenti utilizzati finora per studiare le sostanze chimiche non in forma di nanomateriali (nanoforma), possano essere utilizzati anche per i nanomateriali per garantire una valutazione e riduzione del rischio per la salute mirata. Negli ultimi dieci anni, sia in ambito nazionale, sia internazionale, sono stati finanziati numerosi progetti di ricerca con questi obiettivi, ed i loro risultati stanno indirizzando le autorità competenti ad adottare le giuste misure per gestire gli eventuali rischi conseguenti all’esposizione.

I nanomateriali che entrano nell’organismo attraverso diverse vie possono essere assorbiti, distribuiti e trasformati (metabolizzati); numerosi studi hanno evidenziato la presenza di nanomateriali nei polmoni, nel fegato, nei reni, nel cuore, negli organi riproduttivi, nel cervello, nella milza, nello scheletro, nei tessuti molli e nel feto.

Le nanoparticelle disperse nell’aria, possono penetrare nell’organismo attraverso il naso e la bocca ed arrivare ai polmoni dove possono provocare infiammazione, sia cronica, sia acuta. Il coinvolgimento del sistema di difesa dell’organismo (sistema immunitario) così come l’induzione di stress ossidativo sembrano essere alcuni dei principali meccanismi di azione di molti nanomateriali.

Nonostante siano stati prodotti numerosi risultati sui potenziali rischi dei nanomateriali per la salute umana, a causa della complessità del problema essi sono spesso contraddittori. L’approccio tuttora utilizzato per una valutazione dei potenziali effetti è quello “caso per caso”. Nell’ambito della nanotossicologia e della nanoecotossicologia, quindi, risulta sempre più necessaria l’individuazione di metodi adeguati e armonizzati attraverso cui produrre dati comparabili e riproducibili.

Valutazione del rischio

La valutazione del rischio derivante dall’esposizione a sostanze chimiche è un processo distinto in diverse fasi:

    • identificazione e caratterizzazione del pericolo
    • stima dell’esposizione
    • individuazione del rischio conseguente

Ciascuna delle fasi si avvale di procedure ben precise (standardizzate) al fine di predisporre adeguate misure di prevenzione e protezione per la salute umana e per l’ambiente. Tali procedure fanno riferimento a Linee Guida sviluppate dall’Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE).

Per una corretta identificazione del pericolo dei nanomateriali, un passo fondamentale è conoscerne le proprietà chimiche (composizione chimica, carica e reattività di superficie, solubilità, stabilità/dissoluzione, idrofobicità/idrofilia) e fisiche (dimensione/distribuzione dimensionale, struttura cristallina, area superficiale, aggregazione/agglomerazione). Queste proprietà sono determinanti per la valutazione dell’attività biologica dei nanomateriali e, di conseguenza, per la valutazione della loro potenziale tossicità per la salute umana e per l’ambiente.

L'Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico (OCSE) ha stabilito che in generale le Linee Guida utilizzate per la valutazione del rischio delle sostanze chimiche possono essere utilizzate anche per i nanomateriali, ma che alcune di esse devono essere adattate o sostituite per tenere conto delle specifiche proprietà dei nanomateriali. Questo processo sarà attuato in cooperazione con gli Stati Membri e con l’industria e vedrà il coinvolgimento della comunità scientifica internazionale. A tal fine, la Comunità Europea ha recentemente deciso di finanziare lo sviluppo e/o la revisione di alcune Linee Guida OCSE e negli ultimi anni, nell’ambito di diversi progetti europei e nazionali (ad esempio, NANoREG, NanoReg2, RINNOVARENANO), sono stati studiati e messi a punto metodi che tengano conto delle specifiche proprietà dei nanomateriali per una corretta valutazione dei potenziali rischi sanitari e ambientali collegati al loro utilizzo. 

Prossimo aggiornamento: 16 Agosto 2023

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