Controllo del rischio per uomo e ambiente associato alle nanotecnologie

Approccio safe-by-design per un controllo preventivo del rischio potenziale associato all’esposizione ai nanomateriali

Responsabile: Anna Luisa Costa
Personale coinvolto: Magda Blosi, Carlo Baldisserri, Andrea Brigliadori, Antonio Crimaldi, Lara Faccani, Davide Gardini, Simona Ortelli, Marina Serantoni, Felice Carlo Simeone, Ilaria Zanoni

Le proprietà uniche dei nanomateriali derivano dalle loro dimensioni di poco al di sopra di quelle molecolari (1-100 nm). Tali materiali presentano una elevatissima reattività superficiale e alcuni comportamenti anomali per la fisica classica. Queste caratteristiche, che li rendono estremamente attraenti per i designer di prodotti chimici, sono anche alla base dei dubbi sul loro potenziale rischio, nel momento in cui questi entrano in contatto con i sistemi biologici.

Strategie Safe-by-Design (SbD)
Applicate a materiali e processi permettono di ottenere prodotti nanotecnologici intrinsecamente sicuri, rivelandosi soluzioni promettenti per la gestione preventiva del rischio nella produzione e nell’utilizzo delle nanoparticelle e dei prodotti derivati. Tali soluzioni necessitano di essere validate durante tutto il ciclo di vita dei prodotti, con un’attenzione particolarmente rivolta a preservare e ottimizzare gli attributi prestazionali legati alla loro specifica funzionalità, tecniche di produzione, sicurezza, sostenibilità ambientale, rapporto costo/beneficio, requisiti regolatori e di standardizzazione.

Sustainable by Design
Negli ultimi dieci anni ISTEC ha fortemente contribuito, in un panorama europeo, alla promozione di un approccio sostenibile nello sviluppo di nanomateriali e di prodotti da essi derivati e alla gestione del rischio associato alle nanotecnologie (Safe-by-design, Sustainable by design) (SANOWORK, SUN, PROTECT, BIORIMA, PATROLS, NANOINFORMATIX). Nell’ambito di due recenti progetti europei: ASINA (coordinato da ISTEC) e SABYNA (coordinato dal centro tecnologico spagnolo LEITAT) interamente dedicati all’implementazione di strategie di Safe-by Design, sono allo studio:
• la messa a punto di alternative di design su materiali, prodotti e processi
• lo sviluppo di strategie di misurazione e modelli, di facile utilizzo, per un’analisi dei dati e la stima preventiva del rischio.

Control banding (rischio per i lavoratori)
Il crescente sviluppo di processi di produzione di nanomateriali porta ad affrontare e gestire l’incremento potenziale dei rischi per i lavoratori, ritenuti i soggetti più esposti. Al fine di valutare i rischi derivanti dall’esposizione occupazionale ai nanomateriali, abbiamo stretto una collaborazione con CNR-ISAC (Dr. F. Belosi e Dr. F. Ravegnani) per effettuare campagne di monitoraggio dell’emissione di nanoparticelle in scenari occupazionali indoor, partendo dal monitoraggio delle linee pilota del progetto PROTECT, dedicate alla deposizione di rivestimenti nanostrutturali antibatterici su superfici flessibili, come tessuti e membrane.

Identificazione dei descrittori chimico-fisici
Un passo obbligatorio verso lo sviluppo e validazione di strategie di SbD nella progettazione di nanomateriali, è l’identificazione e misurazione dei principali descrittori chimico-fisici, cosiddetti driver per la tossicità, il trasporto e il destino dei nanomateriali nelle matrici biologiche e ambientali.
Nell’ambito dei progetti europei ISTEC studia l’identità chimico-fisica-dei materiali, nelle loro condizioni di esposizione e lungo il loro ciclo di vita, contribuendo anche alla definizione della dose reale somministrata al target biologico.
Diversi set-up sperimentali sono stati ottimizzati per caratterizzare le proprietà colloidali delle nanoparticelle disperse in mezzi rilevanti per l’esposizione, matrici di uso / di misura / o simulanti dei mezzi biologici:

• DLS / ELS per la misurazione del diametro idrodinamico e del potenziale zeta
• ICP-OES per l’analisi elementale in diversi comparti ex vivo / in vitro
• Analisi elettrochimica del potenziale pro-ossidativo.

Standardizzazioni e regolamentazioni per l’utilizzo di nanoparticelle
Il titolo del bando a cui i progetti ASINA e SABYNA hanno risposto, ovvero: “Safe for design: from science to regulation”, sottolinea il ruolo centrale della standardizzazione tecnica. L’Ente nazionale Italiano di Unificazione (UNI) collabora con ISTEC al fine di stabilire un piano d’azione strategico e integrato, che offra dati di input per future attività di standardizzazione di tipo tecnico, in ambito nano-SbD.

Principali collaborazioni
Dr. Matteo Zanotti Russo, Angel Consulting (aspetti regolatori)
Prof. Paride Mantecca, Università Milano Bicocca (test tossicologici)
Prof. Lang Tran, IOM (Institute of Occupational Medicine) (tossicologia di nanoparticelle e fibre inalate, modelli di dosimetria)
Prof. Bengt Fadeel, Karolinska Institute (studio dei meccanismi di tossicità in vitro dei nanomateriali)
Prof. Barbara Rothen, Adolphe Merkle Institute (interazione delle nanoparticelle con le cellule dei polmoni)
Dr. Wendel Wohlleben, BASF SE (fisica dei materiali e tossicologia sperimentale)

Progetti

Pubblicazioni e brevetti

A.L. Costa, “Applying Safety by Molecular Design Concepts to Nanomaterials Risk Management”, Managing Risk in Nanotechnology – Topics in Governance, Assurance and Transfer, Springer Publishing, 2016, Editor (s) Finbarr Murphy, Eamonn M. McAlea, Martin Mullins
A. L. Costa, “A Rational Approach for the Safe Design of Nanomaterial”, Nanotoxicology: Progress toward Nanomedicine, Second Edition, March 3, 2014 by CRC Press Content, Editor(s): Nancy A. Monteiro-Riviere; C. Lang Tran (2014)
R. Bengalli, S. Ortelli, M. Blosi, A. Costa, P. Mantecca, L. Fiandra,. In Vitro Toxicity of TiO2: SiO2 Nanocomposites with Different Photocatalytic Properties. Nanomaterials 9, 1041 (2019)
M.Bianchi, L. Campagnolo, M. Allegri, S. Ortelli, M. Blosi, M. Chiu, G. Taurino, V. Lacconi, A. Pietroiusti, A. L. Costa, C. A. Poland, D. Baird, R. Duffin, O. Bussolati, E. Bergamaschi, Length-dependent toxicity of TiO2 nanofibers: mitigation via shortening. Nanotoxicology 15, 1-20 (2019)
A.L. Costa, M. Blosi, Process for the preparation of nanoparticles of noble metals in hydrogel and nanoparticles thus obtained; US Patent 10,525,432 (2020)