Mentre i ricercatori di tutto il mondo si affrettano a impiegare la nanotecnologia per migliorare i metodi di produzione per applicazioni che vanno dalla produzione di materiali alla creazione di nuovi farmaci farmaceutici, esiste una sfida separata ma ugualmente avvincente.

La storia ha dimostrato che le precedenti rivoluzioni industriali, come quelli che coinvolgono amianto e clorofluorocarburi, hanno avuto gravi ripercussioni ambientali. Anche la nanotecnologia può rappresentare un rischio?

Linsey Marr e Peter Vikesland, docenti del Dipartimento Via di Ingegneria Civile e Ambientale della Virginia Tech, fanno parte del Centro nazionale per le implicazioni ambientali delle nanotecnologie (CEINT), finanziato dalla National Science Foundation (NSF) nel 2008. Insieme a Michael Hochella, Illustre Professore Universitario di Geoscienze, rappresentano gli sforzi di Virginia Tech in un consorzio di nove membri assegnato $ 14 milioni in cinque anni, a partire dal 2008. La quota di Virginia Tech è di 1,75 milioni di dollari.

CEINT è dedicato a chiarire la relazione tra una vasta gamma di nanomateriali — da naturali, a fabbricato, a quelli prodotti accidentalmente dalle attività umane - e la loro potenziale esposizione ambientale, effetti biologici, e conseguenze ecologiche. Si concentrerà sul destino e sul trasporto di nanomateriali naturali e fabbricati negli ecosistemi.

Con sede presso la Duke University, CEINT è la collaborazione tra Duke, Università Carnegie Mellon, Università di Howard, e Virginia Tech come membri principali, così come ricercatori dell'Università del Kentucky e della Stanford University. Le collaborazioni accademiche del CEINT negli Stati Uniti includono anche attività in corso coordinate con la facoltà di Clemson, Stato della Carolina del Nord, UCLA, e Purdue università. Alla Virginia Tech, Il CEINT fa parte dell'Istituto di tecnologia critica e scienze applicate (ICTAS) dell'Università.

Scienziati e ingegneri del centro hanno delineato piani per condurre ricerche sui possibili impatti sulla salute ambientale dei nanomateriali. I piani includono nuovi approcci, come la creazione di un modello tossicologico predittivo basato su saggi cellulari e la costruzione di ecosistemi per tracciare le nanoparticelle.

Caratterizzazione delle particelle aerodisperse

In uno dei nuovi modi in cui Marr sta conducendo i suoi test, lei e i suoi colleghi stanno coltivando cellule polmonari umane e le stanno mettendo in camere che lasciano la superficie delle cellule polmonari esposta all'aria. Questo posizionamento consente il contatto diretto delle cellule con particelle aerosolizzate all'interfaccia aria-liquido (ALI). Uno dei ricercatori post-dottorato di Marr, Amara titolare, e colleghi di Berkeley hanno precedentemente esposto le celle a particelle nei gas di scarico del diesel ea una fiamma di metano. Hanno confrontato l'esposizione ad ALI con l'esposizione convenzionale in vitro, dove le particelle sono sospese in un mezzo di coltura cellulare liquido.

"I nostri risultati hanno mostrato che la via di inalazione dell'esposizione all'ALI è un approccio in vitro rilevante ed è più reattiva rispetto all'esposizione convenzionale alle sospensioni di particelle, " hanno concluso. Ora, Marr e i suoi colleghi stanno ripetendo l'esposizione con nanoparticelle ingegnerizzate. I ricercatori miglioreranno la deposizione di particelle più piccole generando un campo elettrico e "facendo affidamento sulla forza elettroforetica per guidare le particelle cariche sulla superficie cellulare".

"Con questo disegno, le cellule polmonari possono essere esposte a un numero considerevole di nanoparticelle ingegnerizzate aerosolizzate, come argento e ossidi metallici, come singole particelle piuttosto che grandi agglomerati, " Marr ha spiegato. Una sfida nei test di tossicità delle nanoparticelle è stata che particelle molto piccole amano formare aggregati, quindi testare le interazioni delle particelle più piccole con le cellule richiede approcci speciali.

Marr e uno dei suoi studenti laureati, Andrea Tiwari, hanno selezionato il fullerene C60 come modello per i nanomateriali carboniosi per la sua relativa semplicità, evidenza di tossicità, e ricca storia nella letteratura scientifica. La scoperta della mescola C60 nel 1985 valse ad Harold Kroto, James R. Heath, e Richard Smalley il Premio Nobel 1996 per la Chimica. I fullereni C60 e le loro variazioni vengono utilizzati in tutta l'industria delle nanotecnologie.

"È probabile che i nanomateriali carboniosi dispersi nell'aria si trovino negli impianti di produzione e nell'aria ambiente e possono presentare effetti tossici se inalati, " Dissero Marr e Tiwari. Hanno inoltre teorizzato che quando esposti all'aria, è probabile che i nanomateriali vengano trasformati chimicamente dopo l'esposizione agli ossidanti nell'atmosfera.

Nei loro studi preliminari, i risultati indicano che "l'ossidazione ha un impatto sulla solubilità, poiché l'assorbanza dopo la risospensione in acqua è inferiore per i fullereni esposti all'ozono." L'implicazione è che le reazioni nell'atmosfera possono trasformare le nanoparticelle e renderle più propense a dissolversi in acqua una volta depositate sulla terra. possono viaggiare più lontano ed entrare in contatto con più organismi che se fossero attaccati al suolo.

Per raccogliere le nanoparticelle aerodisperse per l'analisi, Il gruppo di Marr ha progettato un precipitatore termoforetico a basso costo che utilizza acqua ghiacciata come fonte di raffreddamento e un resistore da 10 W come fonte di riscaldamento. Hanno fatto fluire aerosol sintetici attraverso il precipitatore e hanno usato un microscopio elettronico a trasmissione per ispezionare le particelle.

"L'analisi preliminare ha confermato che questo precipitatore era efficace nella raccolta di nanoparticelle di un'ampia gamma di dimensioni e sarà efficace negli studi futuri sulle nanoparticelle trasportate dall'aria, "Marco ha detto.

Man mano che il suo lavoro in questo campo progredisce, Marr ha potuto utilizzare la sua ricerca nella caratterizzazione delle concentrazioni di particelle sospese nell'aria durante la produzione di nanomateriali carboniosi, come fullereni e nanotubi di carbonio, in un impianto di nanotecnologia commerciale. Sulla base delle misurazioni del suo studio, fatto con Behnoush Yeganeh, Christy Kull e Mathew Hull, tutti i laureati, hanno concluso che i controlli ingegneristici presso la struttura "sembrano essere efficaci nel limitare l'esposizione ai nanomateriali, " e hanno riportato i loro risultati nella pubblicazione dell'American Chemical Society Scienze e tecnologie ambientali (Vol. 42, n. 12, 2008)

Però, indicano i limiti di questo studio iniziale che si è concentrato principalmente sulla caratterizzazione fisica, e che non distingueva tra le particelle generate dalla produzione di fuliggine di nanomateriali e quelle provenienti da altre fonti.

Effetti degli acidi carbossilici sulla formazione di aggregati nC60

"La crescente produzione e applicazione del fullerene C60 a causa delle sue proprietà distintive porterà inevitabilmente al suo rilascio nell'ambiente, "Il collega di Marr, Vikesland, disse. Già, il biomedico, optoelettronica, sensori e industrie cosmetiche sono tra gli utenti del fullerene C60.

"Attualmente si sa poco dell'interazione del fullerene C60 con i costituenti delle acque naturali, e quindi è difficile prevedere il destino del C60 che viene rilasciato nell'ambiente naturale, " Ha aggiunto Vikesland. "Il fullerene C60 è praticamente insolubile in acqua".

Però, uno dei componenti dell'acqua naturale è la materia organica naturale (NOM). Quando il fullerene C60 viene rilasciato in acqua, forma "aggregati colloidali C60 dispersi altamente stabili o nC60, " Ha spiegato Vikesland. Questi aggregati possono presentare disparità significative nella struttura degli aggregati, dimensione, morfologia, e carica superficiale e si comportano in modo molto diverso rispetto al solo C60.

Il problema con NOM è la sua casualità, con conseguente diverse caratteristiche degli aggregati che si formano quando si mescolano con il C60.

Così, Vikesland sta esaminando gli acidi carbossilici di piccolo peso molecolare come l'acido acetico, acido tartarico, e acido citrico, tutti i costituenti ampiamente rilevati dell'acqua naturale e dei fluidi biologici. Lui e il suo studente laureato Xiaojun Chang hanno esaminato in modo specifico la formazione di nC60 in soluzioni di acido acetico (aceto), sottoposto gli aggregati a miscelazione prolungata, e hanno scoperto che la chimica della soluzione differisce sostanzialmente da nC60 miscelata in sola acqua.

"Il citrato influenza la formazione del nC60 in due modi, " ha detto Vikesland. Altera il pH, un fattore chiave nel controllo della carica superficiale di nC60 e interagisce direttamente con la superficie C60.

Vikesland ha spiegato il significato di questo risultato. Quando nC60 viene prodotto in presenza degli acidi carbossilici, i suoi aggregati differiscono significativamente da quelli prodotti senza gli acidi. Generalmente, Vikesland ha detto, questi aggregati hanno cariche superficiali più negative e sono più omogenei di quelli prodotti nella sola acqua.

"Questi risultati suggeriscono che il destino finale del C60 in ambienti acquosi è probabilmente influenzato in modo significativo dalle quantità e dai tipi di acidi carbossilici presenti nei sistemi naturali e dal pH della soluzione, " ha aggiunto Vikesland. Inoltre, perché gli acidi carbossilici sono comuni nei fluidi biologici, Vikesland è interessato al modo in cui le sue scoperte si riferiscono ai meccanismi con cui il C60 interagisce con le cellule in vivo.

Questi acidi possono influenzare in modo significativo le conclusioni raggiunte in ultima analisi sull'impatto del fullerene C60 nell'ambiente. Il suo lavoro attuale appare in un numero di Inquinamento ambientale v157, numero 4 (aprile 2009), pp. 1072-1080.