Toxicologia de nanomateriais de carbono - Toxicology of carbon nanomaterials
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Tem havido muitas pesquisas sobre a nanotoxicologia de fulerenos e nanotubos de carbono .
Fulerenos
Uma revisão dos trabalhos sobre a toxicidade do fulereno por Lalwani et al. encontraram poucas evidências de que o C 60 seja tóxico. A toxicidade dessas nanopartículas de carbono varia com a dose, duração, tipo (por exemplo, C 60 , C 70 , M @ C 60 , M @ C 82 ), grupos funcionais usados para solubilizar em água essas nanopartículas (por exemplo, OH, COOH), e método de administração (por exemplo, intravenoso, intraperitoneal). Os autores recomendaram que a farmacologia de cada complexo à base de fulereno ou metalofulereno seja avaliada como um composto diferente.
Moussa et al. (1996-97) estudaram a toxicidade in vivo do C 60 após a administração intra- peritoneal de grandes doses. Nenhuma evidência de toxicidade foi encontrada e os camundongos toleraram uma dose de 5 g / kg de peso corporal. Mori et al. (2006) não encontraram toxicidade em roedores para misturas de C 60 e C 70 após administração oral de uma dose de 2 g / kg de peso corporal e não observaram evidências de potencial genotóxico ou mutagênico in vitro . Outros estudos não conseguiram estabelecer a toxicidade dos fulerenos: ao contrário, o trabalho de Gharbi et al. (2005) sugeriram que as suspensões aquosas de C 60 que não produzem toxicidade aguda ou subaguda em roedores também podem proteger seus fígados de uma forma dependente da dose contra os danos dos radicais livres . Em um estudo primário de 2012 de uma suspensão de azeite de oliva / C 60 administrada a ratos por administração intra-peritoneal ou gavagem oral , foi observada uma vida útil prolongada quase o dobro da vida normal dos ratos e não foi observada toxicidade significativa. Um investigador para este estudo, o Professor Moussa, generalizou suas descobertas em uma entrevista em vídeo e afirmou que o C 60 puro não é tóxico.
Ao considerar os dados toxicológicos, deve-se ter o cuidado de distinguir, se necessário, entre o que normalmente é referido como fulerenos: (C 60 , C 70 , ...); derivados do fulereno: C 60 ou outros fulerenos com grupos químicos ligados covalentemente; complexos de fulereno (por exemplo, solubilizado em água com surfactantes, como C 60 - PVP ; complexos hospedeiro-hóspede, como com ciclodextrina ), onde o fulereno é supermolecular ligado a outra molécula; Nanopartículas C 60 , que são agregados de fase sólida estendidos de cristalitos C 60 ; e nanotubos, que são geralmente moléculas muito maiores (em termos de peso molecular e tamanho), e são diferentes em forma dos fulerenos esferoidais C 60 e C 70 , além de possuírem propriedades químicas e físicas diferentes.
As moléculas acima são todas fulerenos (moléculas totalmente em carbono fechadas), mas não é confiável extrapolar os resultados de C 60 para nanotubos ou vice-versa, pois eles variam de materiais insolúveis em meios hidrofílicos ou lipofílicos, a hidrofílicos, lipofílicos ou até mesmo moléculas anfifílicas e com outras propriedades físicas e químicas variáveis. Um estudo de relacionamento de análise estrutural quantitativa ( QSAR ) pode analisar em quão próximas as moléculas em consideração estão em propriedades físicas e químicas, pode ajudar.
Nanotubos de carbono
Em 2013, o Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional dos Estados Unidos não tinha conhecimento de nenhum relatório de efeitos adversos à saúde em trabalhadores que usam ou produzem nanotubos de carbono ou nanofibras de carbono . No entanto, uma revisão sistemática de 54 estudos com animais de laboratório indicou que eles poderiam causar efeitos pulmonares adversos, incluindo inflamação , granulomas e fibrose pulmonar , que eram de potência semelhante ou maior quando comparados com outros materiais fibrogênicos conhecidos , como sílica , amianto e negro de fumo ultrafino .
Com referência aos nanotubos, um estudo de 2008 sobre nanotubos de carbono introduzidos na cavidade abdominal de camundongos levou os autores a sugerir comparações para " patogenicidade semelhante ao amianto ". Este não foi um estudo de inalação, embora vários tenham sido realizados no passado, portanto, é prematuro concluir que os nanotubos devem ser considerados como tendo um perfil toxicológico semelhante ao do amianto. Por outro lado, e talvez ilustrativo de como as várias classes de moléculas que se enquadram no termo geral fulereno cobrem uma ampla gama de propriedades, Sayes et al. descobriram que a inalação in vivo de C 60 (OH) 24 e nano-C 60 em ratos não produziu efeito, ao passo que, em comparação, as partículas de quartzo produziram uma resposta inflamatória nas mesmas condições. Como afirmado acima, os nanotubos são bastante diferentes em propriedades químicas e físicas para C 60 , ou seja, peso molecular, forma, tamanho, propriedades físicas (como solubilidade), todos são muito diferentes, portanto, do ponto de vista toxicológico, resultados diferentes para C 60 e os nanotubos não são sugestivos de qualquer discrepância nas descobertas.
Um estudo de 2016 relatou em trabalhadores em uma fábrica de MWCNT em grande escala na Rússia com níveis de exposição ocupacional relativamente altos, descobrindo que a exposição a MWCNTs causou um aumento significativo em várias citocinas inflamatórias e outros biomarcadores para doença pulmonar intersticial.
Toxicidade
A toxicidade dos nanotubos de carbono tem sido uma questão importante na nanotecnologia. Em 2007, essa pesquisa havia apenas começado. Os dados ainda são fragmentários e sujeitos a críticas. Os resultados preliminares destacam as dificuldades em avaliar a toxicidade deste material heterogêneo. Parâmetros como estrutura, distribuição de tamanho , área de superfície , química de superfície, carga de superfície e estado de aglomeração , bem como pureza das amostras, têm impacto considerável na reatividade dos nanotubos de carbono. No entanto, os dados disponíveis mostram claramente que, em algumas condições, os nanotubos podem atravessar as barreiras da membrana, o que sugere que, se as matérias-primas chegarem aos órgãos, podem induzir efeitos nocivos, como reações inflamatórias e fibróticas.
Caracterização de efeitos
Em 2014, especialistas da Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (IARC) avaliaram a carcinogenicidade dos CNTs, incluindo SWCNTs e MWCNTs. Nenhum dado epidemiológico ou de câncer humano estava disponível para o Grupo de Trabalho da IARC na época, então a avaliação se concentrou nos resultados de estudos em animais in vivo avaliando a carcinogenicidade de SWCNTs e MWCNTs em roedores.
O Grupo de Trabalho concluiu que havia evidência suficiente para o tipo específico de MWCNT "MWCNT-7", evidência limitada para os outros dois tipos de MWCNTs com dimensões semelhantes a MWCNT-7 e evidência inadequada para SWCNTs. Portanto, foi acordado classificar especificamente MWCNT-7 como possivelmente carcinogênico para humanos ( Grupo 2B ), enquanto as outras formas de CNT, nomeadamente SWCNT e outros tipos de MWCNT, excluindo MWCNT-7, foram considerados não classificáveis quanto à sua carcinogenicidade para humanos ( Grupo 3 ) devido à falta de evidências coerentes.
Os resultados de estudos com roedores mostram coletivamente que, independentemente do processo pelo qual os CNTs foram sintetizados e os tipos e quantidades de metais que eles continham, os CNTs eram capazes de produzir inflamação , granulomas epitelióides (nódulos microscópicos), fibrose e alterações bioquímicas / toxicológicas nos pulmões . Estudos comparativos de toxicidade em que ratos receberam pesos iguais de materiais de teste mostraram que os SWCNTs eram mais tóxicos do que o quartzo , o que é considerado um sério risco à saúde ocupacional quando inalado cronicamente. Como controle, o negro de fumo ultrafino demonstrou produzir respostas pulmonares mínimas.
Os nanotubos de carbono se depositam nos ductos alveolares ao se alinharem longitudinalmente com as vias aéreas; os nanotubos geralmente se combinam com metais. O formato da fibra em forma de agulha dos CNTs é semelhante às fibras de amianto . Isso levanta a ideia de que o uso generalizado de nanotubos de carbono pode levar ao mesotelioma pleural , um câncer do revestimento dos pulmões, ou mesotelioma peritoneal , um câncer do revestimento do abdômen (ambos causados pela exposição ao amianto). Um estudo piloto publicado recentemente apóia essa previsão. Os cientistas expuseram o revestimento mesotelial da cavidade do corpo de camundongos a longos nanotubos de carbono de paredes múltiplas e observaram um comportamento patogênico semelhante ao amianto, dependente do comprimento, que incluiu inflamação e formação de lesões conhecidas como granulomas . Os autores do estudo concluem:
Isso é de importância considerável, porque as comunidades de pesquisa e negócios continuam a investir pesadamente em nanotubos de carbono para uma ampla gama de produtos, supondo que eles não sejam mais perigosos do que o grafite. Nossos resultados sugerem a necessidade de mais pesquisas e grande cautela antes de introduzir tais produtos no mercado, caso se pretenda evitar danos a longo prazo.
Embora mais pesquisas sejam necessárias, os dados disponíveis sugerem que, sob certas condições, especialmente aquelas que envolvem exposição crônica, os nanotubos de carbono podem representar um sério risco à saúde humana.
Caracterização de Exposição
É importante considerar os cenários de exposição ao tentar determinar a toxicidade e os riscos associados a esses materiais diversos e difíceis de estudar. Estudos de exposição foram conduzidos nos últimos anos em um esforço para determinar onde e qual a probabilidade de exposição. Uma vez que os CNTs estão sendo incorporados a materiais compostos por sua capacidade de fortalecer os materiais sem adicionar peso significativo, a fabricação de CNTs e compostos ou híbridos incluindo CNTs, o processamento subsequente dos artigos e equipamentos feitos de compostos e processos de fim de vida, tais como reciclagem ou incineração, todos representam fontes potenciais de exposição. O potencial de exposição ao usuário final não é tão provável, no entanto, como os CNTs estão sendo incorporados em novos produtos, pode haver necessidade de mais pesquisas.
Um estudo realizou amostragem pessoal e de área em sete fábricas diferentes envolvendo principalmente a fabricação de MWCNTs. Este estudo descobriu que os processos de trabalho que solicitam nanopartículas, não necessariamente apenas a liberação de CNT, incluem "pulverização, preparação de CNT, dispersão ultrassônica, aquecimento de wafer e abertura da tampa do banho de água." As concentrações de exposição para amostragem pessoal e de área indicaram que a exposição da maioria dos trabalhadores estava bem abaixo do definido pela ACGIH para o negro de fumo.
O processamento de materiais compostos apresenta potencial de exposição durante o corte, perfuração ou abrasão. Dois tipos diferentes de compósitos foram testados em laboratório durante o processamento sob diferentes condições para determinar liberações potenciais. As amostras foram usinadas usando um processo de corte a seco e um processo de corte úmido com medições feitas na fonte e na zona de respiração. Os compósitos testados variaram de acordo com o método de fabricação e componentes. Um era grafite e epóxi com camadas de CNTs alinhados e o outro era uma alumina tecida com CNTs alinhados na superfície. O corte a seco de ambos demonstrou ser uma preocupação em relação às concentrações medidas na zona de respiração, enquanto o corte úmido, método preferido, mostrou-se um método muito melhor de controle de exposições potenciais durante este tipo de processamento.
Outro estudo forneceu resultados de amostragem de zona e área de respiração de quatorze locais que trabalham com CNTs em uma variedade de maneiras para avaliação de exposição potencial. Esses sites incluíam a fabricação de CNTs, produtores / usuários de híbridos e fabricantes secundários na indústria de eletrônicos ou na indústria de compósitos. As exposições médias mais altas encontradas em amostras de zona de respiração foram encontradas em fabricantes secundários de eletrônicos, depois em sites de compósitos e híbridos, enquanto as exposições médias mais baixas foram encontradas em sites de fabricantes primários. Relativamente poucas amostras retornaram resultados superiores ao nível de exposição recomendado, conforme publicado pelo NIOSH.
Embora existam estratégias de desenvolvimento para o uso de CNTs em uma variedade de produtos, os potenciais de exposição até agora parecem ser baixos na maioria dos ambientes ocupacionais. Isso pode mudar conforme novos produtos e métodos de fabricação ou avanços de processamento secundário; portanto, as avaliações de risco devem ser parte integrante de qualquer planejamento para novas aplicações.
Epidemiologia e Gestão de Risco
Resumo dos Estudos Epidemiológicos
Atualmente, há uma falta de evidências epidemiológicas ligando a exposição ao CNT aos efeitos na saúde humana. Até o momento, houve apenas um punhado de estudos epidemiológicos publicados que examinaram exclusivamente os efeitos na saúde relacionados à exposição ao CNT, enquanto vários outros estudos estão em andamento e ainda não foram publicados. Com a quantidade limitada de dados humanos, os cientistas estão mais dependentes dos resultados dos estudos de toxicidade em animais atuais para prever efeitos adversos para a saúde, bem como aplicar o que já se sabe sobre a exposição a outros materiais fibrosos, como o amianto ou multa e ultra-finas partículas . Essa limitação dos dados humanos levou ao uso do princípio da precaução, que insta os locais de trabalho a limitar os níveis de exposição ao CNT o mais baixo possível na ausência de dados de efeitos sobre a saúde conhecidos.
Os estudos de epidemiologia de nanomateriais até agora consideraram uma variedade de nanomateriais. Poucos foram específicos para CNTs e cada um considerou um tamanho de amostra pequeno. Esses estudos encontraram algumas relações entre os marcadores biológicos e a exposição ao MWCNT. Um estudo transversal para avaliar os efeitos na saúde foi conduzido para determinar associações de biomarcadores em relação à exposição medida ao CNT. Embora nenhum efeito na função pulmonar devido à exposição tenha sido encontrado, o estudo observou algumas indicações de sinais precoces de efeitos a biomarcadores associados à exposição a MWCNTs. Além disso, alguns resultados foram contraditórios com estudos anteriores in vitro, tornando necessários mais estudos para definir os efeitos.
Resumo da avaliação de risco NIOSH
O NIOSH realizou uma avaliação de risco com base nos estudos disponíveis para determinar as recomendações apropriadas dos níveis de exposição. A revisão descobriu que, embora os efeitos na saúde humana não tenham sido observados diretamente, houve estudos em animais que mostraram efeitos potenciais à saúde que poderiam ser razoavelmente esperados em humanos após exposição suficiente. Além dos estudos em animais, os estudos com células humanas foram revisados e determinaram que efeitos prejudiciais foram expressos. Em última análise, a avaliação de risco descobriu que os dados mais relevantes para calcular o REL foram os estudos em animais. Correções para diferenças entre espécies e atualizações para refletir o avanço das tecnologias em métodos de amostragem e capacidades de detecção foram consideradas como parte da avaliação de risco. O REL resultante é várias ordens de magnitude menor do que os de outras partículas de carbono importantes, grafite e negro de fumo.
Gerenciamento de riscos
Até o momento, várias agências governamentais internacionais, bem como autores individuais, desenvolveram limites de exposição ocupacional (OEL) para reduzir o risco de quaisquer possíveis efeitos na saúde humana associados à exposição ao CNT no local de trabalho. O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) conduziu uma avaliação de risco usando animais e outros dados toxicológicos relevantes para avaliar os potenciais efeitos respiratórios adversos não malignos do CNT e propôs um OEL de 1 μg / m 3 de carbono elementar como uma massa respirável Concentração de média ponderada no tempo (TWA) de 8 horas. Vários autores individuais também realizaram avaliações de risco semelhantes usando dados de toxicidade animal e estabeleceram limites de exposição por inalação variando de 2,5 a 50 ug / m 3 . Uma dessas avaliações de risco usou dois dados de dois tipos diferentes de exposições para trabalhar em direção a um OEL como parte de uma gestão adaptativa onde há uma expectativa de que as recomendações serão reavaliadas conforme mais dados se tornem disponíveis.
Segurança e prevenção de exposição
As exposições ocupacionais que poderiam potencialmente permitir a inalação de CNT são de grande preocupação, especialmente em situações em que o CNT é manuseado na forma de pó que pode ser facilmente aerossolizado e inalado. Também são preocupantes quaisquer processos de alta energia que são aplicados a várias preparações de CNT, como a mistura ou sonicação de CNT em líquidos, bem como processos que cortam ou perfuram compósitos à base de CNT em produtos a jusante. Esses tipos de processos de alta energia aerossolizam o CNT, que pode então ser inalado.
A orientação para minimizar a exposição e o risco ao CNT foi publicada por várias agências internacionais, incluindo vários documentos do British Health and Safety Executive intitulado "Usando nanomateriais no trabalho, incluindo nanotubos de carbono e outros nanomateriais bio-persistentes de alta proporção de aspecto" e o "Gerenciamento de Risco de Nanotubos de carbono" Trabalho Seguro Austrália também publicou orientação intitulado 'manuseio seguro e uso de nanotubos de carbono', que descreve duas abordagens para a gestão dos riscos, que incluem gestão de risco com a análise de risco detalhada e avaliação da exposição, bem como gestão de risco, utilizando Banding Controle . O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional também publicou um documento intitulado "Current Intelligence Bulletin 65: Exposição Ocupacional a Nanotubos e Nanofibras de Carbono" descreve estratégias para controlar a exposição no local de trabalho e implementar um programa de vigilância médica. A Administração de Segurança e Saúde Ocupacional publicou uma "Ficha informativa OSHA, Segurança no trabalho com nanomateriais" para uso como orientação, além de uma página da web que hospeda uma variedade de recursos.
Esses documentos de orientação geralmente defendem a instituição dos princípios da Hierarquia de Controle de Risco, que é um sistema usado na indústria para minimizar ou eliminar a exposição a riscos. Os controles de perigo na hierarquia são, em ordem decrescente de eficácia:
- Eliminação de uma exposição potencial.
- Substituição por um produto químico ou processo menos perigoso.
- Controles de engenharia, como sistemas de ventilação, blindagem ou gabinetes.
- Controles administrativos, incluindo treinamento, políticas, procedimentos escritos, cronogramas de trabalho, etc.
- Equipamento de proteção pessoal