A medida que los investigadores de todo el mundo se apresuran a emplear la nanotecnología para mejorar los métodos de producción para aplicaciones que van desde la fabricación de materiales hasta la creación de nuevos medicamentos farmacéuticos, Existe un desafío separado pero igualmente convincente.

La historia ha demostrado que las revoluciones industriales anteriores, como los que involucran amianto y clorofluorocarbonos, han tenido algunos impactos ambientales graves. ¿Podría la nanotecnología también representar un riesgo?

Linsey Marr y Peter Vikesland, miembros de la facultad en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Via en Virginia Tech, son parte del Centro Nacional de Implicaciones Ambientales de la Nanotecnología (CEINT), financiado por la National Science Foundation (NSF) en 2008. Junto con Michael Hochella, Profesor Universitario Distinguido de Geociencias, representan los esfuerzos de Virginia Tech en un consorcio de nueve miembros a los que se les otorgó $ 14 millones durante cinco años, a partir de 2008. La porción de Virginia Tech es de $ 1,75 millones.

CEINT se dedica a dilucidar la relación entre una amplia gama de nanomateriales, desde naturales, a fabricar, a los producidos incidentalmente por actividades humanas - y su potencial exposición ambiental, efectos biológicos, y consecuencias ecológicas. Se centrará en el destino y el transporte de nanomateriales naturales y manufacturados en los ecosistemas.

Con sede en la Universidad de Duke, CEINT es una colaboración entre Duke, Universidad de Carnegie mellon, Universidad de Howard, y Virginia Tech como miembros principales, así como investigadores de la Universidad de Kentucky y la Universidad de Stanford. Las colaboraciones académicas de CEINT en los EE. UU. También incluyen actividades en curso coordinadas con la facultad de Clemson, Estado de Carolina del Norte, UCLA, y universidades de Purdue. En Virginia Tech, CEINT es parte del Instituto de Tecnología Crítica y Ciencias Aplicadas (ICTAS) de la Universidad.

Los científicos e ingenieros del centro han esbozado planes para realizar investigaciones sobre los posibles impactos de los nanomateriales en la salud ambiental. Los planes incluyen nuevos enfoques, como la creación de un modelo de toxicología predictiva basado en ensayos celulares y la construcción de ecosistemas para rastrear nanopartículas.

Caracterización de partículas en suspensión

En una de las formas novedosas en que Marr está realizando sus pruebas, ella y sus colegas están cultivando células pulmonares humanas y colocándolas en cámaras que dejan la superficie de las células pulmonares expuesta al aire. Esta ubicación permite el contacto directo de las células con partículas aerosolizadas en la interfaz aire-líquido (ALI). Uno de los investigadores postdoctorales de Marr, Titular de Amara, y sus colegas de Berkeley han expuesto previamente las células a partículas en el escape de diesel y una llama de metano. Compararon la exposición a ALI con la exposición in vitro convencional, donde las partículas se suspenden en un medio de cultivo celular líquido.

"Nuestros hallazgos mostraron que la vía de inhalación de exposición a ALI es un enfoque in vitro relevante y es más sensible que la exposición convencional a suspensiones de partículas, ", concluyeron. Ahora, Marr y sus colegas están repitiendo la exposición con nanopartículas diseñadas. Los investigadores mejorarán la deposición de partículas más pequeñas generando un campo eléctrico y "confiando en la fuerza electroforética para impulsar las partículas cargadas a la superficie celular".

"Con este diseño, las células pulmonares pueden estar expuestas a cantidades sustanciales de nanopartículas diseñadas en aerosol, como la plata y los óxidos metálicos, como partículas individuales en lugar de grandes aglomerados, ", Explicó Marr. Un desafío en las pruebas de toxicidad de las nanopartículas ha sido que a las partículas muy pequeñas les gusta formar agregados, por lo que probar las interacciones de las partículas más pequeñas con las células requiere enfoques especiales.

Marr y uno de sus estudiantes de posgrado, Andrea Tiwari, han seleccionado el fullereno C60 como modelo para nanomateriales carbonosos debido a su relativa simplicidad, evidencia de toxicidad, y rica historia en la literatura científica. El descubrimiento del compuesto C60 en 1985 le valió a Harold Kroto, James R. Heath, y Richard Smalley el Premio Nobel de Química de 1996. Los fullerenos C60 y sus variaciones se están utilizando en toda la industria de la nanotecnología.

"Es probable que se encuentren nanomateriales carbonosos en el aire en las instalaciones de producción y en el aire ambiente y pueden presentar efectos tóxicos si se inhalan, "Dijeron Marr y Tiwari. Teorizaron además que cuando se exponen al aire, Es probable que los nanomateriales se transformen químicamente después de la exposición a oxidantes en la atmósfera.

En sus estudios preliminares, Los resultados indican que "la oxidación afecta la solubilidad, ya que la absorbancia después de la resuspensión en agua es menor para los fullerenos expuestos al ozono ". La implicación es que las reacciones en la atmósfera pueden transformar las nanopartículas y hacer que sea más probable que se disuelvan en agua una vez que se depositan de nuevo en la tierra. pueden viajar más lejos y entrar en contacto con más organismos que si estuvieran pegados al suelo.

Para recolectar nanopartículas en el aire para su análisis, El grupo de Marr diseñó un precipitador termoforético de bajo costo que usa agua helada como fuente de enfriamiento y una resistencia de 10 W como fuente de calentamiento. Hicieron fluir aerosoles sintéticos a través del precipitador y utilizaron un microscopio electrónico de transmisión para inspeccionar las partículas.

"El análisis preliminar confirmó que este precipitador fue eficaz en la recolección de nanopartículas de una amplia gama de tamaños y será eficaz en futuros estudios de nanopartículas en el aire, "Dijo Marr.

A medida que avanza su trabajo en este campo, Marr pudo utilizar su investigación en la caracterización de concentraciones de partículas en el aire durante la producción de nanomateriales carbonosos, como fullerenos y nanotubos de carbono, en una instalación comercial de nanotecnología. Según las medidas de su estudio, hecho con Behnoush Yeganeh, Christy Kull y Mathew Hull, todos los estudiantes de posgrado, llegaron a la conclusión de que los controles de ingeniería en la instalación "parecen ser eficaces para limitar la exposición a los nanomateriales, "e informó de sus hallazgos en la publicación de la American Chemical Society Ciencia y Tecnología Ambiental (Vol. 42, No. 12, 2008)

Sin embargo, señalan las limitaciones de este estudio inicial que se centró principalmente en la caracterización física, y que no diferenciaba entre las partículas generadas por la producción de hollín de nanomateriales y las de otras fuentes.

Efectos de los ácidos carboxílicos sobre la formación de agregados nC60

"La creciente producción y aplicación del fullereno C60 debido a sus propiedades distintivas conducirá inevitablemente a su liberación al medio ambiente, "Colega de Marr, Vikesland, dijo. Ya, el biomédico, optoelectrónica, Las industrias de sensores y cosméticos se encuentran entre los usuarios del fullereno C60.

"Actualmente se sabe poco sobre la interacción del fullereno C60 con los componentes de las aguas naturales, y, por lo tanto, es difícil predecir el destino del C60 que se libera en el entorno natural, "Agregó Vikesland." El fullereno C60 es virtualmente insoluble en agua ".

Sin embargo, uno de los componentes del agua natural es la materia orgánica natural (NOM). Cuando el fullereno C60 se libera en el agua, forma "agregados C60 coloidales dispersos altamente estables o nC60, "Explicó Vikesland. Estos agregados pueden mostrar disparidades significativas en la estructura agregada, Talla, morfología, y se cargan en la superficie y se comportan de manera muy diferente al C60 solo.

El problema con NOM es su aleatoriedad, resultando en diversas características de los agregados que se forman cuando se mezclan con el C60.

Entonces, Vikesland está analizando ácidos carboxílicos de bajo peso molecular como el ácido acético, ácido tartárico, y ácido cítrico, todos los componentes ampliamente detectados del agua natural y de los fluidos biológicos. Él y su estudiante graduado Xiaojun Chang han analizado específicamente la formación de nC60 en soluciones de ácido acético (vinagre), sometido los agregados a una mezcla prolongada, y encontró que la química de la solución difiere sustancialmente del nC60 mezclado solo con agua.

"El citrato afecta la formación del nC60 de dos maneras, ", Dijo Vikesland. Altera el pH, un factor clave en el control de la carga superficial de nC60 e interactúa directamente con la superficie C60.

Vikesland explicó la importancia de este resultado. Cuando se produce nC60 en presencia de ácidos carboxílicos, sus agregados difieren significativamente de los producidos sin los ácidos. En general, Vikesland dijo:estos agregados tienen cargas superficiales más negativas y son más homogéneos que los producidos solo en agua.

"Estos resultados sugieren que es probable que el destino final del C60 en ambientes acuosos se vea afectado significativamente por las cantidades y tipos de ácidos carboxílicos presentes en los sistemas naturales y por el pH de la solución, "Añadió Vikesland. Además, debido a que los ácidos carboxílicos son comunes en los fluidos biológicos, Vikesland está interesado en cómo sus hallazgos se relacionan con los mecanismos por los cuales C60 interactúa con las células in vivo.

Estos ácidos pueden afectar significativamente cualquier conclusión a la que se llegue finalmente con respecto al impacto del fullereno C60 en el medio ambiente. Su trabajo actual aparece en un número de Contaminación ambiental v157, número 4 (abril de 2009), págs. 1072-1080.