À medida que pesquisadores em todo o mundo se apressam a empregar nanotecnologia para melhorar os métodos de produção para aplicações que vão desde a fabricação de materiais até a criação de novos medicamentos farmacêuticos, existe um desafio separado, mas igualmente convincente.

A história mostra que as revoluções industriais anteriores, como os que envolvem amianto e cloroflurocarbonos, tiveram alguns impactos ambientais graves. A nanotecnologia também pode representar um risco?

Linsey Marr e Peter Vikesland, membros do corpo docente do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Via na Virginia Tech, fazem parte do Centro Nacional de Implicações Ambientais da Nanotecnologia (CEINT), financiado pela National Science Foundation (NSF) em 2008. Junto com Michael Hochella, Distinto Professor Universitário de Geociências, eles representam os esforços da Virginia Tech em um consórcio de nove membros que recebeu US $ 14 milhões em cinco anos, começando em 2008. A parcela da Virginia Tech é de US $ 1,75 milhão.

CEINT se dedica a elucidar a relação entre uma vasta gama de nanomateriais - desde naturais, fabricado, àqueles produzidos incidentalmente por atividades humanas - e sua potencial exposição ambiental, efeitos biológicos, e consequências ecológicas. Ele se concentrará no destino e no transporte de nanomateriais naturais e manufaturados nos ecossistemas.

Com sede na Duke University, CEINT é a colaboração entre Duke, Universidade Carnegie Mellon, Howard University, e Virginia Tech como membros principais, bem como investigadores da University of Kentucky e da Stanford University. As colaborações acadêmicas do CEINT nos EUA também incluem atividades em andamento coordenadas com o corpo docente da Clemson, Estado da Carolina do Norte, UCLA, e universidades de Purdue. Na Virginia Tech, CEINT faz parte do Instituto de Tecnologia Crítica e Ciências Aplicadas (ICTAS) da Universidade.

Cientistas e engenheiros do centro delinearam planos para conduzir pesquisas sobre os possíveis impactos ambientais dos nanomateriais na saúde. Os planos incluem novas abordagens, como a criação de um modelo de toxicologia preditiva baseado em ensaios de células e a construção de ecossistemas para rastrear nanopartículas.

Caracterização de Partículas Aerotransportadas

Em uma das novas maneiras de Marr está conduzindo seus testes, ela e seus colegas estão cultivando células do pulmão humano e colocando-as em câmaras que deixam a superfície das células do pulmão exposta ao ar. Este posicionamento permite o contato direto das células com partículas aerossolizadas na interface ar-líquido (ALI). Um dos pesquisadores de pós-doutorado de Marr, Amara Holder, e colegas de Berkeley já expuseram as células a partículas no escapamento de diesel e uma chama de metano. Eles compararam a exposição ALI com a exposição in vitro convencional, onde as partículas são suspensas em um meio de cultura de células líquido.

"Nossos resultados mostraram que a rota de inalação de exposição ALI é uma abordagem in vitro relevante e é mais responsiva do que a exposição convencional a suspensões de partículas, "concluíram. Agora, Marr e seus colegas estão repetindo a exposição com nanopartículas projetadas. Os pesquisadores vão aumentar a deposição de partículas menores, gerando um campo elétrico e "contando com a força eletroforética para conduzir as partículas carregadas à superfície da célula".

"Com este design, as células pulmonares podem ser expostas a um número substancial de nanopartículas projetadas em aerossol, como óxidos de prata e metal, como partículas únicas, em vez de grandes aglomerados, "Marr explicou. Um desafio em testes de toxicidade das nanopartículas é que partículas muito pequenas gostam de formar agregados, portanto, testar as interações das menores partículas com as células requer abordagens especiais.

Marr e um de seus alunos de pós-graduação, Andrea Tiwari, selecionaram o fulereno C60 como modelo para nanomateriais carbonosos devido à sua relativa simplicidade, evidência de toxicidade, e rica história na literatura científica. A descoberta do composto C60 em 1985 rendeu Harold Kroto, James R. Heath, e Richard Smalley, o Prêmio Nobel de Química de 1996. Fulerenos C60 e variações deles estão sendo usados ​​em toda a indústria de nanotecnologia.

"Nanomateriais carbonosos transportados pelo ar podem ser encontrados em instalações de produção e no ar ambiente e podem apresentar efeitos tóxicos se inalados, "Marr e Tiwari disseram. Eles ainda teorizaram que, quando expostos ao ar, é provável que os nanomateriais sejam quimicamente transformados após a exposição aos oxidantes na atmosfera.

Em seus estudos preliminares, os resultados indicam que "a oxidação afeta a solubilidade, já que a absorvância após a ressuspensão em água é menor para os fulerenos expostos ao ozônio. "A implicação é que as reações na atmosfera podem transformar as nanopartículas e torná-las mais propensas a se dissolverem na água, uma vez que se depositem de volta na terra. eles podem viajar mais longe e entrar em contato com mais organismos do que se estivessem presos ao solo.

Para coletar nanopartículas aerotransportadas para análise, O grupo de Marr projetou um precipitador termoforético de baixo custo que usa água gelada como fonte de resfriamento e um resistor de 10 W como fonte de aquecimento. Eles espalharam aerossóis sintéticos pelo precipitador e usaram um microscópio eletrônico de transmissão para inspecionar as partículas.

"A análise preliminar confirmou que este precipitador foi eficaz na coleta de nanopartículas de uma ampla gama de tamanhos e será eficaz em estudos futuros de nanopartículas transportadas pelo ar, "Marr disse.

Conforme seu trabalho neste campo avança, Marr foi capaz de usar sua pesquisa na caracterização das concentrações de partículas transportadas pelo ar durante a produção de nanomateriais carbonáceos, como fulerenos e nanotubos de carbono, em uma instalação comercial de nanotecnologia. Com base nas medições de seu estudo, feito com Behnoush Yeganeh, Christy Kull e Mathew Hull, todos os alunos de pós-graduação, eles concluíram que os controles de engenharia na instalação "parecem ser eficazes na limitação da exposição aos nanomateriais, "e relataram suas descobertas na publicação da American Chemical Society Ciência e Tecnologia Ambiental (Vol. 42, No. 12, 2008)

Contudo, eles apontam para as limitações deste estudo inicial que se concentrou principalmente na caracterização física, e que não diferenciou as partículas geradas pela produção de fuligem de nanomaterial e as de outras origens.

Efeitos dos ácidos carboxílicos na formação do agregado nC60

"O aumento da produção e aplicação do fulereno C60 devido às suas propriedades distintas levará inevitavelmente à sua liberação no meio ambiente, "Colega de Marr, Vikesland, disse. Já, o biomédico, optoeletrônica, sensores e indústrias de cosméticos estão entre os usuários do fulereno C60.

“Pouco se sabe sobre a interação do fulereno C60 com os constituintes das águas naturais, e, portanto, é difícil prever o destino do C60 que é lançado no ambiente natural, "Vikesland acrescentou." O fulereno C60 é virtualmente insolúvel em água. "

Contudo, um dos componentes da água natural é a matéria orgânica natural (NOM). Quando o fulereno C60 é liberado na água, forma "agregados coloidais C60 dispersos altamente estáveis ​​ou nC60, "Vikesland explicou. Esses agregados podem apresentar disparidades significativas na estrutura agregada, Tamanho, morfologia, e carga de superfície e se comportam de maneira muito diferente do que o C60 sozinho.

O problema com o NOM é sua aleatoriedade, resultando em diversas características dos agregados que se formam quando se misturam com o C60.

Então, Vikesland está estudando ácidos carboxílicos de baixo peso molecular, como o ácido acético, ácido tartárico, e ácido cítrico, todos os constituintes amplamente detectados de água natural e fluidos biológicos. Ele e seu aluno de graduação Xiaojun Chang analisaram especificamente a formação de nC60 em soluções de ácido acético (vinagre), sujeitou os agregados a uma mistura prolongada, e descobriram que a química da solução difere substancialmente do nC60 misturado apenas com água.

“O citrato afeta a formação do nC60 de duas maneiras, "Disse Vikesland. Isso altera o pH, um fator chave no controle da carga superficial do nC60 e ele interage diretamente com a superfície do C60.

Vikesland explicou a importância desse resultado. Quando o nC60 é produzido na presença de ácidos carboxílicos, seus agregados diferem significativamente daqueles produzidos sem os ácidos. Em geral, Vikesland disse, esses agregados têm cargas superficiais mais negativas e são mais homogêneos do que aqueles produzidos apenas na água.

"Esses resultados sugerem que o destino final do C60 em ambientes aquosos provavelmente será significativamente afetado pelas quantidades e tipos de ácidos carboxílicos presentes nos sistemas naturais e pelo pH da solução, "Vikesland acrescentou. Além disso, porque os ácidos carboxílicos são comuns em fluidos biológicos, Vikesland está interessado em como suas descobertas se relacionam com os mecanismos pelos quais o C60 interage com as células in vivo.

Esses ácidos podem afetar significativamente quaisquer conclusões alcançadas em relação ao impacto do fulereno C60 no meio ambiente. Seu trabalho atual aparece em uma edição da Poluição ambiental v157, edição 4 (abril de 2009), pp. 1072-1080.