Le nanotecnologie rappresentano strumenti dalle potenzialità straordinarie, e vengono già ampiamente usati in moltissimi ambiti produttivi, dall'agroalimentare alla farmaceutica, dai materiali per il food contact ai dispositivi medici. Tuttavia, richiedono un approccio valutativo rigoroso e specifico. La sicurezza di un nanomateriale non può essere data per scontata sulla base di analogie con materiali già conosciuti, ma va dimostrata attraverso una caratterizzazione approfondita e una valutazione del rischio costruita caso per caso. È il messaggio che ha lanciato Claudia Cusan, tossicologa European Registered Toxicology e fondatrice della società di consulenza S&C BEST Srl, nel corso del suo intervento alla quinta edizione del Novalis Forum. S&C BEST è una delle sole 12 aziende al mondo ad aver ottenuto il riconoscimento di Corporate Member di Eurotox, la società europea di tossicologia.
Le nanotecnologie nella vita di tutti i giorni
Le nanotecnologie sono già presenti in numerosi settori. In ambito medico, permettono di veicolare in maniera mirata dei farmaci, di effettuare imaging diagnostici e realizzare biosensori o dispositivi medici con rivestimenti funzionali e superfici antiadesive. In elettronica, i cosiddetti quantum dots migliorano la resa cromatica e la luminosità degli schermi a parità di consumo energetico. Nel settore energetico contribuiscono allo sviluppo di batterie, celle solari e catalizzatori più efficienti.
Trovano applicazione anche nei rivestimenti antiappannamento, antigraffio e autopulenti, nei tessuti antimicrobici e nei materiali compositi più leggeri e resistenti, oltre che nella filtrazione ambientale e nell'adsorbimento di contaminanti. E persino nei cosmetici: le creme solari, per esempio, sfruttano nanoparticelle di biossido di titanio o ossido di zinco per garantire una protezione UV efficace riducendo l'effetto bianco visibile sulla pelle.
Il rapporto tra superficie e volume
Riducendo le dimensioni di un materiale, ne cambiano radicalmente le proprietà. Per spiegare questo concetto, la dottoressa Cusan ha proposto un esempio numerico: si parte sempre da un cubo di un centimetro di lato. Se resta un unico blocco compatto, la sua superficie esterna è di 6 centimetri quadrati. Ma se quel materiale viene scomposto in cubetti da un micrometro di lato, la somma di tutte le loro superfici sale a circa 6 metri quadrati. Se si arriva a frantumare il materiale in cubetti da un nanometro di lato, la superficie totale esposta raggiunge circa 6.000 metri quadrati, quasi quanto un campo da calcio. L’enorme aumento della superficie disponibile, a parità di massa, spiega il cambiamento di reattività chimica, fisica e biologica che caratterizza i nanomateriali.
Un esempio citato durante l'intervento è quello dell'oro: nella forma "convenzionale" appare giallo metallico ed è chimicamente stabile e poco reattivo; ridotto in nanoparticelle, invece, assume colorazioni che variano dal rosso al viola a seconda di dimensione, forma e stato di aggregazione, mostrando al contempo un'area superficiale specifica e una reattività molto più elevata.
Il legame tra dimensione, forma e interazione con il corpo umano
Passando al tema della sicurezza, la dottoressa Cusan ha spiegato come il comportamento delle particelle nel corpo umano cambi progressivamente al ridursi delle dimensioni. Nel sistema gastrointestinale, per esempio, le particelle più grandi (sopra i 250 nanometri) generano prevalentemente effetti legati alla tossicità intrinseca del composto chimico e a fenomeni fisici da contatto, come frizione e infiammazione locale. Al di sotto dei 100 nanometri, invece, entrano in gioco anche effetti sistemici a livello cellulare, con la possibilità che le particelle attraversino il tratto gastrointestinale per raggiungere altri organi, in un processo noto come uptake cellulare.
Anche la forma delle particelle, non solo la loro dimensione, incide in modo determinante sugli effetti tossicologici e sulle applicazioni possibili. Le nanoparticelle sferiche mostrano generalmente minore citotossicità e una clearance renale più efficiente, motivo per cui trovano largo impiego nel drug delivery e nell'imaging diagnostico. Le strutture a bastoncello tendono ad accumularsi nel fegato e ad aumentare la produzione di specie reattive dell'ossigeno, risultando utili nella terapia fototermica. Le forme aghiformi possono provocare danni meccanici alle membrane cellulari e reazioni infiammatorie, mentre le strutture a foglietto sono associate a fenomeni di genotossicità, ovvero danni al DNA, pur trovando impiego in ambito elettronico.
Per quanto riguarda le vie di esposizione, la relatrice ha distinto tra inalazione, ingestione orale e contatto dermico. Per via inalatoria, l'assorbimento sistemico e la traslocazione verso altri organi sono possibili qualora le particelle non vengano eliminate tramite fagocitosi o i normali meccanismi di clearance polmonare. Per via orale, gli studi sono ancora limitati, ma la traslocazione sistemica appare possibile se le particelle riescono a persistere nel tratto gastrointestinale. Per via dermica, infine, la pelle sana e intatta sembra costituire una barriera efficace contro i materiali particellari, comprese le nanoparticelle, anche se anche in questo caso la letteratura scientifica non è ancora esaustiva.
Nanomateriali sempre pericolosi?
Il potenziale tossicologico dipende da una combinazione di aspetti chimici e fisici, e in linea generale la tossicità tende ad aumentare al diminuire della dimensione delle particelle. Aumenta ulteriormente quando le particelle sono insolubili o si dissolvono molto lentamente, tendendo a persistere e bioaccumularsi nell'organismo, quando riescono ad attraversare le membrane biologiche, quando sono costituite da sostanze chimiche già di per sé pericolose, quando presentano superfici modificate o funzionalizzate, oppure quando possiedono forme particolari, come quella di aghi o fibre rigide.
Da qui l'importanza di una caratterizzazione fisico-chimica completa come punto di partenza imprescindibile per qualsiasi valutazione del rischio. Dimensione e distribuzione dimensionale, forma e rapporto di forma, area superficiale specifica, chimica e carica di superficie, solubilità, stato di aggregazione e purezza sono tutti parametri che vanno indagati caso per caso. Come ha ricordato la tossicologa, ogni nanoforma rappresenta infatti un caso a sé, e la valutazione condotta sul materiale in forma convenzionale non è automaticamente trasferibile alla sua controparte nanometrica.
Un quadro normativo ancora frammentato
La dottoressa Cusan ha anche affrontato il contesto regolatorio europeo, definendolo settoriale piuttosto che orizzontale. La Raccomandazione UE 2022/C 229/01 fornisce la definizione armonizzata di nanomateriale basata sulla distribuzione numerica dimensionale. Per le sostanze chimiche, il regolamento REACH prevede obblighi specifici per le nanoforme. Nel settore cosmetico, i regolamenti 1223/2009/CE e 2024/858/UE impongono la notifica preventiva, l'obbligo di indicare la dicitura "nano" in etichetta e il parere del Comitato scientifico per la sicurezza dei consumatori, oltre a vietare l'uso di dieci nanomateriali specifici e a limitare l'impiego dell'idrossiapatite nella forma nano. Per gli alimenti e i materiali a contatto, il regolamento 2015/22833/CE e la relativa linee guida EFSA del 2021 richiedono una valutazione nano-specifica che tiene conto anche della frazione di particelle piccole sotto i 250 nanometri. Infine, il regolamento dei dispositivi medici definisce il nanomateriale all'articolo 2(18) e ne classifica il rischio in base al potenziale di esposizione interna.