Design and characterization of nanomaterials for monitoring their biological reactivity

openDurante il mio dottorato, ho supportato la valutazione del rischio di nanomateriali focalizzandomi sulla caratterizzazione e controllo di proprietà e comportamenti che influenzano l'esposizione e che determinano meccanismi potenzialmente pericolosi per uomo e ambiente. Attraverso sei diverse nanoparticelle divise qui in cinque casi studio, ho impostato i progetti sperimentali per misurare le proprietà intrinseche (composizione, dimensione e morfologia), le dipendenti dal sistema (aggregazione e dissoluzione nei mezzi) e le proprietà correlate alla reattività delle nanoparticelle. Tutti i nanomateriali di riferimento e commerciali sono stati selezionati come rappresentativi di un'ampia classe di componenti al fine di massimizzare l'impatto complessivo della ricerca. In una prospettiva "read-across", tali nanoparticelle sono state selezionate come rappresentative di tre diverse classi di raggruppamento: solubili (Ag, CuO e ZnO), passive (SiO2) e attive (CeO2 e TiO2). Nel corso del lavoro ho affrontato tutti i casi di studio seguendo una caratterizzazione graduale a complessità crescente. In primo luogo, ho raccolto informazioni sulle proprietà intrinseche (dimensioni, forma, funzionalizzazione superficiale), che delineano la natura delle nanoparticelle, quindi ho disperso le nanoparticelle in mezzi (eco) tossici rilevanti, misurando le proprietà dipendenti dal sistema derivate dalle interazioni nanoparticelle / mezzo e infine, concentrandomi sull’esposizione umana, ho valutato la traslocazione delle nanoparticelle attraverso la cute umana e la mucosa orale con l’utilizzo del test ex-vivo in vitro di Franz. La caratterizzazione fisico-chimica delle nanoparticelle nei mezzi umani e ambientali pertinenti (distribuzione dimensionale, dissoluzione statica, potenziale zeta, cinetica della sedimentazione) può supportare la valutazione dell'esposizione, mentre i risultati in-vitro possono essere trasferiti alla valutazione del rischio delle nanoparticelle. Tramite i modelli in-silico dedicati, i dati in-vitro potrebbero essere ulteriormente implementati consentendo l'estrapolazione delle correlazioni esposizione-dose-risposta utilizzabili per implementare la valutazione del rischio. Pertanto, i risultati ottenuti a supporto dell'esposizione e della valutazione dei pericoli potrebbero essere applicati nella prima fase del processo CSA.During my PhD research activity, I supported the risk assessment of nanomaterials focusing on the characterization and control of their properties that drive potentially hazardous mechanisms affecting external and internal exposure. Particularly, I considered the exposure to both human and environmental targets. Throughout six different nanoparticles here organized into five case studies, I set up the experimental designs for measuring NMs intrinsic (composition, dimension and morphology), system-dependent (aggregation and dissolution in media) and fate related properties. Both reference and commercial nanomaterials were selected as representative of a wide class of components maximizing the overall impact of the research. In a “read-across” perspective, such nanoparticles were selected as representative of three different grouping classes: soluble (Ag, CuO and ZnO), passive (SiO2) and active (CeO2 and TiO2). I faced the case studies following a step by step characterization at increasing complexity. Firstly, I collected information on the intrinsic properties (size, shape, superficial functionalization), that outline the nanoparticles nature, then I dispersed the nanoparticles in relevant (eco)tox media, measuring the system-dependent properties derived from the nanoparticles/medium interaction and finally, moving toward the human exposure routes, I evaluated the in-vitro ex-vivo translocation through dermal or oral mucosa membranes with Franz cell tests. The nanoparticles physiochemical characterization in relevant human and environmental media (size distribution, static dissolution, zeta potential, sedimentation kinetic) may support the exposure assessment, while the in-vitro results may be transferred to the nanoparticles hazard evaluation. By means of the dedicated in-silico models the in-vitro data could be further implemented enabling the extrapolation of exposure-dose-response correlations usable to implement the risk assessment. Thus, the obtained results in support to exposure and hazard assessment could be applied in the first step of the CSA process.NANOTECNOLOGIECOSTA ANNAembargoed_20210218Zanoni, Ilari