Progettazione safe by design di nano-materiali

I principali fattori che limitano lo sviluppo del mercato globale dei nanomateriali sono: le crescenti preoccupazioni per il loro impatto sulla salute umana e sull’ambiente. È necessario un nuovo paradigma per supportare l’approccio sicuro in base alla progettazione secondo una visione olistica.

L’innovazione nanotecnologica per i materiali e le superfici evidenzia un potenziale immenso, che non è ancora stato pienamente espresso ma che sta già trasformando le caratteristiche di numerosi prodotti sul mercato. La crescita dell’ingegnerizzazione, industrializzazione e commercializzazione dei nano materiali e delle superfici trattate con processi nanotecnologici potrebbe registrare un picco più pronunciato.
Il mercato statunitense e soprattutto quelli del Far East registrano tassi di crescita delle applicazioni nanotecnologiche commercializzate elevati con un tasso di crescita annuo del mercato del 21,4%, superiore a quello europeo . Il fenomeno nanotech ha sicuramente una connotazione globale ma trova la paternità europea in molte scoperte ai massimi livelli, come il premio Nobel per il grafene. Anche per questo è un peccato che il potenziale nano-tecnologico europeo non possa trasformarsi rapidamente nella produzione di beni ed alla innovazione di processi almeno quanto quello degli altri Paesi esterni alla Comunità Europea. I fattori principali che rallentano lo sviluppo globale dei nano-materiali sono la preoccupazione crescente sul loro impatto sulla salute umana e sull’ambiente (tossicità intrinseca dei nano-materiali, presenza di solventi tossici, rilascio in ambiente di composti intermedi, tossicità dei rifiuti derivanti dalla sintesi o produzione con nano-materiali), e le richieste stringenti nei quadri normativi ambientali esistenti o in via di definizione.
Uno dei principali elementi ostativi evidenziati in questa inerzia nell’ambito europeo ha una connotazione positiva: la maggiore sensibilità dell’Europa alla messa in circolazione di beni e prodotti sicuri. Connesso a questo aspetto però vi è un elemento che non depone a favore per il supporto alla competitività del nostro continente: il ritardo nella definizione di un quadro normativo e regole chiare che facciano esplicito riferimento ai nano materiali, definendo ciò che è ammesso e ciò che è vietato per la salvaguardia della salute dell’ambiente e dell’uomo. Questo ritardo non è originato da negligenza ma principalmente della complessità del problema che riguarda l’intero ciclo di vita dei nano-materiali: dalla sintesi all’incorporazione dei nanomateriali (NM) in matrici e prodotti, lo stoccaggio ed il trasporto, la fase d’uso dei prodotti nano-ingegnerizzati (Nano Engineered Products- NEPs), sino al fine vita e allo smaltimento di prodotti e componenti contenenti NM.
Di qui emerge l’esigenza pregnante di un approccio che possa accelerare l’implementazione di soluzioni nanotech garantendo la sicurezza delle stesse in tutte le fasi del ciclo di vita. Questo approccio è definito “Safe by Design”(SbD), esso permette di progettare materiali e prodotti tenendo conto della sicurezza delle soluzioni realizzative sin dai primi passi progettuali, garantendo a priori la robustezza e l’applicabilità delle nanotecnologie sia al processo produttivo che al prodotto stesso. L’approccio SbD garantisce le imprese che intendono investire in ricerca per lo sviluppo di prodotti realizzati con nano-materiali, infatti attualmente l’elevato interesse per il potenziale applicativo dei nano materiali e dei trattamenti superficiali nanotecnologici è ostacolato dal dubbio che gli investimenti in ricerca e sistemi produttivi che impiegano NM possano essere vanificati dall’emergere di nuove norme e divieti, che ne limitino o addirittura ne vietino l’utilizzo. Il settore della galvanica potrebbe riportare esempi eclatanti in merito a norme e divieti relativi a materiali convenzionali che hanno generato una importante sofferenza al settore.
Dunque, un metodo di progettazione che garantisca a priori la rispondenza ai criteri di sicurezza ed applicabilità potrebbe accelerare il processo di diffusione dei nano-materiali e dei trattamenti e fornire un impulso per la crescita del mercato.
Il tema risulta articolato in quanto sono diverse le aree di competenza che afferiscono al tema della sicurezza dei nano-materiali: scienze ambientali, nano-tossicologia, biologia, medicina, ingegneria dei materiali dei prodotti e dei processi, tecnologie produttive, logistica, gestione e smaltimento dei rifiuti, tecniche di riciclo e modelli di economia circolare.

Nanosafety: un tema su cui si lavora da tempo
Negli ultimi quindici anni sono stati numerosi ed intensi gli sforzi su scala internazionale e soprattutto in Europa per affrontare il problema della sicurezza dei nano materiali, che va sotto il nome di nano-toxicology e nano-safety.
Sono stati sviluppati molti progetti e strumenti per il risk assessment e management, per il supporto alle PMI finalizzato allo monitoraggio di rischi e benefici associati ai nano-materiali esistenti e nuovi strumenti predittivi e azioni di sviluppo dell’approccio safe by desig; altri progetti hanno fornito linee più di indirizzo per la scelta degli strumenti più adeguati per la valutazione del rischio e strategie per mitigarlo in connessione all’impiego di NEP, oppure per lo sviluppo di approcci sicuri e sostenibili all’innovazione nanotecnologica.
Altre azioni a livello internazionale hanno sviluppato degli strumenti predittivi, per la classificazione e il grouping dei nano-materiali, per l’applicazione di metodi multiscala bottom-up per la progettazione di NM e descrittori avanzati per sostenere un’approccio SbD e per la caratterizzazione fisico-chimica sistematica dei NM sulla base di protocolli definiti.
Un gruppo di progetti a livello europeo si è già occupato di approccio Safe by Design, applicato come strategia per i NM e linee di processo pilota, per applicazioni industriali e per lo sviluppo di laboratori di ecodesign e sicurezza a livello progettuale.
Il Joint Research Centre ha pubblicato una raccolta dei nano-materiali rappresentativi e contribuisce allo sviluppo delle linee guida per i test sui nano materiali e la loro sicurezza in un’ottica di mutua accettazione ed alla promozione di strumenti e criteri per la scelta di nano-materiali sicuri.
Molto è stato detto e fatto sul tema della sicurezza dei nanomateriali ma non è ancora sufficiente per fornire un supporto applicabile alla progettazione dei NEP e dare un impulso sostanziale alla competitività dei settori manifatturieri interessati.
Progettazione safe by design: dai materiali alle funzionalità con una visione d’insieme
Quello della nano-safety si colloca come requisito aggiuntivo nella compagine progettuale di nuovi materiali, trattamenti di superficie e prodotti della categoria NEP.
In virtù della multi-disciplnarità ed articolazione del problema è opportuno che l’approccio Safe by Design debba essere integrato in una visione olistica, che tenga conto di tutte le dimensioni che riguardano al processo di innovazione e trasferimento tecnologico: la sicurezza in primis, la funzionalità, la sostenibilità economica e ambientale. La massimizzazione di questi elementi permette di generare soluzioni che possono competere su tutti i mercati, in un contesto globale.
Attualmente, per diversi settori manifatturieri, sono disponibili basi dati (Database-DB) che forniscono proprietà tecniche di materiali , e rivestimenti convenzionali ; questi permettono di operare scelte sulla base delle caratteristiche funzionali quali la massa specifica, le proprietà elastiche, il carico di rottura, la resilienza, conducibilità termica ed elettrica, resistenza a fatica, proprietà ottiche, resistenza alla corrosione. Il progettista ha la possibilità di selezionare il materiale o la combinazione di materiali che meglio rispondano all’esigenza applicativa.
L’utilità di banche dati risulta ancora più importante quando le sfide progettuali si applicano a metodi produttivi nuovi come la stampa 3D in cui i criteri del design sia per la componente strutturale che per quella estetica delle superfici non può basarsi su una consolidata esperienza manifatturiera. Anche per i nano-materiali sono state sviluppate banche dati soprattutto in connessione agli aspetti di nano-tossicologia .
A differenza dei materiali e dei rivestimenti convenzionali, quelli nanotecnologici non sono ugualmente standardizzati, poiché costituiscono delle soluzioni nuove, non “disponibili a catalogo” (in senso commerciale) ma anche perché la tendenza è quella di sviluppare NM o nano-coating dedicati all’applicazione specifica.
Infatti, una caratteristica delle soluzioni nanotech è quella di non soddisfare i principi della linearità su cui si basa buona parte dell’ingegneria convenzionale. L’incremento della concentrazione di nano-particelle in una matrice polimerica o metallica non determina effetti funzionali proporzionali e prevedibili, pertanto una catalogazione a priori dei materiali nano-compositi risulta intrinsecamente complessa se non impraticabile.
Questo pone delle difficoltà progettuali non soltanto per la scelta dei materiali sulla base delle funzionalità ma anche per la valutazione della sostenibilità economica e della selezione.
Il problema che si pone dunque cambia natura: invece di ricercare o utilizzare un materiale specifico la sfida tecnologica viene declinata nella ricerca di una funzione o dell’insieme di proprietà funzionali che soddisfino le richieste prestazionali. Inoltre, le questioni correlate sono: quanto costa? Quali sono gli impatti ambientali connessi all’ottenimento della funzione desiderata per il prodotto innovativo? Quali sono i rischi per la salute dell’ambiente e dell’uomo in relazione al ciclo di vita del prodotto di tipo NEP?
La difficoltà nel fornire risposta a questi quesiti è che non esiste una risposta univoca, essa potrebbe anche non esistere se si irrigidiscono troppo i vincoli su una o più delle richieste prestazionali: funzionalità attese, costi, impatti e tossicità.
Per ottenere una soluzione ad un problema così articolato occorre applicare un’analisi multidimensionale e considerare modelli decisionali multi-criterio (Multi Criteria Decision Models- MCDMs), che permettono di ottenere un insieme di soluzioni ottimali consistenti con i vincoli definiti per gli obiettivi ed i livelli prestazionali.
Non solo non esisterà una soluzione univoca al problema ma molto probabilmente non esiste soluzione che che massimizzi, in senso assoluto, tutte le richieste prestazionali.
I MDCM, in base alla natura dei processi del ciclo di vita permettono di identificare un insieme di soluzioni che meglio rispondano simultaneamente alle richieste prestazionali poste dal problema progettuale.
Per esempio, per la fase di sintesi ed incorporazione dei nano-materiali la variabilità dei parametri produttivi quali l’intensità energetica e il quantitativo di materia prima necessari, la specifica sequenza e metodo produttivo permettono di associare diversi livelli di prestazione funzionale dipendenti, costo, impatto ambientale, rischio per la salute. La stessa logistica relativa ai flussi di approvvigionamento e di consegna (supply e delivery chains) delle materie prime e del prodotto, lo stoccaggio e la manipolazione dei nano-materiali hanno un effetto sulle categorie prestazionali, che sono dipendenti anche dalla fase d’uso in relazione ai regimi operativi e di utilizzo del prodotto: durata dei livelli qualitatitvi, costi di manutenzione, rischio per la salute degli utilizzatori.
Infine, il fine vita dei prodotti ha una influenza sui costi di smaltimento o sul beneficio dovuto al riciclo o riuso di componenti e materiali dei NEPs. Il destino del prodotto a fine vita ha un effetto sull’impatto ambientale e sui rischi per la salute umana a causa della possibile dispersione in ambiente di nano-particelle.
Dunque, le caratteristiche prestazionali della soluzione nanotecnologica dipendono da ogni singola fase del ciclo di vita dei NM e dei prodotti, e sono funzione delle modalità e dei parametri che caratterizzano tali fasi. La variazione di uno solo di questi parametri determina una variazione in tutte le categorie prestazionali. La soluzione del problema progettuale è dunque quella di selezionare gli intervalli dei parametri più favorevoli al raggiungimento degli obiettivi prestazionali: massimizzare le funzionalità, minimizzare i costi, l’impatto ambientale e i rischi per la salute dell’ambiente e dell’uomo. In questo senso l’approccio Safe by design, viene integrato al quality by design, ecological by design, efficient by design. La risposta alla progettazione dei nano-materiali e dei prodotti NEP con un approccio olistico.
Per fornire una risposta concreta all’esigenza di sviluppare nanomateriali e trattamenti di superficie Safe by Design con una visione olistica, che armonizzi sicurezza, funzionalità, sostenibilità ambientale ed economica sono stati aggregati esperti a livello mondiale in nano-tossicologia, sintesi e caratterizzazione dei nano-materiali e materiali nano-compositi, esperti in campo ambientale, nei metodi quantitativi e nella modellistica, nel trasferimento tecnologico, enti di standardizzazione, aziende del settore chimico-cosmesi, settore energia e manifatturiero. Entro la prima metà del 2020 questo gruppo multidisciplinare e distribuito tra Europa e Stati Uniti d’America costituirà un consorzio per lo sviluppo di un progetto che ha l’ambizione di contribuire a sviluppare le fondamenta per l’industria di domani attraverso un’azione congiunta di ricerca ed innovazione. Il progetto a cui parteciperanno i ventuno esperti è denominato “Anticipating Safety Issues at the Design Stage of Nano Product Development” ed avrà la durata di tre anni e mezzo per l’aggregazione di dati esistenti e la genesi di nuovi dati organizzati.
Il progetto insiste su due filiere (value chains) selezionate tra i possibili ambiti manifatturieri: la prima riguarda rivestimenti nanotecnologici con proprietà antibatteriche, anti-biofilm, e rivestimenti per l’abbattimento di inquinanti, la seconda riguarda lo sviluppo di nano-capsule per il rilascio di fasi attive con applicazioni nel settore della cosmesi. L’aspetto innovativo di questo progetto rispetto a quanto già sviluppato in ambito internazionale sul fronte della nano-safety è quello di fornire una struttura di supporto alla decisione e di esemplificare con casi applicativi concreti e direttamente applicabili attraverso un approccio metodologico che può essere adottato direttamente dai produttori di prodotti nano-ingegnerizzati (NEPs). L’esemplificazione a due categorie di prodotti e la limitazione del campo di indagine allo spettro delle soluzioni applicative nanotecnologiche correlate non fa perdere di generalità il risultato a cui punta il progetto: quello di fornire una metodologia che può essere applicata a qualsiasi filiera produttiva che benefici di soluzioni nanotech.
Le sfide principali sono due:
– La raccolta e produzione di dati sufficienti a correlare i parametri delle varie fasi del ciclo di vita dei materiali ai livelli delle categorie prestazionali corrispondenti.
– Lo sviluppo di un modello decisionale multi-criterio con la sua implementazione in strumenti che possano supportare facilmente i progettisti di prodotto per lo sviluppo di soluzioni intrinsecamente sicure, performanti, sostenibili economicamente e dal punto di vista ambientale.
La prima sfida sarà affrontata attraverso la rivisitazione e l’armonizzazione dei dati disponibili sui nano-materiali, sulla loro interazione con l’ambiente e con il corpo umano per prevenirne i rischi per la salute e l’ambiente. I dati ricercati riguarderanno anche le caratteristiche e le prestazioni funzionali dei nano-materiali in funzione della loro composizione chimica, nano-struttura e morfologia. Un’analisi dei costi e dell’impatto ambientale specifico sarà condotta quale integrazione ed aggiornamento dei dati disponibili.
A tale proposito saranno integrate banche dati sui NM di riferimento e saranno condotte campagne sperimentali mirate alla caratterizzazione delle proprietà dei NM e della loro interazione con l’ambiente. Le ricerche prevedono lo sviluppo di piani sperimentali dedicati volti a colmare le lacune sulla disponibilità di dati. In particolare, saranno sviluppate campagne dedicate di caratterizzazione dei materiali e dei processi per poterne profilare il grado di funzionalità ed efficienza. Studi dedicati alla tossicità per l’uomo e per l’ambiente permetteranno di identificare il grado di sicurezza dell’impiego delle categorie di NM selezionati.
Questo permetterà di sviluppare la base-dati integrata di progetto che rappresenterà il contenuto portante per le azioni di progettazione e ottimizzazione delle categorie prestazionali dei prodotti.
Il progetto prevede anche la possibilità di applicare metodi complementari per dedurre dati rilevanti supportando e complimentando le attività sperimentali con l’impiego di tecniche di interpolazione dati sperimentali disponibili e di metodi di calcolo basati su algoritmi di Machine Learning. Questo, affiancato alle attività sperimentali permetterà di dedurre la dipendenza delle funzioni delle categorie prestazionali in funzione dei parametri di tutte le fasi del ciclo di vita, in particolare per le fasi di sintesi – e di produzione dei NEP. Inoltre, la nuova tecnica di Machine Learning RASARs (Read-Across Structure Activity Relationships) verrà utilizzata per evincere similarità tra le nuove composizioni chimiche rispetto a quelle conosciute, i cui effetti sull’ambiente e sull’uomo sono note. Inoltre, l’applicazione del metodo Quantitative Structure-Toxicity Relationships (QSTR) permetterà di sfruttare metodi perturbativi per stimare la tossicità e l’eco-tossicità delle nano-particelle.
Le tecniche di data-mining dei dati disponibili e le attività di completamento con metodi sperimentali e computazionali dei dati mancanti concorreranno allo sviluppo del database completo che fornirà le relazioni tra parametri e livelli prestazionali nelle varie categorie considerate. Il DB per come strutturato, potrà essere costantemente aggiornato, integrato per arricchirne le informazioni anche in ambiti applicativi diversi da quelli identificati per i casi esemplificativi di progetto.
Gli studi scientifici di biologia, nano- ed eco-tossicologia di interazione con l’uomo e l’ambiente permetteranno di fornire delle valutazioni di end-point, quindi molto specifiche sul livello di pericolo per la salute umana e l’ambiente dei materiali utilizzati, sviluppando metodi di monitoraggio con bassi costi tecnologici
La ricchezza di dati accumulata nella base dati sarà utilizzata da un modulo di calcolo ed ottimizzazione dedicato per supportare la progettazione di nuovi prodotti NEP. Il modulo computazionale acquisirà le specifiche di progetto per la realizzazione di nuovi NEP e sarà in grado di confrontarle con il profilo prestazionale in funzione dei parametri di sintesi del materiale e di processo identificati. Il modulo sarà in grado di selezionare quel sottoinsieme di valori ammissibili dei parametri che permettano di ottenere simultaneamente livelli prestazionali prossimi alle specifiche di progetto, in coerenza con i vincoli di minimo impatto ambientale e di massima sicurezza per la salute umana e l’ambiente (soglie di tossicità ed eco-tossicità).
Come indicato precedentemente ad un problema così articolato non corrisponde una soluzione univoca, e se i vincoli progettuali risultano eccessivamente stringenti, vi è la possibilità che non sia ammissibile alcuna soluzione. Data la complessità del problema l’identificazione dell’insieme completo delle possibili soluzioni risulta un’impresa non affrontabile senza l’ausilio di potenti metodi di calcolo. Per questa ragione il modulo computazionale costituisce un elemento fondamentale per proporre un nuovo paradigma progettuale che tenga in conto simultaneamente di tutte le specifiche ottimizzando il processo di sintesi e produzione.

I materiali, processi e prodotti
Le due filiere (Value chains) considerate nel progetto impiegano diverse materie prime e processi di incorporazione dei nano-materiali nelle matrici e nei prodotti. La prima filiera riguarda i rivestimenti nanotecnologici con proprietà antibatteriche, anti-biofilm, e rivestimenti per l’abbattimento di inquinanti; essa considera sia materiali inorganici che organici, utilizzando nano-particelle di biossido di titanio e idrossiapatite con titanio, ossido di rame, silice, e con l’impiego di agenti polimerici antibatterici, matrici e vettori per veicolare le nano-particelle, additivi per la promozione della reticolazione dei polimeri. I processi considerati per l’incorporazione delle nano-particelle nei prodotti sono del tipo roll-to roll, per promuovere processi in continuo, processi di rolling e spray coating, stampa ink-jet e processi di dip-coating.
Le categorie di prodotti identificate sono quelle dei purificatori d’aria, i tessuti antibatterici per applicazioni bio-medicali e componenti le cui superfici possano evitare lo sviluppo di biofilm, quali componenti per l’industria navale. La seconda filiera produttiva si occupa dello sviluppo di nano-capsule per il rilascio di fasi attive con applicazioni nel settore della cosmesi i materiali considerati sono polimeri naturali e di sintesi basati su nano cristalli, e micro capsule in nano silice, fasi attive, additivi e matrici disperdenti.
I processi di incorporazione sono quelli di miscelazione e quello di spruzzo con essicazione a bassa temperatura (spray-freeze dryer).
Le categorie di prodotti identificate sono le creme anti invecchiamento, le lozioni antibatteriche e i tessuti antibatterici. Le soluzioni proposte e le metodiche di incorporazione ovviamente sono impiegabili per numerose altre filiere produttive, tuttavia per mantenere il focus e la possibilità di validare i modelli e gli strumenti di calcolo il progetto si limita a questi due ambiti. Una estensione dell’applicazione del modello sarà possibile sulla base dello sviluppo di espansioni della base dati relativa a materiali, processi e livelli prestazionali. Validazione e proposta di un nuovo paradigma progettuale per soluzioni intrinsecamente sicure.
La possibilità di fare riferimento a casi concreti dei settori manifatturieri selezionati permetterà di effettuare la validazione della metodologia di gestione del processo di progettazione Safe by desing (Safe-by-Design Management Methodology- SMM) sviluppata nell’ambito del progetto “Anticipating Safety Issues at the Design Stage of Nano Product Development”.
In particolare la verifica a priori della sicurezza in tutte le fasi del ciclo di vita fornirà una condizione abilitante all’implementazione delle soluzioni in ambito industriale ed alla loro commercializzazione. Infatti, i dati di monitoraggio della sicurezza dei lavoratori impegnati nelle fasi di sintesi, incorporazione e produzione così come l’esposizione dei consumatori nella fase d’uso fornirà elementi per minimizzare il rischio inteso come potenziale di esposizione all’inalazione e contatto di nano-particelle in relazione il pericolo connesso alla tossicità dei nano-materiali stessi.

La validazione del sistema di selezione e ottimizzazione delle soluzioni nanotech proposto determinerà un nuovo paradigma progettuale e di ingegnerizzazione dei prodotti con l’impiego di nanomateriali e nanotecnologie.
La selezione di soluzioni nanotech sicure sarà effettuata sin dalle primi fasi della ricerca e sviluppo minimizzando il rischio di impresa nel processo di innovazione, accelerando il time to market e garantendo l’accettazione da parte del mercato e degli organi di vigilanza sulla sicurezza dei nano-materiali. I principali impatti attesi dall’impiego del SMM sono sull’incremento della competitività degli attori industriali nella compagine globale.
I risultati del progetto saranno anche di supporto agli enti normatori ed ai decisori nella catalogazione di soluzioni nanotecnologiche sicure per il settore manifatturiero e dei prodotti di largo consumo.
Il sistema SMM proposto dal progetto favorirà anche l’immissione sul mercato di un maggior numero di prodotti realizzati con nano-materiali, accelerando lo sfruttamento industriale e commerciale del potenziale nanotecnologico nel rispetto dell’ambiente e della salute dell’uomo.
Non resta che iniziare!

di Massimo Perucca

[1] E. Inshakova and O. Inshakov, World market for nanomaterials: structure and trends, MATEC Web of Conferences 129, 02013 (2017), ICMTMTE 2017, DOI: 10.1051/matecconf/201712902013

[2] SUN (FP7 2013-2018) – http://www.sun-fp7.eu/

[3] GUIDENANO (FP7 2013-2017) – http://www.guidenano.eu

[4] BIORIMA (H2020 2017-2021)- https://www.biorima.eu/

[5] EC4SafeNano (H2020, 2016-2019) – https:// www.ec4safenano.eu/

[6] GRACIOUS (H2020 2018-2021) – https://www.h2020gracious.eu/

[7] NANOINFORMATIX (H2020 2019-2023)- http://www.nanoinformatix.eu/

[8] ACENANO (H2020 2017-2020)

[9] SANOWORK (FP7 2012-2015) https://www.safenano.org/research/sanowork/

[10] SCAFFOLD (FP7 2012-2015) http://scaffold.eu-vri.eu/

[11] NANOREG2 (H2020 2015-2019)

[12] PROSAFE (H2020 2015-2017)

[13] LabEx SERENADE (French Programme)

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