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Los nuevos riesgos derivados del rápido avance de las nuevas tecnologías basadas en las aplicaciones de las estructuras atómicas de escala nanométrica conocidas como nanomateriales

Nanomateriales: riesgos para la salud y recomendaciones en el manejo de nanopartículas en entornos laborales

José Ignacio Argote, Ingeniero Consultor26/06/2019

Actualmente, la nanotecnología forma parte de una de las 6 tecnologías facilitadoras esenciales (Key Enabling Technologies - KET), como un elemento clave en la política industrial de la Unión Europa. El Programa Marco de Investigación e Innovación de la Unión Europea, Horizonte 2020, prevé que para el año 2020, “las nanotecnologías ya estarán completamente integradas en nuestra vida diaria, proporcionando beneficios para los consumidores en diversas áreas, como la alimentación y la salud, y generando nuevas soluciones industriales”.

En el ámbito económico, se estima que el valor de mercado mundial de los productos que incorporan nanotecnologías como su componente clave alcanzó los 700.000 millones de euros en el pasado 2015 y se espera que supere los 2 billones de euros para 2020, incrementando de 2 a 6 millones la creación de puestos de trabajo.

Los nanomateriales tienen propiedades específicas, principalmente como consecuencia de su pequeño tamaño, su gran superficie, su naturaleza química, que suponen muchos beneficios para numerosas aplicaciones, pero debido a estas características, los nanomateriales tienen también una amplia variedad de posibles efectos tóxicos. El incremento de la producción de nanomateriales en estos últimos años ha originado la aparición de patologías, frecuentemente pulmonares, asociadas a la exposición a nanopartículas, ya sean liberadas de forma natural o en procesos industriales.

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El mercado mundial de los productos que incorporan nanotecnologías como su componente clave se espera que supere los 2 billones de euros para 2020, incrementando de 2 a 6 millones la creación de puestos de trabajo. Fuente imagen: ianano.org.

Nanotecnología: fabricar productos a microescala manipulando átomos y moléculas

La nanotecnología es el conjunto de tecnologías que permiten la manipulación, el estudio o explotación de estructuras muy pequeñas y de los procesos involucrados en la investigación, producción y aplicación de estas estructuras y sistemas, que presentan nuevas propiedades de los productos químicos. Aunque es difícil establecer el momento en el que se produce la revolución nanotecnológica, podríamos decir que es a partir de mediados del siglo XX con la síntesis de cristales semiconductores realizada por La Mer y Dinegar (1950) y con el controvertido Nobel de Física norteamericano Richard Feynman que en año1959 en el Congreso de la sociedad americana de Física en Calltech, presentó la ponencia ‘There’s Plenty of Room at the Bottom’ (‘Hay mucho espacio ahí abajo’) en la que se detallaba un proceso que permitiría manipular átomos y moléculas en forma individual, a través de instrumentos de gran precisión; lo que permitiría diseñar y construir sistemas en la nanoescala átomo por átomo, señalando que las propiedades de estos sistemas nanométricos, serían distintas a las presentes en la macroescala.
El término ‘Nanotecnología’ se debe a Eric Drexler que en 1986 y en el título de su libro ‘Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology’ (‘Motores de la creación: la próxima era de la Nanotecnología’), en el que describe una máquina nanotecnológica con capacidad de autoreplicarse, en este contexto propuso el término de ‘plaga gris’ para referirse a lo que sucedería si un nanobot autoreplicante fuera liberado al ambiente. Con anterioridad, en el año 1981 este Ingeniero norteamericano, inspirado en el discurso de Feynman, había publicado en la revista ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’, el artículo ‘Molecular engineering: An approach to the development of general capabilities for molecular manipulation’ en donde describe con más detalle la ponencia presentada años por Feynman. Finalmente reseñar en este breve resumen de antecedentes históricos al profesor de la Universidad de Tokio Norio Taniguchi, que los Proceedings of the International Conference on Production Engineering, Tokyo, en 1974 incluyó: ‘On the Basic Concept of Nano-Technology’ (‘Sobre el concepto básico de nanotecnología) definiéndola como el procesamiento, separación y manipulación de materiales átomo por átomo.
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Los nanomateriales son materiales que contienen partículas con una o más dimensiones entre 1 y 100 nm (nanómetros), una escala comparable a los átomos y moléculas (1 nanómetro equivale a 10–9 metros).

Nanomateriales y nanopartículas: características y aplicaciones

Los nanomateriales son materiales que contienen partículas con una o más dimensiones entre 1 y 100 nm (nanómetros), una escala comparable a los átomos y moléculas (1 nanómetro equivale a 10–9 metros). Pueden ser naturales, como los procedentes de las emisiones volcánicas, o ser subproductos involuntarios de las actividades humanas, como los que contienen los gases de escape de los motores diésel. A partir de la década de los ochenta se han desarrollando nuevos procesos y métodos de síntesis que permiten la fabricación de materiales nanoestructurados con propiedades, características y comportamientos funcionales muy apropiados para su utilización en la producción de una gran variedad de productos en las industria de los alimentos, la construcción, la metalmecánica, la industria textil, electrónica, en el sector de la salud, y en de energía, entre otros. La incorporación de estos nanomateriales al sector industrial y productos de consumo ha crecido exponencialmente en los últimos años.

Las primeras definiciones acerca del término de nanomaterial aparecieron en la nueva regulación para productos cosméticos en la Unión Europea en el año 2009 y en la legislación de productos manufacturados a nanoescala en los Estados Unidos, donde este tipo de materiales se venían usando sin ningún tipo de regulación y control. Diversas definiciones de nanomateriales han sido propuestas por diferentes organismos internacionales: International Standardization Organization (ISO), Comité Científico de la Unión Europea sobre Riesgos Sanitarios Emergentes y Recientemente Identificados (SCENIHR), Food and Drug Administration (FDA), The National Industrial Chemicals Notification and Assessment Scheme (NICNAS) de Australia, o Health Canada The Royal Society &The Royal Acade.
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En la parte superior: nanopartículas hemostáticas esféricas que se acumulan en una malla de fibrina estabilizadora de coágulos que produce el cuerpo. Crédito imagen Andrew Shoffstall. Debajo: nanoestrella de de óxido de vanadio Fuente imagen: Furmanj. English Wikipedia.

Centrándonos en Europa según la Recomendación de 18 de octubre de 2011, relativa a la definición de nanomaterial de Comisión Europea (CE), se especifica:

  • Por ‘nanomaterial’ se entiende un material natural, secundario o fabricado que contenga partículas, sueltas o formando un agregado o aglomerado y en el que el 50 % o más de las partículas en la granulometría numérica presente una o más dimensiones externas en el intervalo de tamaños comprendido entre 1 y 100 nm.
  • En casos específicos y cuando se justifique por preocupaciones de medio ambiente, salud, seguridad o competitividad, el umbral de la granulometría numérica del 50% puede sustituirse por un umbral comprendido entre el 1 y el 50%.
  • No obstante lo dispuesto en el punto anterior, los fullerenos, los copos de grafeno y los nanotubos de carbono de pared simple con una o más dimensiones externas inferiores a 1 nm deben considerarse nanomateriales.
  • A efectos de, los términos ‘partícula’, ‘aglomerado’ y ‘agregado’ se definen como sigue:

a) ‘Partícula’: una parte diminuta de materia con límites físicos definidos;

b) ‘Aglomerado’: un conjunto de partículas débilmente ligadas o de agregados en que la extensión de la superficie externa resultante es similar a la suma de las extensiones de las superficies de los distintos componentes;

c) Agregado’: una partícula compuesta de partículas fuertemente ligadas o fusionadas.

  • Cuando sea técnicamente posible y la legislación específica lo exija, el respeto de la definición podrá determinarse sobre la base de la superficie específica por unidad de volumen. Un material debe considerarse incluido en la definición del punto 2 cuando la superficie específica por unidad de volumen del material sea superior a 60 m² /cm³. No obstante, un material que según su granulometría numérica, es un nanomaterial debe considerarse que respeta la definición, incluso si el material tiene una superficie específica inferior a 60 m² /cm³.
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Por nanomaterial se entiende un material natural, secundario o fabricado que contenga partículas, sueltas o formando un agregado o aglomerado y en el que el 50 % o más de las partículas en la granulometría numérica presente una o más dimensiones externas en el intervalo de tamaños comprendido entre 1 y 100 nm. En la imagen nanopartículas de óxido de hierro que permiten atacar directamente tumores, células o tejidos cancerígenos. Fuente imagen: DiDyT. Fundación Centro de Estudios de la Ciencia, la Cultura Científica y la Innovación 3CIN.
En el Cuadro 1 y para completar una visión panorámica se recogen las definiciones ISO para los términos usados en nanotecnologías y nanomateriales según las referencias ISO/TS 27687:2008, e ISO/TS 80004-1, 2010.
Cuadro 1: definiciones ISO Nanotecnologías y Nanomateriales
Término Definición*
Nanoescala Intervalo de tamaño aproximadamente de 1 a 100 nm.
Nanomaterial Material con una dimensión externa dentro de la nanoescala, o que posea una estructura interna o superficial dentro de la nanoescala.
Nanotecnología Aplicación del conocimento científico para manipular o controlar en el tamaño comprendido en la nanoescala, con el fin de utilizar las propiedades dependientes del tamaño y/o estructura, a diferencia de aquellas asociadas con los átomos o moléculas constituyentes.
Nanobjeto Material con una, dos o tres dimensiones externas dentro de la nanoescala.
Material Nanoestructurado Material que tenga nanoestructura interna o superficial.
Nanopartícula Partícula con un diámetro nominal —geométrico, aerodinámico, movilidad, área proyectada u otro— menor que aproximadamente 100 nm.
Nanofibra Nanobjeto con dos dimensiones externas similares dentro de la nanoescala y las otras dos de tamaños considerablemente mayores.
Nanoplaca Nanobjeto con una dimensión externa dentro de la nanoescala y las otras dos de tamaños considerablemente mayores.
Nanocable Nanofibra semiconductora o conductora eléctrica.
Nanotubo Nanofibra hueca.
Nanovarilla Nanofibra sólida.

(*) Las definiciones completas están disponibles en: http://cdb.iso.org.

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Nanotubos de carbono (zig-zag, quiral y sillón). Crédito imagen: Michael Ströck. Debajo imágenes obtenidas mediante la técnica de microscopía electrónica con SEM Scanning Electron Microscope) de Nanotubos de carbono grafenados, con diferente densidad de foliado. Crédito: BRStoner. Wikipedia.

Clasificación y ámbitos de aplicación de las nanotecnologías

Las nanopartículas pueden clasificarse en tres grandes categorías:

  1. De origen natural: hay nanopartículas de origen biológico (virus, bacterias), de origen mineral (polvo de arena del desierto) o de origen medioambiental (nieblas y humos derivados de fuegos forestales o actividad volcánica).
  2. Generadas por la actividad humana de forma involuntaria: producidas en procesos industriales (pirolisis a la llama del negro de carbono, humo de sílice, partículas ultrafinas de óxido de titanio), obtención de pigmentos, en procesos de combustión (diésel, carbón) o en actividades domésticas (humo de barbacoas o de aceite).
  3. Generadas por la actividad humana de forma voluntaria: Se crean mediante las nanotecnologías. La nanotecnología es el diseño, la síntesis, la manipulación y la aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia en la nanoescala, rango de tamaños que va de 1 a 100 nanómetros (nm). Existen dos procedimientos para obtener nanopartículas artificiales:
  • ‘Top-down’, de arriba abajo: se construyen nanopartículas sometiendo materiales convencionales a diversos procesos mediante procesos de molienda del material a granel.
  • ‘Bottom-up’, de abajo a arriba: se construyen nanopartículas a partir de átomos o moléculas.
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Existen dos procedimientos para obtener nanopartículas artificiales: ‘Top-down’ de arriba abajo y ‘Bottom-up’ de abajo a arriba.

Aunque podemos encontrar múltiples clasificaciones atendiendo a su forma, características químicas, físicas, etc., vamos a centrarnos en aquella que ordena a los nanomateriales en función de la estructura en la que el material se encuentra nanodimensionado.

  • Materiales que tienen sus tres dimensiones a escala nanométrica. Este es el caso de los fullerenos, estructuras formadas por átomos de carbono dispuestos en forma de pentágonos y hexágonos. Se usan como lubricantes, catalizadores, semiconductores y combinados con nanotubos de carbono en nanofarmacología para “targeting” farmacológico. Gracias a su estructura puede fijar antibióticos de manera específica capaces de atacar bacterias resistentes.
  • Materiales que presentan dos dimensiones a escala nanométrica. Cuyo ejemplo más destacado son los nanotubos de carbono. Se definen como un tubo cuya pared es una malla de agujeros hexagonales. Consisten en una o más capas enrolladas sobre sí mismas y de manera concéntrica. Cada capa está formada por grafito (hexágonos de carbono).
  • Materiales que presentan sólo una dimensión a escala nanométrica. Suelen ser superficies en los que solamente el grosor de la película se encuentra a nivel nanométrico, como el grafeno, los átomos de carbono se unen en láminas planas de un átomo de espesor. De esta forma, tendríamos como principales exponentes de cada una de estas estructuras:
    • Nanopartícula: nanobjeto con las tres dimensiones en la escala nano.
    • Nanodiscos: nanobjeto con una dimensión en escala nano y otras dos significativamente más largas.
    • Nanofibra: nanobjeto con dos dimensiones en escala nano y la otra significativamente más larga.
    • Nanotubo: nanofibra hueca.
    • Nanocable: nanofibra conductora o semiconductora de la corriente.
    • Nanovarilla: nanofibra sólida y recta.
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El grafeno es un nanomaterial bidimensional, consistente en una sola capa de átomos de carbono. A pesar de ser tan fino y ligero, es el material más fuerte que se conoce en la naturaleza, con una resistencia 200 veces superior al acero estructural con el mismo espesor. Las baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas y se cargan en mucho menos tiempo. Fuente imagen: 2D Materials Pte. Ltd.

Una de las características de las nanopartículas es que presentan una superficie muy elevada respecto a su volumen, de relación exponencial, a medida que disminuye el tamaño de la partícula aumenta el área superficial por unidad de masa, lo que se traduce en un mayor número de átomos en la superficie. Esta característica hace que las propiedades de los nanomateriales relacionadas con las superficies (propiedades eléctricas, mecánicas, magnéticas, ópticas o químicas) sean diferentes a las de los mismos materiales a escala no nanométrica

En la actualidad en el mercado hay catalogados más de 5.000 productos catalogados como nanomateriales. La Organization for Economic Cooperation and Development (OECD) selecciona como más representativos:

  1. Fullerenos (C60).
  2. Grafeno.
  3. Nanotubos de carbono
  4. Nanopartículas de plata.
  5. Nanopartículas de hierro.
  6. Carbón negro.
  7. Dióxido de titanio.
  8. Óxido de aluminio.
  9. Óxido de cerio.
  10. Óxido de cinc.
  11. Dióxido de Silicio.
  12. Poliestireno.
  13. Dendrímeros.
  14. Nanoarcillas
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La nanofabricación se puede considerar como el componente básico para productos de alto rendimiento asociados con una amplia gama de industrias que se relacionan estrechamente con los retos sociales actuales, como la aeroespacial y de defensa, la automoción y el transporte, las tecnologías de la información y la comunicación, la energía y la salud. Fuente imagen Duke University.

Campos de aplicación de las nanotecnologías

En los ocho informes ‘NanoData Lansdcape Compilation’ publicados por la en Junio de 2017, se recoge los avances y oportunidades para la nanotecnología en cada uno de los 8 ámbitos de aplicación definidos por la Comisión Europea:

  • Salud: las aplicaciones comerciales actuales y potenciales de la nanotecnología en el campo de la medicina y la salud incluyen implantes y prótesis, diagnósticos (MEMS y sensores), administración de fármacos usando nanopartículas, chips y sistemas avanzados de administración de fármacos. Por el tipo de dispositivos médicos que permite desarrollar, la nanotecnología adquiere aún más relevancia al tener el potencial de ayudar a abordar enfermedades previamente no tratables así detectar y tratar enfermedades de alta incidencia y mortalidad (como el cáncer) en etapas más tempranas y de manera más efectiva.
  • Fabricación: los nanomateriales se emplean para la fabricación y para el control de la fabricación a escala nanométrica (por ejemplo, herramientas de litografía e impresión y para herramientas de nanoposicionamiento) o para la medición a nanoescala (por ejemplo, microscopios de fuerza atómica). Los nanomateriales incluyen partículas sólidas, películas delgadas, puntos cuánticos, nanotubos de carbono, grafeno, materiales nanoestructurados, etc. Los procesos para la fabricación de nanomateriales pueden ser de ‘abajo hacia arriba’ (síntesis a partir de átomos o moléculas a través de una reacción física o química) o vicerversa (progresiva eliminación de material para reducir el tamaño). La nanofabricación se puede considerar como el componente básico para productos de alto rendimiento asociados con una amplia gama de industrias que se relacionan estrechamente con los retos sociales actuales, como la aeroespacial y de defensa, la automoción y el transporte, las tecnologías de la información y la comunicación, la energía y la salud.
  • Tecnologías de la información y la Comunicación (TIC): el rol de la nanotecnología en las TIC parte de la posibilidad de utilizar nuevos métodos y nuevas tecnologías que permitan fabricar componentes de dispositivos a escala microscópica. Esto permite emplear un mayor número de componentes y funcionalidades en los dispositivos, mejorando sus características: aumentar la capacidad de procesar y/o almacenar más datos, incrementar la velocidad y optimizar el rendimiento. La nanotecnología es capaz de contribuir en dichas mejoras mediante revestimientos, partículas y películas y nuevas tecnologías. También es relevante en el contexto de la nanotecnología la nueva capacidad para explotar el potencial de la computación cuántica y la electrónica orgánica dentro de las TIC.
  • Transporte: las aplicaciones de la nanotecnología al transporte permiten realizar mejoras en el sector en términos de durabilidad, economía, sostenibilidad, impacto medioambiental y seguridad. Algunos de los mecanismos a través de los cuales la nanotecnología puede impactar el sector del transporte incluyen la introducción de microfibras basadas en carbono cien veces más fuertes que el acero en la producción de motores, así como a través de la reducción de los de las emisiones a través de microsensores inteligentes
  • Energía: las aplicaciones comerciales de la nanotecnología en el campo de la energía incluyen: células fotovoltaicas y sus componentes; nanotubos y partículas para uso en condensadores y baterías, y nanomateriales para la aplicación en el campo de la producción de energía alternativa. La nanotecnología tiene un enorme potencial para contribuir a la sostenibilidad energética al reducir el consumo, mejorar la infraestructura para la generación, transmisión y uso de energía, y ofrecer nuevos métodos para la producción de energía.
  • Construcción: la nanotecnología es una herramienta que puede contribuir a que el sector de la construcción responda a una amplia gama de desafíos. Los nanomateriales se pueden encontrar en muchos materiales de construcción ordinarios y productos como el cemento, mortero y hormigón, pinturas, revestimientos, materiales aislantes y vidrio; y pueden contribuir a la reducción de peso o funcionalidades mejoradas, como una mayor durabilidad, resistencia al fuego, estabilidad térmica, autolimpieza y/o propiedades fotocatalíticas. Con propiedades mejoradas sobre los materiales convencionales, pueden aumentar la eficiencia energética (en la fabricación y el uso) y ayudar a abordar los aspectos ambientales y de seguridad.
  • Medio ambiente: el mercado potencial de la nanotecnología en el campo del medio ambiente incluye remediación del suelo, remediación del agua, remediación del aire y sensores. La nanotecnología tiene aplicaciones para abordar problemas ambientales, como por ejemplo, mejorar prevención, detección y remediación de la degradación ambiental y la producción de mejores materiales (más livianos, más efectivos, de menor precio.
  • Fotónica: la fotónica aborda muchos de los desafíos sociales a los que se enfrenta el mundo en la actualidad. El envejecimiento saludable es uno de los mayores desafíos sociales y económicos del siglo XXI para las sociedades europeas, y la fotónica ofrece soluciones algunas soluciones. La fotónica se usa en láseres (para cirugía ocular, comúnmente necesarios en personas mayores), en sensores (para diagnóstico médico y sistemas para la vida independiente) y en diagnósticos
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El Observatorio de nanomateriales de la Unión Europea ofrece información sobre los nanomateriales existentes en el mercado de la UE. La página web (https://euon.echa.europa.eu) que aporta a ciudadanos y profesionales comunitarios acceso a información referente a los nanomateriales en el mercado de la UE en 23 idiomas.

Peligros para la salud y la seguridad de los nanomateriales y vías de exposición

Los nanomateriales se encuentran de forma natural en las erupciones volcánicas, y también, las emisiones de los vehículos diésel, los humos de soldadura y un gran número de productos de uso cotidiano, como los compuestos de sílica amorfa en neumáticos, el óxido de titanio en cremas y pinturas con acción bloqueadora de la radiación UV, agentes microbianos en forma de partículas de plata nanométrica en tejidos y dispositivos médicos o nanotubos de carbono utilizados para conferir propiedades mecánicas y otras cualidades a materiales usados en electrónica, industria del automóvil o aeroespacial.
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Investigadores de la Universidad Nortwestern ha desarrollado un material que podría acelerar de forma notable a carga de las baterías en coches eléctricos, y que además ayudaría a aumentar su autonomía para que esas baterías. El desarrollo se basa en un campo de investigación relativamente nuevo: los llamados Covalent Organic Frameworks (COF), una familia de polímeros muy resistentes que tienen una serie de diminutos poros que permiten almacenar energía. Fuente imagen: Northwestern University.

Al analizar los peligros peligros para la salud y la seguridad de los nanomateriales y vías de exposición es preciso en primer lugar evaluar el nivel de riesgo existente por la exposición al agente causante del deterioro de la salud. Las vías de entrada de los nanomateriales en el organismo no difieren de las puertas de entrada conocidas para otros materiales. Existen tres principales vías de exposición posible a los nanomateriales en el lugar de trabajo:

  • La inhalación es la vía más frecuente de exposición a las nanopartículas que se propagan por el aire en el lugar de trabajo. Las nanopartículas inhaladas pueden depositarse en las vías respiratorias y en los pulmones, dependiendo de su forma y tamaño. Después de la inhalación, pueden atravesar el epitelio pulmonar, introducirse en el torrente sanguíneo y llegar a otros órganos y tejidos. Se han encontrado también algunos nanomateriales inhalados que habían llegado al cerebro a través del nervio olfativo.
  • La ingestión puede producirse por contacto involuntario de la mano y la boca después de tocar superficies contaminadas o por ingestión de alimentos o agua contaminados. La ingestión puede ocurrir como consecuencia de la inhalación de nanomateriales, dado que las partículas inhaladas que se eliminan de las vías respiratorias a través del sistema mucociliar pueden tragarse. Algunos nanomateriales ingeridos pueden atravesar el epitelio intestinal, introducirse en el torrente sanguíneo y alcanzar otros órganos y tejidos.
  • La penetración por vía dérmica tiene menos posibilidades de entrada en el organismo porque la piel intacta constituye un eficaz mecanismo de defensa frente a agentes externos, pero cuando existe alguna solución de continuidad con pérdida de la cutícula externa protectora, las nanopartículas pueden penetrar y distribuirse por el organismo como lo hacen otros agentes físicos, químicos o biológicos. En un estudio Gautam Aet al., (2011) de la División de Farmacología y Toxicología del Defence Research & Development Establishment (DRDE), se describe un efecto trasportador de partículas ultrafinas, de tamaño (<0,1 µm – 10 nm), hacia el interior del organismo a través de los folículos pilosos, y en consecuencia, podríamos suponer que las nanopartículas tienen la misma o mayor facilidad de transporte que las partículas ultrafinas, a través de la misma vía.
  • Aunque se trata de una vía menos frecuente, a través de la vía digestiva las partículas nanométricas pueden interactuar con el tejido del aparato digestivo. El acceso por esta vía se debe principalmente a la falta de medidas higiénicas durante la manipulación de nanomateriales También, a que las partículas depositadas en las vías superiores del sistema respiratorio pueden pasar al sistema digestivo por un mecanismo de aclaramiento mucociliar y posterior deglución
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Los nanomateriales no solo se utilizan en productos de consumo, sino también en tratamientos médicos nuevos e innovadores. España lidera la aplicación de nanotecnología al diagnóstico y tratamiento del cáncer: En las imágenes inferiores obtenidas mediante microscopio óptico de células epiteliares humanas procedentes de un carcinoma cervical donde se observan (a) nanopartículas magnéticas en su interior (puntos marrones). Y a la derecha células similares tras su división celular (b). Fuente: A. Villanueva et al. Nanotechnology 20, 115103 (20. Fuente imagen superior: ECHA European Chemicals Agency.
Al igual que lo que ocurre con las partículas en suspensión, la vía de entrada respiratoria se comporta como la principal vía de acceso de las nanopartículas al organismo, pero con la particularidad de que su capacidad de absorción y distribución por todo el organismo se ve favorecida por su pequeño tamaño. En consecuencia, el potencial de exposición depende principalmente de la posibilidad de que los materiales se propaguen por el aire y, por tanto, son las formas en polvo o aerosol las que presentan un potencial de riesgo mayor que las suspensiones en líquidos, pastas, materiales granulares o compuestos. Por su parte, los nanomateriales suspendidos en líquidos entrañan un potencial de riesgo mayor que las nanoestructuras enlazadas o fijas, como es el caso de una matriz polimérica. Respecto a los peligros para la seguridad que pueden entrañar los nanomateriales y a pesar de que existe muy poca información es importante reseñar, los peligros para la seguridad derivados de la elevada explosividad, inflamabilidad y potencial catalítico de algunos nanopolvos (nanomateriales en forma de polvo), en particular, los nanopolvos metálicos. Influyen en ellos el tamaño de las partículas que posibilita su permanencia en el aire durante más tiempo y su mayor área superficial específica.
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Las vías de entrada de los nanomateriales en el organismo no difieren de las puertas de entrada conocidas para otros materiales: por las vías respiratorias, a través de la piel o de las mucosas oculares.

Los procesos que sufren las partículas en el organismo son:

  • Absorción de las partículas mediante inhalación, contacto con la piel o ingestión.
  • Distribución en el organismo.
  • Metabolización.
  • Eliminación total o parcial por diferentes vías.

La distribución a los distintos órganos puede verse afectada por una propiedad específica y exclusiva que presentan algunos nanomateriales denominada translocación, que consiste en la capacidad de atravesar las barreras biológicas sin perder su integridad. Así, a través de los vasos linfáticos, los vasos sanguíneos y los nervios sensoriales, los nanomateriales pueden alcanzar diferentes partes del cuerpo a las que no tendrían acceso las partículas de mayor tamaño.

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Los nanomateriales producidos intencionadamente a nivel industrial o en laboratorios de investigación y que pueden encontrarse en los lugares de trabajo bien en su forma original, bien incorporados en otros materiales o productos de los que podrían ser liberados en mayor o menor medida en cualquiera de las etapas de su ciclo de vida. En las imágenes un proceso de control en un nanosatélite en la parte superior, y en parte de abajo, un control en una batería en un coche eléctrico.

Gestión de los riesgos de los nanomateriales en el lugar de trabajo

En los lugares de trabajo en los que se manipulan nanomateriales manufacturados existe el riesgo potencial de liberación al ambiente de partículas nanométricas y de sus aglomerados y agregados que pueden tener tamaños superiores a 100 nm. La exposición laboral a nanomateriales puede darse tanto en cada una de las etapas del ciclo de vida del nanomaterial (la fabricación, la incorporación al producto intermedio o final, la utilización profesional de estos productos y la eliminación de los residuos que los contienen), como en las tareas de mantenimiento y limpieza.
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La exposición laboral a nanomateriales puede darse tanto en cada una de las etapas del ciclo de vida del nanomaterial (la fabricación, la incorporación al producto intermedio o final, la utilización profesional de estos productos y la eliminación de los residuos que los contienen), como en las tareas de mantenimiento y limpieza. Fuente imagen: IOM (Institute of Occupational Medicine) Singapur.
Los empresarios tienen la obligación general de asegurar la salud y seguridad de los trabajadores en todos los aspectos relacionados con su trabajo, llevando a cabo evaluaciones de riesgos de forma regular, tal y como se especifica en la Directiva Marco 89/391/CEE que deben incluir los posibles riesgos derivados de los nanomateriales. El planteamiento para abordar la evaluación de riesgos sería el utilizado habitualmente para los agentes químicos siguiendo los criterios y recomendaciones de la Guía de Agentes Químicos. Según un informe de la Agencia Europea para la Seguridad y la Salud en el Trabajo (EU-OSHA), en línea con otras muchas publicaciones, parece que los actuales principios de valoración de riesgos son, en general, apropiados. Aunque hay lagunas en la información necesaria para la evaluación de riesgos es esencial recoger la máxima información posible sobre los materiales, los procesos y los trabajadores potencialmente expuestos, documentarla y conservarla durante el mayor tiempo posible y, como mínimo, lo requerido por la legislación aplicable.
Las actuaciones deberán ir encaminadas, por tanto, a prevenir la exposición y; si no es posible, a reducirla al nivel más bajo técnicamente posible, y a controlarla mediante la aplicación de medidas de protección en el marco de la legislación laboral y con las orientaciones que puedan proporcionar organizaciones de reconocido prestigio como la Organización Mundial de la Salud (OMS).
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La Guía OMS para la protección de los trabajadores frente a los riesgos potenciales de los nanomateriales manufacturados (WHO Guidelines from potential risks on protecting workers of manufactured nanomaterial), propone pautas en el campo de la salud y seguridad laboral con recomendaciones sobre la mejor manera de proteger a los trabajadores de los riesgos potenciales de las nanomateriales manufacturados. Crédito imagen: World Health Organization, 2017.

La Directiva 98/24/CE relativa a los agentes químicos durante el trabajo impone disposiciones más estrictas sobre la gestión de los riesgos derivados de sustancias presentes en el trabajo; en particular, la jerarquía de medidas de prevención que refuerza la eliminación o sustitución como medidas prioritarias, que también es aplicable a los nanomateriales, dado que están incluidos en la definición de «sustancias». Si un nanomaterial, o el material de la misma composición a escala macro, es carcinógeno o mutágeno, también ha de cumplirse la Directiva 2004/37/CE relativa a la presencia de carcinógenos o mutágenos en el trabajo. Dado que los nanomateriales se consideran sustancias, también son pertinentes:

  • Reglamento relativo al registro, la evaluación, la autorización y la restricción de las sustancias y preparados químicos (CE) n.º 1907/2006 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 18 de diciembre de 2006, relativo al registro, la evaluación, la autorización y la restricción de las sustancias y Preparados Químicos (REACH), por el que se crea la Agencia Europea de Sustancias y Preparados Químicos, se modifica la Directiva 1999/45/CE y se derogan el Reglamento (CEE) n.º 793/93 del Consejo y el Reglamento (CE) n.º 1488/94 de la Comisión, así como la Directiva 76/769/CEE del Consejo y las Directivas 91/155/CEE, 93/67/CEE, 93/105/CE y 2000/21/CE de la Comisión (DO L 396, 30 de diciembre de 2006).
  • Reglamento sobre clasificación, etiquetado y envasado de sustancias y mezclas (CE) n. º 1272/2008 del Parlamento Europeo y del Consejo sobre clasificación, etiquetado y envasado de sustancias y mezclas (Reglamento CLP), DO L 353, 31 de diciembre de 2008.
  • Reglamento (UE) 2016/425, de 9 de marzo de 2016 relativo a los equipos de protección individual y por el que se deroga la Directiva 89/686/CEE del Consejo

Además la Normativa general de seguridad y salud en el trabajo española:

  • Ley 31/1995, de Prevención de Riesgos Laborales.
  • Real Decreto 39/1997 por el que se aprueba el Reglamento de los Servicios de Prevención.
  • Real Decreto 1407/1992, de 20 de noviembre, por el que se regulan las condiciones para la comercialización y libre circulación intracomunitaria de los equipos de protección individual y sus modificaciones posteriores establecidas por: Real Decreto 159/1995, Orden de 16 de mayo de 1994 y Orden de 20 de febrero de 1997.
  • Real Decreto 665/1997 sobre la protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a agentes cancerígenos durante el trabajo.
  • Real Decreto 773/1997 sobre disposiciones mínimas de seguridad y salud relativas a la utilización por los trabajadores de equipos de protección individual.
  • Real Decreto 1215/1997 por el que se establecen las disposiciones mínimas de seguridad y salud para la utilización por los trabajadores de los equipos de trabajo.
  • Real Decreto 374/2001 sobre protección de la salud y seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con los agentes químicos durante el trabajo.
  • Real Decreto 349/2003 por el que se modifica el Real Decreto 665/1997, sobre la protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a agentes cancerígenos durante el trabajo, y por el que se amplía su ámbito de aplicación a los agentes mutágenos.
  • Real Decreto 681/2003 sobre la protección de la salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo.
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Mascarilla autofiltrante desechable BLS Zero con válvula de exhalación, elásticos soldados, sellado facial y lámina protectora. Con nanofiltración para garantizar un nivel de protección FFP3 contra nano, partículas y ofreciendo una resistencia respiratoria comparable a FFP1, según los ensayos en laboratorio de BSL. Crédito imagen: BLS srl.

Equipos de protección frente al riesgo de entrada al organismo de las nanopartículas

Al evaluar el nivel de riesgo por la exposición a nanoparticulas uno de los mayores problemas es determinar cuál es el límite de la exposición que se considera seguro. Hay una gran heterogeneidad de nanomateeriales y es difícil llegar a un consenso para el establecimiento de límites de exposición ambiental. En este sentido, la Organización Mundial de la Salud (OMS) está elaborando directrices sobre la protección de los trabajadores frente a los riesgos potenciales de los nanomateriales artificiales y ha publicado la “Guía de la OMS para la protección de los trabajadores frente a los riesgos potenciales de los nanomateriales manufacturados, en la propone pautas en el campo de la salud y seguridad laboral con recomendaciones sobre la mejor manera de proteger a los trabajadores de los riesgos potenciales de las nanomateriales manufacturados.

Una vez determinado que es necesario usar un EPI, se debe seguir el procedimiento general para la selección y uso de estos equipos de protección: análisis de la naturaleza y características de la amenaza, de la tarea, y de los trabajadores; y finalmente definición de los EPI adecuados al nivel de protección evaluado y que se adapten a las características de la tarea; y finalmente la formación a los usuario siguiéndolas indicaciones del fabricante.

Los diferentes  tipos de EPI disponibles para la protección cada una de las vías de acceso a las nanoparticulas son los siguientes:

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En los trabajos habituales de corta duración se pueden utilizar como equipos de protección respiratoria máscaras completas, medias máscaras y cuartos de máscara, que incorporen filtros de partículas P3, los cuales pueden incorporarse a filtros intercambiables. En la imagen: (1) Máscara completa reutilizable de 3M 7907S. (2) Máscara completa Dräger X-plore 5500. (3) Semimáscara respiratoria JSP Force 8. (4) De forma general, se utilizarán protectores que incorporen filtros de partículas P3, los cuales pueden incorporarse a filtros intercambiables para ser utilizados.

Equipos de protección de las vías respiratorias. Normativa asociada

La distribución y eliminación de las partículas inhaladas están afectadas principalmente por su La solubilidad en los fluidos biológicos y por la zona del tracto respiratorio en la que se encuentren depositadas. La solubilidad en los fluidos biológicos de las partículas y la zona del tracto respiratorio en la que se encuentren depositadas son aspectos fundamentales para su eliminación del organismo a través de las vías habituales, o su acumulación depositándose. Las partículas solubles de tamaño nanométrico se comportan igual que las partículas solubles de mayor tamaño, disolviéndose en los fluidos biológicos del tracto respiratorio, se distribuyen en el organismo y se eliminan a través de las vías habituales.

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Los equipos filtrantes motorizados, con filtros de partículas P3 se emplean cuando el uso previsto es prolongado. Dependiendo del tipo de trabajo, se podría optar por equipos filtrantes de partículas THP3 o TH3 que garanticen una presión positiva en el interior de la pieza facial (sería recomendable un estudio de penetración en los filtros en caudales de aire >115 l/min). Crédito imagen Equipo respiración autónomo (ERA) Dräger Setpaslite FPS 7000. Drägerwerk AG & Co. KGaA.
Las partículas insolubles o poco solubles depositadas en las vías respiratorias superiores o en la región traqueobronquial se pueden eliminar mediante transporte mucociliar (sistema de defensa donde mediante la mucosidad se expulsan los cuerpos extraños al exterior), mientras que las depositadas en la zona alveolar se pueden eliminar mediante fagocitosis (sistema de defensa por el cual los fagocitos que pertenecen al sistema inmunitario capturan y digieren partículas nocivas). La fagocitosis varía en función del tamaño y la forma de la partícula.

Los nanomateriales que se presentan en forma de fibra, cuya longitud es superior a 15 μm, que se depositan en la zona distal del pulmón, y no pueden ser fagocitados pudiendo generar efectos adversos y patologías similares a los relacionados con el amianto u otras fibras nocivas. Por otra parte, las partículas nanométricas insolubles o poco solubles, a diferencia de las partículas de mayor tamaño, presentan la característica singular de que debido a su pequeño tamaño pueden atravesar las membranas biológicas manteniendo su integridad y migrar a diferentes partes del organismo.

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Si el nanomaterial se encuentra en forma de polvo los EPI que deben utilizarse como ropa de protección son de tipo 5 y si se encontrase en estado líquido, debe valorarse el uso de ropa de protección química de Tipo 6 o 4. Fuente imagen: Tyvek 500 Xpert: Protección superior de Tipo 5 y Tipo 6. Establece un nuevo estándar en protección frente a partículas, con solo un 0,8% de fuga interna en todo el traje. DuPont.
Los equipos de protección, de forma general, se utilizarán protectores que incorporen filtros de partículas P3, los cuales pueden incorporarse a filtros intercambiables para ser utilizados Los EPI empleados pueden ser máscaras completas, medias máscaras y cuartos de máscara, mascarillas autofiltrantes o equipos filtrantes motorizados, con filtros de partículas P3, los cuales pueden incorporarse a filtros intercambiables.

Una cuestión clave es determinar si estos filtros pueden ofrecer una protección eficaz para unos tamaños de partícula tan reducida, ya que su eficiencia filtrante es particularmente notable para tamaños de partículas superiores a 1 micrómetro (1.000 nm) y para partículas con diámetros inferiores a los 0,06 micrómetros (60 nm), según el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (National Institute for Occupational Safety and Health -NIOSH) del Centers for Disease Control and Prevention (CDC) de EE UU. También es importante reseñar que el rango de tamaños en los que peor se comportan estos filtros (entre los 0,1 y 0,6 micrómetros) es precisamente la zona en la que se evalúan los filtros de partículas durante los ensayos referenciados, con el fin de evaluar el comportamiento del EPI en las condiciones más desfavorables.

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Representación esquemática de la absorción dérmica de de las nanopartículas El estudio ‘Dermal exposure of nanoparticles: an understanding’ (Gautam et al., 2011) publicado por Journal of Cell and Tissue Research muestra que partículas de tamaño igual o inferior a 10 nm pueden penetrar el estrato córneo (última capa de la epidermis, que la más gruesa y eosinófila) de una piel íntegra, y las de un tamaño entre 20 y 40 nm lo pueden hacer a través de vías transcutáneas como el folículo piloso o los poros acuosos. Fuente: Gautam et al., 2011. Journal of Cell and Tissue Research.

Las normas asociadas a los distintos tipos de protectores respiratorios filtrantes son las siguientes:

  • UNE-EN 149:2001+A1:2010. Medias máscaras autofiltrantes contra partículas.
  • UNE-EN 405:2002+A1:2010. Medias máscaras autofiltrantes contra gases o partículas.
  • UNE-EN 140:1999. Medias máscaras.
  • UNE-EN 143:2001 y A1:2006.Filtros contra partículas.
  • UNE-EN 12941:1998 y enmiendas de 2004 y 2009.Equipos filtrantes de ventilación asistida con casco o capucha.
  • UNE-EN 12942:1999 1998 y enmiendas de 2003 y 2009. Equipos filtrantes de ventilación asistida con máscara, cuarto de máscara o máscara completa.
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Como medidas técnicas de control a la exposición a nonomateriales aplicables fundamentalmente en los entornos laborales de laboratorios se encuentran las cabinas (cajas de guantes, aisladores de laboratorio o cabinas de seguridad biológica) y sistemas de extracción localizada con filtros de alta eficacia HEPA de clase H14 y ULPA. Crédito imagen: Cabina Faster SafeFAST Elite III. Vertex Technics, S.L.

En los casos en los que la evaluación registre unas concentraciones muy elevadas de nanoparticulas, puede ser necesario el uso de equipos aislantes, con la siguiente normativa asociada:

  • UNE-EN 137:2007. Equipos aislantes autónomos de circuito abierto de aire comprimido con máscara completa.
  • UNE-EN 14435:2004. Equipos aislantes de circuito abierto de aire comprimido con media máscara para uso sólo en presión positiva.
  • UNE-EN 145:1998. Equipos aislantes de circuito cerrado de oxígeno comprimido o de oxígeno-nitrógeno.
  • UNE-EN 138:1995. Equipos de protección respiratoria con manguera de aire fresco provistos de máscara, mascarilla o conjunto boquilla.
  • UNE EN 269:1995. Equipos de protección respiratoria con manguera de aire fresco asistidos con capuz.
  • UNE-EN 14594:2005. Equipos respiratorios con línea de aire comprimido de flujo continuo.
  • UNE-EN 14593-1:2005. Equipos respiratorios de línea de aire comprimido con válvula a demanda.
  • UNE-EN 14593-2:2005. Equipos respiratorios de línea de aire comprimido con válvula a demanda.

Equipos de protección de la piel y mucosas oculares. Normativa asociada

El estudio ‘Dermal exposure of nanoparticles: an understanding’ (Gautam et al., 2011) publicado por Journal of Cell and Tissue Research muestra que partículas de tamaño igual o inferior a 10 nm pueden penetrar el estrato córneo (última capa de la epidermis, que la más gruesa y eosinófila) de una piel íntegra, y las de un tamaño entre 20 y 40 nm lo pueden hacer a través de vías transcutáneas como el folículo piloso o los poros acuosos. Por otra parte, las partículas de forma esférica tienen mayor, capacidad de penetración que las de forma de elipse. Para proteger estas vías de entrada si el nanomaterial se encuentra en forma de polvo los EPI que deben utilizarse como ropa de protección son de tipo 5 y si se encontrase en estado líquido, debe valorarse el uso de ropa de protección química de Tipo 6 o 4.

La protección de las mucosas oculares se hará mediante el uso de distintos tipos de protectores en función de la forma en la que se encuentre el contaminante. En este sentido, debemos recordar que existe la posibilidad de aunar la protección respiratoria y ocular mediante el uso de máscaras completas y capuces.
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Según el estudio publicado por Nanosafe (Golanki et al 2008), los guantes de protección de polímeros sintéticos, como el látex, el nitrilo o el neopreno, han demostrado ser eficaces en la protección de la manos cuando se trabaja con nanomateriales, aunque la eficacia de los guantes en relación con un nanomaterial específico dependerá de la forma que éste adopta en el lugar de trabajo (polvo, líquido, etc.). El grosor de los guantes es un factor esencial para determinar el índice de difusión del nanomaterial, por lo que en caso de usar guantes desechables muy finos, conviene usar dos pares superpuestos. Créditos imágenes: Danish Technological Institute, parte superior y debajo, Barron Research Group/Rice.

Las normas asociadas aplicables a este tipo de EPI son:

  • UNE-EN ISO 13982-1:2005. Ropa de protección química que ofrece protección al cuerpo completo contra partículas sólidas suspendidas en el aire (Ropa de tipo 5).
  • UNE-EN 14605:2005+A1:2009. Ropa con uniones herméticas a los líquidos (tipo 3) o con uniones herméticas a las pulverizaciones (tipo 4).
  • UNE-EN 13034:2005+A1:2009. Ropa de protección química que ofrece protección limitada contra productos químicos líquidos (equipos del tipo 6).

Para la protección de las manos, se recomienda el uso de guantes de protección contra productos químicos y microorganismos que deben cumplir la norma EN 374-1:2016, y en el caso de que usen guantes desechables, se recomienda la utilización de dos pares de guantes superpuestos para conferir mayor resistencia frente al deterioro mecánico de los mismos.

Para la protección de las mucosas oculares se tendrá en cuenta la forma en la que se encuentre el contaminante, pudiéndose realizar bien de forma conjunta aunado la protección respiratoria y ocular mediante el uso de máscaras completas y capuces, o bien mediante protectores oculares que deben cumplir de forma general la norma: UNE-EN 166:2002. ‘Protección individual de los ojos. Requisitos’.

En caso de que los productos estén en estado sólido, y que no haya generación de polvo, las gafas de montura universal evitarán el riesgo de contacto accidental mano-ojo. En caso de manipulación de líquidos que contengan nanomateriales, donde exista riesgo de salpicaduras de líquidos, se utilizarán pantallas faciales (campo de uso 3 dentro de la norma UNE-EN 166:2002). Si por el contrario la exposición se da en forma de polvo o aerosoles, debe hacerse uso de gafas de montura integral (campo de uso 5), las cuales encierran completamente la cavidad ocular, o bien, y dado que previsiblemente se requiera también de protección respiratoria, podría usarse una máscara completa como adaptador facial (si se opta por usar gafa de montura universal y media máscara o cuarto de máscara, deberá prestarse atención a la compatibilidad entre los dos tipos de EPI).

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Aunque no hay gafas o máscaras de protección en el mercado específicamente diseñada o testada para la protección del trabajador que manipule nanopartículas, se deben de utilizar gafas en los trabajos con nanomateriales en polvo. Si se manipulasen suspensiones coloidales de los nanomateriales, se deben usar pantallas faciales con protección frente a salpicaduras, y si hubiera exposición a aerosoles que contengan nanomateriales es aconsejable utilizar como protección máscara completa. Crédito imagen: Thyssenkrupp AG.

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