Towards an efficient filtration and characterization of airborne nanoparticles

Abstract

Nos últimos anos, os avanços científicos e tecnológicos têm levado a uma maior presença de nanopartículas (NPs) no ar em indústrias convencionais e de base nanotecnológica. Isto tem preocupado a comunidade científica, uma vez que as NPs representam potenciais efeitos nocivos para a saúde do ser humano e para o ambiente, devido ao seu “pequeno” tamanho e “enorme” área de superfície. Em particular, os trabalhadores da indústria em todo o mundo estão expostos diariamente a elevados níveis de NPs, que a longo prazo podem comprometer a sua saúde. Assim, devem ser tomadas medidas de proteção, apesar de no mercado não existirem soluções eficientes capazes de filtrar nanomateriais. Este trabalho contribui com estudos científicos detalhados de ambientes ocupacionais, quantificando e recolhendo NPs para posterior caracterização físico-química e toxicológica, e também propõe novas e eficientes estruturas nanoporosas para filtrar NPs. As estruturas nanoporosas foram produzidas por pulverização catódica de filmes finos de alumínio em substratos porosos, sendo os nanoporos criados através do método M (reduzindo o tamanho do poro do substrato) e do método F1 (controlando os parâmetros de deposição e com o substrato inclinado). O método F2 (co-deposição com posterior remoção do material sacrificial) não teve sucesso com este sistema. As estruturas revelaram poros com tamanhos variando entre 37 e 776 nm pelo método M e 19 e 641 nm pelo método F1, dependendo do substrato, apesar do método de caracterização Barret, Joyner and Halenda ter determinado um tamanho médio muito inferior (≈3 nm). A interconectividade e a interface entre o substrato e o filme fino são evidentes, tal como mostrado nas imagens de nanotomografia. Uma série de estudos de monitorização de ambientes ocupacionais foi conduzida, com base em períodos de 24 horas, em indústrias de tratamento de superfícies de alumínio e fabricação subtrativa. Ambas revelaram a presença de NPs não intencionais emitidas de processos convencionais. Em todos os locais de trabalho, a concentração de NPs alcançou valores muito superiores àqueles recomendados na literatura. A electroerosão por fio foi o processo que emitiu a maior concentração de partículas (36,20×106 partículas/cm3) com o menor tamanho médio (23 nm). Por este motivo, este processo foi escolhido para testar a eficiência das estruturas nanoporosas e recolher NPs para posterior caracterização. Estas estruturas nanoporosas retiveram partículas maiores que 20 nm com uma eficiência máxima de 94%. As NPs recolhidas exibiam uma vasta gama de tamanhos (tamanho médio de 27 nm determinado por microscopia eletrónica de transmissão) e diferentes formas, estruturas e características de superfície. Em termos da caracterização toxicológica, os ensaios preliminares in vitro demonstraram que as NPs recolhidas não tinham efeitos na viabilidade de macrófagos Raw 264.7. Contudo, os resultados indicam que as NPs induziram a produção de óxido nítrico, que está relacionada com mecanismos pro-inflamatórios. Os resultados deste estudo indicam que são essenciais soluções de filtração com nanoporosidade para proteger a saúde dos trabalhadores, uma vez que a exposição a NPs representa um potencial risco.

In the recent years, scientific and technological advancements have led to an increased presence of airborne nanoparticles (NPs) in conventional and nanotechnological industries. This has concerned scientific community because NPs represent potential harmful effects to the human health and to the environment, due to their “small” size and “enormous” surface area. In particular, industrial workers worldwide are exposed every day to high levels of NPs that, at long term can compromise their health. Thus, protective measures should be taken, despite the nonexistence in the market of efficient solutions, capable of filtering nanomaterials. This work contributes with detailed scientific studies of occupational environments, by quantifying and collecting NPs for posterior physicochemical and toxicological characterization, and also proposes new and efficient nanoporous structures to filter NPs. Nanoporous structures were produced by sputtering deposition of aluminum thin films onto porous substrates, with the nanopores being created through method M (reducing the substrate pore size) and method F1 (controlling sputtering parameters and with the substrate in a tilted position). Method F2 (co-deposition and posterior removal of sacrificial material) was unsuccessful in this system. Structures revealed pores with sizes ranging from 37 to 776 nm by method M and from 19 to 641 nm by method F1, depending on the substrate, although Barret, Joyner and Halenda characterization method has determined much smaller average sizes (≈3 nm). The interconnectivity and the interface between the substrate and the thin film are evident, as shown by nanotomographic images. A series of monitoring studies of occupational environments was conducted, based on 24 hours periods, in industries of aluminum surface treatments and subtractive manufacturing. Both revealed the presence of unintended NPs emitted from the conventional processes. In all the workplaces, the concentration of NPs achieved values higher than those recommended in literature. The wire electrical discharge machining was the process which emitted the largest concentration of particles (36.20×106 particles/cm3) with the smallest average size (23 nm). For this reason, this process was chosen to test the efficiency of nanoporous structures and to collect NPs for posterior characterization. Such nanoporous structures retained particles bigger than 20 nm with a maximum efficiency of 94%. The collected NPs exhibited a wide range of sizes (average size of 27 nm determined by transmission electron microscopy) and different shapes, structures and surface characteristics. In terms of toxicological characterization, preliminary in vitro assays demonstrated that the collected NPs had no effects in the viability of macrophages Raw 264.7. However, the results indicates that the NPs induced the production of nitric oxide, which is related to pro-inflammatory mechanisms. The findings of this study indicate that filtration solutions with nanoporosity are essential to protect the health of workers, since the exposure to NPs represent potential risks.