Valutazione tossicologica di leghe metalliche nanocristalline con potenziali applicazioni in campo aeronautico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 1523 (2022) Citare questo articolo

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Lo sviluppo di nuove leghe candidate con caratteristiche eccezionali per il loro utilizzo in campo aeronautico è una delle principali priorità per il settore. In questo contesto, le leghe nanocristalline (nc) sono considerate materiali rilevanti per le loro caratteristiche speciali, come le loro eccezionali proprietà fisiche e meccaniche. Tuttavia, un altro punto importante da considerare per le leghe di nuovo sviluppo è il potenziale impatto tossicologico che questi materiali potrebbero avere sugli esseri umani e su altri organismi viventi. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di eseguire una valutazione tossicologica preliminare di tre leghe metalliche nc (WCu, WAl e TiAl) sotto forma di polvere prodotta mediante lega meccanica, applicando diversi test in vitro, incluso un mix di polveri W-Cu con granulometria standard negli esperimenti per stabilire confronti. Gli effetti dell'esposizione diretta alle sospensioni di polveri e/o ai loro percolati derivati ​​sono stati analizzati in tre organismi modello rappresentativi delle esposizioni umane e ambientali (la linea cellulare epiteliale basale alveolare umana adenocarcinomica A549, il lievito Saccharomyces cerevisiae e il batterio Gram negativo Vibrio fischeri ). Nel complesso, i risultati ottenuti forniscono nuove informazioni sui potenziali effetti dannosi delle leghe nc selezionate, dimostrando che, da un punto di vista tossicologico, nc TiAl è il candidato più sicuro negli organismi modello e nelle condizioni testate.

Il concetto di materiali nanocristallini (nc), introdotto per la prima volta da Gleiter1, nel caso specifico delle leghe, si riferisce a un metallo che presenta una dimensione media del grano su scala nanometrica, essendo tale valore inferiore a 100 nm. Le straordinarie proprietà meccaniche, chimiche e fisiche che questi materiali presentano hanno attirato l'attenzione della comunità scientifica e, pertanto, i metalli nc sono stati oggetto di intense ricerche interdisciplinari2,3,4,5,6. Tra le caratteristiche eccezionali che possiedono questi materiali, si possono evidenziare le loro eccezionali caratteristiche catalitiche e termiche, nonché la loro grande resistenza, durezza e migliorata resistenza all'usura7, tutte date dalle loro specifiche proprietà strutturali. Pertanto, l’utilizzo di leghe NC potrebbe rappresentare un impatto significativo in quei settori in cui è necessaria l’applicazione di materiali con queste caratteristiche speciali, come l’industria aerospaziale o aeronautica.

Negli ultimi anni, e spinto dalla forte concorrenza esistente nel settore, lo sviluppo di nuovi materiali per applicazioni aeronautiche è stato considerato una delle principali priorità per questo settore8. Pertanto, sono state condotte ricerche approfondite per affrontare questo problema, concentrando gli sforzi sulla ricerca di materiali che consentano di ridurre i costi, fornendo allo stesso tempo un miglioramento del loro comportamento quando sottoposti a condizioni difficili (resistenza all'usura e alla corrosione, tolleranza ai danni...)9, 10,11. Pertanto, la selezione degli elementi per sviluppare una nuova lega candidata è un passaggio fondamentale che dovrebbe essere attentamente considerato. In questo contesto, la tecnica dell'alligazione meccanica, che consente la combinazione di elementi difficili o impossibili da fondere con altre procedure convenzionali12, si distingue come metodologia rilevante per la produzione di nuove leghe. Inoltre, nel caso dei nanomateriali metallici, è stato dimostrato che la lega allarga significativamente l'intervallo di temperature in cui viene inibito l'ingrossamento, che è uno degli effetti dannosi che questi materiali potrebbero presentare quando sono costantemente esposti a temperature elevate4,13,14. A questo proposito, diverse leghe metalliche nc hanno mostrato un comportamento migliorato alle alte temperature rispetto alle loro controparti metalliche pure15,16.

Oltre alle eccezionali caratteristiche meccaniche e fisiche che le leghe di nuova concezione dovrebbero avere per consentirne l’utilizzo nei settori di interesse, andrebbe considerata la loro sicurezza umana e ambientale. Infatti, la tossicità di diverse leghe metalliche ampiamente utilizzate in diversi campi come quello biomedico o militare (fabbricazione di dispositivi medici, produzione di munizioni...)17,18 è già stata valutata utilizzando metodi sia in vitro che in vivo19,20,21, 22. Tuttavia, con la crescita dell’industria della produzione additiva negli ultimi anni, l’uso delle polveri metalliche è attualmente molto più diffuso. Poiché le polveri metalliche possono risultare più tossiche delle loro controparti sfuse23, ​​la fornitura di informazioni sulle possibili conseguenze associate alla loro manipolazione e gestione deve essere considerata di fondamentale importanza, considerando anche la potenziale lisciviazione dovuta al loro deterioramento e degradazione.