The lunar regolith is compositionally similar to terrestrial rocks, but the absence of atmosphere, the continuous bombardment of micro-meteorites and cosmic rays, make the lunar soil covered with a very fine dust characterized by high reactivity. In order to cope with the limited quantity of authentic lunar dust, over the years various lunar dust simulants have been synthesized, those are materials that have the same chemical-physical characteristics of the dust naturally present on the moon. This study focuses on the chemical-physical characterization and delineation of the toxicological profile of two lunar dust simulants (SMA, Simulant Moon Agglutinates) prepared by the University of Cassino and the Polytechnic of Turin. The two samples under study, SMA_A and SMA_X, are two zeolites modified in such a way as to obtain, through the exchange of Na+ with Fe2+ and subsequent reductive heat treatment in H2, a glassy matrix containing nano agglomerates of metallic iron (np -Fe0). These materials were ground in an inert atmosphere (Ar) in order to activate the surfaces, exposing a greater quantity of Fe(0) centers and obtaining inhalable dust. After the milling, a fraction of the two ground SMAs was kept in an inert atmosphere (glove box, pO2 and pH2O < 3 ppm), and another fraction exposed to the air, in order to simulate different environments of possible exposure. The samples were characterized for: morphology and chemical composition through scanning electron microscopy (SEM-EDS), specific surface area (Kr-BET method), composition through micro-Raman spectroscopy, particle shape and size through Flow Particle Imaging Analyzer (FPIA). The lunar dust simulants were subjected to membranolysis tests on sheep red blood cells (hemolysis assay), radical release tests in solution using Electron Paramagnetic Resonance (EPR) coupled to the spin trapping technique and iron release tests through the formation of a complex of the latter with the ferrozine ligand. The specific surface area of the samples (SSA) stands at 7.9 m2/g and 7.1 m2/g, respectively for unground SMA_A and SMA_X and 5.4 m2/g and 3.6 m2/g, respectively for SMA_A and SMA_X post-grinding. The SEM images show cubic structures within the glass matrix and highlight a different chemical composition of the two samples, while the micro-Raman analyzes did not produce reproducible results. The study of the surface reactivity of the simulants highlighted that none of the samples present membranolytic activity (HA). Both SMAs generate a moderate amount of •OH and COO• radicals in Fenton-type reactions and in the homolytic breaking of the C-H bond in the formate anion. SMAs stored in an inert atmosphere generate a greater quantity of •OH radicals than those exposed to air. Lastly, the amount of iron released is around 15 ng of iron per mg of sample. In conclusion, this study focused on the chemical-physical characterization of the new lunar simulant samples SMA_A and SMA_X outlining possible factors that may promote toxicity mechanisms. The samples did not demonstrate membranolytic activity, despite their marked tendency to release radicals into solution.
La regolite lunare è composizionalmente simile alle rocce terresti, ma l’assenza di atmosfera, il continuo bombardamento di micro-meteoriti e raggi cosmici, rendono il suolo lunare coperto di una polvere molto fine caratterizzata da una elevata reattività. Per poter far fronte alla scarsa quantità di polveri lunari autentiche, negli anni sono stati sintetizzati diversi simulanti di polveri lunari, materiali che presentano le stesse caratteristiche chimico-fisiche delle polveri naturalmente presenti sulla luna. Questo studio si focalizza sulla caratterizzazione chimico-fisica e sulla delineazione del profilo tossicologico di due simulanti di polveri lunari (SMA, Simulant Moon Agglutinates) preparati dall’Università di Cassino e dal Politecnico di Torino. I due campioni oggetto di studio, SMA_A e SMA_X, sono due zeoliti modificate in modo da ottenere, tramite lo scambio di Na+ con Fe2+ e successivo trattamento termico riduttivo in H2, una matrice vetrosa contenente al suo interno dei nano agglomerati di ferro metallico (np-Fe0). Questi materiali sono stati macinati in atmosfera inerte (Ar) in modo da attivare le superfici esponendo una quantità maggiore di centri Fe(0) e ottenere polveri di taglia respirabile. Al termine della macinazione, una frazione dei due SMA macinati è stata mantenuta in atmosfera inerte (glove box, pO2 e pH2O < 3 ppm), ed un’altra frazione esposta all’aria, in modo da simulare diversi ambienti di possibile esposizione. I campioni sono stati caratterizzati per: morfologia e composizione chimica attraverso microscopia elettronica a scansione (SEM-EDS), area superficiale specifica (metodo Kr-BET), composizione attraverso spettroscopia micro-Raman, forma e dimensione delle particelle tramite Flow Particle Imaging Analyzer (FPIA). I simulanti di polveri lunari sono stati sottoposti a test di membranolisi su globuli rossi ovini (hemolysis assay), test di rilascio di radicali in soluzione tramite Risonanza Elettronica Paramagnetica (EPR) accoppiata alla tecnica dello spin trapping e test di rilascio del ferro tramite la formazione di un complesso di quest’ultimo con il legante ferrozina. L’area superficiale specifica dei campioni (SSA), si attesta su 7,9 m2/g e 7,1 m2/g, rispettivamente per SMA_A ed SMA_X non macinati e 5,4 m2/g e 3,6 m2/g, rispettivamente per SMA_A ed SMA_X post-macinazione. Le immagini al SEM mostrano delle strutture cubiche all’interno della matrice vetrosa e mettono in risalto una differente composizione chimica dei due campioni, mentre le analisi micro-Raman non hanno prodotto risultati riproducibili. Lo studio della reattività di superficie dei simulanti ha evidenziato come nessuno dei campioni presenti attività membranolitica (HA). Entrambi i SMA generano una moderata quantità di radicali •OH e COO• nelle reazioni di tipo-Fenton e nella rottura omolitica del legame C-H nell’anione formiato. I SMA conservati in atmosfera inerte generano una maggiore quantità di radicali •OH rispetto a quelli esposti all’aria. In ultimo, la quantità di ferro rilasciata si attesta intorno a 15 ng di ferro per mg di campione. In conclusione, questo studio si è focalizzato sulla caratterizzazione chimico-fisica dei nuovi campioni di simulanti lunari SMA_A e SMA_X delineando possibili fattori che possono promuovere meccanismi di tossicità. I campioni non hanno dimostrato attività membranolitica, nonostante la loro spiccata tendenza nel rilasciare radicali in soluzione.
Caratteristiche chimico-fisiche e reattività di simulanti di polvere lunare per studi tossicologici
BIANCO, PIERO
2022/2023
Abstract
La regolite lunare è composizionalmente simile alle rocce terresti, ma l’assenza di atmosfera, il continuo bombardamento di micro-meteoriti e raggi cosmici, rendono il suolo lunare coperto di una polvere molto fine caratterizzata da una elevata reattività. Per poter far fronte alla scarsa quantità di polveri lunari autentiche, negli anni sono stati sintetizzati diversi simulanti di polveri lunari, materiali che presentano le stesse caratteristiche chimico-fisiche delle polveri naturalmente presenti sulla luna. Questo studio si focalizza sulla caratterizzazione chimico-fisica e sulla delineazione del profilo tossicologico di due simulanti di polveri lunari (SMA, Simulant Moon Agglutinates) preparati dall’Università di Cassino e dal Politecnico di Torino. I due campioni oggetto di studio, SMA_A e SMA_X, sono due zeoliti modificate in modo da ottenere, tramite lo scambio di Na+ con Fe2+ e successivo trattamento termico riduttivo in H2, una matrice vetrosa contenente al suo interno dei nano agglomerati di ferro metallico (np-Fe0). Questi materiali sono stati macinati in atmosfera inerte (Ar) in modo da attivare le superfici esponendo una quantità maggiore di centri Fe(0) e ottenere polveri di taglia respirabile. Al termine della macinazione, una frazione dei due SMA macinati è stata mantenuta in atmosfera inerte (glove box, pO2 e pH2O < 3 ppm), ed un’altra frazione esposta all’aria, in modo da simulare diversi ambienti di possibile esposizione. I campioni sono stati caratterizzati per: morfologia e composizione chimica attraverso microscopia elettronica a scansione (SEM-EDS), area superficiale specifica (metodo Kr-BET), composizione attraverso spettroscopia micro-Raman, forma e dimensione delle particelle tramite Flow Particle Imaging Analyzer (FPIA). I simulanti di polveri lunari sono stati sottoposti a test di membranolisi su globuli rossi ovini (hemolysis assay), test di rilascio di radicali in soluzione tramite Risonanza Elettronica Paramagnetica (EPR) accoppiata alla tecnica dello spin trapping e test di rilascio del ferro tramite la formazione di un complesso di quest’ultimo con il legante ferrozina. L’area superficiale specifica dei campioni (SSA), si attesta su 7,9 m2/g e 7,1 m2/g, rispettivamente per SMA_A ed SMA_X non macinati e 5,4 m2/g e 3,6 m2/g, rispettivamente per SMA_A ed SMA_X post-macinazione. Le immagini al SEM mostrano delle strutture cubiche all’interno della matrice vetrosa e mettono in risalto una differente composizione chimica dei due campioni, mentre le analisi micro-Raman non hanno prodotto risultati riproducibili. Lo studio della reattività di superficie dei simulanti ha evidenziato come nessuno dei campioni presenti attività membranolitica (HA). Entrambi i SMA generano una moderata quantità di radicali •OH e COO• nelle reazioni di tipo-Fenton e nella rottura omolitica del legame C-H nell’anione formiato. I SMA conservati in atmosfera inerte generano una maggiore quantità di radicali •OH rispetto a quelli esposti all’aria. In ultimo, la quantità di ferro rilasciata si attesta intorno a 15 ng di ferro per mg di campione. In conclusione, questo studio si è focalizzato sulla caratterizzazione chimico-fisica dei nuovi campioni di simulanti lunari SMA_A e SMA_X delineando possibili fattori che possono promuovere meccanismi di tossicità. I campioni non hanno dimostrato attività membranolitica, nonostante la loro spiccata tendenza nel rilasciare radicali in soluzione.I documenti in UNITESI sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/20.500.14240/106069