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Artificial stones, known also as engineered stones, are composite material for construction and furniture, formed by quartz, polymeric resins, pigments or other additives, in variable percentage. Materials containing silica (SiO2) are extensively used in many fields globally, from manufacturing industry to chemical industry, to biomedical and nanotechnology applications. Being such a widely used material, the effects on human health are studied in depth, both of the respirable fraction of crystalline silica dust and of nanometric amorphous dusts, to assess safety of workers who use it. The development of silicosis is known among crystalline silica dust workers, but there is scientific evidence of the involvement of crystalline silica also in other pathologies, as lung cancer and autoimmune disorders. Amorphous silica, on the other hand, can cause more or less transient lung inflammation. The materials valued in this project were divided into two categories: samples with high crystalline silica content, about 40%, and samples with low crystalline silica content, lower than 10%. In this work, the membranolytic activity, i.e. the ability to lyse the red blood cell membrane (haemolysis), of the artificial stone powders examined was evaluated. Haemolysis is a predictive marker of the pathogenicity of the material and erythrocytes are a good model of cell membranes. It has been observed that the resin can suppress haemolytic activity. Therefore, the effect of incubation in solutions that simulate the conditions of the interstitial fluid in the lungs (Simulant Lung Fluid, SLF) on different artificial stone powders was investigated, over periods of time up to three months. Changes at the surface level, such as a reduction in resin, and whether they are able to affect haemolytic activity were assessed. Three materials with different silica concentrations were evaluated, two of them contained resin. A simulant with an acidic pH and one with a physiological pH were used. The studies on the haemolytic activity were carried out considering the surface area of the particles, measured using the BET technique, for volume of solvent. A commercial quartz with known toxicity was used as a reference in the test. The membranolytic activity was evaluated for the pristine samples, the incubated samples, and the mixes of raw materials. The effects of the biological fluid simulants on the resin were studied using TGA technique. The difference in percentage weight loss was evaluated, making comparisons between the pristine sample and the incubated counterpart. The presence of alkali and transition metals was valuated using the ICP technique, for example deriving from the catalysts used for resin synthesis. The analysis was done on the supernatants of the incubated. The specific surface area of the dust investigated superficial area of this dusts is small, between 1 and 2 m2/g. The haemolytic activity is progressively reduced as the concentration of quartz in the sample decreases and changes differently depending on the SLF in which the powder has been incubated. The resin is totally pyrolyzed at 500°C. After each incubation, a progressive decrease was found. In conclusion, materials with higher silica content have a higher haemolytic activity. Furthermore, the incubation in SLF is able to partially remove the resin thus determining a different haemolytic activity of the artificial stone powders.

Le pietre artificiali, anche dette marmi tecnici, sono materiali compositi per l’edilizia e l’arredo, formati da quarzo, resine polimeriche, pigmenti o altri additivi, in percentuali variabili. I materiali che contengono silice sono largamente usati in molti ambiti a livello globale, dall’industria della manifattura a quella chimica, fino ad applicazioni biomediche. Molti studi si sono occupati di valutare gli effetti sulla salute umana, soprattutto per la sicurezza dei lavoratori, sia delle polveri respirabili di silice cristallina, che delle polveri nanometriche amorfe. La silice cristallina è nota per indurre silicosi e ci sono evidenze scientifiche del suo coinvolgimento anche in altre patologie. La silice amorfa, invece, può determinare un’infiammazione polmonare più o meno transiente. I materiali valutati in questo progetto sono stati suddivisi in due categorie: campioni ad alto contenuto di silice cristallina, circa il 40%, e campioni a basso contenuto di silice cristallina con meno del 10%. In questo lavoro è stata valutata l’attività membranolitica, cioè la capacità di lisare la membrana dei globuli rossi (emolisi), delle polveri di pietre artificiali prese in esame. L’emolisi è un marker predittivo della patogenicità del materiale e gli eritrociti rappresentano un buon modello delle membrane cellulari. È stato osservato che la resina può sopprimere l’attività emolitica. Pertanto, è stato indagato l’effetto dell’incubazione in soluzioni che simulano le condizioni del fluido interstiziale nei polmoni (Fluidi Simulanti Polmonari, FSP) su diverse polveri di pietre artificiali, su periodi di tempo fino a tre mesi. Si sono così valutate variazioni a livello superficiale, per esempio riduzione della resina, e se tali alterazioni siano in grado di influire sull’attività emolitica. Sono stati valutati tre materiali a differente concentrazione di silice, due dei quali contenenti resina. Per quanto riguarda gli FSP, sono stati usati uno a pH acido ed uno a pH fisiologico. Gli studi sull’attività emolitica sono stati fatti tenendo conto dell’area superficiale delle particelle, misurata tramite tecnica BET, per volume di solvente. Un quarzo commerciale a nota tossicità è stato usato come riferimento nei test. L’attività emolitica è stata valutata per i campioni tal quali, i campioni incubati ed i mix dei materiali grezzi. Gli effetti dei simulanti dei fluidi biologici sulla resina sono stati studiati tramite tecnica TGA. È stata valutata la differenza di perdita di peso percentuale, confrontando il campione tal quale ed il corrispettivo incubato. Tramite ICP è stata valutata la presenza di metalli alcalini e di transizione, per esempio derivanti da catalizzatori usati per la sintesi della resina; l’analisi è stata fatta sui surnatanti degli incubati. L’area superficiale specifica delle polveri indagate si attesta fra 1 e 2 m2/g. L’attività emolitica si riduce progressivamente al diminuire della concentrazione di quarzo nel campione e risulta variare in modo diverso a seconda del FPS in cui la polvere è stata incubata. La resina viene pirolizzata completamente a 500°C. Dopo ogni incubazione ne è stata riscontrata una progressiva diminuzione. Si è osservato che le polveri di pietre artificiali con maggior concentrazione di silice hanno una più alta attività emolitica. Inoltre, l’incubazione in FPS è in grado di rimuovere parzialmente la resina, determinando così una diversa attività emolitica delle polveri di pietra artificiale.

Studio delle caratteristiche chimico-fisiche di superficie e dell’attività membranolitica di polveri di pietre artificiali a diverso contenuto di silice cristallina

FIMIANI, MARIANNA
2022/2023

Abstract

Le pietre artificiali, anche dette marmi tecnici, sono materiali compositi per l’edilizia e l’arredo, formati da quarzo, resine polimeriche, pigmenti o altri additivi, in percentuali variabili. I materiali che contengono silice sono largamente usati in molti ambiti a livello globale, dall’industria della manifattura a quella chimica, fino ad applicazioni biomediche. Molti studi si sono occupati di valutare gli effetti sulla salute umana, soprattutto per la sicurezza dei lavoratori, sia delle polveri respirabili di silice cristallina, che delle polveri nanometriche amorfe. La silice cristallina è nota per indurre silicosi e ci sono evidenze scientifiche del suo coinvolgimento anche in altre patologie. La silice amorfa, invece, può determinare un’infiammazione polmonare più o meno transiente. I materiali valutati in questo progetto sono stati suddivisi in due categorie: campioni ad alto contenuto di silice cristallina, circa il 40%, e campioni a basso contenuto di silice cristallina con meno del 10%. In questo lavoro è stata valutata l’attività membranolitica, cioè la capacità di lisare la membrana dei globuli rossi (emolisi), delle polveri di pietre artificiali prese in esame. L’emolisi è un marker predittivo della patogenicità del materiale e gli eritrociti rappresentano un buon modello delle membrane cellulari. È stato osservato che la resina può sopprimere l’attività emolitica. Pertanto, è stato indagato l’effetto dell’incubazione in soluzioni che simulano le condizioni del fluido interstiziale nei polmoni (Fluidi Simulanti Polmonari, FSP) su diverse polveri di pietre artificiali, su periodi di tempo fino a tre mesi. Si sono così valutate variazioni a livello superficiale, per esempio riduzione della resina, e se tali alterazioni siano in grado di influire sull’attività emolitica. Sono stati valutati tre materiali a differente concentrazione di silice, due dei quali contenenti resina. Per quanto riguarda gli FSP, sono stati usati uno a pH acido ed uno a pH fisiologico. Gli studi sull’attività emolitica sono stati fatti tenendo conto dell’area superficiale delle particelle, misurata tramite tecnica BET, per volume di solvente. Un quarzo commerciale a nota tossicità è stato usato come riferimento nei test. L’attività emolitica è stata valutata per i campioni tal quali, i campioni incubati ed i mix dei materiali grezzi. Gli effetti dei simulanti dei fluidi biologici sulla resina sono stati studiati tramite tecnica TGA. È stata valutata la differenza di perdita di peso percentuale, confrontando il campione tal quale ed il corrispettivo incubato. Tramite ICP è stata valutata la presenza di metalli alcalini e di transizione, per esempio derivanti da catalizzatori usati per la sintesi della resina; l’analisi è stata fatta sui surnatanti degli incubati. L’area superficiale specifica delle polveri indagate si attesta fra 1 e 2 m2/g. L’attività emolitica si riduce progressivamente al diminuire della concentrazione di quarzo nel campione e risulta variare in modo diverso a seconda del FPS in cui la polvere è stata incubata. La resina viene pirolizzata completamente a 500°C. Dopo ogni incubazione ne è stata riscontrata una progressiva diminuzione. Si è osservato che le polveri di pietre artificiali con maggior concentrazione di silice hanno una più alta attività emolitica. Inoltre, l’incubazione in FPS è in grado di rimuovere parzialmente la resina, determinando così una diversa attività emolitica delle polveri di pietra artificiale.
CHIMICA
CHIMICA
ITA
Artificial stones, known also as engineered stones, are composite material for construction and furniture, formed by quartz, polymeric resins, pigments or other additives, in variable percentage. Materials containing silica (SiO2) are extensively used in many fields globally, from manufacturing industry to chemical industry, to biomedical and nanotechnology applications. Being such a widely used material, the effects on human health are studied in depth, both of the respirable fraction of crystalline silica dust and of nanometric amorphous dusts, to assess safety of workers who use it. The development of silicosis is known among crystalline silica dust workers, but there is scientific evidence of the involvement of crystalline silica also in other pathologies, as lung cancer and autoimmune disorders. Amorphous silica, on the other hand, can cause more or less transient lung inflammation. The materials valued in this project were divided into two categories: samples with high crystalline silica content, about 40%, and samples with low crystalline silica content, lower than 10%. In this work, the membranolytic activity, i.e. the ability to lyse the red blood cell membrane (haemolysis), of the artificial stone powders examined was evaluated. Haemolysis is a predictive marker of the pathogenicity of the material and erythrocytes are a good model of cell membranes. It has been observed that the resin can suppress haemolytic activity. Therefore, the effect of incubation in solutions that simulate the conditions of the interstitial fluid in the lungs (Simulant Lung Fluid, SLF) on different artificial stone powders was investigated, over periods of time up to three months. Changes at the surface level, such as a reduction in resin, and whether they are able to affect haemolytic activity were assessed. Three materials with different silica concentrations were evaluated, two of them contained resin. A simulant with an acidic pH and one with a physiological pH were used. The studies on the haemolytic activity were carried out considering the surface area of the particles, measured using the BET technique, for volume of solvent. A commercial quartz with known toxicity was used as a reference in the test. The membranolytic activity was evaluated for the pristine samples, the incubated samples, and the mixes of raw materials. The effects of the biological fluid simulants on the resin were studied using TGA technique. The difference in percentage weight loss was evaluated, making comparisons between the pristine sample and the incubated counterpart. The presence of alkali and transition metals was valuated using the ICP technique, for example deriving from the catalysts used for resin synthesis. The analysis was done on the supernatants of the incubated. The specific surface area of the dust investigated superficial area of this dusts is small, between 1 and 2 m2/g. The haemolytic activity is progressively reduced as the concentration of quartz in the sample decreases and changes differently depending on the SLF in which the powder has been incubated. The resin is totally pyrolyzed at 500°C. After each incubation, a progressive decrease was found. In conclusion, materials with higher silica content have a higher haemolytic activity. Furthermore, the incubation in SLF is able to partially remove the resin thus determining a different haemolytic activity of the artificial stone powders.
TURCI, Francesco
IMPORT DA TESIONLINE
Corso di Laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14240/144559