SBD4NANO: Infraestructura informática para la definición, las pruebas de rendimiento y la aplicación de enfoques de seguridad por diseño en las cadenas de suministro de nanotecnología

Contexto

Uno de los principales retos del sector de la nanotecnología a nivel global es el desarrollo de nanomateriales funcionales y seguros, así como nanomateriales manufacturados (ENMs) y productos nanoestructurados (NEPs).

Los nanomateriales son aquellos materiales en el intervalo de tamaños entre 1 y 100 nm (1 nm = 10-9 m), y cuya incorporación en productos como cosméticos, plásticos, cementos, pinturas o dispositivos médicos, permite obtener propiedades nuevas o mejoradas. Las aplicaciones en el sector del packaging son de especial interés, representando hasta un 20% de las aplicaciones nanotecnológicas (Global Market Insights, 2018), y permiten obtener materiales de envase inteligentes, activos frente a patógenos o con mayor durabilidad.

En este escenario, la aplicación del concepto Safe-by-Design (SbD)- o “seguridad desde la concepción”- busca mitigar los posibles riesgos para la salud humana y el medio ambiente de la utilización de nanomateriales a partir de la aplicación de medidas de seguridad y prevención durante la fase de diseño de una instalación, un proceso, un material o un producto.

La aplicación de la SbD cuando se trata de ENMs está todavía en una fase muy temprana debido a la falta de datos exhaustivos sobre el rendimiento del producto, el peligro o el potencial de exposición de los nanomateriales con diferentes formas, tamaños, estructura química y superficie o tipos de recubrimientos y/o funcionalizaciones. Además, la aplicación de este concepto requiere una comprensión adecuada de los efectos de propiedades fisicoquímicas nanoespecíficas -como el tamaño, la forma o la química de la superficie- sobre el potencial de peligro y funcionalidad prevista una vez incorporado en productos acabados, así como un análisis en profundidad de las relaciones entre el potencial de exposición, las características de los NMs o NEPs  y sus procesos de uso (escenarios), teniendo en cuenta que la seguridad se considera el recíproco del riesgo, que es una medida de la probabilidad de que se produzca un daño bajo condiciones definidas de exposición.

A pesar de los esfuerzos actuales para aplicar el concepto de SbD, hay una serie de barreras que es necesario superar :

– Mejora del intercambio de información entre las partes interesadas que participan en la cadena de suministro de nanotecnología para definir estrategias de diseño con un correcto balance entre coste, seguridad y función.

– El desarrollo de una base de conocimiento robusta que permita generar y aplicar reglas de diseño para hacer que un material sea lo más seguro posible y al mismo tiempo satisfaga los fines para los que ha sido creado, así como la aplicación de herramientas sólidas y fáciles de usar para transferir este conocimiento de forma estructurada a los procesos de innovación industrial.

Asimismo, se ha de garantizar que los riesgos de los productos lanzados al mercado se conocen, se gestionan y, cuando sea posible se reduzcan.

SBD4NANO abordará todos estos retos actuales en lo que respecta a la aplicación e implementación de la SbD, trabajando en el desarrollo y la validación de nuevos enfoques y herramientas que permitan garantizar la seguridad de procesos y productos, considerando todo el ciclo de vida de los nanomateriales y nanoproductos, desde el propio diseño del material a la implementación de mejoras en el proceso que permitan controlar adecuadamente los riesgos. Todo ello centrándose en sectores industriales como los recubrimientos, los cosméticos, la tecnología farmacéutica y sanitaria y los nanomateriales estructurales y funcionales.

Resumen y objetivos

El objetivo principal del proyecto SBD4NANO es el desarrollo de modelos matemáticos integrados dentro de una plataforma software “e-infrastructure” cuya finalidad será la identificación, diseño e implementación de estrategias para el diseño de nanomateriales, nanoproductos y procesos seguros (Safe-by-Design).

A partir de este fin principal, el proyecto tiene una serie de objetivos específicos:

• Desarrollo y validación de una herramienta basada en modelos de relación estructura actividad (nanoQSAR) para la predicción del perfil toxicológico de nanomateriales en función de su estructura y química superficial.
• Desarrollo y validación de una herramienta basada en nuevos modelos matemáticos diseñados para el cálculo del potencial de exposición en función de las tasas de emisión de nanopartículas y la eficacia de medios de control implementados en los puestos de trabajo.
• Desarrollo y validación de estrategias de funcionalización superficial y estructural de nanomateriales para la reducción de la toxicidad en células y organismos diana.
• Desarrollo y validación de nuevos algoritmos para el cálculo de índices de coste-beneficio de las estrategias de reducción de la toxicidad y control de la exposición seleccionadas por el usuario de la “e-infrastructure”.§  Desarrollo de la plataforma software “e-infrastructure” donde se integrarán los modelos y algoritmos desarrollados en el proyecto con bases de datos y herramientas de apoyo a la gestión y evaluación de riegos desarrolladas en el marco del clúster europeo de nanoseguridad.

Consorcio

El proyecto SBD4NANO reúne a 23 socios de 11 países europeos entre los que hay cuatro universidades, seis centros de investigación, una gran empresa, doce pymes, y una institución y una asociación.

1.     Instituto Tecnológico del Embalaje, Transporte y Logística -ITENE (España)- Coordinador.
2.     Sabanci University Nanotechnology Research and Application Center -SONUM (Turquía).
3.     Commissariat à L’énergie Atomique Et Aux Énergies Alternatives-CEA (Francia).
4.     Thinkworks BV (Holanda).
5.     International Iberian Nanotechnology Lab. (Portugal).
6.     Nederlandse Organisatie Voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek (Holanda).
7.     ART-ER – Societa Consortile per Azioni (Italia).
8.     BioNanoNet Forschungsgesellschaft mbH (Austria).
9.    Yordas GmbH (Alemania).
10.  Grupo Antolin-Ingeniería SA (España).
11.  Avanzare Innovación Tecnológica SL (España).
12.  HiQ-Nano SRL (Italia).
13.  Nanovector SRL (Italia).
14.  Applynano Solutions (España).
15.  AcZon SRL (Italia).
16.  Ideaconsult Limited Liability Company-IDEA (Bélgica).
17.  Creative Nano PC –(Cnano (Grecia).
18.  Universitat Rovira iVirgili (España)
19.  Ambrosialab SRL (Italia).
20.  Laurentia Technologies (España).
21.  ControlNano Technologies (España).
22.  Maastricht University (Holanda).
23.  Institute of Occupational Medicine-IOM (Reino Unido).
24.  National Institute for Occupational Safety and Health (Estados Unidos).
25.  Hong Kong University of Science and Technology (China).

El papel de ITENE 

El proyecto SBD4NANO está dividido en 8 paquetes de trabajo (WP) e ITENE actuará de coordinador del proyecto. Asimismo, desarrollará las siguientes tareas:

• Estudios ecotoxicológicos in vitro para la validación de la efectividad de estrategias de funcionalización y modificación estructural de 12 (nanómetros) NMs.
• Desarrollo de algoritmos para la predicción de las tasas de liberación de nanopartículas en función de parámetros fisicoquímicos y variables de proceso.
• Evaluación de la exposición a nanomateriales en 12 casos de estudio.
• Evaluación de la eficacia de equipos de protección y desarrollo de un modelo matemático para su determinación teórica.
• Acciones de networking con los integrantes de la estrategia de nanoseguridad de los Estados Unidos

A través de estas acciones se busca lograr los siguientes resultados:

• Un nuevo modelo de estimación de la eficacia de los medios de protección basado en la integración de la librería ECEL de eficacias y un nuevo modelo de dinámica de fluidos.Implementación de algoritmos de cálculo de peligro, exposición, beneficio y coste basados en observaciones experimentales.
• Creación de nuevos materiales seguros por diseño.Creación y puesta en marcha de la plataforma SBD4NANO (e-infrastructure) para la selección guiada de técnicas de diseño seguro.
• Generación de guías para la implementación de estrategias de safe-by-design en empresas.

Resultados

El proyecto SbD4Nano ha alcanzado avances significativos, incluyendo:

E-infraestructura SbD4Nano: un conjunto integral de herramientas diseñado para apoyar a la industria en el desarrollo de productos seguros y en la implementación de estrategias de «Safety by Design» (SbD) para nanomateriales. Esta infraestructura cuenta con:

• Una colección de recursos que integra modelos, bases de datos y conocimientos de múltiples fuentes, ofreciendo soporte en estrategias y desarrollos SbD para empresas.
• Una plataforma que permite analizar el ciclo de vida y la cadena de valor del producto, identificar factores clave para la evaluación de riesgos, establecer objetivos de SbD y clasificar estrategias para una implementación más efectiva.

Contribuciones de ITENE:

• Un módulo de software en la herramienta SbD4Nano para evaluar el impacto de medidas de control de riesgo en distintos procesos.
• Desarrollo de una solución para el preanálisis regulatorio, ajustada a los sectores de destino de los productos.
• Estudios con diversas empresas para identificar el potencial de exposición a nanopartículas en procesos industriales.
• Evaluación del potencial de toxicidad de varios materiales mediante metodologías in vitro, proporcionando datos para una mejor gestión de riesgos en el diseño de nanomateriales.