L'uso industriale di vari tipi di fibre sintetiche è in aumento, in particolare da quando sono state poste restrizioni sull'uso dell'amianto in considerazione dei suoi noti rischi per la salute. Il potenziale di effetti negativi sulla salute legati alla produzione e all'uso di fibre sintetiche è ancora in fase di studio. Questo articolo fornirà una panoramica dei principi generali relativi al potenziale di tossicità correlato a tali fibre, una panoramica dei vari tipi di fibre in produzione (come elencato nella tabella 1) e un aggiornamento sugli studi esistenti e in corso sui loro potenziali effetti sulla salute .

Tabella 1. Fibre sintetiche

Determinanti di tossicità

I principali fattori correlati alla potenziale tossicità dovuta all'esposizione alle fibre sono:

1. dimensione della fibra
2. durata della fibra e
3. dose all'organo bersaglio.

In generale, le fibre lunghe e sottili (ma di dimensioni respirabili) e durevoli hanno il maggior potenziale di causare effetti avversi se rilasciate nei polmoni in concentrazione sufficiente. La tossicità delle fibre è stata correlata in studi di inalazione su animali a breve termine con infiammazione, citotossicità, funzione alterata dei macrociti e biopersistenza. Il potenziale cancerogeno è molto probabilmente correlato al danno del DNA cellulare attraverso la formazione di radicali liberi dell'ossigeno, la formazione di fattori clastogenici o la missegregazione dei cromosomi nelle cellule in mitosi, da soli o in combinazione. Le fibre di dimensione respirabile sono quelle di diametro inferiore a 3.0-3.5 mm e di lunghezza inferiore a 200 μm. Secondo l'"ipotesi di Stanton", il potenziale cancerogeno delle fibre (come determinato da studi di impianto pleurico animale) è correlato alla loro dimensione (il rischio maggiore è associato a fibre di diametro inferiore a 0.25 μm e lunghezza superiore a 8 mm) e alla durata (Stanton et al. 1981). Le fibre minerali presenti in natura, come l'amianto, esistono in una struttura policristallina che ha la propensione a fendersi lungo i piani longitudinali, creando fibre più sottili con rapporti lunghezza-larghezza più elevati, che hanno un maggiore potenziale di tossicità. La stragrande maggioranza delle fibre artificiali sono non cristalline o amorfe e si fratturano perpendicolarmente al loro piano longitudinale in fibre più corte. Questa è una differenza importante tra silicati fibrosi di amianto e non-amianto e fibre sintetiche. La durata delle fibre depositate nel polmone dipende dalla capacità del polmone di eliminare le fibre, nonché dalle proprietà fisiche e chimiche delle fibre. La durabilità delle fibre sintetiche può essere modificata nel processo di produzione, in base ai requisiti dell'uso finale, attraverso l'aggiunta di alcuni stabilizzanti come Al₂O₃. A causa di questa variabilità dei costituenti chimici e delle dimensioni delle fibre sintetiche, la loro potenziale tossicità deve essere valutata in base al tipo di fibra.

Fibre sintetiche

Fibre di ossido di alluminio

La tossicità della fibra di ossido di alluminio cristallino è stata suggerita da un caso clinico di fibrosi polmonare in un lavoratore impiegato nella fusione dell'alluminio per 19 anni (Jederlinic et al. 1990). La sua radiografia del torace ha rivelato una fibrosi interstiziale. L'analisi del tessuto polmonare mediante tecniche di microscopia elettronica ha dimostrato 1.3 × 10⁹ fibre cristalline per grammo di tessuto polmonare secco, o dieci volte più fibre del numero di fibre di amianto trovate nel tessuto polmonare da minatori di amianto crisotilo con asbestosi. Sono necessari ulteriori studi per determinare il ruolo delle fibre di ossido di alluminio cristallino (figura 1) e della fibrosi polmonare. Questo case report, tuttavia, suggerisce la possibilità che si verifichi la fibrizzazione quando coesistono condizioni ambientali adeguate, come un aumento del flusso d'aria attraverso i materiali fusi. Sia la microscopia ottica a contrasto di fase che la microscopia elettronica con analisi a raggi X a dispersione di energia dovrebbero essere utilizzate per identificare potenziali fibre aerodisperse nell'ambiente di lavoro e nei campioni di tessuto polmonare nei casi in cui vi siano risultati clinici compatibili con pneumoconiosi indotta da fibre.

Figura 1. Micrografia elettronica a scansione (SEM) di fibre di ossido di alluminio.

Per gentile concessione di T. Hesterberg.

Fibre di carbonio/grafite

Fibre di pece carbonacea, rayon o poliacrilonitrile riscaldate a 1,200°C formano fibre di carbonio amorfo, e quando riscaldate oltre 2,20°C formano fibre di grafite cristallina (figura 2). Possono essere aggiunti leganti di resina per aumentare la resistenza e per consentire lo stampaggio e la lavorazione del materiale. Generalmente, queste fibre hanno un diametro compreso tra 7 e 10 μm, ma si verificano variazioni di dimensioni dovute al processo di fabbricazione e alla manipolazione meccanica. I compositi carbonio/grafite sono utilizzati nell'industria aeronautica, automobilistica e degli articoli sportivi. L'esposizione a particelle di carbonio/grafite di dimensioni respirabili può verificarsi durante il processo di produzione e con manipolazione meccanica. Inoltre, è possibile produrre piccole quantità di fibre di dimensioni respirabili quando i compositi vengono riscaldati a una temperatura compresa tra 900 e 1,10 °C. Le conoscenze esistenti su queste fibre sono inadeguate per fornire risposte certe sul loro potenziale di causare effetti nocivi sulla salute. Gli studi che hanno coinvolto l'iniezione intratracheale di diverse polveri composite di fibre di grafite nei ratti hanno prodotto risultati eterogenei. Tre dei campioni di polvere testati hanno prodotto una tossicità minima e due dei campioni hanno prodotto una tossicità costante come manifestato dalla citotossicità per i macrofagi alveolari e dalle differenze nel numero totale di cellule recuperate dal polmone (Martin, Meyer e Luchtel 1989). Effetti clastogenici sono stati osservati in studi di mutagenicità di fibre a base di pece, ma non di fibre di carbonio a base di poliacrilonitrile. Uno studio decennale sugli addetti alla produzione di fibre di carbonio, che fabbricavano fibre da 8 a 10 mm di diametro, non ha rivelato alcuna anomalia (Jones, Jones e Lyle 1982). Fino a quando non saranno disponibili ulteriori studi, si raccomanda che l'esposizione a fibre di carbonio/grafite di dimensioni respirabili sia pari o inferiore a 1 fibra/ml (f/ml) e che l'esposizione a particelle composite di dimensioni respirabili sia mantenuta al di sotto dell'attuale standard di polvere respirabile per polvere fastidiosa.

Figura 2. SEM di fibre di carbonio.

Fibre para-aramidiche di kevlar

Kevlar le fibre di para-aramide hanno un diametro di circa 12 μm e le fibrille ricurve a forma di nastro sulla superficie delle fibre hanno una larghezza inferiore a 1 mm (figura 3). Le fibrille si staccano parzialmente dalle fibre e si incastrano con altre fibrille per formare grumi di dimensioni non respirabili. Le proprietà fisiche di Kevlar le fibre includono una notevole resistenza al calore e resistenza alla trazione. Hanno molti usi diversi, fungendo da agente rinforzante in plastica, tessuti e gomma e come materiale di attrito per i freni delle automobili. La media ponderata nel tempo (TWA) di otto ore dei livelli di fibrille durante la produzione e le applicazioni finali varia da 0.01 a 0.4 f/ml (Merriman 1989). Livelli molto bassi di Kevlar le fibre di aramide vengono generate nella polvere quando vengono utilizzate nei materiali di attrito. Gli unici dati disponibili sugli effetti sulla salute provengono da studi sugli animali. Gli studi sull'inalazione nel ratto che hanno coinvolto periodi di tempo da uno a due anni e l'esposizione a fibrille a 25, 100 e 400 f/ml hanno rivelato una bronchiolarizzazione alveolare correlata alla dose. A livelli di esposizione più elevati sono state notate anche lievi fibrosi e alterazioni fibrotiche del dotto alveolare. La fibrosi potrebbe essere stata correlata al sovraccarico dei meccanismi di clearance polmonare. Un tipo di tumore unico nei ratti, il tumore a cellule squamose cheratinizzante cistico, si è sviluppato in alcuni degli animali dello studio (Lee et al. 1988). Studi di inalazione a breve termine sui ratti indicano che le fibrille hanno una bassa durata nel tessuto polmonare e vengono eliminate rapidamente (Warheit et al. 1992). Non sono disponibili studi sugli effetti sulla salute umana dell'esposizione a Kevlar fibra para-aramidica. Tuttavia, alla luce dell'evidenza di una ridotta biopersistenza e data la struttura fisica di Kevlar, i rischi per la salute dovrebbero essere minimi se le esposizioni alle fibrille vengono mantenute a 0.5 f/ml o meno, come avviene ora nelle applicazioni commerciali.

Figura 3. SEM di fibre para-aramidiche di Kevlar.

Fibre e baffi di carburo di silicio

Il carburo di silicio (carborundum) è un materiale abrasivo e refrattario ampiamente utilizzato che viene prodotto combinando silice e carbonio a 2,400°C. Fibre e baffi di carburo di silicio - figura 4 (Harper et al. 1995) - possono essere generati come sottoprodotti della fabbricazione di cristalli di carburo di silicio o possono essere appositamente prodotti come fibre policristalline o baffi monocristallini. Le fibre generalmente hanno un diametro inferiore a 1-2 μm e una lunghezza compresa tra 3 e 30 μm. I baffi hanno un diametro medio di 0.5 μm e una lunghezza di 10 μm. L'incorporazione di fibre e baffi di carburo di silicio aggiunge forza a prodotti come compositi a matrice metallica, ceramiche e componenti ceramici. L'esposizione a fibre e baffi può verificarsi durante i processi di produzione e lavorazione e potenzialmente durante i processi di lavorazione e finitura. Ad esempio, è stato dimostrato che l'esposizione a breve termine durante la manipolazione di materiali riciclati raggiunge livelli fino a 5 f/ml. La lavorazione di compositi a matrice metallica e ceramica ha portato a concentrazioni di esposizione TWA di otto ore di 0.031 f/ml e fino a 0.76 f/ml, rispettivamente (Scansetti, Piolatto e Botta 1992; Bye 1985).

Figura 4. SEM di fibre di carburo di silicio (A) e baffi (B).

A.

B.

I dati esistenti provenienti da studi su animali e umani indicano un potenziale fibrogenico definito e possibile cancerogeno. In vitro studi su colture di cellule di topo che coinvolgono baffi di carburo di silicio hanno rivelato una citotossicità uguale o superiore a quella risultante dall'amianto crocidolite (Johnson et al. 1992; Vaughan et al. 1991). L'iperplasia adenomatosa persistente dei polmoni di ratto è stata dimostrata in uno studio di inalazione subacuta (Lapin et al. 1991). Studi sull'inalazione di pecore che coinvolgono polvere di carburo di silicio hanno rivelato che le particelle erano inerti. Tuttavia, l'esposizione alle fibre di carburo di silicio ha provocato alveolite fibrosante e aumento dell'attività di crescita dei fibroblasti (Bégin et al. 1989). Gli studi sui campioni di tessuto polmonare dei lavoratori della produzione di carburo di silicio hanno rivelato noduli silicotici e corpi ferruginosi e hanno indicato che le fibre di carburo di silicio sono durevoli e possono esistere in alte concentrazioni nel parenchima polmonare. Anche le radiografie del torace sono state coerenti con alterazioni interstiziali nodulari e irregolari e placche pleuriche.

Le fibre e i baffi di carburo di silicio sono di dimensioni respirabili, durevoli e hanno un potenziale fibrogenico definito nel tessuto polmonare. Un produttore di baffi in carburo di silicio ha fissato uno standard interno a 0.2 f/ml come TWA di otto ore (Beaumont 1991). Si tratta di una raccomandazione prudente basata sulle informazioni sanitarie attualmente disponibili.

Fibre vetrose artificiali

Le fibre vetrose artificiali (MMVF) sono generalmente classificate come:

1. fibra di vetro (lana di vetro o fibra di vetro, filamento di vetro continuo e fibra di vetro per usi speciali)
2. lana minerale (lana di roccia e lana di scoria) e
3. fibra ceramica (fibra tessile ceramica e fibra ceramica refrattaria).

Il processo di fabbricazione inizia con la fusione delle materie prime con successivo rapido raffreddamento, con conseguente produzione di fibre non cristalline (o vetrose). Alcuni processi di produzione consentono grandi variazioni in termini di dimensioni delle fibre, il limite inferiore è di 1 mm o meno di diametro (figura 5). Stabilizzatori (come Al₂O₃, TiO₂ e ZnO) e modificatori (come MgO, Li₂O, BaO, CaO, Na₂O e K₂O) può essere aggiunto per alterare le proprietà fisiche e chimiche come la resistenza alla trazione, l'elasticità, la durabilità e il non trasferimento termico.

Figura 5. SEM di lana di scoria.

Lana di roccia, fibre di vetro e fibre ceramiche refrattarie sono identiche nell'aspetto.

La fibra di vetro è prodotta da biossido di silicio e varie concentrazioni di stabilizzanti e modificatori. La maggior parte della lana di vetro viene prodotta attraverso l'uso di un processo rotativo che produce fibre discontinue di diametro medio da 3 a 15 μm con variazioni di diametro fino a 1 μm o meno. Le fibre di lana di vetro sono legate insieme, più comunemente con resine fenoliche di formaldeide, e quindi sottoposte a un processo di polimerizzazione a caldo. Possono essere aggiunti anche altri agenti, inclusi lubrificanti e agenti bagnanti, a seconda del processo di produzione. Il processo di produzione del filamento di vetro continuo comporta una minore variazione dal diametro medio della fibra rispetto alla lana di vetro e alla fibra di vetro per usi speciali. Le fibre a filamento di vetro continuo hanno un diametro compreso tra 3 e 25 μm. La produzione di fibre di vetro per scopi speciali comporta un processo di fibrizzazione con attenuazione della fiamma che produce fibre con un diametro medio inferiore a 3 μm.

La produzione di lana di scoria e lana di roccia comporta rispettivamente la fusione e la fibrificazione di scorie di minerali metallici e rocce ignee. Il processo di produzione comprende un processo di ruota a forma di disco e centrifuga a ruota. Produce fibre discontinue di diametro medio da 3.5 a 7 μm la cui dimensione può variare bene nella gamma respirabile. La lana minerale può essere prodotta con o senza legante, a seconda delle applicazioni di utilizzo finale.

La fibra ceramica refrattaria viene prodotta attraverso una centrifuga a ruota o un processo di fibrizzazione a getto di vapore utilizzando caolino fuso, allumina/silice o allumina/silice/ossido di zirconio. I diametri medi delle fibre vanno da 1 a 5μm. Se riscaldate a temperature superiori a 1,000°C, le fibre ceramiche refrattarie possono subire la conversione in cristobalite (una silice cristallina).

MMVF con diversi diametri di fibra e composizione chimica sono utilizzati in oltre 35,000 applicazioni. La lana di vetro viene utilizzata in applicazioni di isolamento acustico e termico residenziali e commerciali, nonché nei sistemi di trattamento dell'aria. Il filamento continuo di vetro viene utilizzato nei tessuti e come agenti di rinforzo nelle materie plastiche come quelle impiegate nelle parti di automobili. La fibra di vetro per scopi speciali viene utilizzata in applicazioni speciali, ad esempio negli aerei, che richiedono elevate proprietà di isolamento termico e acustico. La lana di roccia e di scoria senza legante viene utilizzata come isolante soffiato e nei pannelli del controsoffitto. La lana di roccia e di scoria con un legante di resina fenolica viene utilizzata nei materiali isolanti, come coperte isolanti e materassini. La fibra ceramica refrattaria costituisce dall'1 al 2% della produzione mondiale di MMVF. La fibra ceramica refrattaria viene utilizzata in applicazioni industriali specializzate ad alta temperatura, come fornaci e forni. Lana di vetro, filamento di vetro continuo e lana di roccia vengono prodotti in grandi quantità.

Si ritiene che gli MMVF abbiano un potenziale minore rispetto ai silicati fibrosi presenti in natura (come l'amianto) per produrre effetti negativi sulla salute a causa del loro stato non cristallino e della loro propensione a fratturarsi in fibre più corte. I dati esistenti suggeriscono che l'MMVF più comunemente utilizzato, la lana di vetro, ha il minor rischio di produrre effetti nocivi per la salute, seguita dalla lana di roccia e di scoria, e quindi sia dalla fibra di vetro per usi speciali con una maggiore durata che dalla fibra ceramica refrattaria. La fibra di vetro per usi speciali e la fibra ceramica refrattaria hanno il maggior potenziale di esistere come fibre di dimensioni respirabili poiché hanno generalmente un diametro inferiore a 3 mm. Fibra di vetro per usi speciali (con maggiore concentrazione di stabilizzanti come Al₂O₃) e la fibra ceramica refrattaria sono anche durevoli nei fluidi fisiologici. I filamenti continui di vetro non sono di dimensioni respirabili e pertanto non rappresentano un potenziale rischio per la salute polmonare.

I dati sulla salute disponibili sono raccolti da studi sull'inalazione negli animali e studi sulla morbilità e sulla mortalità dei lavoratori coinvolti nella produzione di MMVF. Gli studi sull'inalazione che hanno comportato l'esposizione di ratti a due materiali isolanti in lana di vetro commerciali con un diametro medio di 1 μm e una lunghezza di 20 μm hanno rivelato una lieve risposta cellulare polmonare che si è parzialmente invertita dopo l'interruzione dell'esposizione. Risultati simili sono il risultato di uno studio sull'inalazione animale di un tipo di lana di scorie. La fibrosi minima è stata dimostrata con l'esposizione per inalazione di animali alla lana di roccia. Studi sull'inalazione di fibre ceramiche refrattarie hanno provocato cancro ai polmoni, mesotelioma e fibrosi pleurica e polmonare nei ratti e mesotelioma e fibrosi pleurica e polmonare nei criceti a una dose massima tollerata di 250 f/ml. A 75 f/ml e 120 f/ml, nei ratti è stato dimostrato un mesotelioma e una fibrosi minima, ea 25 f/ml, c'era una risposta cellulare polmonare (Bunn et al. 1993).

Può verificarsi irritazione della pelle, degli occhi e del tratto respiratorio superiore e inferiore e dipende dai livelli di esposizione e dalle mansioni lavorative. L'irritazione cutanea è stato l'effetto sulla salute più comune notato e può indurre fino al 5% dei nuovi lavoratori degli impianti di produzione di MMVF a lasciare il lavoro entro poche settimane. È causato da un trauma meccanico alla pelle causato da fibre di diametro superiore a 4-5 μm. Può essere prevenuto con adeguate misure di controllo ambientale, incluso evitare il contatto diretto della pelle con le fibre, indossare indumenti larghi e con maniche lunghe e lavare separatamente gli indumenti da lavoro. I sintomi delle vie respiratorie superiori e inferiori possono verificarsi in situazioni insolitamente polverose, in particolare nella fabbricazione di prodotti MMVF e nelle applicazioni di uso finale e in ambienti residenziali quando gli MMVF non vengono maneggiati, installati o riparati correttamente.

Gli studi sulla morbilità respiratoria, misurata dai sintomi, dalle radiografie del torace e dai test di funzionalità polmonare tra i lavoratori degli impianti di produzione in genere non hanno riscontrato effetti avversi. Tuttavia, uno studio in corso sui lavoratori degli impianti di produzione di fibre ceramiche refrattarie ha rivelato un'aumentata prevalenza di placche pleuriche (Lemasters et al. 1994). Gli studi sui lavoratori della produzione secondaria e sugli utenti finali di MMVF sono limitati e sono stati ostacolati dalla probabilità del fattore di confusione delle precedenti esposizioni all'amianto.

Proseguono in Europa e negli Stati Uniti gli studi sulla mortalità dei lavoratori negli impianti di produzione di fibre di vetro e lana minerale. I dati dello studio in Europa hanno rivelato un aumento complessivo della mortalità per cancro al polmone basato sui tassi di mortalità nazionali, ma non locali. C'è stata una tendenza all'aumento del cancro ai polmoni nelle coorti di vetro e lana minerale con il tempo dal primo impiego ma non con la durata dell'impiego. Usando i tassi di mortalità locale, c'è stato un aumento della mortalità per cancro al polmone per la prima fase della produzione di lana minerale (Simonato, Fletcher e Cherrie 1987; Boffetta et al. 1992). I dati dello studio negli Stati Uniti hanno dimostrato un aumento statisticamente significativo del rischio di cancro respiratorio, ma non sono riusciti a trovare un'associazione tra lo sviluppo del cancro e vari indici di esposizione alle fibre (Marsh et al. 1990). Ciò è in accordo con altri studi caso-controllo su lavoratori di impianti di produzione di lana di scorie e fibre di vetro che hanno rivelato un aumento del rischio di cancro ai polmoni associato al fumo di sigaretta, ma non nella misura dell'esposizione MMVF (Wong, Foliart e Trent 1991; Chiazze, Watkins e Fryar 1992). Uno studio sulla mortalità dei lavoratori della produzione di filamenti di vetro continui non ha rivelato un aumento del rischio di mortalità (Shannon et al. 1990). Negli Stati Uniti è in corso uno studio sulla mortalità che coinvolge i lavoratori della fibra ceramica refrattaria. Gli studi sulla mortalità dei lavoratori coinvolti nella fabbricazione dei prodotti e degli utenti finali di MMVF sono molto limitati.

Nel 1987, l'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC) ha classificato la lana di vetro, la lana di roccia, la lana di scoria e le fibre ceramiche come possibili agenti cancerogeni per l'uomo (gruppo 2B). Gli studi sugli animali in corso e gli studi sulla morbilità e mortalità dei lavoratori coinvolti con MMVF contribuiranno a definire ulteriormente qualsiasi potenziale rischio per la salute umana. Sulla base dei dati disponibili, il rischio per la salute derivante dall'esposizione a MMVF è sostanzialmente inferiore a quello che è stato associato all'esposizione all'amianto sia dal punto di vista della morbilità che della mortalità. La stragrande maggioranza degli studi sull'uomo, tuttavia, proviene da impianti di produzione di MMVF in cui i livelli di esposizione sono stati generalmente mantenuti al di sotto di un livello compreso tra 0.5 e 1 f/ml per una giornata lavorativa di otto ore. La mancanza di dati sulla morbilità e sulla mortalità degli utilizzatori secondari e finali di MMVF rende prudente controllare l'esposizione alla fibra respirabile a questi livelli o al di sotto attraverso misure di controllo ambientale, pratiche lavorative, formazione dei lavoratori e programmi di protezione respiratoria. Ciò è particolarmente applicabile con l'esposizione a ceramica refrattaria durevole e vetro MMVF per scopi speciali e qualsiasi altro tipo di fibra artificiale respirabile che sia durevole nei mezzi biologici e che possa quindi essere depositata e trattenuta nel parenchima polmonare.

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