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Nanotecnología y ambiente.Nanotecnología y ambiente.Seguridad y salud en la exposición a Seguridad y salud en la exposición a
nanopartículas y cerámicosnanopartículas y cerámicos
Francisco Prieto García
28 de Noviembre 2012
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE HIDALGOINSTITUTO DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA
ÁREA ACADÉMICA DE QUÍMICA
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Programa
1. Introducción
2. Definiciones
3. Presencia de la nanotecnología en la vida común– Características– Clasificación– Usos y aplicaciones
4. Exposición a nanopartículas
5. Producción de nanopartículas de forma artificial. Procedimientos ..
6. Valoración y medición de nanopartículas. Valores límites ambientales
7. Riesgos para la seguridad y salud por la exposición a nanopartículas (efectos para la salud) y toxicología
8. Medidas preventivas y de control
Bibliografía
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1. Introducción
NanotecnologíaNanotecnología puede definirse como el puede definirse como el estudioestudio, , diseñodiseño, , creacióncreación, , síntesissíntesis, , manipulación manipulación y y aplicación de materialesaplicación de materiales, , aparatosaparatos y y sistemas funcionales sistemas funcionales a través a través del control de la materia a nanoescala, y del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala.propiedades de la materia a nanoescala.
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1. IntroducciónPara el desarrollo de la nanotecnología ha sido
fundamental la implementación de nuevas técnicas: microscopía ha permitido la caracterización de materiales a escala nanométrica e incluso su manipulación.
El microscopio de efecto túnel (scanning tunneling microscope, STM), desarrollado en 1981 (laboratorios de la IBM-Zurich por Gerd
Binning y Heini Rohrer), proporciona una vía de acceso a la nanodimensión, ámbito en el que nuestras manos, o las pinzas habituales, resultan excesivamente grandes.
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STM adquisición de imágenes: similar al método utilizado por los ciegos. La "mano", del STM , es la punta de un alambre metálico, afilada hasta dimensiones atómicas. Acercando la punta a la superficie a distancias del orden de ángstroms, y controlando la corriente electrónica que se establece por efecto túnel entre la punta y la muestra (es decir, estableciendo una diferencia de potencial, y manteniendo constante la distancia de separación entre ambas), es posible visualizar la superficie "palpada" (como al tacto) cuando la punta barre las distintas zonas topográficas. El movimiento de la punta dibuja la topografía superficial.
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Las nanopartículas pueden propagarse y persistir en el medio ambiente, pudiendo tener un importante impacto medioambiental.
Es importante distinguir, los nanomateriales de las partículas ultrafinas. En ambos casos se trata de partículas con tamaños
<100 nm, aunque las partículas ultrafinas aparecen de forma natural en determinados procesos o ambientes laborales, ya que se generan de forma no intencionada, en general en procesos mecánicos y procesos que implican altas temperaturas, como combustión, humos procedentes de motores, en operaciones de soldadura, etc., mientras que denominamos nanopartícula a materiales diseñados para tener unas propiedades específicas como pueden ser los nanotubos de carbono, los nanocables, fullerenos, etc.
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2. Definiciones2. Definiciones NanoNanotecnología: diseño, caracterización, producción
y aplicación de estructuras, dispositivos y sistemas mediante el control del tamaño y la forma a una escala de 10-9 m (= 1 nanómetro).
NanóNanómetro: Unidad de longitud equivalente a una millonésima de milímetro (10-9 m). Símbolo: nm.
NanoNanociencia: estudio de las propiedades, fenómenos y manipulación de materiales a escala atómica, molecular y macromolecular
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NanoNanoescala y/o NanoNanopartícula: Tener una o más dimensiones del orden de 100 nm o menos.
NanoNanomateriales: Materiales con una o más dimensiones externas o una estructura interna a nanoescala.
NanoNanoestructura: Estructura con una o más dimensiones en la nanoescala.
NanoNanocompuestos: compuestos en los que al menos una de las fases tiene una dimensión de la nanoescala.
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Imagen de: http://mems.sandia.gov.
Ácaro de tamaño 300 m y micromecanismo 10 m
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Mapa conceptual resumenMapa conceptual resumen
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3. Presencia de la nanotecnología en la vida común
La nanotecnología aborda directamente la posibilidad de diseñar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas.
Las propiedades de los materiales dependen de cómo están ordenados los átomos que los constituyen. Según se configuren los átomos de carbono podemos tener carbón o diamante
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Fluorescencia de nanocristales de selenuro de cadmio (CdSe) Los colores notablemente intensos y vistosos de los compuestos de
coordinación están determinados por la diferencia de energía entre los conjuntos de orbitales eg y t2g en sus iones complejos.
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El ion hidratado Ti3+ (Z=22) Hexacuo titanio III,es un ion d1, con el electrón d en uno de los tres orbitales t2g de menor energía. La diferencia de energía entre los orbitales eg y t2g en este ion corresponde a la energía de los fotones que abarca el intervalo verde (495-570 nm) y amarillo (570–590 nm). Cuando la luz blanca incide sobre la disolución, estos colores se absorben, y el electrón salta a uno de los orbitales eg. Se emite luz roja, azul y violeta, así que la disolución se ve de color púrpura. El tamaño del compuesto formado (complejo) igualmente conlleva a cambios en los patrones de absorción y/o emisión.
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Absorbe rojo y violeta
3d6 3d5 3d7 3d9 3d32p6
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Predecir el color al que adsorbe el [Ni(H2O)6]2+
Z=28
1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8
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[Ni(H2O)6]2+ + en (aq)= [Ni(H2O)4]2+ en (aq) + 2H2O
[Ni(H2O)4]2+ en (aq) = [Ni(H2O)2]2+ en(aq) + 2H2O
[Ni(H2O)2]2+ en(aq) = [Ni en (aq)]2+ + 2H2O
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La fabricación de superficies inteligentes es un asunto de investigación importante para el futuro cercano. Diversas estructuras son capaces de adaptar sus propiedades a condiciones ambientales, como las ventanas con grado de transmisión controlable , o superficies autolimpiables basadas en nanopartículas fotocatalíticas de TiO2.
Usando una membrana de unos pocos nanómetros de grosor se pueden filtrar líquidos y moléculas muy parecidas en tamaño. Esta membrana funciona 10 veces más rápido que las que se usan actualmente para purificar la sangre o para separar un único tipo de moléculas del resto
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Filtro membrana de Si poroso con 160 membranas. Cada una
con un grosor de 15 nm.
Estas membranas se han crecido depositando tres capas, una de silicio amorfo entre dos de dióxido de Si, sobre una oblea de Si. Sometiendo a esta oblea a temperaturas superiores a 700 °C, se consigue la cristalización del silicio amorfo, formándose los poros. Con un control exhaustivo de la temperatura son capaces de controlar el tamaño medio de los poros
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La Física de Superficies está estrechamente ligada con la nanociencia. En el momento en que reducimos el tamaño del sólido, la relación superficie/volumen aumenta.
Entre los últimos avances en este campo se encuentra el twin-action nanosensor, un nanosensor óptico de polímero que cambia de color según detecta diversos iones metálicos a distintas temperaturas
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Los efectos cuánticos cobran especial relevancia. Material de tamaño nanométrico pueden presentar propiedades completamente diferentes a las de mayor tamaño.
Por ejemplo, de una lámina de aluminio extraemos pequeños pedacitos, éstos seguirán comportándose como el aluminio aunque sean muy pequeños. Las piezas de aluminio del orden de nanómetros presentan propiedades completamente diferentes: son muy inestables y explotan con facilidad.
3. Presencia de la nanotecnología en la vida común
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Los tres grandes sectores en nanotecnología que hasta el momento han despertado mayor interés son la nanoelectrónica, la nanobiotecnología y los nanomateriales.
3. Presencia de la nanotecnología en la vida común
Lo más novedoso en nanoelectrónica, es el grafeno. Novedoso material, derivado del grafito y con un solo átomo de grosor, con propiedades únicas, flexibilidad, conductibilidad y resistencia, que le dan todas las posibilidades para ser el sucesor del silicio, principal componente en la fabricación de pantallas táctiles
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Nanobiotecnología
Investigadores de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) han desarrollado un nuevo tipo de nanopíldoras para tratar la colitis ulcerosa y la psoriasis desde el interior de las células. Estos nanocompuestos "tienen gran afinidad con las células de mamíferos, son capaces de penetrar en su interior y, una vez allí, liberar la proteína terapéutica",
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Nanomateriales
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Las nanopartículas a nuestro alrededorEn el mundo natural hay muchos ejemplos de
estructuras que existen con las dimensiones del nanómetro, como son las moléculas esenciales del cuerpo humano (ADN, proteínas, fosfolípidos, lípidos, células, etc.)
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El ambiente habitual puede contener 20.000 nanopartículas por centímetro cubico. En un bosque, esta cifra puede elevarse a 50.000, y en una calle de la ciudad a 100.000
nanopartículas.
Nanopartículas en el suelo, aunque estas no deberían ser excesivamente peligrosas (por su composición) siendo utilizadas como descontaminantes .
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Las nanopartículas en suspensión en el aire son tan pequeñas Las nanopartículas en suspensión en el aire son tan pequeñas que no pueden ser detectadas a simple vista, pero son capaces que no pueden ser detectadas a simple vista, pero son capaces de afectar muy visiblemente a los patrones meteorológicos y a de afectar muy visiblemente a los patrones meteorológicos y a la salud humana en todo el mundo, y no de manera favorablela salud humana en todo el mundo, y no de manera favorable
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Pintura azul de los mayas consistía en un material híbrido nanoestructurado de forma natural
Las pompas de jabón cambian de color sin el empleo de colorantes: consisten en películas de unos cientos de nanómetros
Fotografía: nanopartículas de plata sensibles a la luz.
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El El azul mayaazul maya destaca entre los pigmentos históricos conocidos destaca entre los pigmentos históricos conocidos debido a sus excelentes propiedades, no solo posee un color debido a sus excelentes propiedades, no solo posee un color intenso, sino que es resistente a la luz, a la biocorrosión y al intenso, sino que es resistente a la luz, a la biocorrosión y al calor moderado, no se decolora ante el ácido nítrico calor moderado, no se decolora ante el ácido nítrico concentrado, los álcalis ni los solventes orgánicos, y los murales concentrado, los álcalis ni los solventes orgánicos, y los murales ejecutados con él han tolerado bien la humedad durante cientos ejecutados con él han tolerado bien la humedad durante cientos de años. de años.
Se le considera el Se le considera el primer pigmento orgánico estableprimer pigmento orgánico estable.. En cuanto a su color, en las muestras arqueológicas puede ser En cuanto a su color, en las muestras arqueológicas puede ser
azul turquesa o azul verdoso y más o menos claro u oscuro, azul turquesa o azul verdoso y más o menos claro u oscuro, diferencias que diferencias que se atribuyen a variaciones —intencionales o se atribuyen a variaciones —intencionales o accidentales— en su proceso de fabricaciónaccidentales— en su proceso de fabricación o a la técnica de o a la técnica de pintura utilizada (mezcla con blanco, aplicación sobre otro color pintura utilizada (mezcla con blanco, aplicación sobre otro color más oscuro).más oscuro).
Específicamente, los mayas fusionaron con calor el índigo y la Específicamente, los mayas fusionaron con calor el índigo y la paligorskita, mediante la quema de una mezcla de incienso paligorskita, mediante la quema de una mezcla de incienso copal (paligorskita y probablemente hojas de planta del índigo). copal (paligorskita y probablemente hojas de planta del índigo).
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C16H8N2Na2O8S2 (Mg,Al)5(Si,Al)8O20(OH)2·8H2O
índigo paligorskita
La paligorskita, es un filosilicato con diferencias estructurales al con el resto de su familia. Estructuralmente está formada por láminas discontínuas Tetra:Octa:Tetra, resultando combinaciones dioctahédricas trilaminares y presenta hábito fibroso
Son capaces de absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar o en los canales estructurales. 50-100nm
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3.1. Características de las nanopartículas
Rango: de 0,2 nm hasta los 100 nm.Gran área superficialRelación entre el número de átomos superficiales y el
tamaño de la partícula es de carácter exponencialPropiedades eléctricas, mecánicas, magnéticas,
ópticas o químicas diferentes a las de los mismos materiales a escala no nanométrica
Reactividad y por tanto, su toxicidad, se ven también aumentadas (ya que el número de átomos en contacto con la superficie es mayor).
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Se ha demostrado que tener catalizadores nanoestructurados aumenta enormemente el poder catalítico de una sustancia, ya que aumenta la superficie disponible para que se produzca la reacción
Los principales parámetros característicos de las nanopartículas son su forma, tamaño, la superficie y la estructura interna.
Las nanopartículas se pueden encontrar en los aerosoles (sólidos o líquidos en el aire), suspensiones (sólidos en líquidos) o emulsiones (líquidos en líquidos).
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Las nanopartículas de TiO2 en los protectores solares, tienen la misma composición química que las partículas de mayor tamaño TiO2 blanco que se han venido utilizando en los productos convencionales durante décadas, pero el TiO2 a nanoescala es transparente.
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El oxido de estaño es otro ejemplo ya que las nanopartículas de este oxido se incorporan a una capa para proporcionar resistencia al rayado y ofrecen una protección transparente a la radiación ultra-violeta, aspecto que no puede conseguirse con partículas de mayor tamaño.
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3.2. Clasificación3.2. Clasificación a) Nanopartículas de origen natural: Algunas son de
origen biológico, como por ejemplo muchos virus y bacterias y otras son de origen mineral o medioambiental como las que contiene el polvo de arena o las nieblas y humos derivados de la actividad volcánica o de los fuegos forestales.
Las nanopartículas de óxido de hierro se están estudiando para su uso como transportadoras de fármacos antitumorales, como agentes que mejoran la imagen de tejidos dañados o como detectores de moléculas cuya presencia en sangre revela la existencia de ciertas enfermedades.
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3.2. Clasificación3.2. Clasificación b) Nanopartículas generadas por la actividad humana: Nanopartículas producidas de forma involuntaria son las que se producen
en ciertos procesos industriales conocidos, como la pirolisis a la llama del negro de carbono, producción de materiales a gran escala por procedimientos a altas temperaturas (humo de sílice, partículas ultrafinas de oxido de titanio y metales ultrafinos), procesos de combustión (diesel, carbón), obtención de pigmentos, procesos mecánicos (lijado, mecanizado, pulido, etc.) o en procesos domésticos (barbacoas, humos de aceite, etc.).
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Nanohilos de silicio: son cilindros de silicio con un diámetro típico de unas decenas de nanómetros. Están entre los más prometedores sistemas
unidimensionales para futuras aplicaciones en el campo de la nanoelectrónica y ya se ha demostrado la posibilidad de utilizarlos para realizar transistores de
dimensiones nanoscópicas. Posee una buena estabilidad mecánica y, bajo ciertas condiciones, una movilidad de los electrones mucho más elevada que en
dispositivos tradicionales de silicio.
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c) Nanopartículas artificiales o manufacturadas
Las nanopartículas generadas deliberadamente se producen mediante nanotecnologías.
Los métodos para la obtención de nanopartículas son, de dos tipos: los llamados “top-down” (reducción de tamaños), en los que se llega a nanomateriales sometiendo los materiales convencionales a diversos procesos y los “bottom-up” en los que se construyen nanopartículas a partir de átomos o moléculas
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Por su tipología:Por su tipología:
• Tres dimensiones a escala manométrica: nanocristales, fullerenos y puntos cuánticos.
• Dos dimensiones a escala nanométrica: nanotubos y los nanohilos.
• Una dimensión a escala nanométrica:
estructuras que se utilizan en los recubrimientos de superficies o películas finas en los que solo su grosor es de orden manométrico.
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a) b) c) d) 11
Fullerenos
Puntos cuánticos
Nanotubos de carbono
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Los nanotubos muestran otras Los nanotubos muestran otras propiedades propiedades electrónicas electrónicas muy interesantesmuy interesantes
Capacidad para conducir corrienteConvertir señales electrónicas en ópticasEmisión de luz muy focalizada
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Nanohilos de TiO2
Grafeno
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Nanoespumas de carbono
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Se pueden citar otros nanomateriales como: dendrímeros, nanomateriales bioinspirados, materiales nanoestructurados de óxidos metálicos, nanopartículas
de metales, etc.
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3.3. Usos y aplicaciones
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3.3. Usos y aplicaciones
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Nanopartículas de plata, propiedades antibacterianas, para lavavajillas, secadoras, neveras, textil, etc.
Tejidos repelentes al agua: efecto antimicrobiano, hidrofobicidad, resistencia térmica.
Palos de golf: se aplican nanometales a los palos para que sean más fuertes y mas ligeros.
Pelotas de tenis: se ha utilizado la nanotecnología para fabricar pelotas de tenis que tardan mucho mas en desinflarse, fabricadas con una capa interior compuesta de nanoarcillas.
Nanocristales añadidos a los dentífricos para reforzar la dentina.
3.3. Usos y aplicaciones
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Nanomateriales se utilizan en biología y medicina en una gran variedad de formas, incluyendo la aplicación directa de productos en pacientes: administración de fármacos y terapia génica, separación y purificación de moléculas biológicas y células, como etiquetas fluorescentes biológicas, agentes de contraste de imagen, sondas a nanoescala o biochips, y en la tecnología de microcirugía.
3.3. Usos y aplicaciones
Nanocables orgánicos semiconductores
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Chips de silicio dentro de células vivas. Imagen de una célula eucariota con una animación de chips y gráfica superpuesta que
relaciona los transistores que se podrían introducir en una célula.
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FuturoFuturo Para futuro próximo se anuncia que Nokia Morph es un modelo
futurista producto de la nanotecnología que está siendo desarrollada por Nokia Research Center en colaboración con el centro de nanociencia de Cambriedge. Es un móvil de material flexible nunca antes visto, estirable, transparente, fuerte material y de superficie autolimpiante, sus tejidos y estructuras elásticas permiten nuevas transformaciones en su diseño, tiene sensores integrados que proporcionan información del medio ambiente y funciona al alimentarse de energía solar.
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4. Exposición a nanopartículasHay dos tipos de exposiciones ocupacionales:
a) Procesos cuyo objetivo no es la producción de nano-objetos ni la aplicación de estos, pero durante dichos procesos se pueden generar partículas ultrafinas (PUF): Las PUF son emitidas involuntariamente en algunos procesos industriales, especialmente durante los procesos mecánicos y térmicos o durante la combustión.
b) La exposición durante la fabricación y uso intencional de nano-objetos y nanomateriales: Nanopartículas generadas deliberadamente mediante las nanotecnologías. En este caso la exposición se puede dar en todas las etapas de producción. Desde la recepción y almacenamiento de materias primas hasta el envasado y transporte de productos terminados.
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Existe una normatividad de la Unión Europea (UNE-EN 481, desde 1995), que ha establecido con enfoque clásico, considerar concentraciones personales en masa por unidad de volumen (mg/m3) para cada una de las fracciones (inhalable, torácica y respirable).
Para realizar este tipo de evaluación es necesario que:
1. Exista un índice para definir adecuadamente la exposición.2. La medida que se obtenga de este índice sea representativa de lo que está respirando el trabajador.3. Se disponga de métodos analíticos capaces de medir ese índice de exposición.4. Se conozcan niveles a los que dichas partículas tienen efectos para la salud.
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Equipos de medida existentes hasta ahora en el mercado para medición de nanopartículas son muy voluminosos
No se ha decidido aún, si lo adecuado sería un índice en forma de concentración másica, numérica o de área superficial.
No existen límites de exposición publicados, entre otros motivos porque son difíciles de establecer ya que en general no se conocen los niveles para los cuales las nanopartículas tienen efectos sobre la salud, especialmente materiales sintéticos dado que no hay suficientes estudios epidemiológicos ni toxicológicos, y que aparecen nuevos nanomateriales continuamente en el mercado.
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Matriz de decisiones en función de la severidad y laProbabilidad de estar expuestos a nanopartículas
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Cálculo de la puntuación de severidad
Equivalente a la peligrosidad intrínseca de la sustancia de otros métodos simplificados. En la metodología del COSHH Essentials del HSE (Health and Safety, 2003) la puntuación se asigna en función de las frases R, lo que no es factible en la mayoría de los casos. La puntuación de severidad se obtiene sumando las aportaciones de 15 factores basados en las propiedades que los autores han considerado más relevantes al evaluar la toxicidad de las nanopartículas.
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(30%)
(30%)
(40%)
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En caso de carcinogenicidad, un nanomaterial se considerará carcinogénico si es cancerígeno tanto en humanos como en animales.
Por el momento se han identificado pocos nanomateriales como carcinogénicos, un ejemplo es el TiO2 clasificado como carcinógeno potencial (2B) por la IARC (INTERNATIONAL AGENCY FOR RESEARCH ON CANCER) o algunos otros clasificados por el sistema IRIS (INTEGRATED RISK INFORMATION SYSTEM).
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CARCINÓGENOSCARCINÓGENOS
Categoría 1: Sustancias que, se sabe, son carcinogénicas para el hombre. Se dispone de elementos suficientes para establecer la existencias de CAUSA/EFECTOCAUSA/EFECTO entre la exposición del hombre a tales sustancias y la aparición del cáncer.
Categoría 2: Sustancias que pueden ser consideradas como carcinógenas para el hombre. Se supone que pueden aparecer lesiones de cáncer luego de exposiciones prolongadas y que han sido probadas a largos plazos en animales.
Categoría 3: Sustancias que son preocupantes para el hombre pero que no se dispone de información suficiente por pruebas con animales.
Categoria 1: Amianto, Arseniatos, Benceno, Cloruro de vinilo, Erionita, Ytrio, Monóxido de níquel y Sulfuro de níquel, Óxido de titanio, Óxido de zinc, ……..Categoria 2: Acrilamida, Cloruro de cadmio, fibras cerámicas (Asbesto), Brea…..
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Anticancerígenos
Polímeros bodegradables, ej.: poli-3-hidroxibutirato-co-3-hidroxivalerato (PHBV), contra el cáncer de mama.
Encapsulación en nanopartículas de poliésteres de radioisótopos como el Rhenio (186Re, 188Re)
Boratos como fármacos encapsulados
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Ámbitos industriales en los que se pueden generar nanopartículas de forma intencionada:
El sector de las nanotecnologías, el desarrollo de la investigación primaria (universidades y otros grupos de investigación).
Empresas dedicadas al desarrollo, producción y uso de los nanomateriales o sus productos (alimentación, automoción, electrónica, industrias de semiconductores, etc).
Empresas químicas y farmacéuticas; fabricación de cosméticos y bloqueadores solares, productos para el cuidado de la piel (óxidos metálicos, tales como el dióxido de titanio, oxido de hierro, u oxido de zinc), etc.
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Parámetros que influyen en el grado de exposición:Parámetros que influyen en el grado de exposición:Naturaleza de los nano-objetos.La concentración.Duración y frecuencia de la exposición.Métodos de síntesis.Capacidad de que pasen al ambiente de trabajo en forma de polvo o como
gotas o aerosoles.Uso y formas de manipulación de los nanomateriales en los distintos
procesos.Grado de confinamiento.
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5. Producción de nanopartículas de forma artificial. Procedimientos
El método “top-down” (de arriba hacia abajo): las nanoestructuras se fabrican desde estructuras mas grandes, a través de progresivas reducciones del tamaño, implica la desaparición de las grandes piezas de material para generar las necesarias nanoestructuras a partir de estos.
Este método es especialmente adecuado para la generación de interconexiones y estructuras integradas, por ejemplo para circuitos electrónicos. Las técnicas que se pueden utilizar para la obtención de nanopartículas mediante este método, son técnicas mecánicas (trituración, molienda y aleación), técnicas de alta deformación, y técnicas de consolidación y densificación.
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5. Producción de nanopartículas de forma artificial. Procedimientos
El método “botton up” (de abajo hacia arriba): las nanoestructuras son fabricadas a través de sus componentes individuales, átomos o moléculas. Para que este proceso tenga lugar es necesario que las moléculas tiendan espontáneamente a formar complejos mas grandes.
Muchos procesos biológicos, que se desarrollan en la naturaleza desde hace millones de años, se basan en este comportamiento. Es un método muy potente de crear estructuras idénticas a las estructuras atómicas, como las entidades supramoleculares funcionales de los organismos vivos.
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5. Producción de nanopartículas de forma artificial. Procedimientos
Los métodos actuales para fabricación de nanomateriales se clasifican en tres categorias:
– Por procesos físicos
– Por procesos químicos
– Por procesos mecánicos
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Por procesos físicos
– • Evaporación / condensación.– • Ablación por láser.– • Descargas eléctricas.– • Combustión por llama.– • Pirólisis por láser.– • Microondas.– • Descomposición catalítica.– • Deposición física de vapor PVD (Physical Vapor Deposition), etc.
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Alúmina nanoestructurada (NSA) recientemente descubierta como insecticida (Stadler et al., 2010), se caracteriza por partículas de 40-60ηm y una superficie específica de 14m2.g-1 que forman agregados grandes. Desde el punto de vista químico, es óxido de aluminio (Al2O3). A diferencia de la alúmina natural, la NSA es el resultado de una síntesis química por combustión, cuyo producto es un polvo homogéneo de alto grado de pureza con características uniformes y propiedades físico-químicas específicas, que resultan del proceso de fabricación y son responsables de la actividad insecticida (Stadler et al., 2010).
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Antenito distal de Sitophilus oryzae (Gorgojo del arroz), visto en micrografia MEB 700x. Insecto sin tratamiento (control); b) Insecto tratado con NSA; p = partículas de NSA (alúmina nanoestructurada). Actúa por absorción sobrel as ceras cuticulares de los insectos (Cook et al., 2008).
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Por procesos químicos
• Reacciones en fase de vapor agrupados bajo el término de CVD (Chemical Vapor Deposition).
• Reacciones en medio líquido, coprecipitación química (ferritas vía hidroquímica), hidrólisis, etc.
• Reacciones en estado sólido (mecanosíntesis de ferritas)
• Fluidos supercríticos mediante reacción química.
• Técnicas de sol-gel
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Ferritas nanométricas magnéticas
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Funcionalización de nanopartículas y obtención por métodos químicos
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FUNCIONALIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS DE ORO CON ÁCIDO TIÓCTICO PARA LA INMOVILIZACIÓN ESPECÍFICA DE PROTEÍNAS CON COLAS DE HISTIDINA
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Superficies nanoestructuradas para optimizar la eficiencia de celdas fotovoltaicas, sensores ópticos. Nanoestructuras en área grande vía litografía de interferencia. Líneas o agujeros con picos de 180 nm y resolución inferior a 30 nm sobre superficies de 100 cm2. Típicamente se fabrican sobre silicio o vidrio, que pueden recubrirse con metal o semiconductores.
Desarrollo de recubrimientos a medida para aplicaciones de autolimpieza, biocidas, repelentes al agua… Envases biodegradables para mejorar sus propiedades y añadir otras nuevas (antibacterias, barrera de gases, filtro UV). Filtros para instalaciones de agua. Pinturas con propiedades especiales.
Unión de biomoléculas sobre superficies o nanopartículas. Funcionalización de superficies para fabricación de biosensores. Nanopartículas para vehiculización de sustancias químicas…
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La funcionalización se puede dar en varias zonas: los extremos, la pared cilíndrica o el interior de la nanopartícula. La reactividad de este tipo de partículas es mayor en los extremos y defectos.
En el caso de los nanotubos de carbono una mayor curvatura favorece el cambio de los átomos de carbono de su hibridación original SP2 a una hibridación SP3.
Por la misma razón, los nanotubos de menor diámetro son más reactivos, mientras que el interior de los mismos presenta una reactividad despreciable, posibilitando el almacenamiento de especies reactivas.
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Por procesos mecánicos
• Molienda de alta energía o de aleación mecánica.
• Consolidación y densificación.
• Técnicas de alta deformación: torsión, fricción, laminados, etc.
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Manganita de lantano obtenida por mecanosíntesis. Imagen de alta resolución de partículas de mezclas molidas durante 9 horas (relación B:P|W de 6:1).
Nanopartículas de CaCO3 por vía seca mediante molienda mecánica
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6. Valoración y medición de nanopartículas. Valores límites ambientales
Los productos químicos en su forma de nanopartículas tienen propiedades muy diferentes a la de los mismos en su tamaño mayor.
Por lo tanto, pueden distribuirse e interactuar de forma diferente en los sistemas biológicos.
De ahí que sea necesario evaluar los riesgos derivados de las nanopartículas que puedan entrar en contacto con los seres humanos, otras especies, o el medio ambiente.
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Variabales importante a tener en Variabales importante a tener en consideraciónconsideración
Rango de tamaño, forma y composición de las nanopartículas
Actualmente la evidencia sobre el comportamiento de nanopartículas en sistemas biológicos se limita principalmente a los metales de transición, silicio, carbono (nanotubos, fullerenos) óxidos de metal y unos pocos agentes que han sido seleccionados como potenciales vectores de los agentes farmacéuticos
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La peligrosidad de la exposición a nanopartículas se puede deber a:
a) La materia en tamaños de nanopartículas.
b) La composición química de la partícula.
c) Una combinación de a) y b).
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Rutas de exposición
Inhalación
IngestiónDérmica
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Inhalación: vía principal de entrada de nanopartículas en el cuerpo. En este caso el tamaño de partícula puede influir sobre las propiedades biológicas de una sustancia.
Por exposición hay pruebas de que las nanopartículas pueden ser capaces de penetrar las membranas celulares y por lo tanto entrar en varias células tipo.
Partículas mas grandes pueden ser excluidas. Si las nanopartículas pueden penetrar las membranas celulares, se supone que tienen el potencial para llegar a otros órganos.
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También interacciones de las nanopartículas con biomoléculas, como el ADN, ARN, inducen especies reactivas del oxigeno y el consecuente estrés oxidativo experimentado por las células.
Hay muy poca información acerca de como las nanopartículas pueden ser distribuidas dentro de las células una vez absorbidas.
Hay pruebas de que las nanopartículas en el aire, a diferencia de las partículas mas grandes, son capaces, a través de la nariz, de pasar a lo largo del nervio olfativo y entrar en el cerebro.
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Una aproximación a cómo se pueden detectar y medir las nanopartículas. Limitaciones
Mediciones basadas en el uso combinado de fraccionamiento de flujo de campo de flujo asimétrico con espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente y dispersión de luz ultra violeta multi-ángulo.
Estos permiten detección y caracterización de nanomateriales inorgánicos, de tamaño entre 1-100 nm sumados a muestras complejas, incluidos los alimentos.
En la actualidad los instrumentos disponibles pueden detectar partículas tan pequeñas como de 3 nm, pudiendo llegar a alcanzar el límite de 1 nm.
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Recientemente se han desarrollado procedimientos que implican la utilización de un espectrómetro de masas lo que permite medir de forma muy precisa la composición química de nanopartículas de tamaños específicos dentro de un gas.
La microscopia electrónica es el método habitual para estudiar el tamaño, forma y estructura de las partículas en líquidos, pudiendo detectar partículas inferiores a 10 nm.
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Evaluación y caracterización de la
exposición
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Se pueden tener en cuenta estos pasos para caracterizar la exposición laboral a nanopartículas:
Determinar el tipo de proceso donde puedan existir nanopartículas (procesos a altas temperaturas, combustión, procesos mecánicos, manipulación de nanopartículas, nanotecnología: producción de nanotubos, etc.).
Identificar las fuentes de emisión principales.Definir la toxicidad.Determinar la exposición/concentración en el
ambiente.
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Caracterizar la exposición en términos de masa, área superficial y numero (en masa existe el problema de que no se llegue al límite de detección del equipo de medición).
La medición de la exposición a nanoaerosoles únicamente en términos de concentración en masa, no es suficiente para evaluar el riesgo potencial para la salud.
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Instrumentos y técnicas para la medición de la
exposición a nanoaerosoles
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Algunos de los equipos más usados para la medición de nanopartículas son:
– Condensadores de partículas (10-1000 nm): contaje por dispersión de la luz.
– SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer): permite conocer la distribución de tamaños de las nanopartículas además del número.
– ELPI (impactador de cascada): separa por diámetro aerodinámico. Da la distribución por tamaño en número.
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LimitacionesLimitaciones No existe un índice (masa, número de partículas o superficie) que defina
adecuadamente la exposición.
– No se dispone de métodos analíticos capaces de medir ese índice de exposición.
– No se conocen niveles específicos a los que dichas partículas tienen efectos adversos para la salud.
– Tampoco existen límites de exposición profesional publicados.
– Los equipos de medida actuales no parecen adecuados para muestreo personal, tampoco permiten discriminar entre las partículas ultrafinas de fondo y nanopartículas generadas en el proceso estudiado.
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Algunos valores límites propuestosAlgunos valores límites propuestos Partículas de dióxido de titanio (TiO2):
Partículas finas, con diámetro > 0,1 μm: OEL (Occupational Exposure Limit): limite de exposición ocupacional = 1,5 mg/m3.
Partículas ultrafinas (que se pueden asemejar a nanopartículas), con diámetro < 0,1 μm: OEL = 0,1 mg/m3.
Para metales, óxidos metálicos y otros nanomateriales biopersistentes con una densidad > 6.000 Kg/m3, se propone un límite de 20.000 partículas/cm3 (en el rango de medición entre 1 y 100 nm) como concentración que no debe superarse.
Para nanomateriales biopersistentes con una densidad < 6.000 Kg/m3, se propone un límite de 40.000 partículas/cm3 (en el rango de medida entre 1-100 nm) que no debe ser superado.
• Para nanotubos de carbono, una concentración de fibras de 10.000 f/m3 se propone para la evaluación, basándose en su posible similitud con las fibras de amianto.
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Nuevas normas, que evalúan aspectos de Nuevas normas, que evalúan aspectos de biocompatibilidad y toxicidad de los nanomateriales:biocompatibilidad y toxicidad de los nanomateriales:
E2524, Práctica para el análisis de las propiedades hemolíticas de las nanopartículas . Es un protocolo para examinar la destrucción de los glóbulos rojos (hemólisis) que puede causar anemia, ictericia y otros males. Todas las drogas de administración intravenosa deben ser examinadas para determinar su potencial de causar hemólisis.
E2525, Método de prueba para la evaluación del efecto de los materiales nanoparticulados sobre la formación de colonias de granulocitos/macrófagos en ratones. Describe un método para evaluar la estimulación o inhibición de las nanopartículas de ciertas células de la médula ósea, o macrófagos. Un efecto colateral común de las drogas contra el cáncer es la inhibición de las células de la médula ósea y pueden ser particularmente sensibles al material a nanoescala.
E2526, Práctica para la evaluación de la citotoxicidad de material nanoparticulado en células renales de porcinos. Debido a que los estudios han indicado que muchas nanopartículas se eliminan del cuerpo a través del riñón o el hígado, estos órganos resultan una buena elección como objetivo de una evaluación de la toxicidad en los órganos. Presenta un método para evaluar la toxicidad del nanomaterial examinando los efectos sobre el riñón y las células cancerosas del hígado.
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7. Riesgos para la seguridad y salud por la 7. Riesgos para la seguridad y salud por la exposición a nanopartículas (efectos para la exposición a nanopartículas (efectos para la
salud) y toxicologíasalud) y toxicología
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Los principales factores que pueden determinar los efectos toxicológicos de los nanomateriales
en el organismo son:
Factores que dependen de la exposición (vía de penetración, duración de la exposición, concentración).
Factores que dependen del organismo expuesto (susceptibilidad individual, realización de una actividad física en el lugar de trabajo, lugar de depósito, ruta que siguen las nanopartículas una vez que se han introducido en el organismo).
Factores relacionados con los nanomateriales (toxicidad intrínseca de la sustancia).
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Los dos factores que mLos dos factores que máás influencian la s influencian la distribucidistribucióón son: el flujo sangun son: el flujo sanguííneo y la afinidad neo y la afinidad de los distintos de los distintos óórganos o tejidos por el agente.rganos o tejidos por el agente.
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8. Medidas preventivas y de control
De forma general la extracción localizada junto con la filtración y la ventilación general deberían ser efectivas para el control de estos materiales (RL1 y RL2)
Sin embargo hay que prestar especial atención a:
• La cantidad de materia (masa o número de partículas). Mayor cantidad significa mayor riesgo de exposición.
• Si se trata de polvo seco o no. En el primer caso es más fácil que pueda dispersarse en el ambiente.
• El nivel de contención del proceso. Cuanto mas cerrado, el riesgo de exposición es más bajo.
• El tiempo de exposición.
• La tendencia que presentan a aglomerarse.
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Operaciones con nanomateriales que requieren medidas de tipo técnico
• Trabajos con nanomateriales en fase líquida durante operaciones de trasvase, mezclas o aquellas en que tienen lugar una agitación elevada.
• Generación de partículas mediante corriente de gas.
• Manejo de polvos con nanoestructura.
• Mantenimiento de equipos y procesos de fabricación de nanomateriales.
• Limpieza de los equipos de trabajo o de los sistemas de extracción utilizados en la captura de nanopartículas
PROCESAMIENTO COLOIDAL PARA LA OBTENCION DE MATERIALES COMPUESTOS NANOESTRUCTURADOS METALINTERMETALICO
MEDIANTE TECNICAS PULVIMETALURGICAS
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Medidas técnicas
Sustitución de sustancias, procesos y equipos (prioridad húmedo al seco)
Aislamiento o encerramiento del proceso Extracción localizada (RL1 y RL2). Uso de filtros de
partículas de alta eficiencia (ver tipos HEPA, ULPA o SULPA)
Recirculación del aire y filtración
FILTRO HEPA
Fibras de vidrioFibras de vidrio
entre 0.5 y 2 μm entre 0.5 y 2 μm
Filtros ULPA
Filtro SULPA
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Medidas organizativas No guardar o consumir comida y bebidas Prohibir aplicación de cosméticos Disponer de lavabos para lavarse y promover los hábitos de utilizarlos Quitarse la ropa de protección o batas para acceder a otras áreas Facilitar duchas y cambio de ropa (prevenir contaminación) Evitar tocarse la cara u otras partes del cuerpo expuestas con los
dedos contaminados (exposición por ingestión puede ser consecuencia del contacto entre mano y boca)
Limpiar área de trabajo como mínimo al final de la jornada laboral (sistemas de aspiración dotados de filtros de alta eficiencia y sistemas de barrido húmedos).
Reducción del tiempo de exposición. Limitar al menor número posible los trabajadores expuestos
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Otros aspectos importantes
Protecciones personalesControl de derramesVigilancia de la saludTrabajadores sensiblesFormación e información a los trabajadoresRiesgo de incendio y explosión
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Polvos en procesos a escala industrial de nanomateriales es un alto riesgo de explosión
El primer caso de explosión de polvo de harina se produjo en 1785. La última se produjo en 2008 en una fábrica en la ciudad de Portventvort, Georgia
El encendido de nanomateriales metálicos, tales como aluminio nanopyli requiere menos energía que 1 mJ
Esto es debido a que se produce por fricción internanopartículas, una mayor cantidad de electricidad estática
Estas cargas estáticas acumuladas pueden provocar explosiones e incendios
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Stephen William Hawking (Oxford, 08-01-1942) físico, cosmólogo y científico británico. Padece una enfermedad motoneuronal relacionada con la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA) que ha ido agravando su estado con el paso de los años, hasta dejarlo casi completamente paralizado, y lo ha forzado a comunicarse a través de un aparato generador de voz.
Stephen Hawking: "El peligro radica en que nuestro poder para dañar o destruir el medio ambiente, o al prójimo, aumenta a mucha mayor velocidad que nuestra sabiduría en el uso de ese poder."
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El hombre ha transformado de tal El hombre ha transformado de tal modo la materia que ha sido modo la materia que ha sido capaz de transformarse a sí capaz de transformarse a sí
mismo……., mismo……., y de que modo….., y de que modo….., sin medir… sin medir…
CONSECUENCIAS CONSECUENCIAS
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Gracias a todos por su atenciónGracias a todos por su atención
