Lunes, febrero 28 2011 23: 59

Efectos sobre la salud de las fibras artificiales

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El uso industrial de varios tipos de fibras sintéticas ha ido en aumento, particularmente desde que se impusieron restricciones al uso de amianto en vista de sus conocidos peligros para la salud. Todavía se está estudiando el potencial de efectos adversos para la salud relacionados con la producción y el uso de fibras artificiales. Este artículo proporcionará una descripción general de los principios generales con respecto al potencial de toxicidad relacionada con dichas fibras, una descripción general de los diversos tipos de fibras en producción (como se enumeran en la tabla 1) y una actualización de los estudios existentes y en curso sobre sus posibles efectos en la salud. .

Tabla 1. Fibras sintéticas

fibras artificiales

óxido de aluminio

Carbono/grafito

Kevlar® para-aramida

Fibras de carburo de silicio y
bigotes

 
fibras vítreas artificiales

Fibras de vidrio

 

Lana mineral

 

Fibra cerámica refractaria

Lana de vidrio
Filamento de vidrio continuo
fibra de vidrio para fines especiales

Lana de roca
lana de escoria

 

Determinantes de toxicidad

Los principales factores relacionados con el potencial de toxicidad debido a la exposición a las fibras son:

  1. dimensión de la fibra
  2. durabilidad de la fibra y
  3. dosis al órgano diana.

 

En general, las fibras que son largas y delgadas (pero de un tamaño respirable) y duraderas tienen el mayor potencial de causar efectos adversos si se administran a los pulmones en una concentración suficiente. La toxicidad de la fibra se ha correlacionado en estudios de inhalación en animales a corto plazo con inflamación, citotoxicidad, alteración de la función de los macrocitos y biopersistencia. El potencial carcinogénico probablemente esté relacionado con el daño del ADN celular a través de la formación de radicales libres de oxígeno, la formación de factores clastogénicos o la segregación errónea de cromosomas en células en mitosis, solos o en combinación. Las fibras de tamaño respirable son aquellas de menos de 3.0 a 3.5 mm de diámetro y menos de 200 μm de longitud. Según la “hipótesis de Stanton”, el potencial carcinogénico de las fibras (determinado por estudios de implantación pleural en animales) está relacionado con su dimensión (el mayor riesgo está asociado con fibras de menos de 0.25 μm de diámetro y más de 8 mm de longitud) y durabilidad (Stanton y col. 1981). Las fibras minerales naturales, como el asbesto, existen en una estructura policristalina que tiene la propensión a dividirse a lo largo de los planos longitudinales, creando fibras más delgadas con mayores relaciones de largo a ancho, que tienen un mayor potencial de toxicidad. La gran mayoría de las fibras artificiales no son cristalinas o son amorfas y se fracturarán perpendicularmente a su plano longitudinal en fibras más cortas. Esta es una diferencia importante entre los silicatos fibrosos de asbesto y sin asbesto y las fibras artificiales. La durabilidad de las fibras depositadas en el pulmón depende de la capacidad del pulmón para eliminar las fibras, así como de las propiedades físicas y químicas de las fibras. La durabilidad de las fibras artificiales puede alterarse en el proceso de producción, de acuerdo con los requisitos del uso final, mediante la adición de ciertos estabilizadores como Al2O3. Debido a esta variabilidad en los componentes químicos y el tamaño de las fibras sintéticas, su toxicidad potencial debe evaluarse fibra por tipo.

Fibras artificiales

fibras de óxido de aluminio

La toxicidad de la fibra de óxido de aluminio cristalino ha sido sugerida por un informe de caso de fibrosis pulmonar en un trabajador empleado en la fundición de aluminio durante 19 años (Jederlinic et al. 1990). Su radiografía de tórax reveló fibrosis intersticial. El análisis del tejido pulmonar por técnicas de microscopía electrónica demostró 1.3×109 fibras cristalinas por gramo de tejido pulmonar seco, o diez veces más fibras que el número de fibras de asbesto encontradas en el tejido pulmonar de los mineros de amianto crisotilo con asbestosis. Se necesitan más estudios para determinar el papel de las fibras de óxido de aluminio cristalino (figura 1) y la fibrosis pulmonar. Sin embargo, este informe de caso sugiere un potencial de fibrización cuando coexisten las condiciones ambientales adecuadas, como un mayor flujo de aire a través de los materiales fundidos. Tanto la microscopía de luz de contraste de fase como la microscopía electrónica con análisis de rayos X de dispersión de energía deben usarse para identificar posibles fibras en el aire en el entorno de trabajo y en muestras de tejido pulmonar en los casos en que haya hallazgos clínicos compatibles con neumoconiosis inducida por fibras.

Figura 1. Micrografía electrónica de barrido (SEM) de fibras de óxido de aluminio.

RES200F1

Cortesía de T. Hesterberg.

Fibras de Carbono/Grafito

Las fibras de brea carbónica, rayón o poliacrilonitrilo calentadas a 1,200 °C forman fibras de carbono amorfas, y cuando se calientan por encima de 2,20 °C forman fibras de grafito cristalino (figura 2). Se pueden agregar aglutinantes de resina para aumentar la resistencia y permitir el moldeado y el mecanizado del material. Generalmente, estas fibras tienen un diámetro de 7 a 10 μm, pero se producen variaciones de tamaño debido al proceso de fabricación y manipulación mecánica. Los compuestos de carbono/grafito se utilizan en las industrias aeronáutica, automovilística y de artículos deportivos. La exposición a partículas de carbono/grafito de tamaño respirable puede ocurrir durante el proceso de fabricación y con la manipulación mecánica. Además, se pueden producir pequeñas cantidades de fibras de tamaño respirable cuando los compuestos se calientan de 900 a 1,10 °C. El conocimiento existente sobre estas fibras es inadecuado para proporcionar respuestas definitivas en cuanto a su potencial para causar efectos adversos para la salud. Los estudios que involucraron la inyección intratraqueal de diferentes polvos compuestos de fibra de grafito en ratas produjeron resultados heterogéneos. Tres de las muestras de polvo analizadas produjeron una toxicidad mínima y dos de las muestras produjeron una toxicidad constante, manifestada por la citotoxicidad de los macrófagos alveolares y las diferencias en el número total de células recuperadas del pulmón (Martin, Meyer y Luchtel 1989). Se han observado efectos clastogénicos en estudios de mutagenicidad de fibras a base de brea, pero no de fibras de carbono a base de poliacrilonitrilo. Un estudio de diez años de trabajadores de la producción de fibra de carbono, fabricando fibras de 8 a 10 mm de diámetro, no reveló ninguna anormalidad (Jones, Jones y Lyle 1982). Hasta que se disponga de más estudios, se recomienda que la exposición a fibras de carbono/grafito de tamaño respirable sea de 1 fibra/ml (f/ml) o menos, y que la exposición a partículas compuestas de tamaño respirable se mantenga por debajo del estándar actual de polvo respirable para polvo molesto.

Figura 2. SEM de fibras de carbono.

RES200F2

Fibras de para-aramida Kevlar

Kevlar las fibras de para-aramida tienen aproximadamente 12 μm de diámetro y las fibrillas curvas en forma de cinta en la superficie de las fibras tienen menos de 1 mm de ancho (figura 3). Las fibrillas se desprenden parcialmente de las fibras y se entrelazan con otras fibrillas para formar grumos de tamaño no respirable. Las propiedades físicas de Kevlar las fibras incluyen una resistencia al calor y una resistencia a la tracción sustanciales. Tienen muchos usos diferentes, sirviendo como agente de refuerzo en plásticos, telas y caucho, y como material de fricción para frenos de automóviles. El promedio ponderado en el tiempo (TWA) de ocho horas de los niveles de fibrillas durante la fabricación y las aplicaciones de uso final oscila entre 0.01 y 0.4 f/ml (Merriman 1989). Niveles muy bajos de Kevlar Las fibras de aramida se generan en el polvo cuando se utilizan en materiales de fricción. Los únicos datos disponibles sobre efectos en la salud provienen de estudios en animales. Los estudios de inhalación en ratas que involucraron períodos de tiempo de uno a dos años y exposiciones a fibrillas a 25, 100 y 400 f/ml revelaron bronquiolarización alveolar que estaba relacionada con la dosis. También se observaron ligeras fibrosis y cambios fibróticos en los conductos alveolares a los niveles de exposición más altos. La fibrosis puede haber estado relacionada con la sobrecarga de los mecanismos de depuración pulmonar. Un tipo de tumor exclusivo de las ratas, el tumor de células escamosas queratinizante quísticas, se desarrolló en algunos de los animales del estudio (Lee et al. 1988). Los estudios de inhalación a corto plazo en ratas indican que las fibrillas tienen poca durabilidad en el tejido pulmonar y se eliminan rápidamente (Warheit et al. 1992). No hay estudios disponibles sobre los efectos en la salud humana de la exposición a Kevlar fibra de para-aramida. Sin embargo, en vista de la evidencia de biopersistencia disminuida y dada la estructura física de Kevlar, los riesgos para la salud deberían ser mínimos si las exposiciones a las fibrillas se mantienen a 0.5 f/ml o menos, como ocurre ahora en las aplicaciones comerciales.

Figura 3. SEM de fibras de para-aramida de Kevlar.

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Fibras y bigotes de carburo de silicio

El carburo de silicio (carborundo) es un material abrasivo y refractario ampliamente utilizado que se fabrica combinando sílice y carbono a 2,400 °C. Las fibras y filamentos de carburo de silicio (figura 4 (Harper et al. 1995)) pueden generarse como subproductos de la fabricación de cristales de carburo de silicio o pueden producirse a propósito como fibras policristalinas o filamentos monocristalinos. Las fibras generalmente tienen menos de 1 a 2 μm de diámetro y varían de 3 a 30 μm de longitud. Los bigotes tienen un promedio de 0.5 μm de diámetro y 10 μm de longitud. La incorporación de fibras y filamentos de carburo de silicio agrega resistencia a productos tales como compuestos de matriz metálica, cerámica y componentes cerámicos. La exposición a fibras y bigotes puede ocurrir durante los procesos de producción y fabricación y, potencialmente, durante los procesos de mecanizado y acabado. Por ejemplo, se ha demostrado que la exposición a corto plazo durante la manipulación de materiales reciclados alcanza niveles de hasta 5 f/ml. El mecanizado de compuestos de matriz metálica y cerámica ha dado como resultado concentraciones de exposición TWA de ocho horas de 0.031 f/ml y hasta 0.76 f/ml, respectivamente (Scansetti, Piolatto y Botta 1992; Bye 1985).

Figura 4. SEM de fibras de carburo de silicio (A) y bigotes (B).

A.

RES200F3

B.

RES200F4

Los datos existentes de estudios en animales y humanos indican un potencial fibrogénico y posiblemente cancerígeno definido. In vitro Los estudios de cultivo de células de ratón que involucran bigotes de carburo de silicio revelaron una citotoxicidad igual o mayor que la resultante del amianto crocidolita (Johnson et al. 1992; Vaughan et al. 1991). La hiperplasia adenomatosa persistente de los pulmones de las ratas se demostró en un estudio de inhalación subaguda (Lapin et al. 1991). Los estudios de inhalación de ovejas con polvo de carburo de silicio revelaron que las partículas eran inertes. Sin embargo, la exposición a fibras de carburo de silicio provocó alveolitis fibrosante y aumentó la actividad de crecimiento de fibroblastos (Bégin et al. 1989). Los estudios de muestras de tejido pulmonar de trabajadores de la fabricación de carburo de silicio revelaron nódulos silicóticos y cuerpos ferruginosos e indicaron que las fibras de carburo de silicio son duraderas y pueden existir en altas concentraciones en el parénquima pulmonar. Las radiografías de tórax también han sido consistentes con cambios intersticiales nodulares e irregulares y placas pleurales.

Las fibras y filamentos de carburo de silicio son de tamaño respirable, duraderos y tienen un potencial fibrogénico definido en el tejido pulmonar. Un fabricante de filamentos de carburo de silicio ha establecido un estándar interno de 0.2 f/ml como TWA de ocho horas (Beaumont 1991). Esta es una recomendación prudente basada en la información de salud actualmente disponible.

Fibras vítreas artificiales

Las fibras vítreas artificiales (MMVF) generalmente se clasifican como:

  1. fibra de vidrio (lana de vidrio o fibra de vidrio, filamento de vidrio continuo y fibra de vidrio especial)
  2. lana mineral (lana de roca y lana de escoria) y
  3. fibra cerámica (fibra textil cerámica y fibra cerámica refractaria).

 

El proceso de fabricación comienza con la fusión de las materias primas con un enfriamiento rápido posterior, lo que da como resultado la producción de fibras no cristalinas (o vítreas). Algunos procesos de fabricación permiten grandes variaciones en cuanto al tamaño de la fibra, siendo el límite inferior de 1 mm o menos de diámetro (figura 5). Estabilizadores (como Al2O3, TiO2 y ZnO) y modificadores (como MgO, Li2O, BaO, CaO, Na2O y K2O) se puede agregar para alterar las propiedades físicas y químicas, como la resistencia a la tracción, la elasticidad, la durabilidad y la no transferencia térmica.

Figura 5. SEM de lana de escoria.

RES200F6

La lana de roca, las fibras de vidrio y las fibras cerámicas refractarias son idénticas en apariencia.

La fibra de vidrio se fabrica a partir de dióxido de silicio y varias concentraciones de estabilizadores y modificadores. La mayor parte de la lana de vidrio se produce mediante el uso de un proceso rotatorio que da como resultado fibras discontinuas de 3 a 15 μm de diámetro promedio con variaciones de 1 μm o menos de diámetro. Las fibras de lana de vidrio se unen, generalmente con resinas de formaldehído fenólico, y luego se someten a un proceso de polimerización de curado por calor. También se pueden agregar otros agentes, incluidos lubricantes y agentes humectantes, según el proceso de producción. El proceso continuo de producción de filamentos de vidrio da como resultado una menor variación del diámetro promedio de la fibra en comparación con la lana de vidrio y la fibra de vidrio para fines especiales. Las fibras de filamento de vidrio continuo varían de 3 a 25 μm de diámetro. La producción de fibra de vidrio para propósitos especiales involucra un proceso de fibrización por atenuación de llama que produce fibras con un diámetro promedio de menos de 3 μm.

La producción de lana de escoria y lana de roca implica fundir y fibrilar escoria de minerales metálicos y rocas ígneas, respectivamente. El proceso de producción incluye una rueda en forma de plato y un proceso de centrífuga de rueda. Produce fibras discontinuas de 3.5 a 7 μm de diámetro promedio cuyo tamaño puede oscilar entre el rango respirable. La lana mineral se puede fabricar con o sin aglutinante, según las aplicaciones de uso final.

La fibra cerámica refractaria se fabrica a través de un proceso de fibrización por chorro de vapor o centrífuga de rueda utilizando arcilla de caolín fundida, alúmina/sílice o alúmina/sílice/zirconia. Los diámetros medios de fibra oscilan entre 1 y 5 μm. Cuando se calientan a temperaturas superiores a 1,000 °C, las fibras cerámicas refractarias pueden convertirse en cristobalita (una sílice cristalina).

Los MMVF con diferentes diámetros de fibra y composición química se utilizan en más de 35,000 1 aplicaciones. La lana de vidrio se utiliza en aplicaciones residenciales y comerciales de aislamiento térmico y acústico, así como en sistemas de tratamiento de aire. El filamento de vidrio continuo se usa en telas y como agentes de refuerzo en plásticos, como los que se emplean en piezas de automóviles. La fibra de vidrio para fines especiales se utiliza en aplicaciones especiales, por ejemplo, en aeronaves, que requieren altas propiedades de aislamiento térmico y acústico. La lana de roca y de escoria sin aglomerante se utiliza como aislamiento soplado y en tejas. La lana de roca y escoria con un aglutinante de resina fenólica se utiliza en materiales aislantes, como mantas y guatas aislantes. La fibra cerámica refractaria constituye del 2 al XNUMX% de la producción mundial de MMVF. La fibra cerámica refractaria se utiliza en aplicaciones industriales especializadas de alta temperatura, como hornos y estufas. La lana de vidrio, el filamento continuo de vidrio y la lana mineral son los que se fabrican en mayor cantidad.

Se cree que los MMVF tienen menos potencial que los silicatos fibrosos naturales (como el asbesto) para producir efectos adversos para la salud debido a su estado no cristalino y su propensión a fracturarse en fibras más cortas. Los datos existentes sugieren que el MMVF más comúnmente utilizado, la lana de vidrio, tiene el riesgo más bajo de producir efectos adversos para la salud, seguido de la lana de roca y de escoria, y luego tanto la fibra de vidrio para fines especiales con mayor durabilidad como la fibra cerámica refractaria. La fibra de vidrio para fines especiales y la fibra cerámica refractaria tienen el mayor potencial para existir como fibras de tamaño respirable, ya que generalmente tienen menos de 3 mm de diámetro. Fibra de vidrio para fines especiales (con mayor concentración de estabilizadores como Al2O3) y la fibra cerámica refractaria también son duraderas en fluidos fisiológicos. Los filamentos de vidrio continuos tienen un tamaño no respirable y, por lo tanto, no representan un riesgo potencial para la salud pulmonar.

Los datos de salud disponibles se recopilan a partir de estudios de inhalación en animales y estudios de morbilidad y mortalidad de trabajadores involucrados en la fabricación de MMVF. Los estudios de inhalación que involucraron la exposición de ratas a dos materiales de aislamiento de lana de vidrio comerciales con un promedio de 1 μm de diámetro y 20 μm de longitud revelaron una respuesta celular pulmonar leve que se revirtió parcialmente después de la interrupción de la exposición. Hallazgos similares resultaron de un estudio de inhalación animal de un tipo de lana de escoria. Se ha demostrado una fibrosis mínima con la exposición de animales a la inhalación de lana de roca. Los estudios de inhalación de fibra cerámica refractaria dieron como resultado cáncer de pulmón, mesotelioma y fibrosis pleural y pulmonar en ratas y mesotelioma y fibrosis pleural y pulmonar en hámsteres a una dosis máxima tolerada de 250 f/ml. A 75 f/ml y 120 f/ml, se demostró un mesotelioma y fibrosis mínima en ratas, ya 25 f/ml, hubo una respuesta celular pulmonar (Bunn et al. 1993).

Puede ocurrir irritación de la piel, los ojos y las vías respiratorias superior e inferior y depende de los niveles de exposición y las funciones del trabajo. La irritación de la piel ha sido el efecto de salud más común observado y puede causar que hasta el 5% de los nuevos trabajadores de la planta de fabricación de MMVF dejen su empleo en unas pocas semanas. Es causada por un traumatismo mecánico en la piel por fibras de más de 4 a 5 μm de diámetro. Se puede prevenir con medidas de control ambiental adecuadas, como evitar el contacto directo de la piel con las fibras, usar ropa holgada de manga larga y lavar la ropa de trabajo por separado. Los síntomas respiratorios superiores e inferiores pueden ocurrir en situaciones inusualmente polvorientas, particularmente en la fabricación de productos MMVF y aplicaciones de uso final y en entornos residenciales cuando los MMVF no se manipulan, instalan o reparan correctamente.

Los estudios de morbilidad respiratoria, medidos por síntomas, radiografías de tórax y pruebas de función pulmonar entre trabajadores de plantas de fabricación, generalmente no han encontrado ningún efecto adverso. Sin embargo, un estudio en curso de trabajadores de plantas de fabricación de fibras cerámicas refractarias ha revelado una mayor prevalencia de placas pleurales (Lemasters et al. 1994). Los estudios en trabajadores de producción secundaria y usuarios finales de MMVF son limitados y se han visto obstaculizados por la probabilidad del factor de confusión de exposiciones previas al asbesto.

Los estudios de mortalidad de trabajadores en plantas de fabricación de fibra de vidrio y lana mineral continúan en Europa y Estados Unidos. Los datos del estudio en Europa revelaron un aumento general en la mortalidad por cáncer de pulmón basado en las tasas de mortalidad nacionales, pero no locales. Hubo una tendencia creciente de cáncer de pulmón en las cohortes de lana de vidrio y mineral con el tiempo desde el primer empleo, pero no con la duración del empleo. Utilizando las tasas de mortalidad locales, hubo un aumento en la mortalidad por cáncer de pulmón en la fase más temprana de la producción de lana mineral (Simonato, Fletcher y Cherrie 1987; Boffetta et al. 1992). Los datos del estudio en los Estados Unidos demostraron un aumento estadísticamente significativo del riesgo de cáncer respiratorio, pero no lograron encontrar una asociación entre el desarrollo del cáncer y varios índices de exposición a la fibra (Marsh et al. 1990). Esto está de acuerdo con otros estudios de casos y controles de trabajadores de plantas de fabricación de fibra de vidrio y lana de escoria que han revelado un mayor riesgo de cáncer de pulmón asociado con el tabaquismo, pero no en la medida de la exposición a MMVF (Wong, Foliart y Trent 1991; Chiazze, Watkins y Fryar 1992). Un estudio de mortalidad de los trabajadores de la fabricación de filamentos de vidrio continuo no reveló un mayor riesgo de mortalidad (Shannon et al. 1990). En los Estados Unidos se está realizando un estudio de mortalidad que involucra a trabajadores de fibras cerámicas refractarias. Los estudios de mortalidad de trabajadores involucrados en la fabricación de productos y usuarios finales de MMVF son muy limitados.

En 1987, la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC) clasificó la lana de vidrio, la lana de roca, la lana de escoria y las fibras cerámicas como posibles carcinógenos humanos (grupo 2B). Los estudios en curso en animales y los estudios de morbilidad y mortalidad de los trabajadores involucrados con MMVF ayudarán a definir mejor cualquier riesgo potencial para la salud humana. Según los datos disponibles, el riesgo para la salud de la exposición a MMVF es sustancialmente menor que el que se ha asociado con la exposición al asbesto, tanto desde el punto de vista de la morbilidad como de la mortalidad. Sin embargo, la gran mayoría de los estudios en humanos provienen de instalaciones de fabricación de MMVF donde los niveles de exposición generalmente se han mantenido por debajo de un nivel de 0.5 a 1 f/ml durante una jornada laboral de ocho horas. La falta de datos de morbilidad y mortalidad en usuarios secundarios y finales de MMVF hace que sea prudente controlar la exposición a la fibra respirable en estos niveles o por debajo de ellos mediante medidas de control ambiental, prácticas laborales, capacitación de los trabajadores y programas de protección respiratoria. Esto es especialmente aplicable con la exposición a MMVF de cerámica refractaria duradera y vidrio para fines especiales y cualquier otro tipo de fibra artificial respirable que sea duradera en medios biológicos y que, por lo tanto, pueda depositarse y retenerse en el parénquima pulmonar.

 

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Referencias del sistema respiratorio

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