La stampa 3D crea un oggetto tangibile aggiungendo livelli successivi che rappresentano sezioni trasversali dell’oggetto.

Tipi di processi di stampa 3D

Attualmente esistono molti tipi di tecnologie di stampa 3D. Ciò che tutte hanno in comune è che gli oggetti tangibili sono creati per deposizione di strati successivi piuttosto che tagliare l’oggetto da un blocco solido e/o forare, fresare o alesare. Ogni strato consecutivo rappresenta una sezione trasversale dell’oggetto in costruzione. Il processo è controllato da un computer dotato di un software apposito per la creazione di file di progettazione, l’elaborazione dei file e la stampa dell’oggetto (vedi oltre per i dettagli).

Di seguito sono presentate brevemente alcune delle tecnologie più comuni per la stampa 3D. Questa lista non è affatto esclusiva.

• Tecnologie basate su inchiostro liquido o semisolido: SLA, FDM, EXT, PolyJet

Tutte e tre si basano sulla deposizione di strati di inchiostro liquido (più o meno viscoso) che vengono poi fusi l’uno con l’altro con il calore o con un raggio di luce diretto (emesso da una lampada UV o da un laser). L’inchiostro può essere estruso da un ugello o, quando è di maggiore consistenza, alimentato da una bobina.

• Stereolitografia (SLA)

La stampa 3D stereolitografica è forse la più facilmente comprensibile di tutte le tecnologie di stampa 3D, probabilmente perché la fotopolimerizzazione è comunemente usata nella moderna odontoiatria. Fondamentalmente, la stereolitografia è la fotopolimerizzazione di materiale fotosensibile estruso a strati su una piattaforma mobile. La lunghezza d’onda della sorgente luminosa è più spesso nella gamma UV, ma possono essere usate anche altre lunghezze d’onda. I materiali SLA polimerizzano tramite polimerizzazione a radicali liberi.

Diverse parti dell’oggetto possono aver bisogno di essere supportate nella realizzazione dell’oggetto in modo da evitare il collasso dell’intera struttura.  Gli strati successivi vengono fatti aderire l’uno all’altro tramite la polimerizzazione incrociata dello strato appena polimerizzato con lo strato appena depositato dove la polimerizzazione è ancora incompleta. Dato che la polimerizzazione può richiedere un po’ di tempo per essere completata, l’oggetto stampato di solito ha bisogno di un po’ di tempo per indurirsi, poi i supporti vengono rimossi (se ne rimane qualcuno dopo che l’ultimo strato è stato depositato), poi può avere luogo un post-processing finale.

Un modello 3D stampato in SLA è presentato in Fig. 3.

Figura 3. Stereolitografia del labirinto osseo dell’orecchio interno nell’uomo. Fonte: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons

L’inchiostro usato nella stampa SLA è solitamente liquido nella sua forma non polimerizzata. È per lo più epossidico o acrilico, anche se possono essere usati anche inchiostri a base di trimetilene carbonato, policaprolattone e polilattide. L’uso di tali materiali produce oggetti stampati con una rigidità significativa che sono, tuttavia, piuttosto fragili. Così, lo SLA è abbastanza adatto per la prototipazione rapida e per scopi di ricerca (per esempio, impalcature per l’ingegneria dei tessuti) ma non per oggetti che devono essere durevoli. Lo SLA ha una risoluzione abbastanza alta (lo spessore minimo dello strato è di 50 μm) e quindi è molto affidabile quando il dettaglio fine è cruciale.

Gli oggetti creati con lo SLA possono essere sensibili alla luce e possono tendere a disintegrarsi nel tempo, specialmente se tenuti in ambienti luminosi.

I solventi sono raramente usati nella stampa SLA, quindi il rischio di fuga di fumi nell’atmosfera è basso. A causa della fragilità degli oggetti stampati in SLA, tuttavia, gli oggetti scartati possono rappresentare un rischio ambientale. L’uso degli UV richiede precauzioni speciali per evitare l’esposizione accidentale delle superfici, degli oggetti e degli operatori al raggio di polimerizzazione. Alcuni degli inchiostri utilizzati per la stereolitografia possono avere un significativo potenziale neurotossico e cancerogeno. Inoltre, potrebbe essere necessario considerare la formazione di ozono mediata dagli UV.

• Modellazione a deposizione fusa (FDM), nota anche come fabbricazione a filamento fuso (FFF)

Attualmente, questa è la tecnologia più comunemente usata per la stampa 3D. La tecnologia FDM si basa sull’estrusione di un filamento di inchiostro termoplastico alimentato da una bobina attraverso un ugello mobile riscaldato della stampante. L’inchiostro all’interno dell’ugello è riscaldato appena sopra il suo punto di fusione e viene estruso in forma semi-solida che si solidifica quasi istantaneamente dopo che uno strato viene depositato.  L’oggetto è costruito su una piattaforma mobile che viene gradualmente abbassata man mano che la struttura cresce (Fig. 4).

Figura 4. Principio di funzionamento delle stampanti FDM. Fonte: By Gringer – Own work, CC0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=73614647.

Lo spessore minimo dello strato per FDM è di 100 μm. I materiali di inchiostro più comunemente usati per FDM sono acrilonitrile butadiene stirene (ABS), polilattide (PLA) e polietilene tereftalato glicole (PETG). Altri, come il polifenil etere (PPE), il poliuretano (PU), il polietilene tereftalato glicole (PETG), il polifenilsulfone (PPSP), il policarbonato (PC), il polieterimmide (PEI), il polietere chetone (PEEK), la poliammide (PA, comunemente nota come nylon) sono anche in uso.  Anche l’alcool polivinilico (PVA) può essere usato, ma poiché è idrofilo, il PVA è più comunemente usato per produrre supporti facilmente rimovibili per una struttura stampata usando un altro tipo di inchiostro termoplastico.

L’inchiostro riscaldabile per FDM può essere anche sotto forma di bacchette o granuli. Una variante di FDM utilizza l’estrusione a freddo di inchiostro non riscaldato, solitamente fornito come fango o pasta.

Una stampante FDM con bobina di filamento è presentata in Fig. 5.

Figura 5. Stampante PRUSA i3 MK2 FDM (Prusa Research, Praga, Repubblica Ceca) con bobina e oggetto completato. Fonte dell’immagine: Wikimedia Commons, http://reprap.org/wiki/File:Prusai3-MK2.jpg.

Essendo relativamente a basso costo, FDM è particolarmente popolare tra gli hobbisti e i modellisti da tavolo. Inoltre, FDM è comunemente usato per la prototipazione rapida in ingegneria, nella fabbricazione di parti e macchinari ad alte prestazioni, nell’educazione e nell’arte.

Gli oggetti prodotti da FDM sono significativamente più durevoli di quelli prodotti da SLA e con un’ottima qualità di riproduzione dei dettagli. Inchiostri FDM di qualità diversa producono oggetti con proprietà diverse per quanto riguarda la durata, la rigidità e la flessibilità (vedi sotto).

Gli svantaggi della stampa 3D in FDM sono principalmente legati ai potenziali rischi ambientali (uso di solventi, emissione di piccole particelle durante la post-elaborazione, e il fatto che gli oggetti scartati sono abbastanza durevoli).

–           Stampa 3D per estrusione semisolida (EXT)

La stampa 3D EXT è un’altra tecnologia basata sull’estrusione. L’inchiostro è di solito una miscela polimero-solvente con la consistenza della pasta. I materiali EXT non sono termoplastici, permettendo la stampa a basse temperature. Nuovamente, l’oggetto è costruito su una piattaforma mobile.

La EXT è comunemente usata nella ricerca (per esempio, impalcature di tessuti) e per scopi farmaceutici (consegna mirata e/o temporizzata di farmaci). La biosicurezza è garantita dall’uso di inchiostri a base di polivinilpirrolidone, polietilenglicole, meticelulosa, idrossipropilmetilcellulosa, policaprolattone e altri materiali. EXT è uno degli approcci potenziali per l’estrusione di tessuti viventi da un idrogel contenente cellule viventi.  Inoltre, l’estrusione con pasta viscosa per alimenti (glassa, cioccolato, gelatina, ecc.) è un metodo preferito per la stampa 3D per l’industria alimentare (Fig. 6).

Figura 6. Stampa di estrusione per l’industria alimentare. Fonte: Grup de recerca de la Universitat de Columbia – https://www.creativemachineslab.com/digital-food.html, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=84202502

Poiché il materiale per la stampa EXT 3D non è né fotosensibile né termoplastico, gli strati in genere non si solidificano istantaneamente. Pertanto, l’oggetto 3D appena stampato potrebbe aver bisogno di tempo per impostare e /o asciugare dopo il completamento quando il solvente/i evapora. Può anche essere soggetto a deformazioni, restringimento e deformazione. Lo spessore minimo dello strato per EXT è di 800 μm. Questa bassa risoluzione è inerente alle tecniche di estrusione semi-solida.

• PolyJet

PolyJet è un’altra tecnologia di stampa 3D a base liquida. Come SLA, si basa sulla polimerizzazione UV strato per strato di un polimero fotosensibile. L’inchiostro, tuttavia, viene rilasciato dalla testa della stampante in goccioline che si accumulano su una piattaforma di costruzione come indicato da un software designato.  La tecnologia PolyJet consente la miscelazione di inchiostri, con conseguente maggiore varietà di proprietà per gli oggetti fabbricati.

Gli inchiostri PolyJet comprendono una grande diversità di materiali. Tra i comunemente usati ci sono ABS (diverse modifiche), il relativo acrilonitrile di stirene acrilico composto (ASA, più resistente al calore e ai raggi UV rispetto all’ABS), policarbonato e chetone polieteretone (PEKK). Vari materiali fotosensibili utilizzati in altre tecnologie di stampa 3D a base liquida possono essere utilizzati anche in Polyjet.  Ci sono anche la serie appositamente progettata di inchiostriVero Polyjet^TM brevettati da uno dei leader di mercato nelle stampanti e nei materiali 3D, Stratasys. Membri di spicco dei materiali PolyJet biocompatibili sono MED610 e MED620, una resina a base di metacrilato utilizzata in medicina e odontoiatria per la prototipazione rapida.

I vantaggi dell’utilizzo di PolyJet sono la risoluzione relativamente elevata (lo spessore minimo dello strato è di 160 μm, consentendo la creazione di strutture stabili con geometria complessa e dettagli squisiti) e la grande varietà di proprietà (resistenza, flessibilità, colori, ecc.). Gli svantaggi sono (oltre agli svantaggi comuni della stampa 3D sopra descritti) i livelli intrinsecamente elevati di emissione di piccole particelle, l’uso della luce UV e l’emissione di fumi tossici quando si polimerizzano oggetti fabbricati con alcuni tipi di inchiostri (ad esempio, ASA). Gli oggetti stampati potrebbero richiedere la post-elaborazione e potrebbero essere fotosensibili.

• Stampa 3D basata sulla polvere (PB)

La tecnologia di stampa PB 3D si basa sulla deposizione di strati successivi di materiale in polvere e sul loro legame mediante una soluzione di legante liquido o fusione con altri metodi (vedi sotto). La polvere viene depositata in un letto di polvere o prodotta da un getto di polvere e viene quindi spruzzata o gettata con legante, irradiata con luce o riscaldata al fine di ottenere l’integrità dell’oggetto.

Lo spessore minimo dello strato può variare notevolmente nella stampa PB 3D e gli strati possono essere sottili fino a 20-30 μm con alcuni materiali. Questa altissima risoluzione consente di creare strutture molto complesse con dettagli squisiti.  Generalmente, tuttavia, lo spessore dello strato è di circa 200 μm.

I materiali in polvere sono solitamente prodotti dalla macinazione criogenica in un mulino a sfera a una temperatura inferiore alla temperatura di transizione del vetro del materiale. La macinazione può essere utilizzata con gas a bassa temperatura (CO₂ liquida o azoto liquido – polverizzione a secco) o una miscela di gas a bassa temperatura e solventi organici (macinazione a umido). Nella sua forma più semplice, la stampa PB 3D è ottenibile utilizzando materiali come amido in polvere o gesso legato insieme alla colla (Fig.7). Coloranti e composti plastici possono essere aggiunti alla soluzione di legame al fine di ottenere le proprietà desiderate.

Figura 7. Prototipi rapidi prodotti dalla stampa 3D basata sulla polvere. Fonte: S Zillayali, CC BY-SA 3.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, via Wikimedia Commons.

Gli svantaggi della stampa 3D basata su PB sono legati, da un lato, alle proprietà fisiche degli oggetti creati con questo tipo di tecnologia e, dall’altro, alla necessità di post-elaborazione al fine di ottenere la massima qualità. Gli oggetti costruiti da PB 3D sono intrinsecamente altamente porosi e, pertanto, presentano una scarsa resistenza meccanica e possono essere fragili.

Gli oggetti stampati con PB hanno sempre bisogno di tempo per l’evaporazione dei solventi. La post-lavorazione è solitamente necessaria per rimuovere la polvere in eccesso (quindi una certa quantità di materiale viene sempre sprecata) e per migliorare le proprietà degli oggetti fabbricati (resistenza, colore, smalto, ecc.). L’emissione di piccole particelle potenzialmente dannose è una seria preoccupazione in tutte le tecnologie basate su PB per la stampa 3D.

PB è stato utilizzato con successo nella ricerca, odontoiatria e medicina per la produzione di impianti e la fabbricazione di farmaci con proprietà farmacocinetiche specifiche come compresse rapidamente disintegranti, farmaci con rilascio ritardato, pulsatile o prolungato. La biosicurezza di queste forme di dosaggio è garantita dall’uso di metacrilato o cellulosa etilica come portatori della sostanza bioattiva.

• Getto di colore

ColorJet non è esattamente una tecnologia, ma una marca di stampanti 3D a base di polvere e forniture prodotte in India. Offre una delle soluzioni più semplici nella stampa 3D PB. Il materiale utilizzato è più comunemente polvere di gesso bianco anche se può essere utilizzata anche plastica (ad esempio, la polvere brevettata Visijet C4 Spectrum dell’azienda). Il materiale è stratificato su una piattaforma mobile e legato da adesivo. Il legante può contenere coloranti diversi, conferendo diversi colori al modello in costruzione.

ColorJet è più comunemente usato per la prototipazione rapida.  Lo spessore minimo dello strato è di circa 100 μm, ma può variare con materiali diversi.

Colorjet fornisce una soluzione economica in cui durata, fragilità e porosità non sono di grande preoccupazione. Pertanto, è una soluzione accettabile per la produzione di modelli per scopi educativi, di ricerca e commerciali (ad esempio, modelli di vendita) e all’art. Un processo simile che utilizza polvere commestibile e soluzione di legante è comunemente utilizzato nell’industria alimentare per creare dolci e piatti personalizzati.

Gli oggetti stampati da ColorJet potrebbero richiedere un’ampia post-elaborazione. Le strutture in gesso devono indurirsi dopo il loro completamento e i solventi devono evaporare. Quindi l’oggetto viene lucidato e impregnato con un altro tipo di legante (di solito acrilico) per ottenere la massima resistenza e ridurre la porosità superficiale. I fumi di solvente possono essere una preoccupazione ambientale, così come l’emissione di piccole particelle.

• Sinterizzazione laser selettiva (SLS)

SLS condivide le caratteristiche comuni sopra elencate per la stampa PB 3D. In SLS il materiale in polvere viene stratificato e un fascio di luce diretto generato dalla testa della stampante si liquefa parzialmente e fonde gli strati l’uno con l’altro mentre la struttura viene costruita in un processo comunemente considerato necking (Fig. 8).

Figura 8. Formazione di un “collo” tra due strati fumanti (frecce). Fonte:  Mendoza.755 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=76830144

Lo spessore minimo dello strato in SLS è di circa 100 μm.

SLS funziona molto bene con materiali ad alto punto di fusione ed è quindi più comunemente usato con inchiostri a base di metallo. Possono essere utilizzate anche plastica (poliammide, policarbonato, polistirolo e altri), resina termoplastica, vetro e polveri ceramiche. SLS è spesso usato per la prototipazione rapida nella ricerca (in particolare impalcature tissutali) e in odontoiatria. A questo punto, le opportunità di sviluppo della tecnologia basata su SLS nell’industria farmaceutica sono piuttosto limitate in quanto l’energia radiante e il calore generato nel corso della fusione a strati possono compromettere seriamente le proprietà della sostanza bioattiva.

I prodotti alimentari in polvere (cacao, zucchero, ecc.) possono essere utilizzati per la stampa 3D nell’industria alimentare.

• Fusione laser selettiva (SLM)

SLM è spesso visto come una derivazione di SLS, in quanto viene utilizzato principalmente per la stampa con polveri metalliche e in lega metallica. Tuttavia, mentre il laser a testa della stampante SLS genera abbastanza energia da fondere gli strati l’uno all’altro, SLM utilizza un laser ad alta potenza che può fondere completamente un blocco di metallo e quindi lasciare che sia impostato nella forma desiderata in modo simile alla fusione. SLM produce oggetti significativamente meno porosi di SLS e con una migliore resilienza meccanica grazie alla struttura interna omogenea. Uno svantaggio di SLM è che gli oggetti richiedono la lucidatura dopo il loro completamento in quanto genera strutture con maggiore granulosità superficiale.

La fusione elettronica del fascio (EBM) è un sottotipo di SLM che utilizza in modo simile e fascio elettronico per fondere polveri metalliche.

• Sinterizzazione selettiva del calore (SHS)

SHS si basa essenzialmente sullo stesso principio di SLS, ma l’inchiostro è termoplastico e, rispettivamente, la fusione strato per strato si ottiene utilizzando il calore generato da una testa della stampante termica. Il materiale più comune utilizzato in SHS è la plastica (in particolare, la poliammide, ma possono essere utilizzati anche altri polimeri).

Tutti gli oggetti prodotti da SLS o SHS sono soggetti a deformarsi e restringimento.  Le proprietà meccaniche degli oggetti stampati possono essere incoerenti da un oggetto all’altro, nonché da un batch all’altro. Gli oggetti realizzati con SLS e SHS spesso richiedono la post-elaborazione, come la rimozione di supporti e rivestimenti con agenti sigillanti al fine di ridurre la porosità superficiale.

• Fusione multi getto (MJF)

La stampa 3D MJF è un ibrido dell’approccio ColorJet (uso di leganti chimici) e SHS (uso del calore) che funziona principalmente con poliammide (Nylon). Fondamentalmente, la polvere di poliammide a grana fine viene stratificata su un letto di polvere, spruzzata o gettata con legante e quindi riscaldata selettivamente secondo le istruzioni di un software pre-programmato. Lo spessore minimo dello strato è di circa 80 μm. Al termine dell’oggetto, avviene la post-elaborazione (rimozione della polvere in eccesso, lucidatura, ecc.). MJF produce oggetti meno porosi e quindi più coerenti nelle loro proprietà meccaniche rispetto a SLS o SHS e ha una migliore capacità di riproduzione dei dettagli fini. Anche la finitura superficiale è migliore con MJF. I fumi chimici e la generazione di piccole particelle sono una preoccupazione, come per tutte le tecnologie PB 3D.

Requisiti di post-elaborazione per diverse tecnologie di stampa 3D

Non tutti gli oggetti realizzati con la stampa 3D richiedono la post-elaborazione. Tuttavia, molti hanno bisogno di più lavoro dopo il completamento della struttura. Se un oggetto ha bisogno di post-elaborazione dipende dal materiale, dalla tecnologia, dalle proprietà estetiche o meccaniche desiderate e da altri fattori.

Generalmente, esistono diversi tipi di post-elaborazione di oggetti stampati in 3D:

• Impostazione e/o indurimento

Quasi tutte le strutture stampate in 3D hanno bisogno di un po ‘di tempo dopo il loro completamento per maturare e ottenere proprietà meccaniche ottimali. Gli oggetti realizzati con processi a base di estrusione (in particolare quelli che utilizzano miscele semisolide di polimero e solvente) e processi a base di polvere utilizzando materiali impregnati di soluzioni leganti sono particolarmente sensibili alle sollecitazioni meccaniche immediatamente al completamento. In questo caso la post-elaborazione include il tempo per l’evaporazione e l’indurimento del solvente. In alcuni casi (ma non sempre), ciò può essere facilitato dall’aumento della ventilazione nei locali in cui sono conservati gli oggetti completati.

• Supporto di strutture incompiute

Le strutture complesse contenenti sporgenze potrebbero non essere stabili durante la produzione senza supporti, anche se temporanei. Questi supporti devono essere rimossi al termine della struttura, aumentando i tempi di completamento e i costi di produzione (specialmente se ciò comporta manodopera). Nella stampa 3D basata su SLA, i supporti per una struttura stampata con inchiostro termoplastico sono più comunemente realizzati in alcool polivinilico. Poiché è solubile, tali supporti possono essere facilmente rimossi durante la post-elaborazione con un getto d’acqua. Quest’ultimo, tuttavia, richiede impianti idraulici, accesso all’acqua e sistema di decontaminazione per le acque reflue (che possono anche aumentare i costi). Le strutture di supporto temporanee in SLS e SHS sono solitamente realizzate in materiale non interrato che può essere aspirato o fatto esplodere dall’aria.

• Rimozione del materiale in eccesso

Questo è fondamentale per gli oggetti realizzati con la maggior parte dei metodi a base di polvere. L’eccesso di polvere deve essere rimosso utilizzando il vuoto, l’esplosione dell’aria o un getto d’acqua (ancora una volta, ciò solleva preoccupazioni sull’approvvigionamento idrico e sulla decontaminazione delle acque reflue).

• Lucidatura

La lucidatura è un must per migliorare le caratteristiche meccaniche delle parti meccaniche (in particolare quelle sottoposte a movimento e attrito) e degli oggetti con maggiore granulosità della superficie (come quelle prodotte dalla fusione laser selettiva). Anche gli oggetti con proprietà estetiche potrebbero aver bisogno di lucidatura.

• Sigillatura dei pori superficiali

Si tratta di un importante passaggio di post-elaborazione per le tecnologie che producono oggetti con maggiore porosità, come SLS o SHS. I pori superficiali possono essere sigillati con rivestimenti impermeabili come rivestimenti cianoacrilati o mediante pressatura isostatica a caldo.

• Verniciatura

Questo non è comunemente necessario, poiché la maggior parte dei processi di stampa 3D utilizza materiali di colore diverso o leganti di colore diverso.

Quale processo per quale? Considerazioni di base nella scelta della tecnologia di stampa 3D adatta a una particolare applicazione

Mentre tutte le tecnologie di stampa 3D possono avere applicazioni sovrapposte (ad esempio, prototipazione rapida), ci sono fattori che possono pesare quando viene selezionata una tecnologia di stampa 3D per un particolare progetto o una soluzione industriale specifica. Le considerazioni principali sono:

• Tipo di materiale che può essere utilizzato per stampare un oggetto. Molte stampanti 3D sul mercato possono utilizzare una varietà di materiali diversi. I modelli architettonici, di vendita ed espositivi, nonché i modelli realizzati a scopo educativo possono essere comodamente creati da tecnologie ColorJet, SLA e FDM che utilizzano intonaco o diversi tipi di plastica. Le piccole macchine desktop che servono hobbisti e artisti sono solitamente basate sulla tecnologia FDM. SLS/SLM e SHS sono solitamente utilizzati quando gli oggetti devono essere realizzati con leghe metalliche e metalliche.
• Disponibilità della macchina da stampa 3D. Di solito, gli ordini per una particolare macchina vengono accodati e funzionano in modo “primo arrivato, primo servito”. Nelle regioni in cui le stampanti 3D sono difficilmente disponibili, questo fattore può essere di primaria importanza, prevalendo sul tipo di materiale.
• Disponibilità di materiale. La plastica è versatile, disponibile e, ad eccezione dei polimeri ad alte prestazioni, relativamente economica, mentre il metallo può essere più costoso.
• Costi di produzione per oggetto. Questi sono legati alla tecnologia utilizzata per la creazione di oggetti, al materiale utilizzato e alle esigenze di post-elaborazione. È già stato detto che, a differenza del casting, il ridimensionamento nella stampa 3D non sempre fa scendere il prezzo unitario. Il prezzo per oggetto comprende non solo i costi di fabbricazione, ma anche i costi di post-trasformazione (se necessario) nonché i costi sostenuti dalle misure per ridurre l’inquinamento ambientale. Tra le tecnologie PB comunemente utilizzate, SHS è una soluzione più orientata al budget rispetto a SLS in quanto l’acquisto e la manutenzione di una testa della stampante termica è generalmente meno costoso di una testa di stampante laser. Gli oggetti fabbricati da SHS sono quindi generalmente più economici di quelli realizzati da SLS e il processo può essere facilmente ridimensionato per ordini di piccole dimensioni.
• Rapidità di fabbricazione, compresa la post-elaborazione e il tempo per la coda degli ordini. I piccoli oggetti possono essere stampati in pochi minuti o ore. Il tempo per la stampa aumenta con le dimensioni degli oggetti a un’intera giornata e, in definitiva, con oggetti molto grandi, fino a diversi giorni, anche se quest’ultimo è raro. Anche i tempi di post-elaborazione possono essere un problema. Le tecnologie di estrusione in genere non necessitano di finitura, ma l’oggetto potrebbe aver bisogno di tempo per impostare e indurire. Gli oggetti realizzati da ColorJet hanno bisogno di tempo per l’asciugatura e l’impostazione. Le tecnologie a base di polvere hanno quasi sempre bisogno di tempo per la post-lavorazione e aumentano i costi e i tempi di produzione,
• Proprietà del prodotto finale (proprietà meccaniche, valore estetico)

L’inchiostro da stampa 3D in plastica può essere presente in molte varietà diverse con diverse proprietà meccaniche. A seconda dello scopo dell’uso dell’oggetto, le preferenze possono essere per la plastica (leggera e, allo stesso tempo, resistente, facilmente tinta, facilmente lucida, termo-e fotocurabile) o per il metallo (resistente, resistente ai raggi UV e al calore, la colorazione e la lucidatura possono aver bisogno di attrezzature e processi speciali).

Tra la pletora di varietà di plastica, sono disponibili diversi polimeri con diversa resilienza meccanica. Generalmente, la stampa SLA consente strutture finemente lucide con dettagli squisiti che sono, tuttavia, piuttosto fragili. Non è quindi adatto per applicazioni in cui la durata è di importanza cruciale. FDM produce oggetti significativamente più durevoli rispetto al contratto di servizio, ma ci sono diversi gradi di resilienza meccanica a seconda del materiale utilizzato. Generalmente, PVA, ABS e PLA sono inchiostri “commodity” per FDM. Questi sono relativamente economici, ma gli oggetti risultanti sono inclini alla curvatura. Anche gli oggetti stampati con PLA sono piuttosto fragili. Gli oggetti stampati in ABS sono fotosensibili. L’uso del poliuretano produce parti con un significativo grado di flessibilità. Il prossimo passo nella qualità FDM sono PC, PETG e DPI. Questi materiali sono utilizzati principalmente come materiali ingegneristici per la produzione di parti e utensili meccanici. PETG è anche sicuro per gli alimenti. Gli inchiostri FDM ad alta resistenza sono PEI e PEEK che vengono utilizzati per parti e dispositivi che devono presentare una resistenza molto elevata, come parti mobili e /o cuscinetti di deformazione e quando la stabilità termica è fondamentale. Tutti gli oggetti stampati in 3D potrebbero essere soggetti a delaminazione sotto stress, ma gli oggetti stampati peek mostrano un’eccellente adesione strato-strato e sono quindi molto resistenti. Tuttavia, è piuttosto costoso e, poiché il punto di fusione è superiore rispetto agli altri inchiostri FDM, la stampante deve avere la capacità di riscaldare l’ugello ad alte temperature.

Le forme di dosaggio dei farmaci stampate in 3D e le impalcature tissutali hanno requisiti specifici che sono generalmente soddisfatti con metodi di estrusione (in particolare l’estrusione semisolida come EXT) e alcune delle tecnologie a base di polvere (ma non queste che richiedono grandi quantità di energia radiante o infrarossa come SLS e SHS). Poiché lo spessore minimo dello strato per EXT è di quasi 1 mm, le strutture stampate sono più grossolane e meno dettagliate.

I metodi a base di polvere hanno un grado di risoluzione molto elevato e quindi conferiscono una migliore riproduzione dei dettagli fini. Ciò è particolarmente vero per SLS (tuttavia, funziona principalmente con polveri metalliche) ma MJF (funziona prontamente con la plastica) si confronta favorevolmente anche in termini di risoluzione.

Anche le strutture prodotte dalla maggior parte delle tecnologie PB sono durevoli (ad eccezione degli oggetti in gesso stampati con ColorJet) ma la porosità può compromettere le loro proprietà meccaniche. Quando quest’ultimo è un problema serio, SLM può essere una soluzione, a condizione che venga eseguita una corretta post-elaborazione.

Preoccupazioni ambientali (relative alla fabbricazione o alla post-lavorazione o alla biodegradabilità degli oggetti scartati).

Le tecnologie basate sull’estrusione e alcune delle tecnologie PB generano fumi di solventi. Le tecnologie basate sulla polvere generano grandi quantità di piccole particelle.  Tutte queste hanno effetti dannosi potenziali significativi e devono essere filtrate e/o decontaminate.

Software comunemente usato per la stampa 3D

La stampa 3D utilizza dati raccolti in precedenza che sono stati memorizzati su un supporto di informazioni digitali. Nel corso della stampa 3D di un oggetto complesso, i cambiamenti momentanei nel modello di deposizione dello strato in corso sono dettati dalle informazioni di specifiche sezioni trasversali nel file digitale che rappresentano come esattamente la struttura deve apparire in questo particolare punto. Così, strutture con schemi semplici possono essere rappresentate da meno sezioni trasversali mentre i file digitali per strutture con schemi intricati dovrebbero contenere più sezioni trasversali, indicando dove e come la struttura viene alterata. Ogni sezione trasversale rappresenta un poligono chiuso e corrisponde a una diversa posizione lungo l’asse z. Le sezioni trasversali non devono sovrapporsi o intersecarsi e, nel migliore dei casi, devono essere senza vuoti in mezzo. Piccole discrepanze possono essere eliminate dal software senza alterazioni significative della forma e della struttura.

Le immagini della progettazione assistita dal computer (CAD) sono le più usate per la stampa 3D. Queste possono essere le convenzionali immagini DWG 2D generate da AutoCAD, anche se queste devono essere convertite in 3D dal software designato, per esempio, Sketchup Pro. Il formato di file di stereolitografia (Standard Tessellation Language, STL) è stato il primo ad essere designato specificamente per la produzione additiva. È stato sviluppato e adattato per l’uso negli anni ’80 da 3D Systems, una società fondata da Charles Hull, l’inventore della SLA. Oltre ad AutoCAD, i software CAD comunemente usati in grado di esportare o convertire i dati in formato STL sono Alibre, Mechanical Desktop, I-DEAS, SolidDesigner, ProE e altri. I convertitori online sono anche facilmente disponibili, come AnyConv (https://anyconv.com/stl-converter/).

Le immagini generate da uno scanner 3D o dalla fotogrammetria di una tipica immagine digitale 2D (scattata da una fotocamera digitale) possono anche fare per la produzione additiva. A seconda dell’origine dei dati per l’oggetto, il risultato finale potrebbe essere più o meno fedele all’immagine iniziale.  Le immagini CAD di solito si traducono in oggetti con errori significativamente inferiori rispetto ad altri tipi di dati digitali. Questi errori possono essere corretti in un secondo momento.  Esistono molte marche diverse di software per la fotogrammetria, principalmente basate su Microsoft Windows (Zephyr3D, PhotoModeler,  PhotoSynth e altri) ma alcuni possono utilizzare altri sistemi operativi come Linux e MacOS (ad esempio, Pix4D Mapper,  Metashape, OpenDroneMap e altri). Un elenco dettagliato del software di fotogrammetria comunemente usato con le loro caratteristiche di base può essere visualizzato qui:

https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_photogrammetry_software

Sono disponibili anche strumenti online per la fotogrammetria, come il citato above AnyConv  (https://anyconv.com/stl-converter/).

Per stampare un oggetto, se un file STL non è disponibile, deve essere es output da un software come AutoCAD o altri (vedi sopra). La maggior parte dei software di modellazione 3D professionali è proprietaria, ma è disponibile anche software libero, principalmente per scopi educativi per principianti sul campo e per hobbisti (FreeCAD,3D Slash, TinkerCAD, Vectary,SketchUp,  Leopoly,  Sculptris,Rhinoceros e altri). Il file STL risultante viene quindi utilizzato da un altro software ‘slicer’, ad esempio Repetier, OctoPrint,Z-Suite,  Tinkerine  Suite,  Cura,  PrusaSlicer, Simplify3D e altri per generare un file contenente serie di livelli sottili. Il file risultante viene utilizzato dall’host della stampante 3D per generare un oggetto 3D. Alcuni software slicer funzionano anche come host di stampanti, ad  esempio Cura,3DPrinterOS,  OctoPrint,  MatterControl e altri. Mentre la maggior parte dei software di modellazione 3D professionali è solitamente autonomo, il software libero può essere disponibile come plug-in ed è molto più probabile che sia disponibile per sistemi operativi diversi da Windows.

I file STL contengono dati mesh grezzi basati su triangolazioni della superficie dei modelli CAD. Pertanto, la superficie di ogni sfaccettatura dell’oggetto è rappresentata da una mesh poligonale che deve essere conforme a un insieme di regole. Le regole di base sono quattro, vale a dire

• La regola “da vertice a vertice” – ogni triangolo deve condividere 2 vertici con i triangoli vicini;
• La regola della “mano destra” – i vertici devono essere elencati in senso antiorario;
• La regola del “puntamento verso l’esterno” – la direzione del vettore normale deve puntare verso l’esterno;

La ‘regola del tutto positivo’ – tutte le coordinate dei vertici del triangolo devono essere rappresentate da numeri positivi.

Un esempio può essere visto nella Fig. 9.

Figura 9. Una mesh poligonale che rappresenta un’immagine 3D di un delfino. Fonte: Chrschn, Public domain, via Wikimedia Commons.

I file STL possono memorizzare informazioni in codifica binaria o in codifica ASCII. I file in binario sono, generalmente, più piccoli e possono essere facilmente condivisi, mentre i file ASCII sono usati per leggere e controllare manualmente il file STL, per esempio, quando si testano nuove interfacce CAD.

Gli oggetti complessi possono essere una sfida per i file STL perché ci sono troppe superfici da prendere in considerazione nei calcoli. Inoltre, i primi file STL avevano proprietà molto limitate per rappresentare il colore, la texture, il materiale e la struttura interna (anche se questo è stato risolto in seguito). Alcuni tipi di software, come il prototipo AutoCAD, possono esportare in STL solo disegni di oggetti solidi. Le superfici non congiunte (per esempio, contenenti spazi vuoti o sovrapposizioni) sono difficili da elaborare o adattare nei file STL e non verrebbero stampate. Così, nel 2006 è stata rilasciata una versione migliorata dei formati STL che alla fine è stata trasformata in un altro formato di file CAD più versatile, il formato Additive Manufacturing File (AMF). Tuttavia, molte stampanti 3D usate oggi, specialmente quelle che lavorano in piccola scala, useranno i file STL.

I file AMF possono facilmente rappresentare la struttura interna usando la disposizione dei poligoni faccia-vertex e i triangoli curvi per definire un’unità discreta di volume di materiale. Volumi multipli possono essere specificati per un singolo oggetto. I file AMF contengono anche informazioni sul materiale, il colore e la texture dell’oggetto stampato o delle sue parti e l’ordine di stampa.

Jonathan Hiller, uno degli inventori del formato di file AMF ospita un sito dettagliato e facile da usare che fornisce software CAD o modellazione 3D e tutorial:

 https://sites.google.com/site/jonhiller/software.

I disegni CAD architettonici gratuiti per il software di modellazione AutoCAD e 3D sono prontamente disponibili su Internet, ad esempio https://www.arcat.com/,  https://www.tinkercad.com/,  https://www.sketchup.com/ e altri. Un’immagine CAD 3D gratuita è presentata nella Fig. 10.

Figura 10. Un modello CAD 3D da utilizzare nella stampa 3D. Fonte: OKFoundryCompany from Richmond, USA, CC BY 2.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/2.0>, via Wikimedia Commons.

File STL gratuiti, file di stampanti 3D e progetti di stampanti 3D sono disponibili per l’utilizzo da www.thingiverse.com,   www.youmagine.com, www.myminifactory.com,  https://library.zortrax.com/,  https://www.cgtrader.com/,  https://cults3d.com/en,  https://www.youmagine.com/  https://www.turbosquid.com/Search/3D-Models/free/stle altrisiti.

Il software dell’editor STL è disponibile per più origini, ad esempio https://www.meshlab.net/,  https://www.blender.org/,  https://www.freecadweb.org/,  https://www.3dslash.net/index.php,  https://www.sketchup.com/e altre.

Il 3D bioprinting è una tecnologia in evoluzione con applicazioni in tutta la gamma completa della ricerca biomedica.

Aree di applicazione del bioprinting in 3D

Il 3D bioprinting è una tecnologia in evoluzione con applicazioni in tutta la gamma completa della ricerca biomedica. Il metodo che utilizza un substrato biologico o “bioink”, fatto di componenti strutturali, mezzi di crescita e cellule, può produrre su apparecchiature di stampa 3D strutture biologiche che imitano da vicino la struttura delle cellule negli organismi viventi. Usando lo stesso modello di produzione della stampa 3D tradizionale, un certo numero di fette 2D sono divise da un modello 3D da un computer per stampare una composizione biologica corretta strato per strato con una disposizione precisa di tessuti e cellule. L’approccio di bioprinting 3D dà l’opportunità di risolvere i problemi nello sviluppo di farmaci, nella medicina rigenerativa, nella donazione di organi e nel trattamento del cancro. Questa tecnologia emergente offre una grande precisione sul posizionamento spaziale di cellule, proteine, DNA, particelle di farmaci, fattori di crescita e sostanze biologicamente attive per guidare una migliore formazione dei tessuti. Questa potente tecnologia sembra essere più promettente per migliorare la fabbricazione dei tessuti verso costrutti di tessuto fisiologicamente rilevanti, modelli di tessuto, tessuti e organi e modelli di organi-su-un chip per la medicina e la farmaceutica.

La tecnologia del bioprinting ha un’ampia applicazione in varie aree come l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, i trapianti e le cliniche, lo screening dei farmaci e i saggi ad alta produttività e la ricerca sul cancro (Fig. 1). Il bioprinting per l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa è stato studiato per più di un decennio, e sono stati prodotti costrutti e scaffold anatomicamente corretti per vari tipi di tessuto: dai tessuti connettivi ed epiteliali ai tessuti muscolari e nervosi. Con il suo grande vantaggio nel modellare e posizionare con precisione più tipi di cellule, il bioprinting ha superato una delle principali carenze delle tecniche tradizionali di fabbricazione degli scaffold e ha facilitato la costruzione di tessuti simili a quelli nativi con un microambiente eterocellulare. Anche se la maggior parte degli sforzi è stata indirizzata verso la scienza fondamentale dietro le principali tecniche di bioprinting come il bioprinting basato su laser, gocce ed estrusione, una notevole attenzione è stata data recentemente al bioprinting per la produzione di tessuti funzionali. In particolare, un lavoro considerevole è stato dedicato al bioprinting per il trapianto. Poiché sono stati fatti ulteriori progressi nei biomateriali, nelle tecnologie cellulari e di trapianto, il bioprinting si tradurrà dal banco al letto del paziente quando sarà autorizzato per l’uso umano e avrà una moltitudine di vantaggi nelle sale operatorie nel prossimo futuro. Prima di passare alla pratica clinica, il bioprinting ha già fatto un grande salto nell’uso farmaceutico perché non richiede alcuna approvazione normativa e c’è attualmente un mercato emergente del bioprinting per la fabbricazione di tessuti per la sperimentazione di farmaci e saggi ad alta produttività. Modelli di tessuto bio-stampati (ad esempio il fegato), fabbricati da più tipi di cellule e che facilitano un ambiente fisiologico eterocellulare complesso, sono stati utilizzati nello screening dei farmaci. Inoltre, il bioprinting è stato recentemente applicato nella ricerca sul cancro per studiare la patologia del cancro, la crescita e le metastasi in un microambiente fisiologicamente rilevante. Qui, viene presentata una revisione completa delle aree di applicazione della tecnologia di bioprinting e viene presentata una discussione approfondita sui tipi di tessuto bio-stampati con successo per l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, i trapianti e le cliniche, lo screening dei farmaci e i saggi ad alta produttività, e la ricerca sul cancro. Per ogni area di applicazione, vengono discussi i vantaggi e i limiti delle tecnologie esistenti.

Figura 1. Aree di applicazione della tecnologia di bioprinting

La medicina rigenerativa è probabilmente una delle applicazioni future più eccitanti del bioprinting 3D. Gli scienziati sperano che il bioprinting possa essere usato per stampare direttamente tessuti come la pelle, e per creare organi, tessuti e strutture per il trapianto. Si ritiene che il bioprinting 3D possa essere applicato con successo per il trapianto e la produzione di tipi di tessuto multistrato come nervi, cuore, vasi sanguigni, ossa e pelle (Fig. 2). I ricercatori prevedono che in futuro i tessuti ed eventualmente interi organi potrebbero essere trapiantati ai pazienti prodotti dalle loro stesse cellule. Con l’aiuto del 3D bioprinting, il rigetto dei trapianti e le lunghe liste di donatori potrebbero diventare un problema del passato. Inoltre, numerosi costrutti di tessuto sono stati biostampati e impiantati sottocutaneamente per valutare la differenziazione in vivo delle cellule e la funzionalità degli impianti. Nonostante questi esperimenti, nessuno dei tessuti bioprintati è stato usato clinicamente per gli esseri umani perché non è stata ancora concessa l’approvazione. Non ci sono regolamenti stabiliti per le bioprinters o i prodotti bioprinted. Tuttavia, con il crescente interesse in tutto il mondo e le imprese emergenti nel mercato del bioprinting, il successo della prima tecnologia che passa attraverso i regolamenti sarà esemplare per le tecnologie e i prodotti precedenti.

Anche se la tecnologia di bioprinting è ancora nelle sue prime fasi nelle cliniche, gli impianti di plastica, ceramica o metallo stampati in 3D per la sostituzione del tessuto osseo sono già stati trapiantati con successo negli esseri umani. Oltre agli impianti permanenti, un recente lavoro pubblicato sul New England Journal of Medicine ha presentato un caso unico di trapianto di una stecca bioriassorbibile per le vie aeree stampata in 3D in un bambino. Nessun problema inaspettato è stato osservato con la stecca e il completo riassorbimento del dispositivo è previsto in circa 3 anni. Questo è stato un caso esemplare per l’uso clinico di impalcature stampate in 3D e ottimisticamente porterà a un successo simile con tessuti e organi bioprintati. Nonostante i risultati nella ricerca sul bioprinting, il bioprinting per il trapianto in un ospedale richiede ulteriori miglioramenti e sforzi traslazionali. Gli organi e i tessuti che non hanno bisogno di una vascolarizzazione significativa (cioè la pelle e la cartilagine) dovrebbero essere tradotti clinicamente molto presto. Tuttavia, i tessuti e gli organi che sono metabolicamente molto attivi (es. cuore, pancreas e fegato) sono estremamente impegnativi.

Figura 2. Strategia di stampa in 3D

Uno degli argomenti per il potenziale di traduzione clinica dei tessuti e degli organi biostampati proviene dalla tecnologia di bioprinting stessa. Il bioprinting coinvolge cellule viventi nel bioink e l’uso di cellule specifiche del paziente è relativamente nuovo nel bioprinting. Le cellule staminali, come le cellule staminali embrionali e le cellule staminali pluripotenti indotte, sono state potenziali fonti illimitate di cellule specifiche del paziente per la produzione di tessuti e organi. Le cellule paziente-specifiche possono essere differenziate e poi biostampate o biostampate e poi differenziate verso lineages multipli per costruire tessuti e organi che causeranno un rischio minimo di immunogenicità.

Un altro settore chiave in cui ci si aspetta che il 3D bioprinting abbia successo è nello sviluppo di farmaci. La maggior parte dei test sui farmaci è attualmente effettuata utilizzando colture cellulari 2D. Come la ricerca sul cancro, queste culture non simulano il comportamento naturale delle cellule. Lo xenotrapianto (trapianto di cellule umane) su animali è ora impiegato per aiutare a risolvere questo problema. Tuttavia, questo approccio è impegnativo a causa delle differenze biochimiche, metaboliche e genetiche tra le specie. È stato suggerito che questi problemi sono la ragione principale dell’alto tasso di fallimento nella valutazione dei nuovi farmaci candidati. Nonostante i continui sforzi per migliorare il processo di sviluppo dei farmaci, solo una su 10.000 nuove sostanze chimiche e un candidato farmaco su dieci entra nei test clinici, raggiunge la fase finale di approvazione ed entra nel mercato. D’altra parte, l’uso del 3D bioprinting per i test farmaceutici piuttosto che per gli studi in vivo non ha bisogno di un’approvazione normativa. Così, il rendimento dello sviluppo dei farmaci sarà forse ampiamente moltiplicato. Tra i diversi metodi per l’ingegneria dei sistemi 3D in vitro, il bioprinting ha seri vantaggi come la controllabilità delle dimensioni e della microarchitettura, la capacità di alto rendimento, le opportunità di co-cultura e il basso rischio di contaminazione incrociata. Ecco perché, i tessuti e gli organi biostampati sono stati sempre più considerati come potenziali modelli da utilizzare nella tossicologia dei farmaci e nello screening ad alta efficienza.

Il fegato e il tessuto tumorale sono stati al centro della costruzione di modelli di tessuto per la farmaceutica. A questo proposito è stata studiata la fabbricazione di un modello di microrgano epatico biostampato per il metabolismo dei farmaci (Fig. 3). Il micro-organo epatico bioprinted 3D è stato usato per la simulazione della risposta fisiologica del fegato alla somministrazione di farmaci e all’esposizione chimica tossica. Il metabolismo del farmaco è stato dimostrato dalla trasformazione del pro-farmaco non fluorescente, 7-etossi-4-trifluorometil cumarina (EFC), in un metabolita fluorescente effluente 7-idrossi-4-trifluorometil cumarina (HFC). Le cellule epiteliali e gli epatociti incapsulati in Matrigel™ sono stati utilizzati per mostrare il percorso di diffusione del farmaco dal flusso sanguigno al tessuto. Le cellule epiteliali sono le cellule che coprono il lume attraverso il quale i farmaci passano dal flusso sanguigno al bersaglio, dove gli epatociti sono stati usati come tipo di cellule bersaglio. Sulla base del modello di tessuto presentato, è stato sviluppato un modello computazionale su macroscala utilizzando un quadro numerico di cinetica cellulare a convezione e diffusione. L’ultimo ha dimostrato di essere molto utile per la ricerca futura nella farmacocinetica e nella tossicità dei microrgani in 3D.

Figura 3. Modelli di tessuti biostampati per test farmacologici e screening ad alta efficienza. (a) Tessuto epatico biostampato. b tessuto renale biostampato e) tessuto cutaneo biostampato d) materiale di riparazione ossea biostampato 3D e) idrogel (f) costrutti di tessuto cardiaco multicellulare biostampati in 3D.

Le tecnologie in evoluzione di microingegneria permettono la produzione adattabile di microarray 3D basati su cellule, tra cui la litografia morbida, il patterning di superficie, la manipolazione basata su microfluidica e la biostampa. Tra queste, la tecnologia di bioprinting ha il vantaggio di creare co-culture e array di cellule singole con un controllo preciso sulla densità delle cellule. Uno studio recente ha utilizzato un nuovo metodo di bioprinting basato sul getto d’inchiostro per fabbricare una piattaforma miniaturizzata di drug-screening ad alto rendimento. Gli autori hanno bio-stampato l’alginato carico di Escherichia coli per disporre un chip su vetrini coprioggetto. Usando l’approccio strato su strato, goccioline di tre antibiotici sono state stampate su spot di cellule. I risultati hanno mostrato una vitalità cellulare simile, funzionalità ed effetti antibatterici degli antibiotici nei campioni biostampati a getto d’inchiostro e micropipettati.  Così, le matrici bioprinted a getto d’inchiostro ad alta produttività si è dimostrato un metodo efficace per ridurre al minimo la durata dei tipici test di screening dei farmaci. Inoltre, sono stati presentati biosensori basati sulle cellule (CBB), dove la biostampa basata sull’acustica è stata usata per creare un microarray di goccioline di cellule muscolari lisce nel collagene. Il microarray bioprintato è stato poi sottoposto a diverse condizioni ambientali (ad esempio la temperatura) ed è stato valutato l’effetto degli stimoli applicati e dei parametri del processo di bioprinting sulla vitalità delle cellule. Oltre al 3D bioprinting di microarray di cellule ad alta produttività, la somministrazione controllata di candidati farmaci su microarray di cellule è anche un fattore importante per lo screening di farmaci efficaci. Diversi metodi sono stati proposti per la somministrazione controllata dei farmaci su microarray di cellule, tra cui il patterning del farmaco, stamping del farmaco, spray di aerosol e caricamento microfluidico del farmaco.

Le immense possibilità future della tecnologia di bioprinting 3D in campo biomedico sono già state ben documentate. Una delle aree in cui gli scienziati sperano che la biostampa 3D si riveli utile è la ricerca sul cancro. Il microambiente tumorale, così come le strutture biologiche e le sostanze che circondano il tumore, è un elemento essenziale del comportamento del cancro e non è ancora completamente compreso. Fino ad ora, modelli animali e colture cellulari 2D sono stati impiegati in queste indagini. Tuttavia, non dimostrano con precisione il comportamento delle cellule tumorali umane in vivo, che include una complicata interazione tra le cellule tumorali con l’ambiente cellulare e le altre cellule. Le ultime ricerche suggeriscono che i modelli 3D riflettono più precisamente il comportamento delle cellule tumorali e il bioprinting è una tecnica promettente che potrebbe essere efficace in questi studi. Un vantaggio che il bioprinting 3D possiede è che le cellule possono essere esplicitamente progettate in un modello 3D con i suoi elementi extracellulari e strutturali. Gli approcci alternativi differiscono in quanto richiedono l’auto-assemblaggio, che richiede molto più tempo, o l’impalcatura, dove la matrice di supporto è sviluppata indipendentemente dalla cultura cellulare. Inoltre, il bioprinting 3D fornisce sia l’opportunità di stampare particolari tessuti e strutture cellulari, sia di essere specifico per il paziente. Le cellule di un paziente possono essere prelevate mediante biopsia, coltivate e biostampate, strutture appropriate possono essere fabbricate, e la risposta del farmaco o la dose efficace possono essere studiate.

Tuttavia, l’uso dell’approccio di bioprinting nella ricerca sul cancro è nuovo e solo pochi studi sono stati eseguiti in questa area di applicazione emergente. Per la prima volta è stato dimostrato il bioprinting di tessuto tumorale con cellule di cancro ovarico umano (OVCAR-5) e fibroblasti MRC-5. In questo studio è stata utilizzata una piattaforma di bioprinting a getto d’inchiostro con doppi espulsori. L’approccio proposto non solo ha mostrato uno strumento per la ricerca sul cancro, ma ha anche offerto una grande piattaforma per lo screening ad alta produttività. Gli stessi ricercatori hanno eseguito il bioprinting di cellule HeLa per formare modelli di tumore cervicale. Anche se questi due studi hanno presentato la bioproduzione di sferoidi tumorali utilizzando la tecnologia di bioprinting, la costruzione di modelli di tessuto più grandi per esaminare la migrazione delle cellule tumorali e le metastasi è anche cruciale. L’altro approccio si è concentrato sull’uso di un sistema di stampa a proiezione 3D basato sul laser per biostamparecellule HeLa e fibroblasti non cancerosi 10 T1/2 in PEGDA insieme alla rete microvascolare con larghezze di canale di 25, 45 e 120 μm per simulare i diametri dei vasi sanguigni. Oltre agli approcci basati su scaffold, è stato eseguito anche il bioprinting senza scaffold di un modello di cancro al seno utilizzando la piattaforma NovoGen Bioprinting™. In questo tentativo le cellule tumorali sono state circondate da un mezzo stromale fisiologicamente rilevante che comprendeva cellule adipose MSC-differenziate, fibroblasti mammari e cellule endoteliali.

Recenti indagini hanno dimostrato che il bioprinting 3D è un approccio emergente che ha un’ampia applicazione in varie aree, tra cui la ricerca di base nell’ingegneria dei tessuti, la medicina rigenerativa e la patogenesi del cancro, il bioprinting dei tessuti per i trapianti e la clinica, e potrebbe essere applicato con successo nella farmaceutica per i test dei farmaci e lo screening ad alta produttività. Attualmente, ci sono circa 15 diversi tipi di tessuto utilizzati in diversi studi sperimentali. Tuttavia, esistono ancora molti altri tessuti umani che non sono stati ancora toccati. A questo proposito, i tentativi futuri devono essere fatti nel bioprinting di altri modelli di tessuti e organi che sono impegnativi ma possono rivoluzionare la medicina. Questo dipende anche dalle innovazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti, poiché la ricerca sul bioprinting dipende vitalmente dalla nostra comprensione dei tipi di tessuto inesplorati. Inoltre, una delle nuove direzioni nel bioprinting dovrebbe essere focalizzata sulla biofabbricazione di nuovi tipi di organi, come gli organi bionici o gli organi che non esistono in natura.

La maggior parte della ricerca sul bioprinting 3D si è sviluppata intorno a modelli di tessuto omocellulare utilizzando un singolo tipo di cellula. Tuttavia, i tessuti nativi hanno una natura eterocellulare con più tipi di cellule organizzate in un’anatomia molto complessa. Anche se semplici modelli di tessuto bioprinting sono relativamente accettabili nella ricerca fondamentale, la fabbricazione di tessuti funzionali per studi clinici o farmaceutici richiede l’inclusione di più tipi di cellule. Così, alcune delle funzionalità delle cellule possono essere abilitate o ulteriormente potenziate dalle interazioni cellula-cellula. Pertanto, il bioprinting di più tipi di cellule ha bisogno di ulteriori indagini sulle condizioni di coltura ottimali, compreso il giusto mezzo e i reagenti per sostenere la loro crescita e il loro comportamento.

I tentativi contemporanei di traduzione del bioprinting al trapianto sono principalmente limitati a modelli murini. Tuttavia, i modelli murini sono piccoli con condizioni fisiologiche significativamente diverse da quelle degli esseri umani. Per esempio, un piccolo tessuto pancreatico con isolotti biostampati in 3D può essere impiantato in un modello murino diabetico e può regolare la secrezione di insulina. D’altra parte, il volume medio delle isole in un pancreas di topo è circa 100.000 volte più piccolo di quelle in un pancreas umano. Pertanto, il bioprinting di tessuti e organi in scala è estremamente importante per costruirli a dimensioni clinicamente rilevanti. Animali più grandi, come un modello suino, possono essere un passo di transizione verso le prove sugli esseri umani perché questi animali corrispondono alla fisiologia umana più da vicino rispetto agli animali piccoli. Per scalare gli organi bioprinted per l’uso clinico, la fabbricazione di reti vascolari gerarchiche è cruciale, oltre alla loro forza meccanica, elasticità e stabilità strutturale a lungo termine. Inoltre, l’integrazione di tessuti nervosi e l’innervazione è un passo critico verso la produzione di tessuti e organi funzionali perché tessuti come il cuore, il muscolo e la pelle richiedono l’innervazione, che è attualmente una sfida nel bioprinting. La maggior parte della ricerca sul bioprinting coinvolge l’uso di bioinchiostri a base di idrogel in quanto sono un ambiente favorevole per la crescita 3D delle cellule. Tuttavia, gli idrogel hanno proprietà meccaniche deboli quando sono usati a basse concentrazioni per sostenere la proliferazione cellulare. Inoltre, i materiali biodegradabili come la termoplastica possono essere utilizzati come struttura di fondo per lo scale-up di tessuti e organi. I biomateriali disponibili, come i polimeri sintetici, sono forti, ma la loro degradazione è difficile, richiede tempo, e non si adatta strettamente al processo di rigenerazione dei tessuti. Pertanto, lo sviluppo di nuovi biomateriali è vitale per la progressione nel bioprinting di tessuti e organi per uso clinico. Oltre ai biomateriali, la selezione della giusta fonte di cellule è anche un fattore critico per un uso clinico e farmaceutico di successo. Per la medicina personalizzata è impegnativo ottenere diversi tipi di cellule primarie. Le cellule staminali rappresentano una fonte promettente di cellule e sono necessarie ulteriori indagini per stabilire protocolli standard per la differenziazione delle cellule staminali in varie linee cellulari stabili e funzionali.

Un’altra modalità importante di fabbricazione dei tessuti per lo screening ad alta efficienza sono le piattaforme 3D-array in miniatura come i modelli tissue-on-a-chip o organ-on-a-chip. La fusione della tecnologia di bioprinting con altre tecnologie come la microfluidica è essenziale per produrre array di microrgani target fisiologicamente simulati, complessi e vitali a lungo termine. L’applicazione di tecnologie che generano goccioline da un picolitro con un basso livello di danno cellulare e che hanno capacità di smistamento di singole cellule dovrebbe essere incoraggiata nel bioprinting di microarray di cellule. Anche la somministrazione controllata di farmaci su microarray di cellule dovrebbe essere considerata e implementata.

Anche se sono stati fatti diversi tentativi di ingegneria del microambiente del cancro usando la tecnologia di bioprinting, sono necessari ulteriori progressi per la costruzione di un microambiente completo fisiologicamente rilevante, comprendente il sito del tumore, il sito sano e la rete microvascolare in mezzo, per eseguire la ricerca sulle metastasi del cancro. I modelli di tessuto tumorale dovrebbero essere collocati con precisione all’interno dei tessuti parenchimali vascolarizzati biostampati per studiare la loro crescita, l’intravasazione e l’extravasazione delle cellule tumorali.

Il campo della biologia sintetica è esploso nell’ultimo decennio, avendo una grande influenza su campi come l’ingegneria metabolica, l’ingegneria delle proteine, la biologia digitale e l’ingegneria dell’intero genoma.

Tecnologie dei Biosensori e Biochip: Contributo alla Vita Sostenibile del Futuro

Il campo della biologia sintetica è esploso nell’ultimo decennio, avendo una grande influenza su campi come l’ingegneria metabolica, l’ingegneria delle proteine, la biologia digitale e l’ingegneria dell’intero genoma. Nel quadro di cicli di sviluppo iterativi “design-build-test”, una parte significativa dell’innovazione della biologia sintetica ha avuto luogo. Nel campo della biologia sintetica, il progresso può essere associato a innovazioni in ciascuno dei processi di “progettazione”, “costruzione” e “test”. Per esempio, c’è stata una grande spinta a standardizzare gli elementi all’interno della biologia sintetica, con un’attenzione significativa alla modularità e ai componenti “plug and play”. Questa modularizzazione, insieme al progresso accelerato nella biologia dei sistemi, ha permesso alla fase di “progettazione” di diventare meno lunga e meno dipendente dalla conoscenza avanzata. Negli ultimi anni, il costo del sequenziamento e della sintesi del DNA è anche diminuito drasticamente, permettendo di sintetizzare grandi costrutti a basso costo. Nella fase di “costruzione”, questo ha facilitato un rapido miglioramento, aiutando i ricercatori a indagare una percentuale maggiore dello spazio della soluzione biologica. Infine, all’interno della fase di “test” della biologia sintetica, anche lo screening high-throughput è diventato un punto focale. L’aumento del potenziale di “progettazione” e “costruzione” ha contribuito a una maggiore richiesta di successo nella valutazione della pletora di nuovi progetti. A sua volta, questo è stato fatto incorporando robot e analisi high-throughput nell’ambiente di laboratorio, in cui i nuovi modelli possono essere valutati a un livello che non è raggiungibile per i ricercatori umani.

I biosensori rappresentano una tecnologia emergente innovativa per lo screening ad alta produttività che può essere implementata. Più precisamente, sono classificati come uno strumento analitico costituito da componenti biologici utilizzati per rilevare e generare un segnale per la presenza di un ligando target. La biologia sintetica è all’avanguardia dei biosensori, sia come strumento per lo screening ad alta produttività, ma anche come risultato diretto degli sviluppi nel campo della biologia sintetica stessa. Inoltre, a causa dell’impareggiabile specificità e sensibilità che le parti biologiche forniscono rispetto ai metodi analitici convenzionali, i biosensori hanno guadagnato un interesse crescente come alternativa all’analisi tradizionale.

La progettazione e la costruzione di biosensori è uno sforzo multidisciplinare e può includere competenze in settori quali l’ingegneria delle proteine, la biologia molecolare, la chimica di affinità, la dinamica molecolare dell’acido nucleico, le scienze dei materiali e la nanotecnologia. I biosensori si interfacciano con un ligando bersaglio nel loro stadio più semplice, subiscono qualche tipo di modifica e emettono un segnale. C’è una grande varietà di potenziali configurazioni in tutte le parti di questo processo. I ligandi bersaglio vanno da singoli atomi come il calcio, a intere proteine come la trombina, fino a tutto il resto. Processi diversi come l’attività enzimatica, la fluorescenza, la generazione di corrente elettrica e l’attività trascrizionale includono segnali in uscita. I meccanismi che traducono il riconoscimento dei ligandi in segnali funzionali sono altrettanto diversi.

Nel campo dell’analitica, i biosensori rappresentano un significativo passo avanti. Per allontanare l’analitica da quadri puramente fisici o chimici, è iniziata l’integrazione di componenti biologici nella diagnostica sensoriale. Questo ha permesso di condurre funzioni analitiche che non si adattano bene ai metodi convenzionali, con una grande diversità e specificità di componenti biologici. Le applicazioni teoriche e dimostrate dei biosensori coprono una gamma significativa della società e dell’attività umana. Le applicazioni dei biosensori sono raggruppate in tre grandi categorie, a seconda della loro scala di misurazione.

• Diagnostica di gruppo: applicazioni ambientali, agricole e industriali
• Diagnostica del punto di utilizzo: applicazioni mediche e di sicurezza
• Diagnostica a singola cellula: ingegneria metabolica e applicazioni di biologia sintetica

L’attuale produzione alimentare affronta sfide immense dall’aumento della popolazione umana, il mantenimento delle risorse pulite e della qualità del cibo, e la protezione dell’ambiente e del clima. La sostenibilità alimentare è principalmente uno sforzo cooperativo che si traduce nello sviluppo di tecnologie finanziate sia dai governi che dalle aziende. Sono stati sostenuti diversi tentativi per superare le sfide e migliorare i driver nella produzione alimentare. Attraverso le loro applicazioni, i biosensori e le tecnologie di biosensing sono ampiamente utilizzati per risolvere le principali sfide della produzione alimentare e della sua sostenibilità. Di conseguenza, c’è un crescente bisogno di tecnologie di biosensing nell’area della sostenibilità alimentare. Un sistema tecnologico che combina diverse tecnologie è definito dalla microfluidica. I nanomateriali, con la loro tecnologia di biosensing, sono noti per essere lo strumento più innovativo fortemente associato alle popolazioni mondiali nel trattare la salute, l’energia e le questioni ambientali. Il bisogno di tecnologia point of care (POC) in questo settore si concentra su strumenti analitici che siano veloci, semplici, precisi, compatti e a basso costo.

Per la nostra esistenza e vita, il cibo con la sua industria di produzione è essenziale; e la sua sostenibilità è essenziale nella continua crescita umana sul pianeta. L’attuale produzione alimentare sta affrontando immense difficoltà dovute all’aumento della popolazione umana, al mantenimento delle risorse pulite e della qualità del cibo, e alla protezione dell’ambiente e del clima. Alcuni di questi problemi derivano dalla produzione alimentare stessa; altri derivano da altre industrie legate alla produzione alimentare. I richiami di cibo, per esempio, provocano grandi danni alla credibilità e al prestigio dei marchi alimentari, con una stima di 15 milioni di dollari per incidente negli ultimi anni. 48 milioni di casi di malattia sono responsabili di 3000 decessi ogni anno a causa di malattie di origine alimentare.

La sicurezza alimentare è in gran parte uno sforzo cooperativo derivante sia dai governi che dalle aziende nello sviluppo della tecnologia. Al fine di porre nuove sfide nelle questioni di sicurezza alimentare, le tecnologie dell’informazione come la tecnologia blockchain possono accelerare la comunicazione tra la qualità del cibo, i media e i consumatori. Cinque sfide possono essere riassunte come le principali sfide nella sostenibilità della produzione alimentare: la sfida della produzione della sicurezza alimentare; la sfida della qualità della diversità e della qualità del cibo; la sfida economica nel sistema alimentare principale, compreso il suo imballaggio e la catena di approvvigionamento; la sfida ambientale, compreso il trattamento dei rifiuti alimentari; e la sfida ingegneristica nella creazione e generazione di nuovi alimenti.

Fondamentalmente, un biosensore è uno strumento analitico utilizzato per misurare la molecola di interesse (target) di un campione. In generale, viene utilizzato un fattore di bioriconoscimento (aptamero, anticorpo, enzima, ecc.) che è unico per il target. Un segnale fisiochimico o biologico è suscitato da eventi di riconoscimento molecolare tra l’elemento di riconoscimento e il composto target, che viene trasformato in una quantità misurabile dal trasduttore. I segnali vengono visualizzati in forma ottica (colorimetrica, fluorescenza, chemiluminescenza e risonanza superficiale plasmonica) o elettrica (voltammetria, impedenza e capacità) o in qualsiasi altro formato scelto (Figura 3).

Figura 3. Classificazione dei biosensori basata su elementi trasduttori e bio-riconoscimento utilizzati nell’analisi degli alimenti

Come uno degli obiettivi primari dell’analisi degli alimenti, la sicurezza degli alimenti è una questione importante per la salute sia degli animali che degli esseri umani. L’avanzamento della tecnologia analitica della sicurezza alimentare significa che essa prospera in linea con il crescente interesse e l’enfasi sulle questioni di sicurezza dell’approvvigionamento alimentare. Nell’analisi della sicurezza alimentare, gli approcci tradizionali sono ad alta intensità di lavoro, richiedono molto tempo e hanno bisogno di tecnici addestrati. L’applicazione della microfluidica nell’analisi della sicurezza alimentare fornisce una nuova visione su come rilevare tossine di origine alimentare, allergeni, agenti patogeni, sostanze pericolose, metalli pesanti e altri contaminanti in modo efficace e rapido. Le caratteristiche della microfluidica, come la sua capacità di miniaturizzazione, le quantità compatte e riducibili di campioni e reagenti, la rendono una tecnologia perfetta per lo sviluppo della sostenibilità alimentare. La complessa preparazione della matrice alimentare e le difficili fasi di produzione sono le sfide attuali nell’applicazione della microfluidica alla sostenibilità alimentare. Queste sfide possono essere affrontate sfruttando le proprietà fisiche dipendenti da specifici obiettivi di test, progettando complesse piattaforme microfluidiche per l’analisi del cibo reale e incorporando nei sistemi microfluidici biomolecole come le proteine alimentari e il DNA.

Nanomateriali nella tecnologia di biosensing

Con la sua tecnologia di biosensing, i nanomateriali sono lo strumento più promettente per affrontare i problemi di salute, energia e ambiente associati alla popolazione nel mondo. Le particelle più piccole di 100 nm in almeno una dimensione sono note come nanomateriali. Questi nanomateriali sono polimeri biocompositi a base di metallo, ossido di metallo e carbonio, e sono stati stabiliti diversi tipi di nanoparticelle, come ferro magnetico, alluminio, oro, argento, rame, silice, zinco, ossido di zinco, ossido di cerio e nanoparticelle di biossido di titanio, e nanotubi di carbonio a parete singola/multipla (CNT). La nanotecnologia e il suo sviluppo agricolo sono stati notevolmente estesi in diversi campi. Questi campi includono la produzione di cibo, la protezione delle colture, il rilevamento di agenti patogeni e tossine, la purificazione dell’acqua, l’imballaggio degli alimenti, lo smaltimento delle acque reflue e la bonifica ambientale. Migliorare la produttività e le prestazioni delle applicazioni è la priorità di questi campi agricoli.

Nel campo della sicurezza e della protezione alimentare, le tecnologie di biosensing sono state sviluppate per il rilevamento di nutrienti e qualità, il rilevamento di agenti patogeni e il rilevamento di tossine, come elencato di seguito.

Rilevamento di nutrienti e qualità

Le misure di protezione alimentare possono essere suddivise in due categorie: perdita post-raccolto e biosicurezza alimentare. Per biosicurezza alimentare si intende la contaminazione e la degradazione del cibo, che viene affrontata nelle sezioni successive, per motivi ambientali, politici, di ingiusto guadagno economico, di guerra o di vendetta. La perdita post-raccolta, d’altra parte, suggerisce i nutrienti e le condizioni commestibili nel cibo che devono essere mantenuti tra il periodo del raccolto e il momento del consumo da parte delle tecnologie. Poiché il tempo varia da minuti ad anni, nel mantenere e ridurre le perdite, sono importanti le tecnologie che si concentrano sulla riduzione delle perdite post-raccolto.

Per mantenere la qualità del cibo ed evitare le perdite post-raccolto, si possono usare nuove tecnologie come il biosensing. I biosensori sono stati sviluppati, per esempio, per rilevare e analizzare le quantità di dolcificanti negli alimenti che possono essere utilizzati per rilevare sia i dolcificanti naturali che quelli artificiali. I dolcificanti sono ampiamente utilizzati nella produzione e nella lavorazione degli alimenti, ma sono stati recentemente identificati negli esseri umani come causa di problemi di salute. È stato sviluppato un biosensore multicanale per utilizzare il rilevamento elettrofisiologico dagli epiteli del gusto per rilevare e analizzare sia i dolcificanti naturali che quelli artificiali. Per rilevare i segnali a lungo termine di saccarosio, glucosio, ciclamato e saccarina, rispettivamente, i segnali sono studiati attraverso tecniche spazio-temporali. Il biosensore può distinguere tra diverse concentrazioni con un aumento dose-dipendente delle risposte dell’epitelio del gusto da diversi dolcificanti. Può anche distinguere tra due dolcificanti naturali: saccarosio e glucosio, con due modelli di segnale. Per il glucosio, il range di rilevamento è 50-150 mM, e per la saccarina, 5-15 mM.

Individuazione degli agenti patogeni

A causa del loro formato ridotto, i biosensori per il rilevamento di agenti patogeni come i batteri (Tabella 1) e i funghi (Tabella 2) sono iniziati più di due decenni fa; un solo dispositivo per affrontare più problemi e un rilevamento del segnale a più pannelli. Il motivo del ligando è un elemento cruciale nella progettazione del biosensore per il rilevamento di agenti patogeni poiché determina la sensibilità e l’efficienza del dispositivo. L’obiettivo è quello di stabilire una piattaforma veloce, specifica e sensibile per rilevare in campioni di cibo la presenza o l’assenza di agenti patogeni. Si è scoperto che non esiste un ligando ideale, e vari ligandi hanno diversi vantaggi. La combinazione di biorecettori per rilevare una grande varietà di microbi in diversi campioni pone le sfide attuali nel rilevamento di biosensori patogeni; nuovi disegni sintetici di ligandi come aptameri, piccole molecole e peptidi; e l’incorporazione di diversi ligandi in un dispositivo portatile per ottenere un rilevamento rapido, efficace e a basso costo.

Individuazione delle tossine

Il mainstream dello sviluppo nella sicurezza alimentare è costituito dai biosensori elettrochimici per il rilevamento e la valutazione rapida delle tossine alimentari. Sono state sviluppate numerose piattaforme per consentire dispositivi personalizzati e individualizzati per soddisfare particolari requisiti ambientali e organizzativi e per raggiungere i livelli limite di rilevamento da nM a fM. Ad esempio, per favorire profili di legame unici, gli array di biorecettori si rivolgono a singoli elettrodi funzionalizzati con diversi biorecettori con obiettivi di legame. Oltre al biosensing elettrochimico, il rilevamento di tossine e sostanze chimiche nella produzione alimentare è stato applicato ad altri biosensori come il rilevamento ottico e piezoelettrico (Figura 4). Al fine di rilevare le tossine, sono state prodotte nanoparticelle fluorescenti negli alimenti e nei corpi, compresi quelli on-surface, inter- e intra-cellulari.

Figura 4. Contaminanti alimentari predominanti e analiti bersaglio nelle industrie manifatturiere alimentari

L’estrazione delle tossine da campioni di cibo complicati è uno degli ostacoli principali nella creazione di un rilevatore di tossine completamente automatizzato. Per valutare automaticamente i loro livelli nocivi da campioni di cibo e acqua, ci si aspetta che i sistemi potenziali estraggano, elaborino e misurino le tossine. Per identificare, discriminare e quantificare le tossine chimiche nelle matrici alimentari, sofisticate strategie di separazione sono state accoppiate al SERS. Inoltre, anche se sono tipicamente in quantità inferiori, i contaminanti chimici derivanti dalla lavorazione degli alimenti possono rappresentare una sfida. La minore stabilità, selettività e sensibilità sono un’altra sfida nel rilevamento delle tossine alimentari, dove i MIP possono essere una soluzione per fornire alternative stabili e a basso costo.

I metalli pesanti come Ag+, As3+, Cd2+, Hg2+, Pb2+ e Zn2+ sono noti come inquinanti chimici che formano stati stabili di ossidazione e interferiscono con le vie metaboliche, causando problemi di salute. I biosensori basati su aptameri e DNA possono rilevare i metalli pesanti sia su scala nanometrica che su larga scala, che sono appropriati per lo screening e il monitoraggio della sicurezza alimentare. Al fine di rilevare l’arsenato negli alimenti, un biosensore di rilevamento di metalli pesanti si basa su cellule batteriche geneticamente modificate e su un amplificatore di segnale verde e fluorescente. Con una gamma di rilevamento di 5-140 μg/L di arsenico, il suo rilevamento dell’arsenico dura solo un’ora e può essere integrato con l’uscita di potenza ottica per la sua futura fibra ottica di biosensing. Altre tecnologie di biosensing come aptameri, nanoparticelle ed elettrodi di grafene sono state applicate con successo all’identificazione e alla valutazione dell’arsenico, con il potenziale di essere prodotti come dispositivi veloci, semplici, facili da usare e a basso costo.

La nanotecnologia è stata adattata a due campi distinti dei pesticidi agroalimentari: come vettore di consegna dei pesticidi per la gestione dei pesticidi e come rivelatore di tracce di pesticidi. Nel primo campo, le nanoparticelle sono in grado di modificare lentamente i pesticidi per colpire i parassiti degli insetti, il che aiuta a prevenire l’inquinamento delle acque sotterranee e del suolo superiore, a ridurre i livelli di pesticidi e a migliorare l’efficienza. Nel secondo campo, la nanotecnologia basata sulla bio- o biomimetica, come anticorpi, enzimi, aptameri, e macromolecole simili a MIP, migliora la stabilità, la selettività, la sensibilità e la velocità di rilevamento. Inoltre, le cellule batteriche, fungine, algali e di mammiferi sono tutti biosensori basati su cellule utilizzati nella rilevazione di pesticidi ed erbicidi, aiutando a stabilire strumenti veloci, affidabili, in tempo reale e convenienti per procedure di decontaminazione e danni preventivi alle vittime.

Cancerogeni, odoranti e contaminanti marini sono altre tossine significative nella produzione alimentare. I cancerogeni sono un gruppo complesso di tossine in tracce, come pesticidi, metalli pesanti, micotossine e acrilamide, in cui la difficoltà di identificare le tracce è una sfida; e gli aptameri impressi, la nanotecnologia e il biosensing sono ottimisti per un promettente uso futuro. Le molecole sensibili e solubili efficaci nella rilevazione degli odori per i sistemi olfattivi animali sono le proteine leganti gli odori. Un nanosensore che combina SPR localizzato e piccole proteine leganti gli odori delle api mellifere è stato stabilito in cui il range di rilevamento è 10 nM – 1 mM usando un array quantitativo di nanocupole. Per monitorare e preservare un ambiente stabile per i sistemi alimentari marini, viene utilizzato il rilevamento dei contaminanti marini. Infine, attraverso le loro capacità di rilevamento sensibile, i dispositivi miniaturizzati, la comunicazione wireless e le reti su piccola scala, i biosensori possono essere applicati alla sicurezza alimentare marina per essere stabiliti come strumenti avanzati di analisi e monitoraggio.

Un altro kit di sviluppo per i biosensori di sicurezza alimentare si concentra sul rilevamento di organismi geneticamente modificati (OGM) nei prodotti alimentari. Dagli anni 1990, gli OGM in tutti i campi dei prodotti agricoli sono stati considerati una rivoluzione biotecnologica. Attualmente, più del 45% della soia del mondo, il 40% del mais e il 50% del cotone sono prodotti GM; e GM è anche usato nel bestiame. Recenti ricerche, tuttavia, indicano che i prodotti OGM possono influenzare il corpo umano e animale attraverso problemi gastrointestinali, resistenza agli antibiotici, allergenicità, degradazione della diversità dei prodotti agricoli, e flusso genico indesiderato ad altre specie. I biosensori sono progettati per misurare gli OGM in alimenti e mangimi utilizzando l’amplificazione isotermica del DNA e la rilevazione rapida del segnale di rilevamento per identificare i geni GM. Rilevare i geni del DNA non identificati che possono essere risolti dalla tecnologia high-throughput come la combinazione di biosensing e array, e lo sviluppo di database di geni OGM sono le sfide chiave nel rilevamento degli OGM.

Biosensori & Biochip per il monitoraggio ambientale

A causa della forte connessione tra l’inquinamento ambientale e la salute umana/il progresso socioeconomico, il monitoraggio ambientale è diventato una delle priorità su scala europea e globale. I biosensori sono stati comunemente utilizzati come tecniche analitiche economiche, rapide, in situ e in tempo reale in questo campo. Il recente sviluppo di biosensori con nuovi materiali di trasduzione ottenuti dalla nanotecnologia e per la rilevazione multipla di inquinanti, che coinvolge esperti multidisciplinari, spiega la necessità di dispositivi di biosensing compatti, veloci e intelligenti. Esistono diversi sviluppi recenti nel monitoraggio di contaminanti dell’aria, dell’acqua e del suolo tramite biosensori in condizioni reali, come pesticidi, componenti altamente tossici e piccole molecole organiche, tra cui tossine e sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino.

I biosensori utilizzati nel monitoraggio ambientale possono essere classificati come ottici (compresi i biosensori a fibra ottica e a risonanza plasmonica di superficie), elettrochimici (compresi i biosensori amperometrici e a impedenza) e piezoelettrici (compresi i biosensori a microbilancia a cristallo di quarzo) in base alla loro trasduzione o come immunosensori, aptasensori, genosensori e biosensori enzimatici in base ai loro elementi di riconoscimento, rispettivamente quando vengono utilizzati anticorpi, aptameri, acidi nucleici ed enzimi. La maggior parte dei biosensori nel monitoraggio ambientale sono riconosciuti come immunosensori e biosensori enzimatici, ma lo sviluppo di aptasensori è recentemente aumentato a causa delle caratteristiche vantaggiose degli aptameri, come la facilità di modifica, la stabilità termica, la sintesi in vitro e la capacità di progettare la loro struttura, di differenziare obiettivi con diversi gruppi funzionali e di reibridizzare.

Lo studio della progettazione di biosensori per il monitoraggio di inquinanti organici, elementi potenzialmente tossici e agenti patogeni nell’ambiente ha portato allo sviluppo sostenibile della civiltà a causa dei problemi di inquinamento ambientale che riguardano la salute umana. Varie tecniche cromatografiche (come la gascromatografia e la cromatografia liquida ad alte prestazioni combinate con l’elettroforesi capillare o la spettrometria di massa) sono metodi analitici convenzionali utilizzati per il monitoraggio ambientale degli inquinanti, ma richiedono reagenti costosi, un pretrattamento del campione che richiede tempo e attrezzature costose. Pertanto, per il monitoraggio degli inquinanti responsabili degli effetti negativi sugli habitat e sulla salute umana, sono disperatamente necessari dispositivi di biosensing più sensibili, convenienti, veloci, facili da usare e compatti per superare l’ingrandimento dei problemi ambientali. In caso di rilascio accidentale di pesticidi o di avvelenamento acuto, per esempio, i metodi comuni non sono appropriati per le misurazioni in situ, dove sono necessarie apparecchiature veloci, miniaturizzate e portatili come i biosensori di monitoraggio ambientale. A questo proposito, il ruolo delle nanotecnologie nella creazione di dispositivi di biosensing rapidi e intelligenti è cruciale per il successo del rilevamento degli inquinanti ambientali; i biosensori più recenti includono nanomateriali e nuovi nanocompositi nei loro sistemi, che sono utili per migliorare le prestazioni analitiche, come la sensibilità e i limiti di rilevamento.

Per il rilevamento e il monitoraggio di diversi inquinanti ambientali, sono stati documentati biosensori, compresi immunosensori, aptasensori, genosensori e biosensori enzimatici che utilizzano anticorpi, aptameri, acidi nucleici ed enzimi come elementi di riconoscimento.

Pesticidi

I pesticidi sono tra gli inquinanti ambientali più significativi a causa della loro grande presenza nell’ambiente. Gli insetticidi organofosforici, per esempio, sono comunemente usati in agricoltura e rappresentano un gruppo di pesticidi che, a causa della loro alta tossicità, sono di immensa preoccupazione ambientale. Metodologie in situ facili, reattive e miniaturizzate come i biosensori sono state quindi stabilite come strategie analitiche per il loro rilevamento e monitoraggio, senza la necessità di un pre-trattamento completo del campione.

Sono stati proposti biosensori amperometrici enzimatici monouso (acetilcolinesterasi) per la rilevazione di insetticidi organofosforici utilizzando paraoxon come analita modello applicando un monostrato autoassemblato di cisteamina su elettrodi d’oro serigrafati. I biosensori monouso hanno mostrato uno spettro lineare fino a 40 ppb con un limite di rilevamento di 2 ppb e una sensibilità di 113 μA mM cm-2. Utilizzando il monostrato auto-assemblato, il buon risultato analitico potrebbe essere dovuto all’immobilizzazione enzimatica altamente orientata. Recuperi del 97 ± 5 per cento (n = 3) sono stati riportati dopo essere stati testati in campioni di acqua di fiume con 10 ppb di paraoxon, indicando l’efficacia di tali biosensori enzimatici. Inoltre, l’uso di elettrodi serigrafati monouso dispensa da metodi che richiedono tempo come la riattivazione degli enzimi immobilizzati utilizzando, per esempio, soluzione di obidoxime e ioduro di pralidoxime (PAM) o l’uso della membrana enzimatica rinnovabile necessaria per la seconda applicazione dei biosensori.

Le nanoparticelle a base di ossido di iridio sono state utilizzate nel biosensore enzimatico monouso con tirosinasi basato su elettrodi di carbonio serigrafati a basso costo per il rilevamento del clorpirifos in campioni di acqua di fiume. La risposta lineare del biosensore (0,01-0,1 μM) e il basso limite di rilevamento (3 nM) sono stati riportati, che potrebbero essere dovuti all’alta conduttività delle nanoparticelle di ossido di iridio e all’efficienza della tirosinasi. Sono stati effettuati test di recupero in campioni di acqua di fiume con l’aggiunta di 0,1 μM di clorpirifos e sono stati ottenuti recuperi del 90 ± 9,6 per cento con una deviazione standard residua (RSD) inferiore al 10 per cento (n = 3) per dimostrare l’applicabilità del biosensore.

L’acetamiprid è stato rilevato da aptasensori colorimetrici e i campioni d’acqua da aptasensori impedimetrici in campioni ambientali reali, come campioni di suolo fresco di superficie. Un intervallo lineare di 75 nM a 7,5 μM e un limite di rilevamento di 5 nM sono stati osservati con l’aptasensore colorimetrico, mentre un intervallo lineare più ampio (50 fM a 10 μM) e un limite di rilevamento inferiore (17 fM) sono stati osservati con l’aptasensore impedimetrico. Nanoparticelle d’oro, nanotubi di carbonio a più pareti (MWCNT) e nanofibre di ossido di grafene ridotto sono stati utilizzati in quel biosensore come un composito per sostenere l’aptamero acetamiprid sulla superficie dell’elettrodo, che potrebbe essere responsabile di un maggiore trasferimento di elettroni e migliori prestazioni analitiche del biosensore. Un limite di rilevamento correlato (33 fM) è stato osservato da un aptasensore basato su nanoparticelle d’argento ancorate all’ossido di grafene nanocomposito drogato con azoto costruito per il rilevamento di acetamiprid in campioni di acque reflue.

L’acetamiprid è stato rilevato da aptasensori colorimetrici e i campioni d’acqua da aptasensori impedimetrici in campioni ambientali reali, come campioni di suolo fresco di superficie. Un intervallo lineare di 75 nM a 7,5 μM e un limite di rilevamento di 5 nM sono stati osservati con l’aptasensore colorimetrico, mentre un intervallo lineare più ampio (50 fM a 10 μM) e un limite di rilevamento inferiore (17 fM) sono stati osservati con l’aptasensore impedimetrico. Nanoparticelle d’oro, nanotubi di carbonio a più pareti (MWCNT) e nanofibre di ossido di grafene ridotto sono stati utilizzati in quel biosensore come un composito per sostenere l’aptamero acetamiprid sulla superficie dell’elettrodo, che potrebbe essere responsabile di un maggiore trasferimento di elettroni e migliori prestazioni analitiche del biosensore. Un limite di rilevamento correlato (33 fM) è stato osservato da un aptasensore basato su nanoparticelle d’argento ancorate all’ossido di grafene nanocomposito drogato con azoto costruito per il rilevamento di acetamiprid in campioni di acque reflue.

Patogeni

L’esistenza di agenti patogeni nelle matrici ambientali, e specialmente nei compartimenti idrici, potrebbe rappresentare un serio rischio per la salute umana, e alcuni biosensori sono stati recentemente proposti per il monitoraggio dell’ambiente. Per esempio, per il rilevamento di Legionella pneumophila metabolicamente attiva in campioni d’acqua ambientali complessi, sono stati proposti biosensori ottici rapidi e precisi basati sulla risonanza plasmonica di superficie. In uno studio, il principio di rilevamento si basava sull’identificazione dell’RNA batterico da parte della sonda rivelatrice di RNA immobilizzata sulla superficie dorata del biochip. Per l’amplificazione del segnale, sono stati utilizzati punti quantici coniugati con streptavidina, e il periodo di rilevamento è stato di circa tre ore, indicando la fattibilità del dispositivo di biosensing per il rilevamento di batteri di successo nella gamma di 104-108 104-108 CFU mL^-1.

Elementi potenzialmente tossici

La contaminazione da metalli pesanti e ioni corrispondenti delle acque naturali può comportare rischi significativi per la salute umana, e le analisi compatte, a basso costo e rapide dei metalli pesanti sono una preoccupazione prioritaria a livello globale. Come obiettivo modello per testare un biosensore ottico del DNA per il rilevamento di ioni di metalli pesanti che sono estremamente tossici e inquinanti comuni nell’ambiente, sono stati utilizzati gli ioni di mercurio (Hg2+). Il biosensore era compatto, a basso costo e rapido con uno screening in situ di Hg2+ in acque naturali in meno di 10 minuti. Il principio di rilevamento è incentrato sulla capacità di alcuni ioni metallici di legarsi selettivamente a certe basi per formare stabili duplex di DNA mediati dal metallo; nel caso di Hg2+, le basi di timina possono essere coordinate selettivamente per formare complessi timina-Hg2+-timina stabili. Nell’intervallo di rilevamento tra 0 e 1000 nM, è stato raggiunto un limite di rilevamento di 1,2 nM, che è inferiore al valore massimo richiesto dalla United States Environmental Protection Agency (10 nM)

Per il rilevamento di Pb2+ in campioni di acqua (campioni di acqua di stagno e di lago) utilizzando DNAzimi/perle magnetiche carbossilate e aptameri di DNA, sono stati recentemente suggeriti due biosensori ottici basati sulla fluorescenza. I limiti di rilevamento di 5 nM e 61 nM, rispettivamente, sono stati osservati dai biosensori basati su DNAzimi e DNA aptameri, con un rispettivo intervallo di rilevamento lineare da 0 a 50 nM e da 100 a 1000 nM. L’uso del colorante unico senza etichetta (SYBER Green I), che è stato intercalato con il DNA a doppio filamento, mostrando forti intensità di fluorescenza, come si vede nella Figura 5. Inoltre, l’assenza di intensità di fluorescenza biosensore è osservato solo con il colorante (curva a). Con il DNAzyme + Pb2+ (curva b) l’intensità di fluorescenza aumenta con l’aggiunta del colorante + DNAzyme + Pb2+, illustrando la sensibilità del biosensore verso il Pb2+.

Figura 5. Spettri di emissione di fluorescenza per il rilevamento di Pb²⁺

Tossine

Le tossine nocive come le brevetoxine e le microcistine sono create dall’eutrofizzazione dei sistemi acquatici dalle fioriture algali di cianobatteri, e quindi sono necessari sistemi accurati e convenienti per il rilevamento precoce di tali tossine. Per il rilevamento sensibile della brevetoxina-2, una neurotossina marina, è stato utilizzato un aptasensore elettrochimico composto da elettrodi d’oro funzionalizzati con monostrati autoassemblati di cisteamina. Un limite di rilevamento di 106 pg mL-1 è stato raggiunto e una forte selettività è stata osservata per la brevetoxina-2 contro altre tossine di vari gruppi, come l’acido okadaico e la microcistina. La fattibilità dell’aptasensore per il rilevamento del brevetoxin-2 in campioni reali è stata raggiunta analizzando crostacei e sono stati riportati forti recuperi (102-110 per cento), indicando nessuna interazione con la risposta dell’aptasensore dalla matrice del crostaceo.

Sostanze chimiche che alterano il sistema endocrino

Nei campioni d’acqua, il bisfenolo A è stato rilevato come sostanza chimica che altera il sistema endocrino da aptasensori basati sul principio della fluorescenza con aptamers funzionalizzati (fluoresceina amidite) e nanoparticelle d’oro e basati su fibra ottica a onde evanescenti. L’aptasensore in fibra ottica a onde evanescenti è stato compatto ed è risultato essere rapido, economico, sensibile e selettivo per il rilevamento del bisfenolo A in campioni di acqua, con il vantaggio di non richiedere alcuna fase di preconcentrazione o trattamento.  Inoltre, l’aptasensore può essere riutilizzato per 90 s mediante rigenerazione con una soluzione di sodio dodecil solfato (SDS) allo 0,5% e ulteriore lavaggio con una soluzione salina tampone fosfato (PBS) (pH 7,2) per oltre un centinaio di cicli di test senza alcuna perdita notevole di efficienza. Limiti di rilevamento simili (0,1 e 0,45 ng mL-1) sono stati osservati in entrambi i biosensori ottici in cui la sonda molecola di DNA, che è la sequenza complementare di una piccola frazione dell’aptamero del bisfenolo A, è stata adsorbita per interazione elettrostatica nella superficie delle nanoparticelle d’oro e immobilizzata covalentemente sulla superficie della fibra. Ultimamente, per il rilevamento del bisfenolo A in campioni di acqua di fiume utilizzando nanotubi di carburo di molibdeno, è stato proposto un altro aptasensore basato sulla fluorescenza. Con un tale aptasensore senza etichetta, poco costoso e facile da usare, è stato ottenuto un basso limite di rilevamento di 0,23 ng mL-1. La specificità del aptasensore è stata valutata analizzando altre molecole con strutture simili a quella del bisfenolo A (ad esempio, 4,4J-bifenolo, bisfenolo AF, e 4,4J-sulfonildifenolo) e per queste molecole sono stati identificati solo segnali di fondo che mostrano una elevata specificità per il bisfenolo A.

Un immunosensore elettrochimico monouso e senza etichetta basato su un transistor a effetto di campo con SWCNT è stato recentemente impiegato in campioni di acqua di mare per valutare un’altra sostanza chimica che altera il sistema endocrino, il 4-nonilfenolo. L’immunosensore ha un’alta riproducibilità (0,56 ± 0,08%), un recupero medio dal 97,8% al 104,6% e un basso limite di rilevamento (5 μg L-1), che è inferiore alla concentrazione massima raccomandata di 7 μg L-1 specificata dai regolamenti corrispondenti. In campioni di acqua di mare come il 4-nonilfenolo, il biosensore potrebbe essere utilizzato per rilevare sostanze prioritarie pericolose, anche a basse concentrazioni e con una metodologia facile e a basso costo.

Altri composti ambientali

Metodologie analitiche nuove, veloci e accurate sono state necessarie per il rilevamento precoce e il monitoraggio di vari altri composti pericolosi liberati durante le fioriture algali. Grazie all’eccellente sensibilità e specificità delle sonde di acido nucleico ai loro partner di legame complementari, sono stati sviluppati biosensori per rilevare l’RNA algale. Per il rilevamento selettivo e sensibile dell’RNA di 13 organismi algali nocivi, è stato recentemente riportato un genosensore elettrochimico basato su un elettrodo d’oro serigrafato; il genosensore potrebbe distinguere gli obiettivi dell’RNA da campioni ambientali (campioni di acqua di mare drogata) contenenti 105 cellule, considerati il limite di rilevamento.

La biotecnologia è una moderna tecnologia avanzata basata su discipline scientifiche come la biologia molecolare, la biochimica e la biologia cellulare.

La biotecnologia è una moderna tecnologia avanzata basata su discipline scientifiche come la biologia molecolare, la biochimica e la biologia cellulare. Accetta molte nuove tecniche come la coltivazione di cellule e tessuti, la fusione cellulare, la ricombinazione genica, la fermentazione microbica, e anche la duplicazione e ricombinazione di organismi a livello cellulare, cromosomico e genico. In questo modo, può rendere gli organismi rispondenti ai bisogni umani, produrre nuovi prodotti e allevare nuove piante con nuove caratteristiche di alto rendimento e resistenza allo stress. La biotecnologia moderna è composta da quattro sistemi tecnologici. Sono l’ingegneria genetica, cellulare, enzimatica e di fermentazione, di cui l’ingegneria genetica e quella cellulare sono le più avanzate.

Oltre ai grandi benefici sociali ed economici della moderna biotecnologia, c’è la possibilità che essa danneggi la salute umana e l’ambiente. Questo può comportare molti problemi socio-economici, come la distruzione dei modelli sociali ed economici originali, le minacce alla biodiversità e alle varietà di colture tradizionali, la lesione del benessere socio-economico dei paesi o delle comunità, la violazione dei valori etici, morali e religiosi tradizionali.

La moderna pratica biotecnologica nella produzione di fibre, prodotti farmaceutici e cibo ha un potente sviluppo della fine del XX e dell’inizio del XXI secolo. Questa tecnologia emergente è spesso accettata come la prossima rivoluzione tecnologica che possiede il potenziale per cambiare fondamentalmente il modo di organizzare la società per quanto riguarda la produzione e la distribuzione dei beni. Investimenti considerevoli sono già stati fatti nella ricerca biotecnologica per lo sviluppo di nuovi prodotti. Attualmente, ci si aspetta che la scienza e la tecnologia portino ai consumatori una grande varietà di prodotti geneticamente modificati (GM). Inoltre, molti prodotti GM sono già entrati nelle catene di distribuzione alimentare. Nonostante la sua promessa di portare benefici significativi alla società, l’accettazione pubblica della moderna biotecnologia è piuttosto diversa a livello mondiale. Per permettere alle biotecnologie di apportare grandi benefici agli esseri umani, la società internazionale ha prestato grande attenzione alla biosicurezza della produzione biotecnologica nel suo complesso per promuoverne una migliore accettazione.

Al giorno d’oggi, la biotecnologia è stata classificata in poche categorie in base alle sue applicazioni. Sono raffigurate nella Fig. 1.

In generale, la biotecnologia intende sottolineare i potenziali benefici per la società attraverso la riduzione della fame e della malnutrizione, la sospensione e la guarigione delle malattie, e l’aumento della salute e del benessere generale. D’altra parte, c’è l’opinione che i prodotti GM sono utilizzati come un’inutile interferenza con la natura e possono causare conseguenze sconosciute e potenzialmente disastrose. Allo stesso tempo, negli Stati Uniti, le colture geneticamente modificate sono entrate nelle catene di approvvigionamento del grano senza sollevare grandi preoccupazioni nell’opinione pubblica. Inoltre, la biotecnologia agricola sta affrontando una significativa opposizione in Europa e in molti altri paesi sviluppati. Per quanto riguarda gli ovvi problemi pubblici sui rischi percepiti per gli esseri umani e l’ambiente, l’Unione Europea (UE) ha accettato regolamenti piuttosto limitati su tutte le colture transgeniche in qualsiasi parte del sistema alimentare dell’UE. A livello globale, la situazione è ancora più diversificata: nel Regno Unito, i movimenti di opposizione buttano giù le colture GM in diverse occasioni. Fino a poco tempo fa, il Brasile e l’India hanno rifiutato di approvare qualsiasi coltura GM. A causa di simili preoccupazioni dei consumatori, alcune catene di fornitura di fast-food hanno deciso di non usare la patata GM nei loro prodotti.
La ragione contro l’uso delle tecnologie genetiche nella produzione agricola si basa sul fatto che alcune persone e istituzioni vedono rischi per gli esseri umani e l’ambiente, mentre altri si oppongono per preoccupazioni morali, etiche e sociali. La biotecnologia è spesso in crisi a causa dell’applicazione dei suoi strumenti nelle piante e negli animali, specialmente il trasferimento di geni attraverso le specie, basato sulla comprensione dei “regni di Dio” e contro la “legge della natura”. Inoltre, c’è l’opinione che, poiché i geni sono parti che si trovano in natura, che sono un oggetto di scoperta (non di invenzione), la proprietà brevettuale delle scoperte e dei processi genetici è moralmente ed eticamente insolvente.
Le discussioni pubbliche sulla biotecnologia agricola pongono anche alcuni dibattiti sociali e politici. Si parla dell’applicazione delle moderne tecnologie genetiche nella produzione di prodotti di base nei paesi sviluppati che sono attualmente importati nei paesi in via di sviluppo. Si sostiene che tali sviluppi avranno significativi effetti negativi sulla situazione di povertà nel terzo mondo e porteranno all’instabilità globale. Allo stesso tempo, altri ricercatori hanno un’opinione opposta. Un’altra fonte di preoccupazione è la possibilità che gli agricoltori diventino sempre più dipendenti dalle multinazionali per i loro “mezzi di produzione” portando effetti economici, sociali e politici dannosi.
L’importanza di questo argomento definisce la necessità di una piena comprensione degli interessi e delle preoccupazioni del pubblico per quanto riguarda un accordo tra decisioni private e pubbliche riguardanti la biotecnologia alimentare. L’accettazione delle biotecnologie da parte dei consumatori è fortemente legata non solo ai rischi e ai benefici attesi associati ai prodotti GM, ma anche alla loro dimensione morale ed etica. Inoltre, le opinioni del pubblico sulle multinazionali, la fiducia nel governo, la scienza e lo sviluppo tecnologico rivelano anche i loro atteggiamenti verso la biotecnologia. Si è scoperto che i fattori cognitivi dei consumatori (ad esempio, i livelli di avversione al rischio, le opinioni sugli alimenti GM) hanno avuto un impatto sull’accettazione dei prodotti alimentari GM, mentre i fattori socio-economici non hanno avuto effetti significativi. Quindi, le percezioni pubbliche delle biotecnologie possiedono molte dimensioni e sono probabilmente influenzate da molteplici forze, preferenze ed eventi. Per esempio, i benefici positivi (per esempio, i benefici nutrizionali derivanti da prodotti migliorati/nuovi, i benefici ambientali attraverso l’uso ridotto di pesticidi, ecc) possono incoraggiare l’accettazione delle biotecnologie alimentari da parte dei consumatori. D’altra parte, la sensibilità sui rischi per gli esseri umani e l’ambiente dovrebbe avere effetti negativi sull’accettazione pubblica dei prodotti GM. Quindi, le attività per analizzare e determinare i fattori che influenzano l’atteggiamento dei consumatori verso le biotecnologie devono seguire la procedura indicata nella Fig. 2.

Impatto sociale

Per valutare l’impatto della moderna biotecnologia sulla società, non è sufficiente misurarlo solo con indicatori specifici. Quando ci si concentra su dimensioni come l’aumento del numero di brevetti sugli organismi geneticamente modificati (OGM), questo non indicherà le forze dinamiche che modellano l’impatto della biotecnologia sulle strutture industriali e sociali. L’analisi dell’impatto combina problemi complessi e ha una varietà di input diversi, che possiedono effetti sia a breve che a lungo termine e influenzano i risultati del problema o dell’uso della tecnologia, in modo irrispettoso. Realizzare il senso della natura dei legami tra le società, gli individui, e l’equilibrio delle forze tra i gruppi sociali di fronte alle nuove tecnologie è di fondamentale importanza.

Creazione e diffusione delle conoscenze

Un punto di partenza è il risultato dell’impatto tecnologico, che dipende dalla creazione e dalla diffusione della conoscenza. È considerata come valori preferiti, pratiche sociali e norme di comportamento degli attori coinvolti nello sviluppo e nell’uso della biotecnologia. La conoscenza si estende oltre la raccolta di informazioni sulla biotecnologia, come le tecniche, i rischi, ecc. Abbraccia anche il modo in cui vengono mostrate e commentate dagli individui. Il rischio e la sicurezza per il pubblico non possono essere valutati nello stesso modo in cui viene fatto il rischio scientifico. Per rendere conto di queste differenze, è necessario spiegare come si crea la fiducia tra consumatori e produttori. In breve, una tale definizione di conoscenza fornisce un pezzo di analisi sull’impatto delle biotecnologie e, più in generale, delle politiche e delle pratiche ambientali.

Da un punto di vista concettuale, questo approccio potrebbe essere trattato come un discorso basato sulla conoscenza. È utile considerare l’espressione dell’impatto biotecnologico nel senso dello sfondo educativo, sociale e politico. Vengono presi in considerazione anche i discorsi ambientali della conoscenza biotecnologica e, più specificamente, come viene costruita, accettata e, forse la cosa più importante, diffusa e sostenuta all’interno della società.

Impatto della Scienza e della Tecnologia (S&T) sulla società

Nell’UE c’è una discussione sulla biotecnologia e specialmente sull’ingegneria genetica e sugli impatti derivanti da questa tecnologia. Questa questione deve essere affrontata fortemente legata al risultato delle interazioni sociali. Pertanto, il modo di realizzazione di queste forze dinamiche dovrebbe tener conto delle interrelazioni e della forma di complessità risultante tra gli attori.

Un altro punto da valutare, sono due argomenti principali quando si esaminano i potenziali impatti della tecnologia. Questi sono i) l’impatto immediato dell’uso e dello sviluppo della tecnologia e ii) i rischi di trascendenza della tecnologia. Questo significa dipendere dall’applicazione a lungo termine della tecnologia e da come raggiungere e sostenere una posizione dominante nel suo impatto sulla società da prospettive educative, politiche e sociali. Questo potrebbe essere sostenuto in generale attraverso una maggiore preoccupazione per le conseguenze a lungo termine delle attività di S&T, come indicato di seguito:

– Pubblicazione degli sforzi educativi nella società: Svolgimento di sforzi intensivi per includere gli scienziati, i principali leader dell’opinione pubblica e i media in un dibattito esistente sulla biotecnologia e specialmente sull’ingegneria genetica. L’obiettivo principale è quello di evitare un vuoto informativo, che può facilitare l’attività anti-biotecnologica e generare negativismo nelle strutture della conoscenza.

– Ruolo della politica di regolamentazione nella società: Concentrarsi sulla comunicazione efficace del rischio e comprendere il fatto che la percezione pubblica del rischio può essere molto diversa da quella della comunità scientifica.

Percezione delle moderne applicazioni biotecnologiche

Tre temi principali sono identificati e basati su: i) la scienza, l’etica e il genere della biotecnologia; ii) l’economia politica internazionale, il commercio e l’ambiente; iii) la sicurezza dello stato e del sistema e la guerra attraverso la biotecnologia. Questi temi generali provengono dalla considerazione delle relazioni internazionali della biotecnologia. Essi implicano il concetto di potere nell’Economia Politica Internazionale (IPE) per inquadrare i diversi discorsi e le complesse questioni dell’impatto della tecnologia. Sulla base di questi temi vengono considerati diversi indicatori (Fig. 3):

La biotecnologia moderna è considerata come un complesso campo emergente che esibisce un’alta scienza combinata con una conoscenza limitata di una parte della società. È legata agli atteggiamenti verso l’ambiente naturale, il progresso tecnologico, le credenze religiose e morali, e diversi altri insiemi. Una matrice di variabili che include l’interesse dei domini pubblici, come la scienza e la politica, l’ottimismo sulle tecnologie, i valori sociali e culturali, l’impegno con la questione delle biotecnologie e la fiducia nell’industria, la regolamentazione, e altri gruppi della società civile, tutti questi fattori contribuiscono alla rappresentazione del pubblico e alle opinioni sulle biotecnologie (Fig. 4). È stato riscontrato che anche le caratteristiche di base, come il sesso, l’istruzione, l’età e la religione, influenzano gli atteggiamenti delle persone.

Il serio dibattito sull’accettazione dell’ingegneria genetica è accompagnato da molte prove che obiettano di concentrarsi su applicazioni specifiche della tecnologia piuttosto che sull’ingegneria genetica per se. Gli studi stanno dimostrando che l’atteggiamento dei consumatori nei confronti dei trasferimenti di geni è influenzato dal tipo di trasferimento. La gamma di accettazione comprende i seguenti: i) trasferimenti di geni da pianta a pianta; ii) trasferimento da animale ad animale; iii) animale-pianta o uomo-animale, l’ultimo dei quali è il meno accettabile.

Un sondaggio sulla percezione delle moderne applicazioni della biotecnologia, condotto tra persone di diversi paesi/continenti, ha indicato che le applicazioni mediche (che portano allo sviluppo di medicine e vaccini, e ai test genetici) sono molto accettabili rispetto alle applicazioni della biotecnologia alimentare o delle colture. Tuttavia, le applicazioni mediche legate agli xenotrapianti o alla clonazione animale per la produzione di latte incontrano seri problemi. Le popolazioni asiatiche, per esempio, sono meno preoccupate per i prodotti medici geneticamente modificati che per il cibo geneticamente modificato. L’indagine riguardante la clonazione di cellule umane e il biorimedio tra gli europei si colloca ad un livello intermedio, meno assunto rispetto ai test genetici ma meglio ritenuto accettabile rispetto alle colture e agli alimenti geneticamente modificati.

Un altro sondaggio riferisce che i test genetici hanno ancora ottenuto il più alto sostegno tra la popolazione europea, seguiti dalla clonazione di cellule umane, la produzione di enzimi GM per saponi ecologici e lo xenotrapianto. Inoltre, il sostegno più alto è dato alle tecnologie per la manipolazione dei batteri per pulire le fuoriuscite di petrolio seguite da colture resistenti alle malattie; dopo sono applicazioni per carne grassa e pomodori di gusto migliore e il sostegno meno ricevere tecnologie per migliorare la produzione di latte nelle mucche.

I consumatori malesi sono più aperti all’uso delle moderne applicazioni biotecnologiche, che non comportano trasferimenti di geni tra le specie, come la produzione alimentare e le colture geneticamente modificate che comportano solo il trasferimento di geni vegetali. Per loro, le modifiche genetiche sono più accettabili nel seguente ordine: i) trasferire i geni della palma da olio per ridurre il suo contenuto di grassi (saturi), ii) trasferire geni umani nei batteri per produrre insulina, iii) trasferire geni batterici nella soia per renderla resistente agli erbicidi.

L’atteggiamento di un individuo verso una nuova tecnologia dipende da diversi fattori correlati, come la sua percezione dei suoi rischi e benefici, e i valori socialmente comunicati e la fiducia nelle istituzioni che rappresentano queste tecnologie. Per quanto riguarda la percezione pubblica delle biotecnologie, si ipotizza che l’atteggiamento verso l’ingegneria genetica sia determinato dal valore dei potenziali benefici offerti, dalle conoscenze sull’ingegneria genetica e dalla visione del mondo scientifico, da cui vanno esclusi il rischio percepito (preoccupazioni razionali) e le ansie o le paure (preoccupazioni irrazionali). Inoltre, devono essere aggiunti vari fattori minori come i fattori di fondo. Si ritiene che l’effetto principale sull’accettazione sia apparentemente basato sul livello di conoscenza, sulla consapevolezza dei benefici, sulla fiducia e sulla fiducia.

Gli studi sull’atteggiamento del pubblico nei confronti delle biotecnologie indicano molte somiglianze con gli studi sulla percezione del rischio. Alcuni autori hanno utilizzato l’approccio psicometrico basato sulla psicologia cognitiva ed è accettato come il paradigma più maturo e dominante negli studi sulla percezione del rischio. Questi metodi psicometrici sono stabiliti sulla base dei seguenti punti di vista:

• Interpretare il “rischio” come un’idea soggettiva e non oggettiva;
• Coinvolgere prospettive tecniche/fisiche e sociali/psicologiche nei criteri di rischio;
• Prendere le opinioni del “pubblico” (cioè i laici, non gli esperti) come oggetto di interesse.

Così, l’accettazione pubblica della moderna biotecnologia si basa sull’analisi della struttura cognitiva dei giudizi di rischio, comunemente utilizzando procedure statistiche multivariate come l’analisi dei fattori, la classificazione multidimensionale e la regressione multipla. Questo approccio psicometrico presuppone che il pubblico non percepisca il rischio tecnologico in base a una singola dimensione legata alle lesioni o ai decessi attesi vicino al punto di vista di un valutatore del rischio, ma interpreta il rischio come un concetto multidimensionale, interessato a dimensioni qualitative più ampie.

Le varietà chiave di uno studio di percezione del rischio sono la grandezza percepita del rischio o del timore, l’accettazione del rischio, la familiarità con il pericolo, e almeno – il fattore beneficio. L’importanza di un’altra dimensione, “l’interferenza con la natura” negli studi di percezione del rischio sull’ingegneria genetica è anche molto importante.

La biotecnologia è alla confluenza della scienza e dell’etica. Lo sviluppo della tecnologia è legato a una visione etica, che a sua volta è plasmata da questioni specifiche. Le biotecnologie possono essere valutate per il loro beneficio per la società umana. Ma bisogna considerare che la biotecnologia ha anche una parte pericolosa. Può provocare conseguenze impreviste, che possono causare effetti dannosi o disumanizzare le persone. Quindi, le questioni etiche degli effetti proposti devono essere attentamente studiate.

La valutazione etica delle nuove tecnologie, compresa la biotecnologia, richiede un approccio diverso all’etica. C’è la necessità di cambiamenti perché una nuova tecnologia può avere un impatto più profondo sul mondo a causa di i) restrizioni a un approccio etico basato sui diritti; ii) l’importanza e la difficoltà di prevedere le conseguenze; iii) l’opportunità ora di manipolare gli umani stessi.

Le questioni etiche riguardanti la biotecnologia sono molto diverse. A causa del potenziale di profondo cambiamento nel futuro umano, tali questioni devono essere attentamente considerate. In primo luogo, è necessario articolare e prevedere le responsabilità verso la natura e gli altri, comprese le generazioni future, e poi concentrarsi sui diritti e sulla libertà. Il potere reale e il potenziale della biotecnologia richiedono una forte cautela per garantire il progresso etico, dato che la biotecnologia è accettata come una forza significativa per migliorare la qualità della vita delle persone nel 21° secolo.

La biotecnologia è intrinsecamente legata alla scienza e alla conoscenza scientifica. Ma a volte si dubita che la biotecnologia sia strettamente legata all’etica. Infine, diverse tendenze biotecnologiche promuovono una certa visione della vita, alcune delle quali sono buone per la vita e meritano di essere incoraggiate o perseguite, ma altre sono cattive e dovrebbero essere eliminate. Questa visione influisce sulle scelte delle persone e influenza il loro senso delle biotecnologie eticamente appropriate.

A volte, il legame tra biotecnologia ed etica viene descritto come un punto conflittuale. Una volta si ha l’impressione che l’etica sia necessaria solo nel caso in cui si voglia dire agli altri che stanno facendo cose sbagliate. In un certo senso, questo è lucido, poiché la disputa, il dibattito e l’argomentazione sono parti comuni della consultazione etica. Ma l’etica è altrettanto importante nel caso di consenso che la via scelta sia buona e giusta. Naturalmente, non c’è alcuna necessità di un dibattito etico quando la ricerca è una cura per il cancro. Così, la soluzione per eseguire tale ricerca è prevista da una comprensione comune che per curare il cancro c’è una ragione etica. Gli sforzi, le risorse e la creatività dedicati all’elaborazione di trattamenti migliori sono eticamente ammissibili e la maggior parte di questi risultati sono dovuti alla biotecnologia.

L’accettabilità sociale dei benefici e dei rischi imposti dalle moderne applicazioni biotecnologiche riguarda:

• Benefici vs. rischi controversia sociale
• L’accettazione del rischio come elemento chiave nella percezione del rischio
• Strumenti per misurare l’atteggiamento del pubblico verso rischi e benefici: gestione del rischio

Benefici vs Rischi controversia sociale.

Per determinare l’accettabilità delle applicazioni biotecnologiche è molto importante valutare i benefici e i rischi percepiti. Il diagramma sullaFfig. 5 li riassume.

Accettazione del rischio

Un’altra variabile chiave è l’accettazione del rischio che è importante per misurare la percezione del rischio. Ma è raramente usata nell’atteggiamento verso gli studi sulle biotecnologie. Evidenziata la dura situazione con le tecnologie moderne, esse sono sempre legate a qualche tipo di rischio che pone seri problemi alle società. I responsabili politici hanno considerato l’analisi costi-benefici come base della metodologia decisionale per l’accettazione del rischio da parte della società. La questione centrale da risolvere nell’analisi rischio-beneficio è: se questo prodotto (attività, tecnologia) è sicuro o quanto sicuro è abbastanza sicuro? Ci sono due approcci principali per eseguire l’analisi rischio-beneficio (Fig. 6).

Gestione del rischio

La gestione del rischio è il processo che mira a diminuire l’effetto e ad equilibrare il modo in cui le persone rispondono ad esso. Se si vuole allontanare tutti i rischi, questo non è un obiettivo realizzabile. Le persone corrono facilmente dei rischi eseguendo una vasta gamma di attività. Così, la domanda sul rischio accettabile non è interamente tecnica; la sua risposta dipende dai valori. In modo semplificato, è possibile fissare una semplice soglia di rischio accettabile, per esempio – un rischio su un milione di vite. Tutte le attività più rischiose di questa soglia sono “inaccettabili” così come tutte quelle meno rischiose sono “accettabili”.

Tuttavia, ci sono due ragioni per cui questo approccio non funziona. Il primo è legato alla già citata percezione del rischio. La gente non reagisce semplicemente al rischio; l’accettabilità del rischio nella mente del pubblico non è semplicemente una questione di cose presumibilmente fatali ma coinvolge altri elementi dell’attività. Per esempio, se le attività sono prese volontariamente, se il processo che porta al rischio è nuovo/vecchio o familiare, se il processo provoca una reazione intuitiva, emotiva di paura o no. Ecco perché, per definire un rischio accettabile, si devono includere i processi di comunicazione e coinvolgimento del rischio descritti sopra. Nella seconda questione, alcune attività sono essenziali e devono essere affrontate anche se causano rischi relativamente alti.

Inoltre, ci potrebbero essere altri casi in cui esistono alternative poco costose per eseguire attività meno rischiose o modificate. In questi casi, il rischio potrebbe essere ben previsto come inaccettabile, a causa delle alternative pronte. Questo è un problema economico che ha a che fare con diverse risorse dedicate alla riduzione del rischio. Oltre ai problemi economici, è possibile considerare i rischi non in termini di valori assoluti ma di differenze interne tra le alternative.

Tuttavia, molto spesso non è possibile sfuggire completamente al rischio; piuttosto si deve scegliere tra diversi rischi. Pertanto, non esiste una soglia accettabile definita di rischio ammissibile, così come non esiste un singolo valore monetizzato conveniente per la diminuzione del rischio. Il desiderio della società di investire nella riduzione del rischio dipende dalla vasta gamma di fattori che gestiscono la percezione del rischio, come la paura associata al rischio, il suo potenziale catastrofico, ecc.

Vantaggi sociali della biotecnologia moderna

Le biotecnologie sono ampiamente utilizzate in campi come la medicina e l’igiene, l’agricoltura, la silvicoltura, l’allevamento, la pesca, l’energia e le industrie chimiche, le industrie metallurgiche e minerarie, l’alimentazione, le industrie leggere e la protezione ambientale. La biotecnologia moderna ha gradualmente dimostrato il suo enorme contributo potenziale alla produttività, anche se finora ha una breve storia di sole decine di anni. La biotecnologia moderna diventerà un mezzo potente per ridurre i vincoli del mondo nel campo dell’alimentazione, della salute, dell’energia, delle risorse e dell’ambiente. Lo sviluppo e l’applicazione della biotecnologia moderna influenzeranno a lungo gli esseri umani e la società in modo profondo.

Le industrie biotecnologiche diventeranno probabilmente le industrie leader del 21° secolo. Per esempio, le varietà di colture, prodotte dalla biotecnologia, con nuovi tratti di alta produttività e resistenza allo stress (aridità, freddo, sale elevato, ecc.) dovrebbero non solo aumentare la produzione di grano ma anche diminuire l’uso di prodotti chimici agricoli (come pesticidi, erbicidi e fertilizzanti), il che sarà benefico per l’ambiente. Per quanto riguarda la medicina e l’igiene, molti farmaci come i vaccini del DNA, la medicina di ingegneria proteica, gli anticorpi monoclonali, i farmaci a RNA antisenso sono stati sviluppati dalla biotecnologia. Gli animali e le piante transgeniche che producono alcuni tipi di medicine (come vaccini e ormoni) possono aiutare a ridurre le malattie nel processo della dieta quotidiana. Il Progetto Genoma Umano (HGP) e la ricerca su alcuni geni di malattie scopriranno le ragioni genetiche di alcune malattie. L’inquinamento ambientale sta peggiorando attualmente, ma i reattori di trasformazione biologica creati dalla biotecnologia promettono di assorbire inquinanti o rifiuti e decomporli in materiali di bassa o nessuna tossicità.

Pertanto, nell’attuale società caratterizzata da industrie ad alta intensità di conoscenza, i paesi di tutto il mondo, specialmente quelli industrializzati, prendono sul serio la biotecnologia. Grandi quantità di manodopera e risorse finanziarie sono assegnate alla R & S nella biotecnologia. Vengono elaborate strategie e politiche di sviluppo pertinenti e vengono creati meccanismi di sostegno per stimolare lo sviluppo della biotecnologia.

Anche se ci sono stati molti studi sull’atteggiamento o la percezione del pubblico nei confronti della biotecnologia e alcuni ricercatori hanno cercato di identificare i fattori che predicono l’atteggiamento usando la regressione o la correlazione, ci sono pochi studi che cercano di costruire un modello strutturale che predica l’atteggiamento verso la biotecnologia.

Il primo modello documentato è stato sviluppato da Kelley (1995) che ha proposto un modo strutturato per l’approvazione dell’ingegneria genetica da parte degli australiani (Fig. 7). In seguito, Pardo et al. (2002) hanno proposto un altro modello per spiegare l’atteggiamento europeo nei confronti delle applicazioni biotecnologiche. Kelley ha scoperto che l’approvazione dell’ingegneria genetica è stata predetta principalmente dagli obiettivi agricoli e sanitari (aspetti benefici). D’altra parte, la conoscenza scientifica e dell’ingegneria genetica non ha predetto l’approvazione. Anche le variabili demografiche non hanno influenzato direttamente l’approvazione dell’ingegneria genetica (i loro effetti non erano statisticamente significativi). Il genere è risultato influenzare la conoscenza e la visione del mondo scientifico, mentre l’età è risultata influenzare la conoscenza, l’obiettivo e la visione del mondo scientifico, esercitando così un effetto molto debole (indiretto) sull’approvazione. L’istruzione ha avuto un grande effetto sulla conoscenza ma non sugli atteggiamenti. Occupazione e religione non hanno avuto alcun effetto su nessuna delle variabili intermedie. I sostenitori dei Verdi erano meno favorevoli all’ingegneria genetica (effetto diretto negativo sull’approvazione dell’ingegneria genetica) rispetto ai sostenitori della coalizione laburista (politica).

Spesso si ipotizza che la biotecnologia sia la tecnologia per trasformare profondamente l’economia e la società. A seguito di tali pareri, lo sviluppo e l’applicazione della biotecnologia hanno un notevole potenziale per un impatto economico, sociale e ambientale di vasta portata. Ecco perché la biotecnologia è di importanza strategica per le economie basate sulla conoscenza e per i loro governi. Le nazioni che non sono riuscite a sviluppare capacità biotecnologiche non riescono a realizzare gli impatti economici.

Le applicazioni legate alla biotecnologia sono diffuse in diversi settori industriali molto diversi, ad esempio la produzione alimentare, la finitura tessile, la pasta e la carta, l’agricoltura, la produzione di energia, i prodotti chimici e petrolchimici e i prodotti farmaceutici. I prodotti fabbricati da questi settori di solito non distinguono tra processi di produzione alternativi. Pertanto, per molti prodotti, sarebbe necessaria una distinzione tra processi di produzione biotecnologici e convenzionali (ad esempio, chimici) e anche l’introduzione di alcuni nuovi processi. Inoltre, la biotecnologia è un campo dinamico e alcuni metodi di produzione biotecnologica saranno probabilmente presto ri-sviluppati e appariranno prodotti completamente nuovi. Le statistiche ufficiali attuali e le indagini delle imprese esistenti possono fornire informazioni specializzate sulla diffusione delle applicazioni biotecnologiche e sul loro impatto economico. I dati sono stati costantemente rinnovati e vengono eseguiti diversi studi tecno-economici per fornire la previsione e gli scenari di produzione futuri. Applicando una combinazione di metodi e fonti, spesso si concentrano sul giudizio di esperti, studi di casi e varie statistiche.

Un’alternativa alla misurazione della diffusione della biotecnologia in uso nei principali settori manifatturieri è il concetto di vendita legata alla biotecnologia (BRS). Gli studi esistenti hanno utilizzato vari approcci per la misurazione (definizione del livello di aggregazione biotecnologica, settori esaminati, ipotesi di scenario, ecc.). Inoltre, per valutare l’impatto della diffusione della biotecnologia, sono stati introdotti un modello input-output e indicatori pertinenti per studiarne gli effetti sull’occupazione. Il modello studia in modo comparativo come la biotecnologia influenzi i principali settori applicativi. Confronta la penetrazione del mercato nel 2004 e nel 2020 attraverso i tassi di diffusione, misurati con limiti superiori e inferiori. Questo approccio aiuta a non sopravvalutare l’impatto della biotecnologia, catturando al contempo alcune applicazioni biotecnologiche innovative. I dati di questa indagine indicano un modello di diffusione quasi simile nei prodotti farmaceutici, nella trasformazione alimentare e nell’agricoltura. La diffusione dovrebbe aumentare notevolmente in tutti i settori entro il 2025, come indicato dalla penetrazione di alcuni gruppi di prodotti. Tuttavia, è stato dimostrato che esiste un grave livello di sospetto sulla diffusione della biotecnologia; le aspettative per il 2025 sono altamente incerte. L’analisi di questa tendenza indica che vi sono barriere di diffusione specificate nella Fig. 7.

Impatti socioeconomici

Motivate a percepire un grande profitto economico, molte famose società commerciali internazionali hanno fatto notevoli investimenti di capitale nella R & S della biotecnologia, e in questo modo stanno cambiando le precedenti tendenze sociali ed economiche del mondo. Un esempio è la società Monsanto (che prima aveva sede negli Stati Uniti e ora fa parte del consorzio globale BASF). Tradizionalmente operante nell’industria chimica, dopo il 1985 l’azienda ha fatto una seria riorganizzazione degli affari, ha investito in 3 settori biotecnologici, ed è diventata un grande consorzio che si occupa di R & S nella bio-scienza. Dopo il 1998, circa 20 milioni di ettari di campi in tutto il mondo sono stati piantati con i semi GM della Monsanto. Poco dopo, Monsanto ha fatto un passo avanti sul mercato internazionale delle sementi di colture attraverso un sistema completamente integrato per il commercio di semi GM e prodotti chimici agricoli. In questo modo, la Monsanto ha ottenuto il controllo su una grande parte della catena alimentare della popolazione umana, ottenendo un enorme profitto nutrendola con colture GM. Questo è un esempio di come nell’attuale mondo globalizzato emerge la possibilità per poche multinazionali di decidere sul consumo di cibo umano.

Nel caso dell’uso nel settore lattiero-caseario, l’ormone della crescita bovina (BGH) prodotto dall’ingegneria genetica, la produzione di latte di una mucca da latte può aumentare del 30%, il che significa il 10% in meno di utilizzo di foraggio. Quindi, il risultato è molto impressionante per l’industria casearia.

Molte medicine, come i vaccini per il trattamento della malaria e del colera sono forniti ai pazienti attraverso nuovi antigeni sintetizzati attraverso i moderni metodi biotecnologici. Essi fanno diminuire rapidamente i tassi di malattia e di morte in molti paesi (specialmente in quelli in via di sviluppo), in concomitanza con i tassi di crescita della popolazione. In questo contesto, si pone la questione degli impatti sulle già insufficienti economie e infrastrutture di questi paesi.

Impatti sulla biodiversità e sull’agricoltura sostenibile

Molte colture GM contengono geni estranei di altre piante, animali e microbi. Tutti questi geni estranei possono essere trasferiti ad altre piante in natura attraverso i pollini delle piante geneticamente trasformate e causeranno l’inquinamento del pool naturale di risorse genetiche. Quindi, poiché la maggior parte delle piante transgeniche possiede caratteristiche economicamente utili, come l’alta produttività, la resistenza alle malattie e ai parassiti, la resistenza allo stress, e gli agricoltori sono attratti dagli interessi economici a coltivare queste piante piuttosto che le varietà di colture tradizionali, il pericolo previsto per le risorse naturali è grave. Inoltre, le tecnologie per la creazione di una monocoltura di varietà di colture in alcuni campi possono aumentare la perdita di biodiversità. Così, a lungo termine, questa degradazione della base genetica può ridurre la resistenza naturale delle piante alle malattie e agli insetti parassiti e questo può causare una diminuzione delle rese delle colture. In questo modo, lo sviluppo sostenibile globale potrebbe essere compromesso.

Il Bacillus thuringiensis (Bt) è un batterio del suolo, che viene utilizzato per sintetizzare una tossina contro gli insetti all’interno delle piante. È stato usato come pesticida microbico per molti anni e i geni che codificano queste tossine insetticide potrebbero essere introdotti nelle cellule di molte colture come il cotone, la soia e la colza, per creare colture resistenti ai parassiti. In questo caso, gli esperti in protezione dell’ambiente e la Green Peace Corporation sono preoccupati dal fatto che la produzione di tossine si realizza nel tardo ciclo di vita delle piante transgeniche e c’è la possibilità di aumentare comunemente la resistenza dei parassiti alle tossine Bt. Quindi, questa situazione porterebbe a un maggiore utilizzo di pesticidi a base di Bt, a causa della perdita della loro efficacia e causando pesanti perdite economiche.

Impatti sul benessere pubblico

Lo sfruttamento della tecnologia dell’ingegneria genetica per gli esseri umani potrebbe facilitare la diagnosi e la cura di malattie geneticamente correlate come alcuni tumori, l’emofilia, ecc. Ma tale diagnosi genetica potrebbe anche avere un effetto opposto sull’occupazione e sulle prospettive di matrimonio degli esseri umani. Attraverso l’ingegneria genetica animali, piante e microbi possono essere trasformati in bio-fabbriche per la produzione di diversi tipi di sostanze chimiche. Così, possono essere trattati come produttori biologici costanti e, allo stesso tempo, il crescente potenziale di risultati dei prodotti può causare problemi socioeconomici. Supponiamo che ceppi microbici specifici siano ingegnerizzati per produrre una sostanza preziosa su larga scala. In tal caso, è importante prevedere l’impatto di questa produzione sui maggiori produttori mondiali della stessa sostanza. Se questa sostanza rappresenta una percentuale significativa del reddito di un dato paese, quale sarebbe l’influenza e le conseguenze di questa produzione biotecnologica sull’infrastruttura agricola e finanziaria del paese.

L’applicazione sconveniente della biotecnologia può causare molti rischi, come altre tecnologie avanzate. Per esempio, i nuovi geni introdotti nelle colture fatte dall’ingegneria genetica possono portare a reazioni allergiche. Le caratteristiche economicamente importanti di resistenza ai parassiti, agli erbicidi o allo stress, introdotte nelle piante possono allontanare questi ospiti transgenici dai sistemi di coltivazione agricola. I geni per la resistenza nelle piante transgeniche possono essere trasferiti ai loro parenti selvatici infestanti, e questi ultimi possono essere trasformati in “super” infestanti, il cui controllo sarà molto difficile. Quindi, il rilascio su larga scala di colture transgeniche resistenti ai parassiti nell’ambiente causerà forti pressioni di selezione per rafforzare la resistenza dei parassiti bersaglio.

Le piante transgeniche resistenti ai virus già trasformate con geni di virus stranieri possiedono proteine codificate dal virus che possono ricombinarsi con il materiale genetico di altri virus per produrre nuovi tipi di virus con maggiore tossicità. Se l’uccisione selettiva dei parassiti e degli agenti patogeni bersaglio non è possibile, le colture transgeniche resistenti ai parassiti e alle malattie possono subito avvelenare altri organismi e anche causare un’azione dannosa attraverso le catene alimentari su microrganismi benefici, insetti, uccelli e mammiferi.

Inoltre, molti prodotti biotecnologici sono organismi vivi e possono muoversi e riprodursi da soli. Una volta che vengono rilasciati nell’ambiente e si dimostra che sono tossici, allora è quasi impossibile scartarli, e il danno che creano può aumentare con il tempo diventando sempre più grave. In questo modo, il rilascio nell’ambiente di piante transgeniche su larga scala può danneggiare l’equilibrio ecologico naturale in una prospettiva di lungo periodo.

Le preoccupazioni sulla biosicurezza hanno ostacolato le applicazioni di R & S della biotecnologia. L’opinione pubblica in molti paesi ha manifestato la sua opinione negativa, la sua repulsione e il suo terrore nei confronti dei prodotti biotecnologici. Questo viene espresso anche attraverso dimostrazioni, schiacciando le colture dei campi, bandendo l’importazione, o allarmando i prodotti biotecnologici. Questo rende le questioni di biosicurezza in cima all’agenda di molti paesi e società internazionali. Leggi e regolamenti sulla biosicurezza sono formulati in molti paesi, e le questioni di biosicurezza sono considerate in molti documenti e trattati internazionali, come l’Agenda 21 e la Convenzione sulla diversità biologica.

La biotecnologia sta per diventare seriamente rilevante per l’economia e può acquisire una notevole importanza in diversi settori di applicazione nei prossimi 10-15 anni. Tuttavia, gli effetti complessivi della moderna biotecnologia sull’economia sono abbastanza diversi. Per esempio, le stime sull’occupazione mostrano che l’aumento della parte della biotecnologia nei settori di applicazione e il suo legame con i fornitori indicano la tendenza alla riduzione dell’occupazione a causa degli effetti sulla produttività. L’importanza economica della biotecnologia aumenta a causa della sua diffusione nei settori manifatturieri maturi. Tuttavia, la diffusione in questi principali settori di applicazione può influenzare solo una parte limitata dell’occupazione complessiva. Solo se la biotecnologia aumenta in altri settori potrebbe emergere un impatto importante a livello economico.

La profondità della trasformazione biotecnologica dell’economia dipende fortemente dal suo potenziale di proporre la creazione di nuovi prodotti e di migliorare l’efficienza nella produzione di quelli esistenti. Quindi, ci si aspetta che la biotecnologia permetta la creazione di molti prodotti, ma si stima che il potenziale di aumentare la produttività del lavoro sia limitato. Un punto di vista importante è che la biotecnologia potrebbe trasformare l’economia e la società in modo diverso, cooperando con altre tecnologie come l’ICT. I maggiori impulsi per tale crescita economica possono emergere in combinazione con altre tecnologie o guadagni di efficienza, che aumentano la produttività e il potere d’acquisto per realizzare i frutti della biotecnologia.

La biologia sintetica è una recente estensione della biotecnologia in cui i geni e le proteine sono visti come parti o dispositivi, con l’obiettivo di riorganizzare e/o assemblare queste parti in modi nuovi per creare nuove e utili funzionalità.

Introduzione

Nel 1997, la pecora clonata Dolly è stata presentata al pubblico mondiale. Da allora, il tema della clonazione ha fatto ripetutamente notizia. Ha tre madri e nessun padre biologico. È geneticamente identica a una delle sue madri. È il primo mammifero clonato che non è il risultato di una nuova combinazione di padre e madre, ma è stato concepito da una cellula del corpo di una delle sue madri. Ma mentre ai tempi di Dolly alcuni ricercatori si opponevano con veemenza alla clonazione di cellule umane, oggi essi stessi lavorano con cellule staminali embrionali nella speranza di combattere un giorno malattie come il cancro o il morbo di Parkinson. La clonazione, quindi, nel contesto della medicina, della biotecnologia e della biologia molecolare, è la produzione di entità, individui e popolazioni che sono geneticamente identici o quasi all’organismo originale o parte di un organismo da cui sono derivati. Nella sua forma spontanea, la clonazione è il modo in cui i batteri e alcune piante e animali si riproducono asessualmente.

L’area più drammaticamente controversa è la clonazione umana per scopi riproduttivi, cioè per produrre bambini che diventeranno adulti e membri a pieno titolo della loro società. La ricerca sugli embrioni umani, compresa la clonazione con trasferimento nucleare, è ampiamente consentita quattordici giorni dopo il concepimento; e la successiva coltivazione e l’uso scientifico e terapeutico delle cellule staminali embrionali umane è accettato nella maggior parte dei paesi (non in tutti). La riproduzione umana è al centro della questione della clonazione, dal punto di vista etico, con le idee di progettazione e il tema storicamente sempre popolare del miglioramento degli individui e del miglioramento della razza umana.

La clonazione artificiale sfrutta il potenziale di particolari cellule indifferenziate di differenziarsi in cellule di un tipo particolare in condizioni appropriate. Queste cellule sono chiamate cellule staminali. Si trovano sia in piccolo numero nel corpo di un adulto, per sostituire le cellule mancanti o morte, sia nei primi stadi embrionali, dal quarto al settimo giorno circa dopo la fecondazione. Solo le cellule staminali embrionali fino allo stadio di otto cellule circa possono ancora svilupparsi in tutti i tipi di tessuto e quindi in un intero organismo; sono totipotenti (= onnipotenti). Al contrario, nessun organismo intero può essere formato da tutte le altre cellule staminali. Possono dare origine solo a molti tipi di cellule diverse o solo a un tipo specifico di cellule, sono pluripotenti o multipotenti.

Ricerca e applicazione biomedica

I cloni di organismi superiori sono di grande interesse per la ricerca di base biomedica e per la ricerca medica orientata all’applicazione. Attualmente sono in discussione quattro possibili campi di applicazione della clonazione basata sul trasferimento nucleare a fini medici. Una prima area è il cosiddetto pharming genico, cioè l’uso di animali transgenici per produrre proteine terapeuticamente utili (umane), ad esempio nel latte. Nel prossimo futuro, questa sarà una delle principali applicazioni potenziali della clonazione basata sul trasferimento nucleare, in quanto rende la produzione dei corrispondenti animali transgenici più efficace e mirata rispetto ai metodi convenzionali. I vantaggi di questi principi attivi ottenuti da processi di fabbricazione biogenetica, come l’insulina o i fattori ematici o altre sostanze endogene umane, sono che questi principi attivi possono essere ottenuti in modo molto più puro rispetto al metodo convenzionale attraverso intermedi animali e umani. Se tali animali sono disponibili, i principi attivi possono essere prodotti in grandi quantità e a prezzi relativamente convenienti. Tuttavia, ci sono anche rischi per gli animali a causa della manipolazione genetica (transgenica), dell’attività biologica della proteina prodotta e del processo di clonazione stesso. I rischi per l’uomo possono derivare da cambiamenti nei prodotti e da una possibile trasmissione di malattie (agenti patogeni), quindi devono essere esclusi per quanto possibile da un attento test farmacologico.

Un altro settore in cui la clonazione potrebbe potenzialmente essere utilizzata è la produzione di animali transgenici come modelli animali per le malattie umane. Un grosso ostacolo all’ulteriore sviluppo di modelli animali è stato dimostrato dal fatto che finora nei topi è stato possibile integrare le cellule geneticamente manipolate nella linea germinale di un animale ricevente in modo così stabile da poter ereditare i cambiamenti genetici. Tuttavia, le differenze fisiologiche e anatomiche tra topi e esseri umani sono così grandi che i sintomi della modificazione genetica introdotta nei topi spesso non corrispondono al quadro clinico osservato nell’uomo. La clonazione mediante trasferimento nucleare mediante cellule somatiche apre la possibilità di indurre cambiamenti genetici mirati in diverse specie (targeting genico e knockout genico). Ciò consentirebbe anche per la prima volta di creare modelli di malattia in animali di grandi dimensioni transgenici che, a seconda della malattia da indagare, potrebbero essere superiori ai precedenti modelli di topi in termini di caratteristiche anatomiche, fisiologiche o genetiche. Si prevede generalmente che a medio termine ciò contribuirà a una migliore comprensione delle immagini cliniche delle malattie umane geneticamente causate e, sulla base di ciò, allo sviluppo di opzioni terapeutiche efficaci. La clonazione potrebbe anche fornire un contributo tecnico al trapianto di tessuto autologo e alla cosiddetta terapia cellulare. Il tessuto di trapianto ottimale è facile da caratterizzare: le sue cellule dovrebbero essere il più geneticamente identiche possibile a quelle del ricevente. Il sistema immunitario del paziente non lo riconoscerebbe più come estraneo e qualsiasi problema di rigetto sarebbe eliminato. Pertanto, una soluzione ottimale sarebbe quella di creare tessuto sostitutivo geneticamente identico. I risultati della ricerca indicano che questo obiettivo potrebbe ora essere raggiunto attraverso la clonazione basata sul trasferimento nucleare. In linea di principio, è concepibile un altro modo di coltivare il tessuto sostitutivo umano: con l’aiuto del metodo di trasferimento nucleare, si creerebbe un embrione precoce, dal quale si potrebbero ottenere cellule staminali embrionali pluripotenti in coltura. Tuttavia, non è stato ancora possibile ottenere tali cellule nell’uomo, nemmeno da embrioni creati in vitro. Inoltre, tale procedura richiederebbe la creazione e l’utilizzo eticamente e giuridicamente altamente problematici di un embrione umano, a meno che gli ovociti degli animali non possano essere utilizzati come destinatari dei nuclei cellulari. Ma questo sviluppo è ancora agli inizi e comporta problemi propri, soprattutto etici che sono anche gravi.

Un quarto settore in cui è concepibile l’uso di animali clonati (transgenici) è lo xenotrapianto (trapianto di organi animali nell’uomo). Tuttavia, per costruire “animali donatori”, fino a una dozzina di geni dovrebbero essere alterati nei suini, per esempio. Ciò è praticamente impossibile con i metodi convenzionali di modificazione genetica. La clonazione potrebbe ora consentire di fornire prima alle cellule in coltura i cambiamenti genetici desiderati prima che da esse si possa creare un animale geneticamente modificato moltiplicato con l’aiuto della clonazione basata sul trasferimento nucleare. Ma anche se l’animale donatore “ideale” potesse essere creato in questo modo, i problemi fondamentali del rifiuto probabilmente rimarrebbero. Non è inoltre chiaro se l’organo animale straniero svolga effettivamente la sua funzione nel ricevente umano. Rimane anche il problema dei virus animali che si adattano all’uomo, con la possibile conseguenza di epidemie.

Aspetti giuridici

Da un punto di vista giuridico, è particolarmente importante rispondere alla domanda su quali regolamenti disciplinano la clonazione animale in Germania (e all’estero) e a quali condizioni la clonazione è o non è legalmente consentita. La legge sulla protezione degli animali, ad esempio, non ha alcuna considerazione esplicita sulle tecniche di clonazione nella Repubblica federale di Germania. Tuttavia, la clonazione di animali potrebbe essere disciplinata dalle disposizioni della sezione 7, paragrafo 1, della legge sulla protezione degli animali, in quanto questo paragrafo contiene disposizioni sugli esperimenti sugli animali e le procedure di clonazione sono prevalentemente ancora in fase sperimentale. Tuttavia, l’applicazione e l’impatto di questo paragrafo sono discussi in modi molto diversi: se non si considera la de-nucleazione dell’ovulo come una modificazione genetica in senso giuridico, il trasferimento dell’ovulo nell’animale gestante non costituisce nemmeno un esperimento animale. Tuttavia, se si giunge alla conclusione che la clonazione mediante trasferimento nucleare rientra nelle disposizioni della sezione 7, paragrafo 1, frase 2 della legge sulla protezione degli animali, perché si tratta di interventi sul materiale genetico e, inoltre, gli esperimenti di clonazione possono essere associati a dolore o danno per gli animali geneticamente modificati (o per gli animali portante) , gli esperimenti di clonazione mediante trasferimento nucleare sarebbero chiaramente soggetti ad autorizzazione.

Da un punto di vista costituzionale, un divieto di clonazione nella Repubblica federale di Germania violerebbe i diritti fondamentali dei ricercatori e dei professionisti ai sensi dell’articolo 5, paragrafo 3 (libertà di ricerca) e dell’articolo 12, paragrafo 1, del GG (libertà di occupazione). Un divieto di clonazione o altre restrizioni alla clonazione costituirebbero inoltre un’ingerenza nella libertà scientifica costituzionalmente garantita. Una barriera costituzionale che potrebbe giustificare l’invasione ovviamente non esiste. Ai sensi dell’articolo 12, paragrafo 1, della legge fondamentale, un divieto di clonazione, ad esempio, sarebbe quindi incostituzionale, in quanto non sarebbe compatibile con il bene pubblico e non sarebbe coperto dalla riserva giuridica dell’articolo 12, paragrafo 1, frase 2 della legge fondamentale. La clonazione di animali è quindi ammissibile in linea di principio alle condizioni attuali ed è soggetta a restrizioni limitate ai sensi della legge valida. Un “obiettivo statale di protezione degli animali” non esclude l’uso di animali da parte dell’uomo di per sé, ma aumenta i requisiti per la giustificazione necessaria.

Aspetti etici

Diverse posizioni nella discussione sociale e nella valutazione della clonazione animale possono in parte essere ricondotte a diverse ipotesi di valore fondamentale. Questi determinano anche se la clonazione di animali è considerata di nuova qualità rispetto ai metodi convenzionali o ad altri nuovi metodi di allevamento. Alcune posizioni teologiche considerano la clonazione, ad esempio, come un intervento nella creazione a cui gli esseri umani non hanno alcun diritto. Coloro che attribuiscono agli animali un “valore intrinseco” o una “dignità del creato” considereranno generalmente la clonazione animale almeno moralmente problematica. Da un punto di vista antropocentrico, la questione della sicurezza dei prodotti prodotti con l’aiuto della procedura di clonazione e dei rischi ecologici (impoverimento della diversità genetica) e sociali (produzione di massa industriale, concentrazione di capitale, nuove relazioni di dipendenza) e i pericoli eventualmente associati al suo uso sono in primo piano. In considerazione della difficoltà di raggiungere un consenso morale, è necessario considerare quali principi etici dovrebbero guidare l’eventuale uso della clonazione animale.

Di norma, gli etici considerano gli obiettivi della ricerca e dell’applicazione biomedica di alta priorità se sono particolarmente urgenti o addirittura vitali per la salute umana e possono essere raggiunti solo con l’aiuto della clonazione di animali superiori. Gli obiettivi nel campo della ricerca di base possono anche essere considerati di alta priorità e giustificare la clonazione di animali superiori se non sono disponibili metodi alternativi. Tuttavia, se la clonazione dovesse essere associata a notevoli sofferenze per l’animale in questione, occorre esaminare se il semplice interesse dell’uomo per la conoscenza costituisca già un motivo sufficiente per giustificare o se le giustificazioni siano possibili solo per determinati obiettivi, vale a dire quando sono necessarie per evitare notevoli sofferenze umane. Gli obiettivi nel campo dell’allevamento del bestiame sono solitamente menzionati come subordinati agli obiettivi menzionati, a meno che non servano esplicitamente a garantire la base alimentare per l’uomo.

Conclusioni e opzioni d’azione

Nella ricerca applicata, la clonazione basata sul trasferimento nucleare apre nuovi modi per produrre animali transgenici. Alcune proteine terapeuticamente efficaci possono essere prodotte a buon mercato in questo modo. La produzione di tessuto sostitutivo autologo sembra promettente da un punto di vista medico ed etico, e le corrispondenti attività di ricerca sono quindi particolarmente meritevoli di sostegno. Non è chiaro se sarà possibile creare migliori modelli di esame per le malattie umane negli animali d’allevamento, ma a causa dell’importanza medica non trascurabile, gli sforzi dovrebbero essere intensificati e sostenuti anche in questo settore. Nel complesso, il vantaggio potenziale della clonazione basata sul trasferimento nucleare nei settori della ricerca e della medicina sembra essere relativamente elevato.

Da un punto di vista etico, una valutazione della clonazione animale deve in linea di principio basarsi sugli stessi criteri che sono (o dovrebbero essere) applicati all’allevamento tradizionale. A questo proposito, l’istituzione di una commissione etica nazionale, che dovrebbe occuparsi delle questioni morale-etiche del progresso della tecnologia biologica e biomedica nel suo complesso o delle conseguenze del progresso della biologia e della medicina in ambito non umano, è problematizzata anche in vari luoghi. Il suo compito sarebbe quello di consigliare i responsabili politici e informare il pubblico.

Introduzione

Il principio della sostenibilità o dello sviluppo sostenibile è oggetto di un’ampia gamma di attività internazionali, nazionali e locali, sforzi teorici, misure giuridiche e di pianificazione. Sono accompagnati da un’abbondanza quasi ingestibile di pubblicazioni e documentazione. Tuttavia, le questioni essenziali relative all’interpretazione di questo principio rimangono senza risposta.

Il principio di sostenibilità è ampiamente compreso sulla base della relazione del 1987 della Commissione mondiale per l’ambiente e lo sviluppo (il cosiddetto rapporto Brundtland), la cui definizione è spesso considerata lo standard: “L’umanità ha la capacità di rendere sostenibile lo sviluppo – di garantire che soddisfi le esigenze del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare le proprie esigenze. L’elemento centrale di questa concettualizzazione è la protezione dell’ambiente dal punto di vista della giustizia intergenerazionale e internazionale. Tuttavia, la relazione contiene una seconda definizione meno nota, che sottolinea i radicali cambiamenti sociali necessari e il carattere di processo dello sviluppo sostenibile: “Lo sviluppo sostenibile è (…) un processo di cambiamento in cui lo sfruttamento delle risorse, la direzione degli investimenti, l’orientamento dello sviluppo tecnologico e il cambiamento istituzionale siano resi coerenti con le esigenze future e presenti.

L’impegno dell’Europa per lo sviluppo sostenibile

Lo sviluppo sostenibile è stato per molti anni al centro della politica europea e i trattati europei riconoscono la dimensione economica, sociale e ambientale. La prosperità economica, l’efficienza, le società pacifiche, l’inclusione sociale e la responsabilità, con dignità per tutti nel loro ambiente, sono alla base dello sviluppo sostenibile. Lo sviluppo sostenibile è quindi una questione trasversale che riguarda tutti gli Stati. L’Europa è quindi obbligata a soddisfare le esigenze del presente e non deve rischiare che le generazioni future non siano in grado di soddisfare le proprie esigenze.
Garantire la sostenibilità è una sfida per l’Europa, perché spazia dalla disoccupazione giovanile, ai cambiamenti climatici, all’inquinamento, alle politiche energetiche e migratorie fino all’invecchiamento della popolazione. Dobbiamo prepararci alle sfide attuali e future e rispondere a cambiamenti globali rapidi e complessi e alle esigenze della popolazione in crescita nel mondo. Per preservare il modello sociale europeo e la coesione sociale, è essenziale investire nei nostri giovani, promuovere una crescita inclusiva e sostenibile, affrontare le disuguaglianze e gestire la migrazione con prudenza. La sostenibilità dei nostri sistemi sanitari e pensionistici sarà migliorata perseguendo politiche e riforme fiscali responsabili, perché se vogliamo proteggere il nostro capitale naturale, dobbiamo accelerare la transizione verso un’economia circolare competitiva a basse emissioni di carbonio, resiliente ai cambiamenti climatici ed efficiente sotto il profilo delle risorse. Pertanto, è necessario un forte impegno per la ricerca e l’innovazione per trasformare queste sfide in opportunità per nuove imprese e nuovi posti di lavoro.

Regolamentazione del comportamento ambientale

La comprensione del principio di sostenibilità è diffusa come standard dal rapporto della Commissione Mondiale per l’Ambiente e lo Sviluppo pubblicato nel 1987: “L’umanità ha la capacità di rendere sostenibile lo sviluppo – per garantire che soddisfi le esigenze del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare le proprie esigenze”.

L’equità intergenerazionale e internazionale fa della protezione ambientale un elemento centrale della concettualizzazione. Ma la relazione contiene una seconda definizione meno nota, che sottolinea i necessari cambiamenti sociali radicali e il carattere di processo dello sviluppo sostenibile: “Lo sviluppo sostenibile è ((…)) un processo di cambiamento in cui lo sfruttamento delle risorse, la direzione degli investimenti, l’orientamento dello sviluppo tecnologico e il cambiamento istituzionale sono resi coerenti con le esigenze future e presenti.

Il cosiddetto modello a tre pilastri è, tuttavia, la definizione più frequentemente utilizzata nel discorso sulla sostenibilità: “La sostenibilità è la concezione di uno sviluppo permanentemente sostenibile delle dimensioni economiche, ecologiche e sociali dell’esistenza umana. Questi tre pilastri della sostenibilità interagiscono tra loro e richiedono un coordinamento equilibrato a lungo termine.

La sostenibilità è orientata al futuro e allo stesso tempo utopica, cioè è un’utopia, ma non nel senso di “disattenzione illusoria” ma piuttosto “come espressione di una partenza verso un futuro offensivo orientato all’acquisizione di nuove prospettive” – soprattutto in vista del restringimento delle opzioni future da parte di problemi economici, ecologici e sociali.

L’Ue è pertanto impegnata in uno sviluppo che soddisfi le esigenze del presente senza rischiare che le generazioni future non siano in grado di soddisfare le proprie esigenze. Una vita dignità per tutti con le risorse disponibili su questo pianeta, caratterizzata da prosperità economica, efficienza, società pacifiche, inclusione sociale e responsabilità ambientale, è alla base dello sviluppo sostenibile.

Strumenti

Strumenti per l’applicazione della politica ambientale (pianificazione ambientale)

La politica ambientale si è sviluppata nei paesi industrializzati principalmente come reazione ad una forte crescita ambientale dell’industria all’inizio degli anni settanta del secolo scorso come un dipartimento governativo speciale. All’inizio si è limitata principalmente all’attività dello stato. Nel frattempo però sempre più protagonisti rilevanti per l’ambiente (i cosiddetti “stakeholders”) sono chiamati a rispondere delle questioni ambientali. Soprattutto la responsabilità diretta del produttore di (potenziali) problemi ambientali gioca un ruolo sempre più significativo. C’è anche la necessità di esercitare obiettivi e strategie ecopolitiche in altri dipartimenti: per esempio nella politica energetica, dei trasporti, dell’industria, dell’agricoltura o dell’edilizia. Gli strumenti eco-politici “duri” (come leggi e regolamenti) si affiancano ai metodi “morbidi” di controllo dei comportamenti.

Oltre alla legge ambientale, la pianificazione ambientale costituisce l’insieme centrale di strumenti, nella misura in cui la politica ecologica vuole avere effetto non solo come regolamentazione ma anche come politica formativa. La pianificazione ambientale può essere considerata come lo sviluppo di strategie ambientali sostenibili, che devono facilitare il raggiungimento di obiettivi di protezione ambientale regionali e/o settoriali entro un certo periodo di tempo: per esempio la riduzione delle emissioni di CO2 del 25% entro i prossimi dieci anni. Negli anni ottanta del secolo scorso il passaggio dei piani ambientali nazionali in Danimarca, Olanda e Finlandia ha giocato un ruolo pionieristico in questo. Quindi ci espanderemo prima sulle possibilità della pianificazione ambientale.

Per far rispettare i principi e gli obiettivi della politica ambientale due strumenti sono implementati nel quadro giuridico di molti stati all’interno dell’UE, cioè i diversi tipi di pianificazione ambientale e le diverse misure di regolamentazione del comportamento ambientale. La pianificazione ambientale è un importante mezzo di protezione precauzionale. Tale pianificazione ha luogo come un processo a più fasi, che coinvolge la registrazione della situazione attuale, la previsione degli sviluppi futuri e i conflitti di obiettivi e interessi. I piani possono assumere la forma di leggi, regolamenti statutari, statuti, regolamenti amministrativi o atti amministrativi, ognuno dei quali ha diverse conseguenze legali

Due forme di pianificazione ambientale sono dominanti: La cosiddetta “pianificazione globale”. Il compito della pianificazione globale riguardante l’ambiente è quello di determinare, esercitando la previsione, l’uso del suolo per scopi residenziali, economici e di svago per una certa area, indipendentemente da qualsiasi progetto specifico e non limitato ad alcun settore specifico. E la seconda è la pianificazione settoriale: Al contrario, la pianificazione settoriale riguarda l’ambiente e serve a stabilire piani di protezione ambientale. Sono principalmente i piani paesaggistici, i piani per l’aria pulita, i piani per l’abbattimento del rumore, i piani per la conservazione dell’acqua e i piani per la gestione dei rifiuti, che richiedono ulteriori misure di applicazione.

Un altro strumento importante per far rispettare le richieste della politica ambientale è la “valutazione dell’impatto ambientale” (EIA). L’obiettivo primario di questo strumento è quello di informare l’amministrazione in tempo utile e in modo completo sugli impatti ambientali dei progetti significativi per l’ambiente. La valutazione dell’impatto ambientale consiste nell’identificare, descrivere e valutare tutti gli impatti diretti e indiretti di un progetto pianificato sull’ambiente, comprese le interazioni ecologiche, in tempo utile, permettendo così l’adozione di misure precauzionali, attraverso tutti i media e settori, e coinvolgendo il pubblico.

Strumenti per regolare il comportamento ambientale

Il comportamento ambientale è forse l’obiettivo più importante per la politica e l’educazione ambientale. Ci sono alcuni strumenti per regolare il comportamento ambientale. Si deve distinguere tra forme dirette e indirette di regolamentazione:

La regolamentazione diretta del comportamento riguarda le misure legali progettate per influenzare immediatamente il comportamento ambientale. Lo strumento “classico” di questo tipo è la legge di regolamentazione ambientale, che ha origine dal diritto di polizia e di regolamentazione e generalmente punisce l’inosservanza imponendo sanzioni. Di conseguenza, le azioni con impatto ambientale negativo sono soggette al controllo amministrativo, che è caratterizzato da requisiti legali di notifica, registrazione, licenza, autorizzazione, approvazione e altre procedure di concessione del permesso di intraprendere tale attività. Inoltre, la regolamentazione diretta si esercita anche attraverso la proibizione esplicita (assoluta) o l’obbligo di determinati comportamenti per legge.

Principi per le misure politiche e giuridiche

È importante distinguere e spiegare i principi che guidano il diritto ambientale sia in un quadro nazionale che internazionale e capire il significato di “sostenibilità ambientale” e “sviluppo sostenibile” nel contesto della protezione della natura Il diritto ambientale serio e sostanziale deve essere guidato da alcuni principi di alto livello. Per molti regolamenti internazionali e nazionali nel campo del diritto ambientale all’interno dell’Unione Europea (per esempio in Germania), quattro principi fondamentali sono la base per tutti i processi di legiferazione ambientale: il principio di precauzione, il principio “chi inquina paga”, il principio dello sviluppo sostenibile (riguardante l’integrazione della protezione ambientale e dello sviluppo economico) e il principio di cooperazione.

Altri principi sono spesso menzionati, che completano i quattro principi principali o li definiscono in modo particolare. Alcuni esempi sono i diritti procedurali ambientali, le responsabilità comuni ma differenziate, l’equità internazionale e intergenerazionale, l’interesse comune dell’umanità e il patrimonio comune.

Principio di precauzione

Alla sua origine, il principio di precauzione è piuttosto un principio politico che filosofico ed è stato introdotto per la prima volta come “Vorsorgeprinzip” (principio di precauzione) nell’area di lingua tedesca. È stato incorporato in diversi testi giuridici nazionali e trattati o dichiarazioni internazionali. Per Sandin ha dato una buona definizione: “Il messaggio di base del principio di precauzione è che in alcune occasioni dovrebbero essere adottate misure contro un possibile pericolo anche se le prove disponibili non sono sufficienti a considerare l’esistenza di tale pericolo come un fatto scientifico”. Si può quindi affermare che il principio di precauzione si basa sull’individuazione dei rischi e sull’incertezza scientifica. Di conseguenza, l’onere della prova (che un’azione possa causare gravi danni al pubblico o all’ambiente) ricade su coloro che invocano misure volte a prevenire tale danno. Ogni volta che si possono prevedere danni plausibili per la società o per l’ambiente, si dovrebbe applicare il principio di precauzione. Ma spesso non è chiaro se un’azione pianificata causerà o meno danni al pubblico o all’ambiente, perché il possibile impatto delle azioni umane sull’ambiente o sulla salute umana dipende spesso dalla dinamica di sistemi complessi, quindi le reali conseguenze delle azioni possono essere imprevedibili. Pertanto è necessaria un’ulteriore ricerca scientifica, ma anche cautela se un’azione attuale interviene in sistemi complessi (umani o naturali).

Oggi il principio di precauzione è incorporato in molti contratti e trattati europei e internazionali. Nella sua relazione sull’ambiente del 1976, ad esempio, il governo federale tedesco descrive il principio di precauzione come segue: la politica ambientale non si limita a scongiure i pericoli imminenti e a porre rimedio ai danni già verificatisi. La politica ambientale precauzionale richiede inoltre che l’ambiente naturale sia protetto e trattato con cura. Il principio di precauzione è contenuto in una serie di disposizioni ambientali e comporta anche la conservazione delle risorse oltre alla precauzione del rischio.

Il principio di precauzione è particolarmente importante nelle normative giuridiche e nelle decisioni relative ai potenziali rischi per la salute pubblica, come la commercializzazione di alimenti geneticamente modificati, l’uso di ormoni della crescita nell’allevamento del bestiame o misure per prevenire la malattia della “mucca pazza”.

Tuttavia, in casi reali, i responsabili politici devono spesso lottare per la mancanza di informazioni scientifiche valide o per conflitti irriducibili tra gli interessi delle diverse parti interessate. A volte è molto difficile stimare o valutare il danno potenziale e trovare un compromesso politico accettabile. Ad ogni modo, un’applicazione rigorosa del principio di precauzione dovrebbe essere evitata quando non si è a conoscenza sufficiente dell’eventualità che vi sia un rischio reale potenziale da un prodotto innovativo o da un’attività o meno. In questo caso il principio potrebbe essere adottato in modo smodato come un divieto assoluto di tutte le azioni, che potrebbero bloccare ogni innovazione e progresso tecnologico.

Principio “chi inquina paga” (rispetto al principio “chi paga alla comunità”)

Il principio “chi inquina paga” stabilisce che quello che causa l’impatto ambientale è ritenuto principalmente responsabile, materialmente e finanziariamente, della protezione dell’ambiente ed è necessario per prevenire, correggere o compensare finanziariamente tale impatto. Ma sorge un problema nei casi di inquinamento ereditario in cui le parti responsabili spesso non possono essere ritenuti responsabili e — se nessun’altra parte può essere ritenuta responsabile — il pubblico deve sostenere i costi. In tali casi il principio “chi inquina paga” sarebbe sostituito dal principio “chi paga la comunità”.

Nel diritto ambientale, viene emanato il principio “chi inquina paga” per responsabilizzare il responsabile della produzione di inquinamento per il pagamento dei danni causati all’ambiente naturale. È considerata un’usanza generale per il forte sostegno che ha ricevuto nella maggior parte dei paesi dell’Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE) e della Comunità europea (CE). Nel diritto internazionale dell’ambiente è menzionato nel principio 16 della dichiarazione di Rio sull’ambiente e lo sviluppo (1992).

Il principio “chi inquina paga” è un elemento importante della politica ambientale e influenza, ad esempio, le misure politiche per la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. Spesso questo principio sarà applicato come la cosiddetta “responsabilità estesa dell’inquinatore” (EPR). Questo concetto è stato probabilmente formulato per la prima volta dal governo svedese nel 1975. Ad esempio, l’EPR può contribuire a trasferire la responsabilità di trattare i rifiuti dai governi e dai contribuenti ai veri produttori di rifiuti. L’OCSE definisce l’EPR come: un concetto in cui i produttori e gli importatori di prodotti dovrebbero assumersi un grado significativo di responsabilità per l’impatto ambientale dei loro prodotti durante l’intero ciclo di vita del prodotto, compresi gli impatti a monte inerenti alla selezione dei materiali per i prodotti, gli impatti del processo di produzione stesso dei produttori e gli impatti a valle dell’uso e dello smaltimento dei prodotti. I produttori si assumono la responsabilità quando progettano i loro prodotti per ridurre al minimo gli impatti ambientali del ciclo di vita e quando si assumono la responsabilità legale, fisica o socioeconomica per gli impatti ambientali che non possono essere eliminati dalla progettazione.

Il principio di sostenibilità (sviluppo sostenibile)

Un altro principio importante è quello dello sviluppo sostenibile, che può essere visto come un’istanza dell’applicazione del principio di precauzione alle risorse. Questo principio è un modello di utilizzo delle risorse che mira a soddisfare i bisogni umani preservando l’ambiente in modo che questi bisogni possano essere soddisfatti non solo nel presente, ma anche per le generazioni future. Il termine “sviluppo sostenibile” è stato usato per la prima volta dalla Commissione Brundtland (1987), che ha dato la più famosa definizione di sviluppo sostenibile come sviluppo che “soddisfa i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri bisogni” (Nazioni Unite 1987).

Il termine “sviluppo sostenibile” cerca di combinare le risorse e i processi dei sistemi naturali con i bisogni umani e le attività economiche dei sistemi sociali. Già negli anni ’70 il termine ‘sostenibilità’ era stato usato per un’economia “in equilibrio con i sistemi di supporto ecologico di base”. Sulla base dell’idea di sostenibilità e secondo le allarmanti tesi di “The Limits to Growth” molti ecologisti cercarono di creare il nuovo concetto di “economia di stato stabile”, specialmente per quanto riguarda le preoccupazioni ambientali. In questo contesto, lo “sviluppo sostenibile” non si riferisce solo alle questioni ambientali, ma tiene conto anche di considerazioni sociali ed economiche: la risoluzione dei conflitti tra diversi obiettivi concorrenti e parti interessate, e l’armonizzazione della crescita economica e del benessere sociale con la qualità ambientale. Il concetto di sviluppo sostenibile – sia della natura che della società – sottolinea che la sopravvivenza dell’umanità dipende essenzialmente dalla sopravvivenza della natura (o dell’ambiente naturale), perché il benessere economico e socio-culturale è direttamente collegato al benessere della natura – risorse, piante, animali, ecc. In definitiva, lo sfruttamento e il degrado della natura possono portare all’incapacità di mantenere la vita umana e persino all’estinzione del genere umano. La teoria dello sviluppo sostenibile si basa quindi sul presupposto che le società devono gestire tre forme di capitale non sostituibile: capitale economico, sociale e naturale.

Può darsi che possiamo trovare il modo di sostituire alcune risorse naturali, ma è improbabile che saremo mai in grado di sostituire i servizi forniti dall’ecosistema: per esempio, proteggerci dalle pericolose radiazioni cosmiche con uno strato di ozono intatto, o fornirci sufficiente ossigeno come fanno le foreste tropicali o le alghe degli oceani. La multifunzionalità di molte risorse naturali e anche la biodiversità sono insostituibili. Inoltre, il deterioramento delle risorse naturali e la perdita di servizi naturali (per esempio l’assorbimento di nutrienti da parte di un lago) sono spesso processi irreversibili – come la perdita della diversità etnica e culturale (per esempio le lingue indigene). Perciò solo uno sviluppo sostenibile può garantire entrambi: la protezione di un ambiente intatto e funzionale e la sopravvivenza e il benessere degli esseri umani.

Principio di cooperazione

“Il principio di cooperazione sottolinea che la protezione dell’ambiente è responsabilità di tutta la società e non solo dello Stato: di conseguenza, tutte le parti della società e dello Stato sono chiamate a cooperare” (Knopp 2008: 49) Il principio di cooperazione è il più debole dei quattro principi ambientali e difficilmente può essere considerato come il soddisfacimento dei requisiti richiesti da un principio guida del diritto.

Altri principi del diritto ambientale nazionale e internazionale

Oltre ai quattro principi fondamentali, ce ne sono molti altri che guidano il diritto ambientale nazionale e internazionale, come il “principio del grandfathering” o il “principio secondo cui l’azione non può comportare un deterioramento significativo delle condizioni ambientali”. Da ultimo, ma non meno importante, dovremmo anche menzionare il principio della protezione ambientale transfrontaliera: questo principio rispecchia l’idea che i problemi ambientali non si fermano alle frontiere nazionali. Ad esempio, questo principio è alla base di gran parte della direttiva quadro sulle acque dell’Unione europea, in cui copre la gestione attraverso i confini delle risorse idriche nei bacini fluviali naturali.

Le leggi ambientali nazionali e internazionali si basano spesso sui principi sopra indicati, in particolare sul principio transfrontaliero. Questo è importante, perché molti problemi ambientali sono problemi di attraversamento delle frontiere, ad esempio il cambiamento climatico, l’inquinamento delle acque marine e dell’aria.

Regolamentazione del comportamento ambientale

Strumenti per l’applicazione della politica ambientale (pianificazione)

La politica ambientale si è sviluppata nei paesi industrializzati principalmente come reazione alla crescita molto intensa dell’industria ambientale all’inizio degli anni ’70 in dipartimenti governativi speciali. All’inizio la politica si è limitata principalmente all’attività dello Stato. Nel corso degli anni, tuttavia, sempre più protagonisti con interessi nel campo dell’ambiente (i cosiddetti “stakeholder”) sono chiamati a rispondere delle questioni ambientali. In particolare, la responsabilità del produttore di (potenziali) problemi ambientali sta diventando sempre più significativa. C’è anche la necessità di esercitare obiettivi e strategie ecopolitiche in altri dipartimenti, per esempio, nella politica per l’energia, i trasporti e l’industria, l’agricoltura, l’edilizia e la costruzione. Gli strumenti ecopolitici “duri” (come le leggi e i regolamenti) coesistono con i metodi “morbidi” di controllo dei comportamenti (come l’educazione degli ingegneri sulla consapevolezza ambientale), per esempio, nel caso di progetti che coinvolgono molti attori privati o il pubblico.

Oltre al diritto ambientale, le forme di pianificazione ambientale sono un insieme centrale di strumenti nella misura in cui la politica ambientale cerca di operare non solo come uno strumento normativo ma anche formativo. La pianificazione ambientale può essere considerata come lo sviluppo di strategie ambientali sostenibili per facilitare il raggiungimento di obiettivi regionali o settoriali di protezione ambientale entro un certo periodo di tempo, per esempio, la riduzione delle emissioni di CO2 del 25% entro i prossimi dieci anni. Negli anni ’80 l’attuazione di piani ambientali nazionali in Danimarca, Paesi Bassi e Finlandia ha giocato un ruolo pionieristico in questo senso. Perciò, prima ci soffermeremo sulle possibilità della pianificazione ambientale.

Per far rispettare i principi e gli obiettivi della politica ambientale due strumenti sono implementati nel quadro legale di molti stati all’interno dell’UE, cioè diversi tipi di pianificazione ambientale e diverse misure per regolare il comportamento ambientale.

La pianificazione ambientale fornisce un importante mezzo di protezione precauzionale. La pianificazione avviene come un processo a più fasi, che coinvolge la registrazione della situazione attuale e la previsione degli sviluppi futuri; inoltre, deve prendere in considerazione possibili conflitti di interesse.

I piani possono assumere la forma di leggi, regolamenti statutari, statuti, regolamenti amministrativi o atti amministrativi, ognuno dei quali ha diverse conseguenze legali. Inoltre, la pianificazione ambientale può comportare una pianificazione globale o una pianificazione settoriale. Due forme di pianificazione ambientale sono dominanti, la pianificazione globale. Il compito della pianificazione globale è “determinare, mentre si esercita la lungimiranza, l’uso della terra per scopi residenziali, economici e di svago per una certa area, indipendentemente da qualsiasi progetto specifico e non limitato ad alcun settore specifico” e la pianificazione settoriale. Al contrario, la pianificazione settoriale serve a stabilire piani di protezione ambientale per settori specifici, principalmente il paesaggio, l’aria pulita, la riduzione del rumore, la conservazione dell’acqua e la gestione dei rifiuti, che richiedono ulteriori misure di applicazione

Un altro importante strumento per far rispettare le richieste della politica ambientale è la valutazione dell’impatto ambientale (EIA). L’obiettivo primario di questo strumento è “informare l’amministrazione in modo completo e in tempo utile sugli impatti ambientali di progetti significativi per l’ambiente”. La VIA serve a identificare, descrivere e valutare in tempo utile tutti gli impatti diretti e indiretti di un progetto pianificato sull’ambiente, comprese le interazioni ecologiche, permettendo così di prendere misure precauzionali in tutti i mezzi e settori, e coinvolgendo il pubblico.

Strumenti per regolare il comportamento ambientale

Il comportamento ambientale è forse l’obiettivo più importante per la politica ambientale e l’istruzione. Esistono vari strumenti per regolare il comportamento ambientale, che possono essere distinti come forme dirette o indirette di regolazione: come (1) regolazione diretta e (2) regolazione indiretta del comportamento.

Regolazione diretta del comportamento

La regolamentazione diretta del comportamento si riferisce a misure legali progettate per influenzare immediatamente il comportamento ambientale. Lo strumento tradizionale di questo tipo è la legge di regolamentazione ambientale, “che ha origine dal diritto di polizia e di regolamentazione e generalmente punisce l’inosservanza imponendo sanzioni”. Di conseguenza, le azioni con impatto ambientale negativo sono soggette al controllo amministrativo, che è caratterizzato da requisiti legali di notifica, registrazione, licenza, autorizzazione, approvazione e altre procedure di concessione del permesso di intraprendere tale attività. Inoltre, la regolamentazione diretta si esercita anche attraverso la proibizione o l’imposizione esplicita di determinati comportamenti per legge.

I divieti legali assoluti (ad esempio in Germania secondo la legge federale sulla protezione della natura, 2002, §§ 23 [2], 42 [1] e [2]), vietano direttamente certi comportamenti con impatto negativo sull’ambiente. Tuttavia, i legislatori impiegano solo raramente misure di questo tipo. Al contrario, le procedure di autorizzazione sono lo strumento chiave dell’attuale legge di regolamentazione ambientale in molti stati europei. I progetti soggetti ad autorizzazione sono strettamente proibiti senza autorizzazione. La costruzione o il funzionamento di un’installazione di importanza ambientale, l’uso di mezzi ambientali o la produzione e la distribuzione di certi prodotti possono essere tutti soggetti a un permesso”. Così un permesso è un atto amministrativo costitutivo in quanto concede al richiedente il diritto di impegnarsi legalmente in un’attività altrimenti proibita. Il diritto ambientale comprende una serie di cosiddetti obblighi ambientali, di cui gli obblighi di base sono di particolare importanza. Essi impongono determinati obblighi a tutti o a un certo gruppo di persone. Normalmente, questi obblighi di base implicano misure preventive e precauzionali, in particolare la conservazione delle risorse (ad esempio l’acqua o il suolo). Oltre a questi obblighi di base, ci sono “numerosi obblighi collaterali che possono andare a beneficio dell’ambiente, come gli obblighi di promozione e prestazione, gli obblighi di monitoraggio e protezione, gli obblighi di cooperazione e di divulgazione continua delle informazioni, gli obblighi organizzativi e gli obblighi di tollerare certe azioni.

Regolamentazione indiretta del comportamento

La regolamentazione indiretta del comportamento non si basa su norme che impone il comportamento, ma mira a influenzare la motivazione: vengono forniti incentivi per comportamenti rispettosi dell’ambiente lasciando al destinatario la discrezionalità. I mezzi di regolamentazione indiretta comprendono in particolare strumenti informativi, strumenti economici, come i certificati dei prelievi e le sovvenzioni.

L’informazione, i ricorsi e le avvertenze significano che, secondo la legge tedesca sull’informazione ambientale (1994), fornire libero accesso alle informazioni ambientali è considerato un mezzo per sensibilizzare i cittadini e le autorità pubbliche sulla necessità di proteggere efficacemente l’ambiente. Questi mezzi di sensibilizzazione ambientale vanno dagli appelli politici e morali alle avvertenze, alle raccomandazioni e ad altre forme di informazione, come le etichette e le informazioni sui prodotti e sull’utilizzo. I mezzi più importanti per regolamentare indirettamente i comportamenti sono i prelievi ambientali. “Vengono intasate un prezzo sull’uso dell’ambiente e lasciano agli operatori del mercato il diritto di decidere se e come reagire in base alle loro analisi individuali costi-benefici”. In pratica, l’incapacità di influenzare con precisione il comportamento attraverso i prelievi ambientali può porre un problema. Se sono troppo bassi, gli inquinatori opteranno per il pagamento del prelievo invece di alterare i comportamenti dannosi per l’ambiente. Se i prelievi sono fissati a livelli troppo elevati, possono ostacolare la competitività economica. Ad esempio, nel 2012 in Germania vengono riscossi i seguenti oneri rilevanti dal punto di vista ambientale, ad esempio le tasse sulle acque reflue, le tasse compensative ai sensi della legge sulla conservazione della natura e le tasse sulla protezione delle foreste in vari Stati tedeschi, i diritti di estrazione delle acque in alcuni Stati tedeschi (‘penny dell’acqua’) e le spese di trasporto dei rifiuti (diritto dei consumatori).

I prelievi ambientali possono essere imposti sotto il 100% delle imposte, delle tasse e dei contributi per le prestazioni sostenute e dei prelievi speciali. Concedere vantaggi agli utenti di prodotti rispettosi dell’ambiente significa che “benefici per l’uso” si riferisce a disposizioni che alleviano o sollevano le limitazioni generali imposte all’uso di prodotti dannosi per l’ambiente nel caso di prodotti conformi a norme che, sebbene non richieste dalla legge, sono considerate auspicabili, rendendo così tale prodotto più rispettoso dell’ambiente rispetto ad altri dello stesso tipo. “Sebbene questo strumento non comporti incentivi finanziari a medio e lungo termine, ci si può attendere cambiamenti nel comportamento dei consumatori che potrebbero portare all’esostensimento dal mercato di prodotti più dannosi per l’ambiente”.

O le sovvenzioni, ciò significa fornire assistenza finanziaria è una forma di regolamentazione del comportamento indiretto. Le sovvenzioni sono vantaggi monetari o non monetari concessi dallo Stato, senza che alcun prodotto o servizio sia fornito in cambio. Le sovvenzioni sono generalmente viste con scetticismo, in quanto sono considerate soggette ad abusi e vengono gravate sul pubblico in termini di costi della protezione ambientale. Nell’Unione europea si è tendeta a ridurre le sovvenzioni per la protezione dell’ambiente.

Infine, l’idea dei certificati ambientali si basa su una forma di controllo quantitativo compatibile con il mercato da parte dello Stato. I regimi basati su certificati non prendono come punto di partenza i prezzi, ma definiscono un livello ammissibile per un certo uso futuro dell’ambiente in termini quantitativi, lasciando la formazione del processo al mercato. Questo strumento è stato utilizzato per la protezione del clima ai sensi del Protocollo di Kyoto. Le quote di emissione assegnate concedono al titolare il diritto di inquinare l’ambiente solo in una certa misura. Se il conduttore inquina l’ambiente in misura inferiore a quella consentita, il conduttore può vendere le quote di inquinamento non utilizzate ad un altro inquinatore. “Le imprese possono quindi scegliere di ridurre le emissioni dei loro impianti o di acquisire quote di emissione aggiuntive da altre imprese che sono state in grado di ridurre le emissioni a costi inferiori”. L’esperienza futura dimostrerà se questo strumento avrà davvero successo nella riduzione delle emissioni di gas a effetto serra. Gli strumenti economici stanno acquisendo sempre maggiore importanza come complemento al diritto normativo ambientale. Non esiste una risposta unica alla domanda su quale sia in realtà la scelta “corretta” degli strumenti al fine di raggiungere un adeguato equilibrio tra i vari interessi degli utenti ambientali, gli interessi dei vicini interessati, gli interessi dei cittadini e la protezione dell’ambiente. I legislatori e le amministrazioni sono quindi in ultima analisi costretti a fare affidamento su tentativi ed errori per giungere a una decisione appropriata.

La Strategia Multidimensionale di Sostenibilità

La giustizia sociale, la prosperità e la pace, con la natura per superare le crisi globali, devono essere visti come tre obiettivi di sostenibilità interconnessi e con lo stesso peso. Ma rimane poco chiaro come rendere una strategia di sostenibilità multidimensionale politicamente praticabile sia nei singoli paesi che nella comunità globale. C’è infatti un grande pericolo che questa promettente strategia sociale finisca nelle vicinanze dell’utopia e del wishful thinking basato solo su basi normative morali.

Una strategia di sostenibilità integrativa in senso globale riguarda prima di tutto il coordinamento delle diverse prospettive di vita basate sulle norme di individui, gruppi sociali, nazioni, generazioni presenti e future. Nel processo di ricerca e formazione di uno sviluppo globalmente sostenibile, dovranno essere raggiunti innumerevoli accordi, sia all’interno della società che a livello internazionale, che dovranno essere moralmente motivanti per tutti gli attori coinvolti.  Così motivanti, infatti, che questi accordi potrebbero raggiungere un grado di forza vincolante che permetterebbe di punire con sanzioni eventuali violazioni degli accordi. Il consenso da raggiungere va quindi al di là del semplice coordinamento di prospettive diverse, basate su criteri normativi: esso presuppone piuttosto un quadro etico generalmente accettato, nonché principi e norme eticamente validi per tutti i partecipanti. In altre parole: La sostenibilità ha bisogno di un’etica guida moralmente adeguata, politicamente praticabile e pluralistica che sia socialmente e spazialmente e temporalmente trascendente, che abbia un alto livello di accettazione paragonabile alle libertà fondamentali, e che permetta di sviluppare standard operativi e mirati e dettagliati per le dimensioni della sostenibilità ecologica, economica, sociale, politica e culturale. Tuttavia, questa etica è mancata fino ad oggi.

Proprio a causa della mancanza di un’etica accettabile della sostenibilità, l’incertezza di formulare regole di sostenibilità sociale ed economica e di giustificare passi di azione moralmente consensuali rimane molto alta. Inoltre, la mancanza di un’etica della sostenibilità accettabile e completa favorisce l’attuale dominanza di considerazioni unidimensionali, ecologico-economiche nel dibattito sulla sostenibilità e allo stesso tempo ostacola il coordinamento, la cooperazione e l’adattamento reciproco di promettenti approcci di sostenibilità effettivamente integrativi e dei loro rispettivi obiettivi.

Anche il dibattito sull’etica, originariamente condotto indipendentemente dal dibattito sulla sostenibilità, non ha ancora fornito alcun impulso decisivo, sebbene le conseguenze irreversibili dello sviluppo scientifico e tecnologico abbiano innescato un vivace dibattito etico sulla responsabilità del presente nei confronti delle generazioni future. A questo dibattito è seguita la discussione sulla giustizia ecologica e, più recentemente, sulla sostenibilità. Comprensibilmente, il primo passo in questa discussione è esaminare la misura in cui l’etica della giustizia precedentemente accettata può essere applicata alla giustizia ecologica. Il magro risultato di questa discussione è stato, tuttavia, pre-programmato. Le comuni etiche di giustizia soffrono della monodimensionalità del loro quadro di riferimento. In esse, la giustizia sociale è un parametro di qualche altro obiettivo generale.

• Nell’utilitarismo, la giustizia sociale dipende dalla massimizzazione dell’utilità totale;
• nel marxismo, la giustizia sociale è possibile solo in una società comunista, cioè quando le condizioni per l’uguaglianza di tutte le persone sono state storicamente stabilite;
• e nel liberalismo, la giustizia sociale è un parametro dell’obiettivo delle maggiori libertà fondamentali possibili.

Vista in questa luce, queste etiche sono già inadeguate a trattare la giustizia sociale come un obiettivo socio-politico indipendente e immediato. Le loro inadeguatezze diventano ancora maggiori, e la loro forza vincolante per la politica diventa più debole, se dovessero anche fornire standard morali di valore per ulteriori e qualitativamente nuove dimensioni di giustizia, come la giustizia ecologica, internazionale e intergenerazionale.

Si pone quindi la domanda se sia concepibile un’etica diversa che tenga conto delle esigenze della sostenibilità integrativa. Secondo l’opinione dell’autore e sulla base delle sue intuizioni finora acquisite, che naturalmente hanno un carattere provvisorio, le pari opportunità come un’etica universalistica concepita in modo indipendente potrebbero colmare la lacuna di orientamento dimostrabilmente esistente. Il nucleo delle sue considerazioni è la definizione di pari opportunità come “uguali condizioni di partenza per gli individui, i gruppi sociali, i popoli di diverso colore, religione, cultura, lingua, per le persone di diverso sesso, e per le diverse generazioni di determinare i propri bisogni, stili di vita e opzioni, e di avere uguale accesso a risorse naturali, beni e posizioni. L’uguaglianza di opportunità è una condizione che deve essere costantemente ristabilita contro le tendenze di disuguaglianza sia storicamente evolute che recentemente emergenti”.

Tuttavia, è necessario argomentare più in dettaglio se e in che modo l’uguaglianza delle opportunità, intesa in questo modo come un’etica universale orientata all’azione, possa dare un contributo centrale al superamento dei deficit sopra delineati per una politica di sostenibilità inclusiva. Le seguenti considerazioni sono prese come punto di partenza: La conclusione dell’opinione liberale prevalente che la realizzazione dell’uguaglianza di opportunità “proprio a causa dell’universalità di principio del riferimento individuale non può essere specificata in termini di contenuto” e che “la magia e il fascino, la seduttività e la vaghezza” rendono questo concetto “universalmente e integralmente utilizzabile come termine di lotta politica” non è logicamente affatto convincente. Ogni società individualista organizzata deve seguire norme e regole generali nell’interesse di tutti gli individui.  L’universalità dell’idea di uguaglianza di opportunità consiste precisamente nel fatto che gli individui si animano reciprocamente e assumono obblighi tra di loro. Corrisponde alle norme morali e alla logica concettuale del principio secondo cui nessun individuo può pregiudicare interamente le opportunità di altri individui nel senso dell’imperativo categorico di Kant “agisci in modo tale che la massima della tua volontà possa allo stesso tempo in qualsiasi momento essere considerata come il principio di una legislazione generale”. Inoltre, la condizione sostanziale oltre che indispensabile dell’uguaglianza di opportunità è l’uguaglianza delle condizioni di partenza. Questa condizione è moralmente e logicamente parte integrante del principio.

L’esclusione di disuguaglianze, fortune e posizioni storicamente cresciute, che non sono sorte per merito proprio ma per assegnazione, preclude la realizzazione dell’uguaglianza di opportunità. A questo proposito, l’assunzione della vaghezza e della completa apertura del principio alla pratica politica è arbitraria e deriva piuttosto dalla concezione della giustizia dello stesso liberalismo classico. L’uguaglianza di opportunità può essere interpretata non solo in senso intragenerazionale, ma anche in senso universale intergenerazionale. L’imperativo categorico di Kant, in senso stretto, diventa normativamente consequenziale solo attraverso un’etica delle pari opportunità, superando così la sua reputazione di principio meramente formale con cui non si possono fornire giustificazioni di fini o massime particolari. Per quanto riguarda la sua portata intergenerazionale universale, l’idea di pari opportunità tiene anche conto del dilemma di legittimità spesso problematizzato dagli etici ma non risolto: Ogni società avrebbe le proprie idee sui bisogni e sul benessere. Le generazioni attuali non avrebbero il diritto di definire i bisogni delle generazioni future e, inoltre, di prescrivere loro le condizioni tecnologiche e sociali.  A questa obiezione non si può negare una giustificazione morale comprensibile.

La svolta positiva di questa obiezione, tuttavia, porta alle massime morali di azione per le generazioni presenti che permettono alle generazioni future pari opportunità di utilizzare la natura secondo le loro idee di necessità, benessere e felicità. “La nostra ignoranza non deve servire da giustificazione per limitare le possibilità di vita di quelli che verranno”.

Argomenti pesanti condensano e sostengono quindi l’idea che l’uguaglianza di opportunità può essere resa fruttuosa come fondamento di una teoria sociale della sostenibilità integrale che trascende lo spazio e il tempo attraverso le discipline. Le pari opportunità come etica universale e la sostenibilità integrativa come quadro d’azione multidimensionale richiedono un approccio inter o transdisciplinare (socioeconomico, ecologico, di scienze politiche, sociologico e filosofico).

I seguenti principi, ancora preliminari, sono considerati fondamentali per specificare e realizzare le pari opportunità

• Principio di libertà: Ogni essere umano ha lo stesso diritto al sistema totale più esteso possibile di libertà di base uguali per tutti. Una libertà meno estesa deve rafforzare il sistema complessivo di libertà per tutti (primo principio di Rawls).

• Principio di diversità: Ogni essere umano ha il diritto di coltivare e mantenere caratteristiche specifiche proprie, come l’attitudine, lo stile di vita e la pianificazione della vita, e di utilizzarle nel senso della propria autorealizzazione.
• Principio di autonomia: Ogni persona ha diritto ai frutti del proprio lavoro (l’idea di autoproprietà secondo il liberalismo classico e il marxismo).
• Principio di libertà di accesso: ogni persona ha lo stesso diritto di accesso alle risorse naturali e alle posizioni sociali. Una limitazione di questo diritto deve portare al rafforzamento dello stesso per tutte le persone che vivono nel presente così come per le generazioni future.
• Principio di cura: Ognuno è obbligato a prendersi cura delle persone svantaggiate e dipendenti. La limitazione dell’autonomia accettata in questo processo deve rafforzare il sistema generale di autonomia per tutti. La definizione delle pari opportunità e la formulazione dei suoi principi sono preliminari. Resta da verificare fino a che punto sia la definizione di pari opportunità che i suoi singoli principi siano completi, fino a che ogni singolo principio sia coerente in se stesso e questi insieme possano essere integrati in un concetto globale, e infine se questi singoli principi possano essere sostenuti anche antropologicamente.

La questione della gerarchia di questi principi deve rimanere aperta per il momento; se una gerarchia valutativa o una classifica uguale sia moralmente convincente richiede un’indagine dettagliata, anche se c’è già molto per suggerire che questi principi dovrebbero stare in un rapporto indissolubile tra loro. Tuttavia, ci sono prove sufficienti per l’ipotesi che l’uguaglianza di opportunità soddisfi i requisiti di un’etica multidimensionale e la politica della sostenibilità integrale molto più fortemente dell’etica della giustizia conosciuta finora. Essa è concepita come un ulteriore sviluppo integrativo di quelle comuni etiche di giustizia in cui o il principio di uguaglianza o il principio di libertà sono assolutamente dominanti. La libertà, l’autonomia, l’autorealizzazione e la cura, la giustizia della realizzazione e la giustizia del bisogno danno all’uguaglianza delle opportunità un’idoneità morale e una capacità politica del più alto ordine.