Nanomaterialien im Alltag - Den Umgang mit Nanomaterialien sicher gestalten - BMBF
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
KOLUMNE 1 Nanomaterialien im Alltag Den Umgang mit Nanomaterialien sicher gestalten
1
Inhaltsverzeichnis
Vorwort2
Nanomaterialien im Alltag 3
Warum ist klein so besonders? 4
„Ein Tag mit Nano" – Wie uns Nanotechnologie beeinflusst��������������������������������������������������������������������������������������� 5
Technische Nutzung von Nanomaterialien zum Wohl des Menschen������������������������������������������������������������������������ 6
Strapazierfähige und geruchsarme Textilien�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������6
Optimierter UV-Schutz für unsere Haut��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������6
Ressourceneffiziente Kunststoffe.......................................................................................................................................7
Wasserabweisende und selbstreinigende Oberflächen.................................................................................................7
Nanomedikamente und mehr..............................................................................................................................................8
Die Revolution im IT-Sektor.................................................................................................................................................8
Zur Sicherheit von Nanomaterialien 9
Fortschritt und Risiko – ein untrennbares Paar��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 9
Neuigkeiten aus der Sicherheitsforschung����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 9
Nanopartikel am Arbeitsplatz messen............................................................................................................................ 10
Die Lunge als Eintrittspforte.............................................................................................................................................. 12
Kohlenstoffnanoröhren: Besser als ihr Ruf.................................................................................................................... 14
Nanopartikel im Körper verfolgen.................................................................................................................................... 16
Zukunftsträchtige Nanomedizin�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 18
Risiken bewerten����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 20
Methoden und Strategien der Risikobewertung........................................................................................................... 22
Die Regulierung von Nanomaterialien............................................................................................................................ 24
Anhang 1: Forschungsprojekte zu den Auswirkungen auf die Gesundheit 26
Anhang 2: Weblinks 32
Impressum33
2 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG KOLUMNE 3
Vorwort Nanomaterialien im Alltag
Sie sind so winzig und doch so bedeutend für unseren Alltag: Ob bei der Behandlung bislang unheilbarer Krankheiten, dem Aufhalten
Nanomaterialien verbessern die Wirksamkeit von Sonnenschutz- des Klimawandels oder der Entwicklung noch leistungsstärkerer Computer –
mitteln, die Akkuleistung von Handys, die schmutzabweisenden an der Nanotechnologie führt kein Weg vorbei. In den verschiedensten
Eigenschaften von Textilien und den Transport von Medikamenten Bereichen, in unserer Arbeitswelt ebenso wie in der Freizeit, spielen Nano-
an ihren Zielort im Körper. materialien schon heute eine entscheidende Rolle.
Deshalb ist es wichtig, genau zu verstehen, wie die winzigen Seit dem Jahr 2006 fördert das Bundesministerium für Bildung und
Teilchen funktionieren. Was machen Nanomaterialien mit uns? Forschung (BMBF) im Rahmen seiner Projektförderung wissenschaftliche
Wie wirken die winzigen Teilchen auf die Umwelt? Wie können Arbeiten, die zentrale Aspekte der Sicherheit von Nanomaterialien unter-
wir die neuen Möglichkeiten von Nanomaterialien nutzen ohne suchen. Im Fokus der Broschüre stehen die Ergebnisse zur Nanosicherheits-
dabei mögliche Risiken für Mensch und Umwelt aus den Augen forschung aus Forschungsprojekten der nationalen und internationalen
zu verlieren? BMBF-Initiativen NanoCare und ERA-Net SIINN. In kurzen Interviews
erläutern beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, welche
Diese und weitere Fragen müssen beantwortet sein, wenn solche Erkenntnisse sie schon gewonnen haben. Die Broschüre stellt Forschungs-
neuen Technologien in den Alltag übergehen. Daher schreibt die arbeiten vor, die zu einer sicheren Verwendung von Nanomaterialien bei-
Bundesregierung den Untersuchungen zu Auswirkungen von tragen und so eine Gefährdung der Endanwenderinnen und -anwender
Nanomaterialien auf Mensch und Umwelt eine große Bedeutung sowie der Umwelt ausschließen.
zu.
Zwar lassen sich die Risiken, die neue Materialien bergen, mittlerweile
Der Aktionsplan Nanotechnologie 2020 der Bundesregierung schon deutlich besser abschätzen als noch vor ein paar Jahren. Die
bildet ein ressortübergreifendes Handlungskonzept für die För- Sicherheitsforschung muss die Materialentwicklung aber weiterhin
derung der Nanotechnologie in Deutschland. Dabei stellt das kontinuierlich begleiten, um eine umfassende Bewertung möglich zu
Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der machen. Diese Broschüre informiert über die Sicherheitsforschung in der
Materialforschung für Risikovorsorge, Begleitmaßnahmen und Nanotechnologie und hilft, wissenschaftliche Erkenntnisse einzuordnen
die Nanosicherheitsforschung bisher rund 70 Millionen Euro zur und zu verstehen.
Verfügung. Zu einer verantwortungsvollen Innovationspolitik ge-
hört aber auch, dass wir Normungs- und Standardisierungsaktivi- Mit der neuen Förderinitiative „NanoCare 4.0 – Anwendungssichere
täten unterstützen, die internationale Vernetzung der Nanosicher- Materialinnovationen“ setzt das BMBF die Aktivitäten zur Sicherheits-
heitsforschung vorantreiben und einen transparenten Dialog mit forschung in der Nanotechnologie fort. Der Schwerpunkt liegt dabei auf
der Öffentlichkeit eingehen. neuartigen synthetischen Nanomaterialien und anderen innovativen
Werkstoffen, deren Wechselwirkungen mit Mensch und Umwelt es zu
Die vorliegende Broschüre „Nanomaterialien im Alltag“ informiert erforschen gilt. Das Ziel lautet, substanzbedingte Risiken frühzeitig zu er-
über aktuelle Ergebnisse der Nanosicherheitsforschung, um interes- kennen oder gar vorherzusagen, um die Materialien anwendungssicher
sierten Leserinnen und Lesern eine solide Wissensbasis für den und umweltfreundlich zu gestalten. Zudem werden die Forscherinnen
sicheren Umgang mit Nanomaterialien zu geben. und Forscher intelligente Messstrategien entwickeln, die zu einer nach-
haltigen Produktion und sicheren Endanwendung beitragen.
Alle relevanten Forschungsergebnisse zu Nanomaterialien aus der
Ihr Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF- Nanosicherheitsforschung und von Wissenschaftler und Wissen-
schaftlerinnen weltweit, die sich mit der Wirkung von synthetischen
Nanomaterialien auf Mensch und Umwelt befassen, werden im Projekt
DaNa2.0 („Da“ steht für Daten, „Na“ für Nanomaterialien) erfasst, bewertet
und für eine breite Leserschaft aufbereitet, etwa in Form der vorliegenden
Broschüre oder der Internetpräsenz www.nanopartikel.info. DaNa2.0 ist
eine Initiative des BMBF und wird vom BMBF gefördert (FKZ 03X0131).
Zusätzlich informiert der InnoTruck, eine mobile Ausstellung des BMBF
zu neuen Technologien und Ideen für die Zukunft, die Öffentlichkeit
über Nanomaterialien und die daran geknüpfte Sicherheitsforschung
(www.innotruck.de).
4 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG KOLUMNE 5
Warum ist klein so besonders?
Der Zusatz „nano“ stammt aus dem Griechischen und Was sind Nanomaterialien?
bezeichnet den milliardsten Teil einer Maßeinheit. Ein
Nanometer entspricht somit einem Milliardstel Meter Zu Nanomaterialien zählen gemäß international
oder einem millionstel Millimeter. Das ist ungefähr gültigen Normen wie der DIN ISO/TS 27687 alle
50.000-mal kleiner als der Durchmesser eines mensch- Materialien, die
lichen Haares. Nanoobjekte sind aber nicht nur extrem • Nanoobjekte enthalten oder
klein, sondern besitzen meist auch außergewöhnliche • eine innere Nanostruktur oder eine
physikalische und chemische Eigenschaften – und nanostrukturierte Oberfläche aufweisen.
zwar andere Eigenschaften als größere Objekte mit
derselben chemischen Zusammensetzung. Das hängt Nanoobjekte messen in mindestens einer äußeren
unter anderem damit zusammen, dass ihre Oberfläche Dimension (Länge, Breite oder Höhe) zwischen einem
im Verhältnis zum Volumen extrem groß ist. und hundert Nanometer. Sie bestehen meist aus „Ein Tag mit Nano“ –
vielen tausenden Atomen oder Molekülen und sind Wie uns Nanotechnologie beeinflusst
Dazu ein einfaches Beispiel: Schneidet man einen daher deutlich größer als beispielsweise Wasser-
Apfel in zwei Hälften, ändert sich die Zusammen- moleküle. Einige Nanoobjekte sind innen hohl und
setzung des Apfels nicht. Die Gesamtoberfläche der können mit Wirkstoffen oder anderen Substanzen Nicholas Alexander Norwick, Spitzname Nano wie die Ab- nanobeschichtet und wie bei der Duschwanne, perlt
beiden Teile aber vergrößert sich deutlich – und zwar beladen werden. kürzung für Nanomaterial, ist in Sachen Nanotechnologie der Schmutz mit dem Regen ab. Vor Steinschlag oder
um die Schnittfläche der Hälften. Mit jedem weiteren bestens informiert und ein großer Fan von Nanoprodukten. Kratzern muss sich Nano auch nicht fürchten: Der
Schneideschritt vergrößert sich die Oberfläche weiter. Nanoobjekte lassen sich in drei Grundformen Wir haben ihn einen Tag lang durch sein Leben begleitet. Autolack mit Nanoaluminiumoxid bietet besten Schutz.
Theoretisch könnte man so Nanoapfelstücke erzeugen. einteilen:
Sie hätten zusammen nicht nur eine viel größere • Nanopartikel messen in allen drei Dimensionen Es ist 6:30 Uhr, der Wecker klingelt und Nicholas Um 8 Uhr bei der Arbeit angekommen, zaubert das neue
Oberfläche als der ursprüngliche Apfel, sondern auch zwischen einem und hundert Nanometer. Alexander Norwick (Nano) geht müde ins Bad. Bürogebäude ein Lächeln auf Nanos Gesicht. Wunder-
weitere besondere Eigenschaften: Die vergrößerte • Nanoröhrchen und Nanostäbchen, auch Nano- Die Dusche sorgt für gute Laune am frühen Morgen: bar, wie viele Innovationen der Nanotechnologie die
Oberfläche beschleunigt zum Beispiel den Oxidations- fasern genannt, messen in zwei Dimensionen Die Wanne blitzt sauber, denn die Beschichtung mit Architekten und Ingenieure hier eingebaut haben. Der
prozess, das Braunwerden, des Apfels. Man kennt das zwischen einem und hundert Nanometer. Nanosiliziumdioxid sorgt für einen Selbstreinigungs- Beton etwa enthält – die Autoreifen lassen grüßen –
vom herkömmlichen Reiben eines Apfels: Je feiner der • Nanoplättchen und Nanoschichten messen in effekt – da bleiben Seifenreste und Schmutz nicht Nanosiliziumdioxid. Dadurch härtete er schneller aus
Apfel gerieben wird, desto schneller läuft der Frucht- lediglich einer Dimension zwischen einem und mehr hängen. und ist extrem stabil. Nanodämmstoffe wiederum
brei braun an. Eine vergrößerte Oberfläche sorgt auch hundert Nanometer. sorgen für die perfekte Isolierung. Und innen schaffen
in der Nanotechnologie für besondere Eigenschaften: Nano wirft sich in sein Arbeitsoutfit. Zum Glück kann organische Leuchtdioden aus halbleitenden Nanomate-
Nanoplatin etwa ist ein viel wirksamerer Katalysator Nanoobjekte lassen sich zudem nach ihrer Herkunft er sich das Bügeln sparen, denn die mit Nanopartikeln rialien eine angenehme Beleuchtung. Sie verbrauchen
als herkömmliches Platin. einteilen in behandelten Fasern, aus denen sein Hemd und sein An- deutlich weniger Strom als die herkömmlichen Energie-
• natürliche Nanoobjekte wie der feine Staub zug bestehen, knittern kaum. Überhaupt ist er bestens sparlampen.
Nanomaterialen werden bereits vielfältig genutzt: von Sandstürmen oder Vulkanausbrüchen, vorbereitet auf den anstehenden Tag mit wichtigen
In der Medizin sind sie Bestandteil moderner Nach- • unbeabsichtigt vom Menschen produzierte Telefonaten und langen Meetings, bei denen einem Nach der Arbeit hat sich Nano mit Freunden zum Tennis
weisverfahren und Therapiemethoden, etwa bei der Nanoobjekte wie Nanoruß in Autoabgasen, schon mal heiß vor Stress werden kann. Doch das ist für verabredet. Schnell fährt er nach Hause, tauscht den
Diagnostik und Behandlung von Krebs. Auch in Kerzen- und Zigarettenrauch oder Nanoobjekte, Nano kein Problem: Seine mit Nanosilber ausgerüstete Anzug gegen Sportkleidung und steigt auf sein neues
Implantaten und Kontrastmitteln kommen Nano- die beim Schleifen, beim Schweißen und bei Funktionsunterwäsche schützt ihn vor Schweißgeruch. Fahrrad. Wie leicht es ist und trotzdem so stabil! Das
materialien zum Einsatz. Außerdem verringern sie Sprengungen entstehen und Material mit integrierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen ist
unseren Energieverbrauch im Alltag. Sie tragen zu • gezielt industriell hergestellte synthetische Draußen regnet es in Strömen. Da nimmt Nano doch wirklich eine tolle Entwicklung. Nanos neue Fitnessuhr
mehr Ressourceneffizienz bei, optimieren chemische Nanoobjekte. lieber das Auto und nicht wie sonst das Fahrrad. Sein darf beim Sport nicht fehlen. Winzige nanobasierte
Prozesse, sie reinigen die Luft von Schadstoffen und Hybridfahrzeug ist innen und außen mit modernster Sensoren an der Unterseite messen seine Aktivitäten
helfen bei der Sanierung verschmutzter Gewässer und Zu den in dieser Broschüre betrachteten synthe- Nanoelektronik und Nanosensorik ausgerüstet. Auch und Vitalwerte.
Böden. Darüber hinaus erhöhen Nanomaterialien die tischen Nanomaterialien zählen alle industriell im Hightech-Gummi der Reifen steckt Nanotechno-
Stabilität und Haltbarkeit von Kunststoffen, Lacken hergestellten Substanzen, die Nanoobjekte oder logie: Nanoruß und Nanosiliziumdioxid verstärken Um 21 Uhr, wieder zuhause angekommen, telefoniert
und vielen anderen Produkten. Kurzum: Im Alltag Nanostrukturen enthalten und deren Material- das Material, verringern die Abnutzung und helfen Re- Nano mit seiner Schwester via Videochat auf seinem
treffen wir schon häufig auf Nanomaterialien, ohne eigenschaften dadurch entscheidend beeinflusst ssourcen zu sparen. Außerdem liegen die Reifen so gut Tablet, ein Wunderwerk der Nanotechnologie, denn
sie bewusst wahrzunehmen. werden. auf der Straße, dass sie den Spritverbrauch senken. Beste viele der kleinen Elektronikbauteile wären mit her-
Sicht hat Nano übrigens immer, denn die Scheiben sind kömmlichen Produktionsweisen gar nicht herstellbar.
6 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG WARUM IST KLEIN SO BESONDERS? 7
Ressourceneffiziente Kunststoffe
Kunststoffe stecken in Alltagsgegenständen vom Silber. Nanosiliziumdioxid erhöht die Abnutzungs-,
Gartenstuhl bis zur Zahnbürste und werden ebenso Kratz- und Witterungsbeständigkeit von Farben und
für viele hochspezialisierte technische oder medizi- Lacken. Da Siliziumdioxid in Nanoform transparent
nische Anwendungen benötigt. Kunststoffe sind so ist, beeinflusst es das Aussehen der Oberfläche nicht.
vielfältig, weil sich ihre technischen Eigenschaften Nanotitandioxid wiederum verleiht Fassadenfarben
der jeweiligen Verwendung relativ leicht anpassen eine wasserabweisende und selbstreinigende Wir-
lassen. Mit der Kombination aus einem passenden kung und Nanosilber verhindert den Befall der Ober-
Kunststoff als Basis und Beimischungen an Nano- flächen mit Bakterien, Pilzen und Algen. Nach dem
materialien und anderen Zusätzen lassen sich maß- Trocknen des Anstrichs sind die Nanopartikel fest in
geschneiderte Materialien kostengünstig herstellen. die Matrix eingebunden. Selbst unter rauen Bedin-
gungen wie starkem Wind oder Regen gelangen sie
Nanopartikel aus Titannitrid, eine Verbindung der kaum in die Umwelt.
beiden Elemente Titan und Stickstoff, verbessern
beispielsweise die thermischen Eigenschaften des
Kunststoffs Polyethylenterephthalat, kurz PET, dem Kennzeichnungspflicht für Nanoinhaltsstoffe in
Technische Nutzung von Nano- Material für Getränkeflaschen. Dank des Nanozusatzes Kosmetik-Produkten
materialien zum Wohl des Menschen können mehr Flaschen in der gleichen Zeit produziert
und Energie sowie Rohstoffe eingespart werden. Seit Dezember 2013 ist es gesetzlich
vorgeschrieben: Kosmetika mit Nanopartikeln
Strapazierfähige und geruchsarme Textilien Optimierter UV-Schutz für unsere Haut Das Nanomaterial Industrieruß, auch Carbon Black müssen entsprechend gekennzeichnet werden.
Sie sind atmungsaktiv sowie schmutz- und wasser- Intensive Sonneneinstrahlung über längere Zeit genannt, wiederum optimiert seit über 80 Jahren die Hinter dem betreffenden Inhaltsstoff wird dann
abweisend, sie schützen vor UV-Licht, knittern nicht schadet der Haut und damit auch unserer Gesundheit. physikalischen Eigenschaften von Autoreifen und der Zusatz „(nano)“ ergänzt. Viele Sonnencremes
und verschleißen kaum: Textilien mit integrierten Sonnencremes schützen uns vor der schädlichen erhöht deren Langlebigkeit. Kunststoffen wird Carbon beispielsweise enthalten Partikel aus Titandioxid,
Nanomaterialien besitzen viele nützliche Eigenschaften. Strahlung, indem sie UV-Licht entweder absorbieren Black als Füllstoff und UV-Schutz zugesetzt. Außerdem die kleiner als 100 Nanometer sind. Auf der
Das gilt für Alltags- und Arbeitskleidung ebenso wie und in Wärme umwandeln oder reflektieren. Sie ent- dient die Substanz als schwarzes Pigment für Druck- Packung solcher Sonnenschutzmittel steht dann
für technische Textilien. Spezielle Gewebe für die halten chemisch-synthetische oder mineralische farben, Lacke und Kosmetika. „Titandioxid (nano)“.
Medizin etwa speichern Arzneimittel in Nanofasern UV-Schutzmittel, teilweise auch beides. Mineralische
und geben sie nach und nach an die Haut ab. Beim UV-Filter wie Titandioxid oder Zinkoxid sind stabil Enthalten Autoreifen neben Industrieruß auch Nano-
Arbeiten mit leicht entflammbaren Chemikalien und können – anders als einige chemische Mittel – partikel aus Siliziumdioxid, verringert sich der Roll-
wiederum empfiehlt sich Schutzkleidung aus anti- keine allergischen Reaktionen auslösen. Der Nachteil: widerstand des Reifens und der Treibstoffverbrauch
elektrostatischen Nanotextilien. Die Mikrometer großen Mineralien hinterlassen auf sinkt um bis zu fünf Prozent. Das schont nicht nur
der Haut einen weißen Schleier. Ressourcen, sondern verringert zugleich die Menge
Nanomaterialien können zudem den Befall von an ausgestoßenem Kohlendioxid.
Textilien durch Bakterien oder Pilze reduzieren – Die Nanotechnologie löst das Problem, denn minera-
das ist für Markisenstoffe ebenso praktisch wie für lische UV-Schutzfilter in Nanoform sind durchsichtig. Wasserabweisende und selbstreinigende
Verbandsmaterialien oder Sportkleidung. Mit Nano- Die meisten heute erhältlichen Sonnencremes sind Oberflächen
silber ausgestattete T-Shirts, Socken, Matratzen und dank Einsatz von Nanotitandioxid nach dem Auftragen Algen- und Pilzbefall an Fassaden, Graffitis auf
Handtücher sind schon länger im Handel. Da die transparent und lassen sich zudem leichter auf der Haut S-Bahn-Wagen, Dreck auf der Autoscheibe: Gegen
Abgabe von Silberionen das Wachstum von Bakterien verteilen. Es ist erwiesen, dass Nanopartikel weder über diese und ähnliche Ärgernisse hat die Nanotechnologie
hemmt, bleiben die Textilien länger frisch und riechen gesunde noch sonnenverbrannte Haut in den Körper Mittel parat. Nanobeschichtungen können Oberflächen
weniger nach Schweiß. gelangen. Personen mit verletzter Haut sollten aller- gezielt so verändern, dass sie das Anhaften von Mikro-
dings auf Sonnencreme verzichten und die Sonne organismen, Schmutz und Schmierereien verhindern.
Eine Beschichtung von Fasern oder Geweben mit meiden. Durch Zugabe von Nanomaterialien können sogar
nanoskaligem Siliziumdioxid, auch Kieselsäure genannt, Wand- und Fassadenfarben hergestellt werden, die
macht Kleidung und andere Textilien strapazierfähiger Sonnencremes mit Nanopartikeln schützen aufgrund sich selbst reinigen, indem sie Schmutzpartikel oder
und schützt sie vor Verschleiß. In Kombination mit ihrer reflektierenden Eigenschaften wesentlich Mikroorganismen direkt am Ablagerungsort abbauen.
anderen chemischen Beschichtungen lässt sich sogar effektiver vor vorzeitiger Hautalterung und bieten Die Rückstände lassen sich leicht abwaschen oder
wasserabweisendes Baumwollgewebe herstellen. Das einen besseren Schutz vor lebensbedrohlichem werden vom Regen weggespült.
konnte bislang nur mit klimaschädlichen fluorhaltigen Hautkrebs als konventionelle Produkte, da höhere
Kohlenwasserstoffen erreicht werden. Lichtschutzfaktoren erreicht werden können. Moderne Anstriche enthalten zum Beispiel Nano-
materialien aus Titandioxid, Siliziumdioxid oder
8 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG KOLUMNE
ZUR SICHERHEIT VON NANOMATERIALIEN 9
Nanomedikamente und mehr
In der Pharmazie sowie in der Diagnostik und Therapie gut leitet und zugleich transparent ist, wird es vor
hat die Nanotechnologie bereits für vielfältige Ver- allem für Leiterbahnen und Kontakte verwendet.
besserungen und Neuerungen gesorgt. So ist schon
heute gängige Praxis, dass Operationsbesteck und In Fernsehern kommt mit der Quantenpunkttechnolo-
andere medizinische Instrumente mit nanobasierten gie aktuell eine weitere Entwicklung aus der Nanowelt
Beschichtungen ausgestattet sind, die vor Keimen zum Einsatz. Quantenpunkte – halbleitende Kristalle
und Korrosion schützen. Ein weiteres Beispiel sind mit Durchmessern von wenigen Nanometern – leuchten
Implantate: Dank nanostrukturierter Oberfläche bei Lichteinfall, liefern effizient Strom oder dienen als
wachsen sie besser ins umgebende Gewebe ein. winzige Informationsspeicher. Sie verbessern die Farb-
brillanz und senken zugleich den Energieverbrauch im
Zur Sicherheit von Nanomaterialien
Nanopartikel aus Gold bilden die Grundlage für Vergleich zu handelsüblichen LED-Bildschirmen
Schnelltests zum Nachweis von Krankheiten oder deutlich.
Krankheitserregern. Die Partikel werden dafür mit
spezifischen Molekülen beladen, die Erkrankungen Auch kohlenstoffbasierte Nanomaterialien – Kohlen-
wie HIV erkennen und deren Fortschreiten im Körper stoffnanoröhren und Graphen – besitzen das Potenzial, Fortschritt und Risiko – Die Sicherheitsforschung zur Nanotechnologie sowie
messen. Auch Schwangerschaftstests und die Früher- die Zukunft der Informationstechnologie fundamental ein untrennbares Paar zugehörige Begleitmaßnahmen werden in Deutschland
kennung von Tumorleiden wie Prostatakrebs basieren zu beeinflussen. Die elektrische Leitfähigkeit von bereits seit dem Jahr 2006 gefördert. Sie bleiben auch
auf dieser Methode. Kohlenstoffnanoröhren kann im Herstellungsprozess zukünftig wichtige Eckpfeiler der Technologieentwick-
für spätere Anwendungen maßgeschneidert werden. Wir sind Zeugen einer immer schnelleren Entwick- lung von neuen Materialien.
Nanopartikel, die Wirkstoffe aufnehmen oder an Die Nanoröhrchen werden als Zusatz zu verschie- lung im technischen und naturwissenschaftlichen
ihre Oberfläche binden, sollen die Arzneien zielgenau densten Kunststoffen für Elektronikanwendungen, Bereich: In den vergangenen Jahrzehnten haben
an ihren Wirkort im Körper transportieren, zum in neuartigen Transistoren und permanenten Daten- Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Neuigkeiten aus der Sicherheits-
Beispiel direkt in einen Tumor. Das erhöht nicht nur speichern verwendet. Molekularstruktur unserer Erbsubstanz entdeckt, forschung
die Effizienz des Wirkstoffs, sondern schützt zudem sind Menschen auf dem Mond gelandet, wurden das
gesundes Gewebe vor unerwünschten Nebenwirkungen. Internet und vieles mehr entwickelt. Unsere Lebens-
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler forschen erwartung ist gestiegen, wir fliegen rund um den Nanosicherheitsforschung wird in Deutschland seit
aktuell intensiv an Techniken zur Wirkstofffreigabe Das Wundermaterial Graphen Globus und sind weltweit vernetzt. Ohne neue Tech- dem Jahr 2006 intensiv betrieben. Im Rahmen der
auf Basis von Nanomaterialien wie Gold, Eisenoxid nologien wäre all das nicht gelungen und auch eine Programme NanoCare, NanoNature, Inno-CNT und
oder milchsäurebasierten Biokunststoffen. Für eine Graphen – eine einlagige, weniger als einen halben Besiedlung des Mars in der Zukunft müsste Utopie ERA-Net SIINN hat das Bundesministerium für Bildung
breite Palette von Krankheiten gibt es bereits zuge- Nanometer dünne Schicht aus Kohlenstoffatomen – bleiben. Die Kehrseite des Fortschritts ist ein gigan- und Forschung bislang mehr als 50 Projekte gefördert
lassene Nanomedikamente. Die meisten davon gilt seit gut einem Jahrzehnt als neues Wunder- tischer Bedarf an Rohstoffen und Energie. Die (siehe Anhang 1). Die beteiligten Wissenschaftlerinnen
richten sich gegen Krebs. material. Im Jahr 2004 gelang einem Forschungs- Nanotechnologie kann dazu beitragen, Ressourcen und Wissenschaftler haben begleitend zur Technolo-
team um Andre Geim von der Universität Manchester zu schonen, alternative Energien zu erschließen und gieentwicklung die Sicherheit der Nanomaterialien
Die Revolution im IT-Sektor die erstmalige Herstellung von Graphen; zusammen den Weg in eine nachhaltige Wirtschaft zu ebnen. erforscht. Außerdem etablierten sie Methoden zur
Von der Miniaturisierung elektronischer Geräte bis mit seinem Kollegen Konstantin Novoselov erhielt Erkennung sowie zum Umgang mit Risiken. Die
zu Nanoschaltkreisen: Die Elektronikbranche hat eine Geim sechs Jahre später den Nobelpreis für Physik. Neue Technologien eröffnen Chancen, sind aber folgenden Seiten fassen die Ergebnisse verschiedener
revolutionäre Entwicklung durchlaufen, die ohne Mittlerweile existiert eine ganze Familie von Gra- auch mit gewissen Unsicherheiten verbunden. Die Forschungsverbünde zusammen, die sich jahrelang
Nanotechnologie undenkbar gewesen wäre. Auch der phen-basierten Materialien. Der wichtigste Ver- positiven Aspekte von technologischem Fortschritt intensiv mit der Nanosicherheitsforschung beschäftigt
weitere Fortschritt in diesem Sektor hängt von neuen treter neben Graphen ist Graphenoxid. sind daher immer an die berechtigte Sorge geknüpft, haben.
Nanomaterialien ab. In den Anfängen der Computer- welche Risiken die Neuentwicklungen bergen. Das
und Informationstechnologie spielte der Halbleiter Graphen ist transparent, biegsam und auf mole- gilt auch für die Nanotechnologie. Daher muss genau
Silizium die Schlüsselrolle. Jetzt rücken nanoskaliges kularer Ebene extrem stabil. Wegen seiner elek- abgewogen werden, wie neue Erkenntnisse aus der
Indiumzinnoxid, Kohlenstoffnanoröhren, Materialien trischen Leitfähigkeit wird es als kostengünstiger Nanotechnologie umgesetzt werden sollen. Dem
wie Graphen und die als Quantenpunkte bezeichneten Ersatz für Indiumzinnoxid diskutiert. Nicht nur trägt die Politik seit nunmehr 15 Jahren Rechnung,
Nanokristalle immer mehr in den Fokus. die Elektronikbranche verspricht sich viel von indem sie die Erforschung möglicher Risiken auf
dem neuen Material. Auch in den optischen Tech- nationaler, europäischer und internationaler Ebene
Das halbleitende Nanomaterial Indiumzinnoxid nologien, in Verbundmaterialien, in der Energie- fördert. Eine hundertprozentige Sicherheit kann
ist aus modernen LED-Flachbildschirmen und gewinnung und -speicherung sowie in Sensoren niemand garantieren, daher müssen wir das Risiko
Touch-Oberflächen, etwa von Smartphones, Tablets für die Messtechnik und Medizin soll Graphen für Mensch und Umwelt so klein wie möglich
und Fahrkartenautomaten, nicht mehr wegzudenken. zum Einsatz kommen. halten – und das gelingt nur mit einer kontinuier-
Da nanoskaliges Indiumzinnoxid elektrischen Strom lichen Sicherheitsforschung.
10 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG ZUR SICHERHEIT VON NANOMATERIALIEN 11
NANOMATERIAL AM ARBEITSPLATZ MESSEN
„Nur personengetragene Messgeräte erlauben
zuverlässige Angaben über die Exposition der wiegen. Aber die Auswirkungen können höchst unter- Wie kann man die Risiken durch Nanopartikel
Arbeiterinnen und Arbeiter mit Nanomaterialien!“ schiedlich sein. Außerdem erlaubt die gemessene vermeiden?
Massenkonzentration keine Aussage über das Risiko. Die meisten Nanopartikel, die heute synthetisch her-
Ein neuerer Ansatz für die Messung von Nanopartikeln gestellt werden, zeigen keine höhere Wirkung als die,
besteht darin, die Partikel zu zählen. Es wird also jedes die seit Langem in der Umwelt vorkommen, sei es aus
Dr. Christof Asbach Teilchen gezählt, unabhängig davon, welche Form, Verbrennungsprozessen oder auch aus natürlichen
Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V., Duisburg Größe oder chemische Zusammensetzung es hat. Eine Quellen. Eine Ausnahme können unter bestimmten
weitere Messgröße ist die lungendeponierbare Ober- Bedingungen Kohlenstoffnanoröhren darstellen.
flächenkonzentration. Dabei wird gemessen, wie groß Generell gilt für die Exposition immer die sogenannte
die Oberfläche der Partikel ist, die in die Lunge gelan- STOP-Strategie. „S", als erste Stufe, steht für Substitu-
gen und dort verbleiben, also nicht wieder ausgeatmet tion. Wenn ein Stoff risikobehaftet ist, weicht man, wo
werden. Aber auch dabei werden Zusammensetzung immer möglich, auf einen Ersatzstoff aus, oder man
Der Umgang mit Nanomaterialien am Arbeitsplatz Exposition am Arbeitsplatz zu messen und mengenmä- und Form nicht berücksichtigt. Das geht nur, indem verwendet statt eines trockenen, staubenden Pulvers
erfordert eine detaillierte Risikoabschätzung und ßig zu erfassen. man parallel Proben sammelt, zum Beispiel in einem zum Beispiel eine Suspension. Das „T" steht für tech-
gegebenenfalls Schutzvorkehrungen. Der Ersatz von Filter, und diese genauer analysiert. nische Maßnahmen, etwa Absauganlagen oder eine
staubigen Pulvern durch Suspensionen oder der Ein- Was ist die große Herausforderung bei solchen Einhausung, zum Beispiel beim Umfüllen von Pulvern.
bau von Absauganlagen sind mögliche Maßnahmen Messungen? Welches Vorgehen empfehlen Sie für die „O" steht für organisatorische Maßnahmen, sprich,
für die Sicherheit am Arbeitsplatz, wie auch das Tragen Das große Problem bei der Exposition gegenüber Nano- Expositionsmessung? man begrenzt den Zugang zu bestimmten Bereichen
von Filtermasken und Schutzkleidung. Mobile Geräte, materialien ist, dass es keine nanospezifischen Grenz- Aus den gerade genannten Gründen empfehlen wir und sorgt dafür, dass möglichst wenige Personen und
die Angestellte am Körper tragen und die direkt im werte gibt. Das bedeutet aber nicht, dass es nicht mög- die Kombination aus einem personengetragenen diese nur über kurze Zeiträume mit dem Material in
Atembereich messen, sollen eine eventuelle Belastung licherweise nanospezifische Auswirkungen geben kann. direktanzeigenden Gerät und einem personenge- Berührung kommen. Wenn all das nicht möglich ist,
erfassen. Im Gespräch erläutert Dr. Christof Asbach Deshalb ist es wichtig, Aussagen über die Exposition tragenen Partikelsammler. So kann man live in hoher folgt als letzte Maßnahme das „P", die persönliche
vom Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V. in speziell gegenüber Nanomaterialien zu machen. Um Zeitauflösung die Exposition aufzeichnen und im Schutzausrüstung. Das reicht dann vom Mundschutz
Duisburg die Erkenntnisse aus den Projekten Nan GEM wirklich sinnvolle Aussagen treffen zu können, muss Nachhinein ermitteln, ob eine festgestellte Exposition bis zum Ganzkörperanzug, ist aber immer nur das
und NanoIndEx: die Exposition im Atembereich des Menschen gemes- mit Nanomaterialien besonders kritisch war oder letzte Mittel.
sen werden. Dieser lässt sich am besten als eine Halb- nicht. Es gibt bisher kein Gerät, das online unter-
Womit haben Sie sich im Rahmen der Projekte der kugel von 30 Zentimeter Durchmesser rund um Mund scheiden kann, ob es sich bei einem Nanomaterial
BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und ERA-Net und Nase beschreiben. In den letzten Jahren wurden um ein Partikel oder eine kritische Faser handelt.
SIINN beschäftigt? dafür Geräte entwickelt, die an der Person getragen Außerdem ist die gesamte Messtechnik für Nano-
Gestartet sind wir 2006 mit dem Projekt NanoCare, werden. Das Projekt NanoIndEx hat diese Geräte auf partikelexpositionen bislang noch sehr teuer.
das die Grundlagen für viele weitere Arbeiten legte. Herz und Nieren getestet. Diese Versuche haben ge-
Das begann schon damit, eine gemeinsame Sprache zeigt, dass die Messungen der mobilen Geräte zuverläs- Sind Messungen gesetzlich vorgeschrieben?
für die Messtechniker und die Toxikologen zu ent- sig sind. Herkömmliche feststehende Geräte im Raum Bisher gibt es keine klaren Vorgaben dazu. Gesetzlich
wickeln. Für die weitere Zusammenarbeit war hingegen ermöglichen nur bedingt Aussagen über die vorgeschrieben sind nur die klassischen massenbe-
essenziell, dass die Wissenschaftlerinnen und Wissen- Exposition im Atembereich des Menschen. zogenen Expositionsmessungen. Aktuell ist eine
schafler die anderen Disziplinen aus deren Blickwinkel europäische Norm in Arbeit, die beschreiben soll, wie
betrachten konnten – was kann ein Messtechniker Was messen solche Geräte genau? Messungen überhaupt durchzuführen sind. In den
überhaupt messen, welche Endpunkte mit welchen Das hängt ganz vom Gerät ab. Klassische Grenzwerte Projekten NanoGEM und NanoIndEx wurden Stan-
Maßeinheiten sind für den Toxikologen relevant? für Partikel in der Luft sind massenbezogen, das heißt, dardarbeitsanweisungen veröffentlicht, die Firmen
In den Folgeprojekten NanoGEM und NanoIndEx dass ein einzelnes zehn Mikrometer großes Partikel und Forschungsinstituten hierzu eine Hilfestellung
kamen noch Materialwissenschaftler und Geräte- genauso bewertet wird wie eintausend Partikel von geben. Ein gezieltes Monitoring von Nanopartikeln
hersteller dazu. Gemeinsam wurde dann erstmals einem Mikrometer Größe oder eine Milliarde Partikel am Arbeitsplatz geschieht bisher auf freiwilliger
eine umfassende Messstrategie entwickelt, um die von zehn Nanometern Größe, weil alle das Gleiche Basis.
12 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG ZUR SICHERHEIT VON NANOMATERIALIEN 13
stoffen wie Stickoxiden ausgesetzt wird, wird die nahme verantwortlichen Lungenbläschen mit ihren
Schleimhaut der Atemwege geschädigt und ihre besonders empfindlichen Zellen in Kontakt kommen.
zelluläre Zusammensetzung verändert sich. In Dies lässt sich nur schwer auf Basis von Zellkulturen
DIE LUNGE ALS EINTRITTSPFORTE Deutschland leiden rund zehn Prozent der Kinder an vorhersagen. Es gibt aber bereits komplexere Testsys-
Asthma, und etwa zehn Prozent der erwachsenen Be- teme, mit denen sich das Zusammenspiel verschiedener
völkerung haben chronische Lungenerkrankungen mit Zelltypen oder auch ganzer Organbereiche im Labor
ebenfalls veränderter Schleimhaut – all diese Menschen nachstellen lässt. In einem solchen Modell konnten wir
„Man kann davon ausgehen, dass die natürlichen Ab- reagieren auf Nanopartikel möglicherweise ganz anders die Effekte der unterschiedlichen Partikelsorten, die
wehrmechanismen potenziell toxische Eigenschaften als gesunde Personen. wir im Tierversuch gesehen hatten, bestätigen.
von Partikeln bis zu einem gewissen Grad neutralisie-
ren können. In Zellkulturtests kann dieses komplexe Bei Kohlenstoffnanoröhren ist die Form ausschlag- Wie realistisch sind die Mengen, die Sie im Modell
Zusammenspiel nicht nachgestellt werden.“ gebend für die Toxizität. Wie ist das beim Indus- untersucht haben?
trieruß Carbon Black? In den Projekten wollten wir natürlich mit realis-
Professor Dr. Heinz Fehrenbach Die eingesetzten Partikel in den Projekten CarbonBlack tischen Mengen arbeiten. Allerdings waren bei diesen
Forschungszentrum Borstel – und nanoCOLT sind mehr oder weniger kugelförmig. niedrigen Konzentrationen häufig kaum oder keine
Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften In Flüssigkeiten lagern sich die Partikel häufig zu Effekte zu beobachten, sodass wir immer Positiv-
größeren Ansammlungen zusammen. Diese sind dann kontrollen zur Überprüfung des Testsystems einge-
zwar nicht mehr ideal kugelförmig, aber immer noch setzt haben. Zusätzlich mussten wir auch mögliche
weit von den faserigen Nanoröhren entfernt. In den Wechselwirkungen der Partikel mit den eingesetzten
Kurzzeitversuchen mit den verschiedenen Partikel- Analysemethoden berücksichtigen. Insbesondere
Über die Atemluft können nachweislich Umweltver- Im Projekt CarbonBlack wollten wir herausfinden, sorten waren die beobachten Effekte eher gering. Im Messmethoden, die mit Licht oder Fluoreszenzlicht
unreinigungen, technisch erzeugte sowie natürliche welchen Einfluss die chemische Zusammensetzung Tierversuch traten lediglich bei der Exposition mit arbeiten, liefern bei hohen Partikelkonzentrationen
Nanopartikel, etwa aus Vulkanasche, in die Lunge der Oberfläche auf die toxische Wirkung der Kohlen- Acetylenruß milde entzündliche Reaktionen auf. und insbesondere bei den schwarzen Partikeln, wie
gelangen. Reichen die natürlichen Reinigungsmecha- stoffnanopartikel hat. Als Referenzpartikel für die Nach unseren Daten hat die Beladung der Oberfläche wir sie eingesetzt haben, keine verlässlichen Ergebnisse.
nismen unserer Atemorgane nicht aus, können die biologischen Untersuchungen haben wir das indus- mit Aromaten also einen deutlichen Einfluss auf die Außerdem verklumpen die Partikel in Flüssigkeiten
körperfremden Stoffe wie auch die winzigen Partikel triell hergestellte Pigment Printex®90 eingesetzt. Diese Wirkung der Partikel – es kommt eher zu Entzün- und wir wollten ja eigentlich die Effekte von luftge-
in der Lunge Entzündungsprozesse auslösen. Die Partikel im Nanometerbereich sind wissenschaftlich dungen, wenn auch glücklicherweise zu geringen. tragenen Nanopartikeln untersuchen. Im Tierversuch
gesundheitlichen Folgen hängen von der aufgenom- bereits sehr gut untersucht. Unsere Projektpartner am haben Ratten über sechs Stunden pro Tag schätzungs-
menen Menge und der Form der Nanoteilchen ab. Karlsruher Institut für Technologie haben dann gezielt Andererseits haben die Referenzpartikel im Labor weise circa 220 Mikrogramm Nanopartikel inhaliert.
Eine Beladung der Partikel mit gesundheitsschädlichen Verunreinigungen, unter anderem PAKs, mit bekannter in Zellkulturversuchen teilweise starke Effekte ge- Aus Messungen in Städten wie London weiß man, dass
Chemikalien sowie Vorschädigungen der Lunge durch Toxizität auf die Partikel aufgebracht. Zusätzlich haben zeigt, was aber eher auf die große Oberfläche und an vielbefahrenen Straßen durchaus Konzentrationen
Erkrankungen wie Allergien oder Asthma spielen wir noch eine weitere Rußart, den sogenannten den dadurch ausgelösten oxidativen Stress zurück- von 20 bis 50 Mikrogramm Partikel pro Kubikmeter
ebenfalls eine Rolle. Im Gespräch erläutert Professor Acetylenruß, getestet, der so hergestellt wurde, dass zuführen ist. Im Organismus führt der von Zellen der Luft auftreten können. Für den Menschen kommt
Dr. Heinz Fehrenbach vom Forschungszentrum Borstel – sich auf dessen Oberfläche ein Gemisch aus vielen Schleimhaut abgesonderte Schleim in der Luftröhre man dann (auf sechs Stunden hochgerechnet) auf
Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften unterschiedlichen Polyaromaten finden lässt. und den Bronchien dazu, dass die Partikel sehr stark etwa 150 Mikrogramm Partikel. Die Größenordnung
die Erkenntnisse aus den Projekten CarbonBlack und verklumpen und damit unschädlich gemacht werden. ist also ähnlich und entspricht in etwa der Menge,
nanoCOLT aus Tier- und Modellversuchen zur Langzeit- Was ist das Ziel Ihrer Untersuchungen? Man kann also davon ausgehen, dass die natürlichen mit der man eben auch in einem städtischen Bereich
inhalation von kohlenstoffbasierten Nanomaterialien: Wir wollten wissen, wie sich die unterschiedlichen Abwehrmechanismen potenziell toxische Eigenschaf- entlang einer gut befahrenen Straße zu rechnen hätte.
Partikel auf die verschiedenen Bereiche und Gewebe ten von Partikeln bis zu einem gewissen Grad neutra-
Wieso haben Sie sich auf die Untersuchung von der Schleimhaut des Atemwegstraktes sowie der lisieren können. In Zellkulturtests kann dieses kom-
Nanopartikeln aus Kohlenstoff konzentriert? Lunge auswirken. Gemeinsam mit den verschiedenen plexe Zusammenspiel nicht nachgestellt werden.
Solche Nanopartikel entstehen nicht nur bei der Projektpartnern aus ganz Deutschland konnten wir
gezielten Herstellung von Industrieruß, auf Englisch so die verschiedenen Abschnitte der Lunge von der Was heißt das für die Übertragbarkeit von Test- Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe
Carbon Black, für verschiedenste Anwendungen, zum Luftröhre bis zu den Lungenbläschen abdecken. Wir ergebnissen?
Beispiel als Kunststoffzusatz, als Schwarzpigment oder haben dabei festgestellt, dass die verschiedenen Be- Man sollte sicher vorsichtig sein, von Zellkulturver- Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
ähnliches, sondern auch ungewollt bei allen möglichen reiche der Lunge sehr unterschiedlich auf die Ruß- suchen auf die Wirkung im Körper zu schließen. (kurz PAK) bilden eine Stoffgruppe aus mehreren
Verbrennungsprozessen. Dabei können sich andere, partikel reagieren. Das Projekt nanoCOLT knüpft an Natürlich lässt sich in solchen Modellsystemen einiges hundert organischen Einzelsubstanzen. Sie ent-
unerwünschte Substanzen an die Oberfläche der Partikel diese Experimente an, soll aber insbesondere Auskunft herausfinden über die Interaktion der Nanopartikel stehen bei der unvollständigen Verbrennung von
anlagern, darunter auch die polyzyklischen aroma- über die Folgen von wiederholten Expositionen geben. zum Beispiel mit der Zellmembran. In der Situation im organischem Material wie Kohle, Holz, Öl oder
tischen Kohlenwasserstoffe (PAK). Man weiß, dass diese Außerdem wird in diesem Projekt untersucht, wie Organismus durchlaufen die Nanopartikel jedoch noch auch zum Beispiel bei Waldbränden.
Substanzen für sich allein toxisch oder sogar krebser- eine kranke oder geschädigte Lunge auf Carbon Black verschiedene Stationen von Nase über Luftröhre und
regend wirken. reagiert. Wenn die Lunge zum Beispiel Luftschad- Bronchien, bevor sie mit den für die Sauerstoffauf-
14 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG ZUR SICHERHEIT VON NANOMATERIALIEN 15
Zellen in der Lunge auf unterschiedliche Weise welche Mechanismen wirken und wie die Geometrie
geschädigt werden. der Kohlenstoffnanoröhren die Wirkung beeinflusst.
In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir unter
KOHLENSTOFFNANORÖHREN: BESSER ALS IHR RUF Wie kann man diesem Risiko entgegen wirken? anderem im BMBF-Projekt CaNTser derzeit, ab
Wenn man es mit Nanopartikeln zu tun hat, muss man welchem Faserdurchmesser Probleme auftreten,
generell genau hinschauen: Wie groß sind die Partikel? indem wir verschiedene Durchmesser-Intervalle
Spricht man von einzelnen Nanopartikeln oder von der CNTs untersuchen. Die Schwelle liegt nach den
„Die Abwehrmechanismen der Lunge werden mit Agglomeraten, liegen gestreckte Fasern vor oder eher bisherigen Erkenntnissen zwischen 20 und 40 Nano-
Agglomeraten oder Knäueln viel besser fertig als kugelförmige Knäuel? Die Wirkungen können jeweils metern. Wir möchten sie gerne noch genauer be-
mit langgestreckten Fasern. Die Hersteller haben die ganz unterschiedlich sein. Entsprechend differenziert stimmen.
Gefahr erkannt und setzen für ihre technischen Pro- sind die Risiken zu bewerten. Die Abwehrmechanismen
dukte bevorzugt lange Kohlenstoffnanoröhren ein, der Lunge werden mit Agglomeraten oder Knäueln
die sehr flexibel sind und verknäueln.“ viel besser fertig als mit langgestreckten Fasern. Die
Hersteller haben die Gefahr bereits erkannt und setzen Die Faserproblematik am Beispiel Asbest
Dr. Otto Creutzenberg für ihre technischen Produkte bevorzugt ein- oder
Fraunhofer ITEM, Hannover mehrwandige lange CNTs ein, die sehr flexibel sind
und verknäueln. Grundsätzlich bedeuten faserartige Materialien für
die Lunge ein Problem, wenn die Fasern länger als
Geht von CNTs ein Risiko für Verbraucher aus? fünf Mikrometer, dünner als drei Mikrometer und
In den Produkten selbst sind die CNTs fest einge- steif sind. Dann greifen die Reinigungsmechanismen
Kohlenstoffnanoröhren (englisch: Carbon Nanotubes, Vergleich zu kugelförmigen Partikeln eine besondere bunden, von daher besteht für Verbraucher kein der Lunge nur bedingt oder gar nicht, was Entzün-
CNTs) finden dank ihrer außergewöhnlichen mecha- toxikologische Wirkung – man kennt das beispiels- Risiko. Selbst beim Abwracken eines Flugzeugs werden dungen des Gewebes und möglicherweise Tumor-
nischen Stabilität und extrem hohen Strom- und weise von Asbest, einem natürlichen Stoff, der früher keine isolierten CNTs freigesetzt, sondern es entsteht bildung nach sich ziehen kann.
Wärmeleitfähigkeit bereits Anwendung als Zusatz in sehr viel eingesetzt wurde. Wenn Fasern länger als dabei höchstens Kunststoffstaub. Im Normalfall genügt
Kunststoffen, etwa für Sportgeräte, für die Elektronik- fünf Mikrometer und dünner als drei Mikrometer eine einfache Staubmaske, um das Einatmen der Stäu- Das prominenteste Beispiel eines gesundheits-
industrie oder die Automobilbranche. Die faserartige sind, sind sie potenziell gefährlich – dabei kommt be zu verhindern und sich so vor solchen Substanzen schädlichen Fasermaterials ist Asbest. Asbest ist die
Form von Kohlenstoffnanoröhren weckt jedoch Be- es nicht darauf an, ob es sich um mineralische oder zu schützen. Sammelbezeichnung für natürlich vorkommende,
denken, dass sie ähnlich wie andere faserartige Materi- Kohlenstofffasern handelt. Typische CNTs sind zwi- faserartige Silikat-Minerale. Charakteristisch für
alien, darunter Asbest, die Gesundheit schädigen. Lange schen zehn und 100 Nanometern dünn und können Ein besonderes Risiko besteht allerdings für Ange- Asbest ist, dass sich das Material längs in feinere Fa-
CNTs bilden Knäuel und sind daher nicht so problema- je nach Synthese 40 Mikrometer und länger sein. stellte in der Produktion, dort, wo die CNTs hergestellt sern zerteilt, die leicht eingeatmet werden können.
tisch wie starre, kurze und nadelförmige Partikel. Im Wobei sehr lange und flexible CNTs dazu neigen, werden. Mit den trockenen CNTs muss man sehr Die eingeatmeten Fasern setzen sich in der Lunge
Gespräch erläutert Dr. Otto Creutzenberg vom Fraun- Knäuel zu bilden – problematisch sind vor allem die sorgfältig umgehen. Mittlerweile sind die Hersteller fest und reizen das Gewebe.
hofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle starren, nadelförmigen Partikel. Das konnten wir im dafür aber sehr sensibilisiert. Sowohl Wissenschaft-
Medizin (Fraunhofer ITEM) in Hannover die Erkennt- BMBF-Projekt CarboTox zeigen. lerinnen und Wissenschafler, die mit CNTs arbeiten, Asbest wurde wegen seiner Hitzebeständigkeit,
nisse aus den Projekten CarboTox und CaNTser zur als auch die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter den guten Dämmeigenschaften und vielen weiteren
Wirkung von Kohlenstoffnanoröhren auf den Menschen: Was genau passiert, wenn man solche Fasern Firmen treffen alle Vorsichtsmaßnahmen bis hin Vorzügen weltweit in großen Mengen eingesetzt,
einatmet? zum Körpervollschutzanzug mit Luftfiltern. Die bis es im Jahr 1993 in Deutschland und zwölf Jahre
Was sind CNTs? Wenn man normalerweise Partikel aus der Umwelt Firmen arbeiten in geschlossenen Systemen, um die später EU-weit aufgrund seiner krebserregenden
CNT steht für Carbon Nanotubes, auf Deutsch Kohlen- oder am Arbeitsplatz einatmet, die vier Mikrome- Freisetzung von CNTs in die Umwelt zu verhindern. Wirkung verboten wurde.
stoffnanoröhren. Über die Herstellungsbedingungen ter oder kleiner sind, gelangen sie in die Lunge und Und wo immer möglich, setzt man heute CNTs ein, die
lassen sich Durchmesser, Länge sowie Dicke der Röhr- werden dort von den Fresszellen aufgenommen und Knäuel bilden. Dann hat man es in der Produktion und
chen gezielt beeinflussen. Man kann also sehr viele aus der Lunge entfernt. Sehr lange Fasern können Verarbeitung nicht mehr mit Fasern, sondern mit eher
sehr unterschiedliche Röhrchen herstellen, die zwar von Fresszellen aber nicht komplett aufgenommen runden Partikeln zu tun. Mit geeigneten Methoden
alle aus reinem Kohlenstoff bestehen, sich aber in ihren werden. Sie schränken die Zellen in ihrer Bewegungs- lässt sich bei der Verarbeitung dafür sorgen, dass sie im
Eigenschaften, gerade auch hinsichtlich der Toxizität, freiheit so stark ein, dass die Fasern nicht mehr aus Kunststoff dann wieder gestreckt vorliegen. Bei einigen
stark unterscheiden. der Lunge heraus transportiert werden können. Anwendungen ist man auch wieder zu konventionellen
Kohlenstofffasern (Carbonfasern) zurückgekehrt, die
CNTs bestehen eigentlich nur aus Kohlenstoff. CNTs sind sehr stabil. Anders als Mineralfasern für viele Zwecke ebenso geeignet sind wie CNTs.
Warum werden sie kritischer gesehen als brechen sie kaum, sie sind nicht löslich und auch
beispielsweise einfacher Ruß? nicht biologisch abbaubar. So können sie zur Ent- Woran arbeitet die Forschung aktuell?
Bei beiden handelt es sich um Partikel, aber Koh- stehung von Tumoren führen. Die Ergebnisse aus Generell laufen zu diesen Materialklassen noch
lenstoffnanoröhren sind faserartig. Fasern haben im dem Projekt CarboTox weisen darauf hin, dass die viele Forschungsarbeiten. Wir wollen besser verstehen,
16 NANOMATERIALIEN IM ALLTAG ZUR SICHERHEIT VON NANOMATERIALIEN 17
toxikologische Beurteilung. Für eine umfassende ließ sich durch eine spezielle Oberflächenbeschichtung
Aussage braucht man also immer eine Kombination der Nanopartikel mit Phosphorgruppen entscheidend
verschiedener Techniken. verringern. Man kann Nanopartikel also gezielt „ent-
NANOPARTIKEL IM KÖRPER VERFOLGEN giften“, wenn sie zum Beispiel aufgrund ihrer che-
Befinden wir uns hier in der Grundlagenforschung mischen Zusammensetzung eine spezifische Toxizität
oder lassen sich Ihre Methoden für reale Expositi- haben.
onen anwenden?
„Nanopartikel im Körper zu messen, ist unerlässlich, Die in der Realität auftretenden Konzentrationen
weil die Ergebnisse von in vitro Untersuchungen nur bei einer Exposition mit Nanomaterialien sind sehr,
sehr eingeschränkt übertragbar sind. Die Methoden sehr gering. Kommt es aber im Körper zu einer An-
werden ständig weiterentwickelt.“ reicherung der Nanopartikel über einen längeren
Zeitraum, dann ist es durchaus möglich, dass auch Die Reinigungskraft unserer Lunge
an sich unkritische Substanzen punktuell soweit
angereichert werden, dass sie gefährlich werden Die Atemluft enthält Keime, Staubpartikel und
Professor Dr. Martin Wiemann könnten – und genau das möchten wir im Projekt viele andere Verunreinigungen. Mit speziellen
IBE R&D Institute for Lung Health gGmbH, Münster NanoBioDetect untersuchen. Reinigungsmechanismen entledigt sich unser Atem-
trakt dieser Stoffe. Kleinstpartikel können bis in die
Unsere Untersuchungen helfen auch dabei, die Lungenbläschen gelangen. Hier werden sie von den
Ergebnisse von zellbasierten Testsystemen besser Fresszellen aufgenommen und über das Bronchial-
zu beurteilen. Die Frage dabei ist, wie gut die Zell- system nach oben transportiert. Neben den Fress-
Nanomaterialien können ungewollt vor allem über die Mit welchen Methoden kann man Nanopartikel kulturversuche die Realität abbilden beziehungsweise zellen spielt die sogenannte mukoziliäre Reinigung
Lunge oder den Darm sowie beabsichtigt – etwa bei im Körper messen? auf den Menschen übertragen werden können. Hinzu eine entscheidende Rolle: Sie entfernt Schleim und
medizinischen Anwendungen – in den menschlichen Wenn man die Wege von Nanopartikeln verfolgen kommt außerdem, dass in der realen Situation selten größere Partikel mit Hilfe von Flimmerhärchen
Körper gelangen. Über den Blutkreislauf verteilen sie möchte, lässt sich das meist nicht ohne eine spezi- nur eine definierte Art von Nanopartikeln vorliegt – aus den oberen Atemwegen. Über die „mukoziliäre
sich und lagern sich in den Organen oder im Gewebe ab. fische Markierung der Nanopartikel realisieren. in der Regel geht es um Größenverteilungen, beidenen Rolltreppe“ werden die Störstoffe direkt in Richtung
Das körpereigene Entsorgungssystem entfernt in den Die konventionelle Mikroskopie ermöglicht einen Nanopartikel verschiedenster Größe bis zu Mikroteil- Rachen geschickt. Per Schlucken, Abhusten oder
meisten Fällen über 90 Prozent der Partikel schließlich ersten Überblick, in welchen Bereichen eines Ge- chen vorkommen. Ausspucken verlassen die Fremdkörper schließlich
wieder. Für einen gezielten Einsatz von Nanomaterialien webes Nanopartikel in größeren Mengen vorliegen. die Atemwege.
im Körper sowie für die Abschätzung eventueller Ge- Dann kann man beispielsweise die Dunkelfeld- Kann man aus Ihren Ergebnissen allgemein Aussa-
sundheitsrisiken ist es wichtig, nicht nur den genauen Mikroskopie einsetzen, bei der die Lichtbrechung gen über die Toxizität von Nanopartikeln ableiten?
Weg von Nanoobjekten zu verfolgen, sondern sie auch an einem Material gemessen wird. Zelluläre Struk- Die pauschale Annahme, Nanopartikel seien klein, Nanotoxikologische Studien
in kleinsten Mengen im Körper aufzuspüren und zu turen brechen und streuen das Licht nur schwach, könnten überall durchdringen und damit alle Bereiche
identifizieren. Hierfür werden neue Methoden und viele Nanopartikel, zum Beispiel Gold, und Agglo- des Körpers erreichen, ist so nicht richtig. Nicht nur Die Nanotoxikologie untersucht mögliche toxische
Geräte benötigt, die hochspezifisch und nicht-invasiv merate dagegen sehr stark. Mit diesem Verfahren in der Lunge, auch im Darm funktionieren natürliche Wirkungen von Nanomaterialien. Als Spezial-
ein solches Vorgehen ermöglichen. Im Gespräch er- kann man relativ große Flächen schnell unter- Schutzmechanismen, sodass ein sehr großer Teil der gebiet der Toxikologie – der Lehre von Giftstoffen,
läutert Professor Dr. Martin Wiemann von der IBE R&D suchen. Nanopartikel über Fresszellen aufgenommen und un- Vergiftungen und deren Behandlung – beschäftigt
Institute for Lung Health gGmbH in Münste die Er- schädlich gemacht wird. Darüber hinaus hat man bisher sie sich mit den Effekten von technisch hergestell-
kenntnisse aus den Projekten nanoGEM und NanoBio- Im Projekt NanoBioDetect haben wir massenspek- keine Hinweise auf eine spezifische Nanotoxizität ge- ten Nanoobjekten und Nanostrukturen auf lebende
Detect zur Untersuchung von Nanopartikeln im trometrische Verfahren genutzt. Die für uns schnellste funden. Ein Material ist nicht deshalb toxisch oder nicht Organismen.
menschlichen Körper: und beste Methode zur Untersuchung ganzer Organ- toxisch, weil die Partikel eine bestimmte Größe haben.
schnitte ist die LA-ICP-MS (englisch: Laser Ablation Für toxikologische Studien sind sowohl Positiv-
Sie arbeiten in Ihren Projekten daran, Nanopartikel Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry), Was wir bisher noch gar nicht oder nicht ausreichend als auch Negativkontrollen unerlässlich. Ohne sie
im Körper zu messen. Was genau ist das Ziel? bei der die Probe Schicht für Schicht mit einem untersucht haben, sind Partikel, die teilweise löslich sind. sind keine validen Aussagen möglich. Positivkon-
Nanopartikel stehen häufig im Verdacht gesundheits- Laserstrahl abgetragen und mit dem Massenspek- Einerseits können hier chemische Toxizitäten auftreten, trollen sind Substanzen, die einen bekannten Effekt
schädlich zu sein, und für einige ist das auch belegt. trometer untersucht wird. Damit erreicht man andererseits könnten die Materialien aber auch viel auslösen und die Funktionalität des Tests sowie des
Wir möchten besser verstehen, welche Gefährdung Auflösungen von zwei bis vier Mikrometern. schneller aus dem Körper entfernt werden, als es bei Testsystems bestätigen. Negativkontrollen hingegen
von Nanopartikeln ausgehen kann und auf welchen Partikeln der Fall wäre. lösen keinen Effekt aus. Sie dienen dazu, den
Mechanismen sie beruht. Indem wir in unseren Arbei- Generell gibt es in der Geräteentwicklung ein Hintergrundwert des Testsystems zu bestimmen,
ten untersuchen, wo Nanopartikel im Körper hingelan- Kopf-an-Kopf-Rennen, aus dem immer genauere Kann man aus Ihren Forschungsergebnissen Störfaktoren zu identifizieren oder eine experimen-
gen und wo nicht, können wir bestimmte Risikoklassen Methoden resultieren. So ist die quantitative Be- Schlüsse für das Design von Nanopartikeln ziehen? telle Methodik zu verifizieren.
oder Risikobereiche mit hoher Wahrscheinlichkeit stimmung von Nanopartikeln derzeit noch sehr Im Projekt nanoGEM hatten wir hierfür ein schönes
ausschließen. aufwendig, aber besonders wichtig für die Beispiel. Die Fähigkeit, eine Entzündung auszulösen,Sie können auch lesen
