ORT: VIRTUELLE VERANSTALTUNG - NANOCARE CLUSTERTREFFEN 2020 VORSTELLUNG DER BMBF PROJEKTE AUS DER FÖRDERMAßNAHME NANOCARE4.0
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NanoCare‐Clustertreffen 2020
Vorstellung der BMBF‐Projekte
aus der Fördermaßnahme
NanoCare4.0
Termin: 26.11.2020
Ort: virtuelle Veranstaltung
Stand 02.11.2020 Änderungen vorbehalten. Beitragstitel und Autoren wie vom Einreicher angegeben. Keine Korrektur durch die DECHEMA
PROGRAMM UND INHALTSVERZEICHNIS
10:00 Begrüßung
RD R. Cottone, Bundesministerium für Bildung und Forschung
10:10 DaNa4.0 - Daten zu Neuen, Innovativen und anwendungssicheren Materialien
C. Steinbach, DECHEMA e.V.
10:30 CarboBreak - Voraussetzungen und Mechanismen einer Freisetzung 05
alveolengängiger faserförmiger Carbonfaser-Bruchstücke
A. Große, Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. und D. Kehren, BAuA
10:50 CarbonFibreCycle - Carbonfasern im Kreislauf – Freisetzungsverhalten und 08
Toxizität bei thermischer und mechanische Behandlung
S. Mülhopt und C. Weiss, Karlsruher Institut für Technologie
11:10 Kaffeepause
11:35 NanoCELL - Umfassende Charakterisierung und humantoxikologische Bewertung 11
von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus für eine zuverlässige
Risikoabschätzung und einen sicheren Einsatz in umweltfreundlichen
Verpackungsmaterialien - Wo stehen wir nach 18 Monaten?
F. Meier, Postnova
11:55 In-vitro Inhalation meets organ-on–a-chip: Entwicklung eines 13
innovativen Prüfsystems für luftgetragene Nanomaterialien im Projekt
NanoINHAL
T. Hansen, Frauenhofer ITEM
12:15 Mittagspause
13:15 MetalSafety - Entwicklung von Bewertungskonzepten für faserförmige und 16
granuläre Metallverbindungen: Bioverfügbarkeit, toxikologische Wirkprofile
sowie vergleichende in vitro-, ex vivo- und in vivo-Studien
A. Hartwig, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
13:35 Quantifizierung von Nanomaterialien im Gewebe für die regulatorische 18
Analytik und Entwicklung von in vitro-Methoden (NanoBioDetect)
M. Wiemann, IBE R&D gGmbH MS
13:55 InnoMat.Life - Innovative Materialien und neue Produktionsverfahren - 20
Sicherheit im Lebenszyklus und der industriellen Wertschöpfung
A. Haase, Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR)
14:15 Schlusswort
Vorträge
CarboBreak
Voraussetzungen und Mechanismen einer Freisetzung
alveolengängiger faserförmiger Carbonfaser-Bruchstücke
Anna Große a, Romy Naumann 1a, Marcel Hofmann 2a, Dominic Kehren 1b, Sabine Plitzko 2b,
Daphne Bäger 3b, Nuoping Klemm-Zhao 1c, Tim Rademacker 1d, Kerstin Anselmino 2d
a: Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V., Chemnitz, Deutschland; b: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und
Arbeitsmedizin, Berlin, Deutschland; c: IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Dresden,
Deutschland; d: CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG, Wischhafen, Deutschland
Förderkennzeichen: 03XP0197A; Projektlaufzeit: 01.01.2019 – 31.12.2021
In der Prozesskette von der Faser über die textile Fläche und den Verbundwerkstoff bis zum
Recycling und der Wiederverwertung werden Carbonfasern (CF) hohen mechanischen
Beanspruchungen ausgesetzt. Dabei können durch Splitterbruch der Fasern alveolengängige
Fragmente entstehen, bei denen gemäß der WHO-Kriterien (Länge > 5 µm, Durchmesser < 3 µm,
Länge : Durchmesser > 3 : 1) von einer asbestartigen Wirkung ausgegangen werden muss. [1],[2]
Bisher ist ungeklärt, welche Carbonfasern zu diesem Splitterbruch neigen und in welcher
Konzentration Bruchstücke freigesetzt werden.
Ziel des Vorhabens CarboBreak ist es, vertiefte Kenntnisse zum Bruchverhalten von Carbonfasern
zu erlangen sowie das Freisetzungsverhalten von alveolengängigen Bruchstücken bei
mechanischer Beanspruchung (Abbildung 1) zu untersuchen.
Abbildung 1: Carbonfaserbruchstücke entstanden während Zugprüfung (links) und Splitterbruchtest (rechts)
5Im Rahmen der Projektbearbeitung wurden verschiedene Carbonfasertypen hinsichtlich ihrer
Materialeigenschaften und inneren Struktur umfassend charakterisiert. Im Fokus stehen Pech-
bzw. Polyacrylnitril(PAN)-basierte Carbonfasern aus verschiedenen Festigkeits- und E-
Modulbereichen.
Es wurde ein Verfahren zur Untersuchung des Splitterbruchs der Carbonfasern entwickelt,
welches den zentralen Meilenstein des Projektes darstellt. Mögliche Korrelationen zwischen
physikalischen Eigenschaften der Carbonfasern, der Neigung zum Splitterbruch und Bildung von
alveolengängigen Faserbruchstücken wurden in diesem Zusammenhang untersucht.
Im nächsten Schritt wurden die Carbonfasern zu Faserhalbzeugen und anschließend zu
Kompositen verarbeitet, wobei verschiedene duroplastische und auch thermoplastische Matrix-
Systeme zum Einsatz kamen. Aktuell werden die Komposite mit industrieüblichen Verfahren (u.a.
Fräsen, Sägen) mechanisch bearbeitet und gleichzeitig die Freisetzung von CF-Bruchstücken
bestimmt. Hierbei wird insbesondere die Rolle der Wechselwirkung zwischen Faser und
Kompositmatrix für die Entstehung von Bruchstücken mit kritischer Fasermorphologie
untersucht.
Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes liegt auf der Durchführung von Arbeitsplatzmessungen
in Anlehnung an die VDI 3492 und die DGUV-Information 213-546 zur Bestimmung der
Konzentrationen von lungengängigen, anorganischen Fasern in Arbeitsbereichen, siehe
Abbildung 2.
Abbildung 2: Aufbau der Messgeräte für die Arbeitsplatzmessung im Zentrum für Textilen Leichtbau am STFI
6Die Messungen und Probenahmen werden hierbei hauptsächlich vor Ort bei den Projektpartnern
und in Industrieunternehmen durchgeführt, um den Bezug zur realen Praxis zu gewährleisten.
Die Betrachtungen erfolgen über den gesamten Lebenszyklus von der Halbzeugherstellung, über
die Herstellung und Bearbeitung von Kompositen, bis hin zum Recycling und der
Wiederverwendung.
Als Ergebnis von CarboBreak werden Empfehlungen für die Arbeitsweise und die persönliche
Sicherheit sowie zu idealen bzw. optimierten Prozessparametern erstellt. Die Ergebnisse leisten
grundsätzliche Beiträge zur Entwicklung anwendungssicherer Materialien und Produkte. Zur
Erreichung dieser Projektziele bedarf es gemeinschaftlicher, branchenübergreifender
Anstrengungen unterschiedlicher Disziplinen aus Forschung und Industrie, die im
Projektkonsortium und im assoziierten Partnerpool vereint werden. Der Transfer und die
Verbreitung der Projektergebnisse erfolgt über Vorträge und Veröffentlichungen auf
verschiedenen Plattformen und Publikationskanälen. [3],[4],[5]
Referenzen:
[1] D. Bäger, B. Simonow, D. Kehren, N. Dziurowitz, D. Wenzlaff, C. Thim, A. Meyer-Plath, S. Plitzko
„Pechbasierte Carbonfasern als Quelle alveolengängiger Fasern bei mechanischer Bearbeitung
von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK)”, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft 2019; 79:
13-16
[2] D. Kehren, B. Simonow, D. Bäger, N. Dziurowitz, D. Wenzlaff, C. Thim, J. Neuhoff, A. Meyer-Plath,
S. Plitzko “Release of Respirable Fibrous Dust from Carbon Fibers Due to Splitting along the Fiber
Axis”, Aerosol Air Qual. Res., vol. 19, no. 10, pp. 2185–2195, 2019, doi: 10.4209/aaqr.2019.03.0149
[3] D. Kehren, S. Plitzkow, A. Meyer-Plath „Arbeitsschutz bei der Behandlung faserhaltiger Abfälle“,
Fachtagung Aufbereitung und Verwertung carbonfaserhaltiger Abfälle am Umweltbundesamt,
19./20.09.2019
[4] A. Große, D. Kehren, R. Naumann, M. Hofmann, D. Bäger, S. Plitzko „Auf Biegen und Brechen –
Projekt CarboBreak untersucht arbeitsschutzrelevante Themenstellung“, Web-Seminar Reihe des
Composite United e.V., 07.07.2020
[5] T. Rademacker „CFK-Recycling – durch Nachhaltigkeit zum Mehrwert“, AFBW - Virtual Composites
Show, 2. Virtuelles Live-Event, 07/2020
7CFC - CarbonFibreCycle
Carbonfasern im Kreislauf – Freisetzungsverhalten und
Toxizität bei thermischer und mechanischer Behandlung
Sonja Mülhopta, Carsten Weissb, Sonja Adlere, Werner Baumanna, Silvia Diabatéb, Susanne Fritsch
Deckerb, Alexandra Friesenc, Ann-Kathrin Goßmanng, Bastian Gutmannf, Barbara Güttlere, Andrea
Hartwigc, Johann Heed, Tobias Krebsf, Peter Quickerd, Christoph Schlagerf, Frederik Weissg,
Manuela Wexlera, Dieter Stapfa
a: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Technische Chemie (ITC), Eggenstein-Leopoldshafen,
Deutschland; b: Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Biologische und Chemische Systeme - Biologische
Informationsprozessierung, Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland; c: Karlsruher Institut für Technologie (KIT),
Institut für Institut für Angewandte Biowissenschaften (IAB), Karlsruhe, Deutschland; d: RWTH Aachen - Lehr-und
Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe (TEER), Aachen, Deutschland; e: Institut für Verbundwerkstoffe
(IVW), Kaiserslautern, Deutschland; f: VITROCELL Systems GmbH, Waldkirch, Deutschland; g: PALAS GmbH,
Karlsruhe, Deutschland
Die Identifikation von Freisetzungsszenarien lungengängiger Stäube aus Carbonfasern (CF) über
den gesamten Lebenszyklus, sowie Untersuchungen zum Faserverhalten bei mechanischer
Bearbeitung und thermischer Belastung, als auch die Ermittlung der toxikologischen Wirkung der
lungengängigen Stäube sind Ziele des Projektes „CFC – CarbonFibreCycle“.
Bei thermischer Belastung von in Matrixmaterialien eingebetteten CF können unter
verschiedenen Voraussetzungen und durch komplexe Mechanismen lungengängige Fasern
freigesetzt werden. Entscheidende Faktoren sind z. B. der Temperaturgradient beim
Wärmeeintrag und die Höchsttemperatur [1, 2], der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre [3, 4, 5, 6],
die Verfügbarkeit des Oxidationsmittels [3, 5, 7], sowie die Verweilzeit in der Reaktionszone [7,
8, 9]. Weiterhin bedingen katalytische Effekte durch in die CF eingelagerte Metalle, sowie durch
die hohe Reaktivität funktioneller Gruppen, Oberflächendefekte der Carbonfaser [7, 10, 11].
Neben diesen Faktoren hat auch die Geometrie, und damit verbunden die Oberfläche Einfluss
auf das Abbauverhalten der Fasern. So weisen CF, die zu einem Staub mit hohem Feinanteil
aufgemahlen wurden, in thermogravimetrischen Untersuchungen in synthetischer Luft
niedrigere charakteristische Zersetzungstemperaturen auf als solche, die zu einem Staub mit
hohem Faseranteil aufgemahlen wurden (Abbildung 1).
8Abbildung 1: Unterschiede im thermischen Abbauverhalten von zu verschiedenen Feinheiten aufgemahlenen
Carbonfasern in synthetischer Luft.
Bei Untersuchungen zur Entstehung von Faserstäuben aus CF-verstärkten Kunststoffen bei
verschiedenen Bearbeitungsmethoden wurden in REM-Analysen sowohl Gemische aus
Einzelfasern im Längenbereich von wenigen µm bis zu 1,5 mm als auch Bruchstücke der
Epoxidharzmatrix, sowie Faserbündel und Faserbruchstücke mit anhaftender Matrix festgestellt
(Abbildung 2).
Abbildung 2 : CNC-Frässtaub einer Platte aus Carbonfasern mit einer Matrix aus Epoxidharz.
Diese Heterogenität erschwert die Bestimmung und Charakterisierung der Faseranteile im Staub,
sodass aktuell mechanische, thermische und chemische Verfahren zur Faserfreilegung aus der
umgebenden Matrix geprüft werden.
9Die dabei gewonnenen Erkenntnisse stützen nicht nur die Grundlagen, sondern dienen auch zur
Methodenentwicklung für die Erzeugung eines Prüfaerosols, das die Kriterien der
Weltgesundheitsorganisation (WHO) für Inhalierbarkeit von Fasern erfüllt. Durch Kombination
von Mahlung der Fasern mit geeigneter Dispergierung des Mahlguts in die Gasphase kann damit
die Aerosolquelle für die toxikologischen Studien an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht (engl. air-
liquid interface, kurz ALI) gestellt werden. In den Prozess wurde außerdem eine Trennmaschine
für die mechanische Bearbeitung und direkte Aerosolgewinnung von CFK integriert.
Zur Ermittlung der toxikologischen Wirkung von Carbonfasern wurden Zellkulturen an der ALI
etabliert. Bei ersten Untersuchungen im ALI-Expositionssystem erwiesen sich Modellsysteme auf
Basis der Bronchialepithel-Zelllinie BEAS-2B in Mono- wie auch in Kokultur mit Makrophagen
(THP-1) und Fibroblasten als vielversprechend.
Zeitgleich finden Untersuchungen mit α-Quarz-Partikeln als Positivkontrolle statt. Diese
induzieren unter anderem eine inflammatorische Antwort in Lungenzellkultursystemen und
werden somit genutzt, um die toxikologischen Endpunkte zu validieren.
Referenzen:
[1] Flemming, M. und Roth, S.: Faserverbundbauweisen Eigenschaften. Mechanische, konstruktive, thermische,
elektrische, ökologische, wirtschaftliche Aspekte. Berlin, Heidelberg: Springer, 2003 - ISBN: 978-3-642-
62459-9.
[2] Zhu, X. P.; Tang, Y.; Wang, X.; Lei, M. K.: Fiber erosion of carbon fiber composite exposed to simulated ITER-
relevant thermal impact by high-intensity pulsed ion beam. In: Fusion Engineering and Design. 85. Jg., 2010,
Nr. 10-12, S. 1999–2004
[3] Hertzberg, T.: Dangers relating to fires in carbon-fibre based composite material. In: Fire and Materials. 29.
Jg., 2005, Nr. 4, S. 231–248
[4] Gesellschaft für Werkstoffprüfung mbH (GWP): Abschätzung der Brandexposition und des Faserabbaus von
faserverstärktem Kunststoff (CFK). Technische Mitteilung 20150914, 14.09.2015
[5] Gandhi, S.; Lyon, R.; Speitel, L.: Potential Health Hazards from Burning Aircraft Composites. Fire Safety
Section, AAR-422, Federal Aviation Administration, William J. Hughes Technical Center, Atlantic City
International Airport, 1999
[6] Caldwell, D. J.; Kuhlmann, K. J.; Roop, J. A.: Smoke Production from Advanced Composite Materials. In:
Nelson, G. L. (Hrsg.): Fire and Polymers II. (Reihe: ACS Symposium Series. Washington, DC: American
Chemical Society, 1995, S. 366–376
[7] Bell, L. V.: Release of Carbon FIbers from Burning Composites. Hampton, 1980
[8] Courson, D. L.; Flemming, C.; Kuhlmann, K. J.; Lane, J. W.: Smoke Production And Thermal Decomposition
Products From Advanced Composite Materials. Armstrong Laboratory, Occupational and Environmental
Health Directorate, 1995
[9] Olson, J. M.: Mishap Risk Control for Advanced Aerospace/Composite Materials. USAF Advanced
Composites Programm Office, 1995
[10] Yang, J.; Liu, J.; Liu, W.; Wang, J.; Tang, T.: Recycling of carbon fibre reinforced epoxy resin composites
under various oxygen concentrations in nitrogen–oxygen atmosphere. In: Journal of Analytical and Applied
Pyrolysis. 112. Jg., 2015, S. 253–261
[11] Wright, M. T.; Luers, A. C.; Darwin, R. L.; Scheffey, J. L.: Composite Materials in Aircraft Mishaps Involving
Fire: A Literature Review. Naval Air Warfare Center Weapons Division, 2003
10NanoCELL - Umfassende Charakterisierung und
humantoxikologische Bewertung von Nanocellulose entlang
ihres Lebenszyklus für eine zuverlässige Risikoabschätzung und
einen sicheren Einsatz in umweltfreundlichen
Verpackungsmaterialien - Wo stehen wir nach 18 Monaten?
Florian Meiera, Roland Drexela, Christine Herrmannb, Christoph Metzgerb, Heiko Briesenb, Dominik
Selzerc, Thorsten Lehrc, Siegfried Fürtauerd, Tobias Krebse, Stephan Dähnhardt-Pfeifferf, Sven van
Lengeng, Felix Grimmh, Petra Weißhaupti, Michelle Heslerj, Yvonne Kohlj
a: Postnova Analytics GmbH (PNV), Landsberg, Deutschland;
b: Technische Universität München, Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik (SVT), Freising, Deutschland
c: Universität des Saarlands (UDS), Klinische Pharmazie, Saarbrücken, Deutschland
d: Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (FHG-IVV), Freising, Deutschland
e: VITROCELL Systems GmbH (VC), Waldkirch, Deutschland
f: Microscopy Services Dähnhardt GmbH (MSD), Flintbek, Deutschland
g: GRÜNPERGA Papier GmbH, Grünhainichen, Deutschland
h: INFIANA Germany GmbH & Co. KG, Forchheim, Deutschland
i: Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, Deutschland
j: Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (FHG-IBMT), Sulzbach, Deutschland
Förderkennzeichen: 03XP196; Projektlaufzeit: 01. März 2019 - 28. Februar 2022
Das Projekt NanoCELL beschäftigt sich mit der umfassenden Charakterisierung und
humantoxikologischen Bewertung von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus, von der
Herstellung aus Cellulose-haltigen Rohstoffen, der gezielten Modifizierung und Anwendung als
Beschichtungsmaterial, bis hin zur Entwicklung von Charakterisierungsmethoden und neuartigen
Verfahren zur toxikologischen Risikoabschätzung des Materials. Das Projekt gliedert sich dabei in
sechs Arbeitspakete, in welchen die Projektpartner eng verschränkt und interdisziplinär
zusammenarbeiten.
11Schematische Darstellung der NanoCELL-Arbeitspakete.
Diese Präsentation gibt eine Übersicht über die Fortschritte von NanoCELL in den ersten 18
Projektmonaten. So wurde im Rahmen von Arbeitspaket 1 ein Verfahren entwickelt, um
Nanocellulose erfolgreich aus verschiedenen, nachwachsenden Rohstoffen (Baumwolle, Birke,
Eukalyptus) zu extrahieren und diese mit kurzkettigen Carbonsäuren zu funktionalisieren. In
Arbeitspaket 2 wurden analytische Methoden auf Basis der Elektronenmikroskopie,
Lichtstreuung und Feldflussfraktionierung zur physiko-chemischen Charakterisierung der
Nanocellulose auch in komplexen Medien wie beispielsweise künstlichem Speichel oder
Zellkulturmedium etabliert. In Arbeitspaket 3 konnten erste nanocellulose-beschichtete Folien
mit hervorragenden Barriere-Eigenschaften gegen Sauerstoff hergestellt werden, jedoch besteht
noch Optimierungspotential hinsichtlich deren Verbundhaftung. Zur toxikologischen Beurteilung
der Nanocellulose nach oraler und pulmonaler Aufnahme wurden im Rahmen des Arbeitspakets
4 erfolgreich in vitro-Modelle der Lungen- sowie der Magen-Darm-Barriere entwickelt, wobei
darüber hinaus ein miniaturisiertes Expositionssystem zur Untersuchung der Luft-Flüssigkeits-
Grenzfläche etabliert werden konnte. Parallel dazu konnte in Arbeitspaket 5 ein in silico-Modell
validiert werden [1,2,3], welches in der zweiten Projekthälfte den Transport und den Effekt von
Nanocellulose im menschlichen Körper über Barrieren hinweg simulieren soll mit dem Ziel der
Früherkennung und Vorhersage von Materialrisiken in Verbindung mit diesem neuen Werkstoff.
Referenzen:
[1] Kovar L, Selzer D, Britz H, Benowitz N, St. Helen G, Kohl Y, Bals R, Lehr T, Clinical
Pharmacokinetics, 2020, 59(9), 1119–1134.
[2] Kovar L, Schräpel C, Selzer D, Kohl Y, Bals R, Schwab M, Lehr T, Pharmaceutics, 2020, 12(6), 578.
[3] Kovar L, Weber A, Zemlin M, Kohl Y, Bals R, Meibohm B, Selzer D, Lehr, T, Pharmaceutics, 2020,
12(10), 908.
12In-vitro Inhalation meets organ-on–a-chip: Entwicklung eines
innovativen Prüfsystems für luftgetragene Nanomaterialien im
Projekt NanoINHAL
Tanja Hansenc, Michelle Jäschkea,b, Luisa Ohlmeiera,b, Carsten Brodbeckd, , Christian Hoyera,b,
Flora Kissa,b, Jan Knebelc, Detlef Ritterc, Nico Sonnenscheinc, Uwe Marxb, Katharina Schimekb
a: TU Berlin, Berlin, Deutschland; b: TissUse GmbH, Berlin, Deutschland; c: Fraunhofer ITEM, Hannover, Deutschland;
d: Fraunhofer SCAI, St. Augustin, Deutschland
Speziell für die inhalative Route ist eine Abschätzung des gesundheitlichen Risikos durch
(Nano)materialien basierend auf der derzeitigen Datenlage kaum möglich. Nach inhalativer
Aufnahme ist die Lunge einerseits das Zielorgan für mögliche Nanopartikel-Wirkungen,
andererseits können die Nanomaterialien nach Überwinden der Blut-Luft-Schranke systemisch
verfügbar werden, so dass toxische Wirkungen auf Sekundärorgane nicht ausgeschlossen sind.
Hier setzt das Projekt NanoINHAL an: Es wurde ein innovatives in vitro-Expositionssystem
entwickelt, das nun mit einem mikrophysiologischen System kombiniert wird, welches die Co-
Kultivierung mehrerer Organäquivalente erlaubt und damit aufwändige Toxizitätsstudien in
einem relevanten in vitro-Modell ermöglicht. Mit der in Entwicklung befindlichen Plattform wird
es nach Abschluss des Projekts möglich sein, Lungenäquivalente auf automatisierte,
selbsttragende Weise für mindestens 5 Tage einer wiederholten Nanopartikel-Exposition
auszusetzen. Dadurch können toxische Wirkungen sowohl auf die Lunge als auch, als sekundäres
Organ, auf die Leber untersucht werden.
Wir stellen hier das Konzept und den Aufbau der kombinierten Expositionseinrichtung mit dem
mikrophysiologischen System vor. Um eine effiziente und kontrollierte Exposition der zellulären
Testsysteme zu gewährleisten, spielt ein Verständnis der zugrundeliegenden
strömungsmechanischen Effekte des Partikeltransports und der Partikelabscheidung eine
zentrale Rolle. Aus diesem Grund wurden an den Konstruktionsentwürfen fortlaufend
aerosolphysikalische Bewertungen mittels strömungstechnischer Simulationsverfahren (CFD)
durchgeführt und die Entwürfe entsprechend angepasst. Um die autonome Kultivierung des
mikrophysiologischen Systems zu ermöglichen wurden Konzepte für einen automatisierten
Mediumaustausch realisiert. Zusätzlich zeigen wir Daten zur Morphologie, zum Metabolismus
und zur Markerexpression von Lungenäquivalenten, die im mikrophysiologischen System für
mindestens 5 Tage in Mono- und Co-Kultur mit Leberäquivalenten kultiviert wurden.
13Die ersten Ergebnisse zeigen, dass das in der Entwicklung befindliche ganzheitliche System ein
vielversprechendes Werkzeug ist, das für Sicherheitsbewertungen in Umgebungen, die der
Exposition von Nanopartikeln ausgesetzt sind, eingesetzt werden kann. Diese Plattform soll
qualitativ hochwertige In-vitro-Daten generieren, die die Sicherheit von Nanopartikeln beim
Menschen vorhersagen.
Dieses Projekt wird vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert,
NanoINHAL-Zuschuss Nr. 03XP0226.
Referenzen:
[1] Mihai C, Chrisler WB, Xie Y, Hu D, Szymanski CJ, Tolic A, Klein JA, Smith JN, Tarasevich BJ, Orr G.
(2013) Intracellular accumulation dynamics and fate of zinc ions in alveolar epithelial cells
exposed to airborne ZnO nanoparticles at the air-liquid interface. Nanotoxicology. 2013 Dec 2.
[2] Lenz AG, Karg E, Lentner B, Dittrich V, Brandenberger C, Rothen-Rutishauser B, Schulz H, Ferron
GA, Schmid O. (2009) A dose-controlled system for air-liquid interface cell exposure and
application to zinc oxide nanoparticles. Part Fibre Toxicol. 16;6:32. doi: 10.1186/1743-8977-6-32
[3] Aufderheide M, Halter B, Möhle N, Hochrainer D. (2013) The CULTEX RFS: a comprehensive
technical approach for the in vitro exposure of airway epithelial cells to the particulate matter at
the air-liquid interface. Biomed Res Int.;2013:734137. doi: 10.1155/2013/734137
[4] Jeannet N, Fierz M, Kalberer M, Burtscher H, Geiser M. (2014) Nano Aerosol Chamber for In-Vitro
Toxicity (NACIVT) studies. Nanotoxicology. 2014 Feb 20.
[5] Ritter, D. and Knebel, J. Acute toxicity testing of inhalable/gaseous compounds by cell-based
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S178.
[6] Marx, U. et al. t4 Workshop Report: Biology-Inspired Microphysiological System Approaches to
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[8] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-
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[9] Materne, E.-M. et al. Chip-based liver equivalents for toxicity testing – organotypicalness versus
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[10] DJ Hughes, Tomasz Kostrzewski, Emma L Sceats. Opportunities and Challenges in the Wider
Adoption of Liver and Interconnected Microphysiological Systems. Exp Biol Med. 2017.
[11] Benam KH, Villenave R, Lucchesi C, Varone A, Hubeau C, Lee HH, Alves SE, Salmon M, Ferrante TC,
Weaver JC, Bahinski A, Hamilton GA, Ingber DE. Small airway-on-a-chip enables analysis of human
lung inflammation and drug responses in vitro. Nat Methods. 13(2):151-7.2016
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the drug testing dilemma. Future Science OA, 2017
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Systemic Safety Assessment and Efficiency Evaluation of Substances in Laboratory Animals and
Man? ATLA 40, 235–257, 2012
[17] Maschmeyer, I. et al. A four-organ-chip for interconnected long-term co-culture of human
intestine, liver, skin and kidney equivalents. Lab Chip. 21; 15 (12). 2015
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[20] Xiao, S. et al. A microfluidic culture model of the human reproductive tract and 28-day menstrual
cycle. Nature Communications 8:14584. 2017
[21] Ritter, D. et al. In vitro inhalation cytotoxicity testing of therapeutic nanosystems for pulmonary
infection. Toxicol In Vitro 63:104714. 2020
15MetalSafety – Entwicklung von Bewertungskonzepten für
faserförmige und granuläre Metallverbindungen:
Bioverfügbarkeit, toxikologische Wirkprofile sowie
vergleichende in vitro-, ex vivo- und in vivo-Studien
Ronja Neuberger a, Johanna Wall a, Matthias Hufnagel a, Didem Ag Seleci b, Sabrina Lamsat c,
Wendel Wohlleben b, Naveed Honarvar b, Robert Landsiedel b, Tanja Hansen c, Florian Schulz c,
Katherina Seewald c, Annette Bitsch c, Uwe Heinrich d, Andrea Hartwig a
a: Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe, Deutschland; b: BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland; c: Fraunhofer
Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), Hannover, Deutschland; d: ToxConsultant, Hannover,
Deutschland
Metalle und ihre Verbindungen sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Sie finden
Anwendung als Bestandteile von Edelstahl, als Katalysatoren, Pigmente sowie im Auto- und
Flugzeugbau. Ferner werden Metallverbindungen auch in zahlreichen innovativen Prozessen
eingesetzt, u.a. in 3D-Druckerfarben, als Halbleiter in der Elektronik und in der medizinischen
Diagnostik. Allerdings haben sich viele Metalle als entzündungsfördernd und/oder sogar
krebserzeugend erwiesen; hierbei hängt die Toxizität oftmals erheblich von der jeweiligen
Verbindungsform ab. Das wissenschaftliche Gesamtziel des Vorhabens ist die Entwicklung von
vergleichsweise einfachen in-vitro-Modellen zur toxikologischen Bewertung und Gruppierung
von verschiedenen Metallverbindungen mit unterschiedlicher Löslichkeit bzw. Bioverfügbarkeit.
Im Vordergrund stehen dabei faserförmige Metallverbindungen, sog. „Nanowire“, welche in
einer steigenden Anzahl in innovativen Produkten eingesetzt werden, und für die bislang kaum
toxikologische Daten vorliegen. Diese sollen in ihren Wirkungen mit entsprechenden
nanoskaligen granulären und wasserlöslichen Verbindungen verglichen werden.
Als zu untersuchende Materialien wurden hierfür bereits TiO2 (NM105), Ag (NM300K), Ni und Cu
als Nanopartikel (NP) und Nanowire (NW) ausgewählt. Die Materialliste wurde zusätzlich noch
durch CeO2 (NM212), CuO (aus dem SUN-Projekt) sowie MWCNTs (NM401, als Positivkontrolle
für eine Faserwirkung) ergänzt, da diese Materialien bereits gut charakterisiert sind und teils
toxikologische Studien vorliegen, an die angeknüpft werden kann. Fehlende Untersuchungen
bzgl. der Materialcharakterisierung, insbesondere der Löslichkeit in physiologisch relevanten
Medien und der Reaktivität in zellfreien Testsystemen, werden derzeit noch im Zuge des Projekts
abgeschlossen. Dabei zeigte sich lediglich für Ni NP und NW ein Unterschied in der Löslichkeit in
16Abhängigkeit von der Form. Generell zeigte sich ein Trend der statischen Löslichkeit in Zellkultur-
bzw. physiologisch relevanten Medien von Cu = CuO > Ni > TiO2 = CeO2 = Ag, wobei bei den
silberhaltigen Materialien eine Bildung von sekundären Partikeln beobachtet wurde. Diese
Tendenz wird aktuell in Form der intrazellulären Ionenfreisetzung in vitro verifiziert. Zudem
stellte sich heraus, dass die Löslichkeit abhängig vom gewählten Medium ist. Hierbei zeigte sich
folgender Trend: artifizielle lysosomale Flüssigkeit (pH 4,5) > Zellkulturmedium > artifizielle
Lungenflüssigkeit. Hinsichtlich der dynamischen Auflösung der Nanowire zeigten Cu NW die
höchste Löslichkeit, während TiO2 und Ag NW keine relevante Auflösung zeigten. Die Daten zur
Auflösung der Ni NW müssen nochmals verifiziert werden. Für die granulären Materialien zeigte
sich folgende Rangfolge mit abnehmender Löslichkeit: CuO > CeO2 ≈ Ag ≈TiO2 (Cu und Ni NP
werden derzeit erhoben). Zusätzlich zur Löslichkeit wurde auch die abiotische Reaktivität mit
Hilfe des FRAS Assays untersucht. Dabei zeigte sich kein bedeutender Unterschied in der
Reaktivität von NP und NW. Insgesamt kann mit abnehmender Reaktivität folgender Trend
erkannt werden: Cu > CuO > Ag > Ni = CeO2 = TiO2.
Neben Experimenten in zellfreien Testsystemen konnte zudem eine erste submerse
Zytotoxizitätsstudie der Materialien unter Verwendung von A549-Zellen durchgeführt werden.
Hierbei zeigte sich unter Berücksichtigung der applizierten spezifischen Oberfläche des
granulären Materials pro Kultivierungsfläche folgende Tendenz mit abnehmender Zytotoxizität:
Ni = Cu > CuO > CNT > CeO2 > TiO2.
Auf Basis der vorgestellten Ergebnisse sollen nun Materialien für ex- und in-vivo-Versuche
ausgewählt und vorbereitet werden. Außerdem werden in den nächsten Projektschritten
weiterführende submerse Experimente in Mono- und Kokulturen erfolgen. Zusätzlich soll die
Etablierung des air-liquid interface (ALI) Expositionssystem zur Applikation von NW
abgeschlossen werden.
17Quantifizierung von Nanomaterialien im Gewebe für die
regulatorische Analytik und Entwicklung von in vitro-
Methoden (NanoBioDetect)
Martin Wiemanna, Uwe Karstb, Jürgen Schnekenburgerc, Birgit Hagenhoffd, Sibylle Gröterse
a: IBE R&D Institute for Lung Health gGmbH, Münster, Germany; b: Institute of Inorganic and Analytical Chemistry,
Universität Münster, Germany; c: Biomedizinisches Technologiezentrum der Medizinischen Fakultät Münster (BMTZ),
Universität Münster, Germany; d: Tascon GmbH, Münster, Germany; e: BASF SE, Experimentelle Toxikologie und
Ökologie, Ludwigshafen, Germany
Im Projekt NanoBioQuant (www.nanobioquant.de) sollen die Methoden zur Detektion und
Quantifizierung von Nanopartikeln (NP) bzw. Nanomaterialien im Gewebe und in einzelnen
Zellen verbessert und weitgehend standardisiert werden. Ziel sind Standardarbeits-anweisungen,
die letztlich mit histopathologischen Routineverfahren kompatibel sind und sich für die
regulatorische Nanosicherheitsforschung nutzen lassen. Dazu werden ortsaufgelöste
Nachweismethoden wie die kombinierte Dunkfeld-Raman-Mikroskopie (DFM-Raman) und die
digitale Holographische Mikroskopie (DHM) etabliert, andere bestehende Methoden verbessert
und, sofern durchführbar, im Hinblick auf quantitative Analysemöglichkeit bis hin zum
Einzelpartikelnachweis verbessert (u.a. LA-ICP-MS, Tof-SIMS). Der Nachweis biologischer
Veränderungen in NP-belasteten Geweben wird mittels Immunhistochemie und MALDI-MS-
Imaging durchgeführt. All diese Verfahren dienen letztlich der Erfassung von NP-Konzentrationen
und -Effekten in Zellen der Lunge und der peripheren Gewebe. An Gewebeschnitten
vorhandener Inhalations- und Instillationsstudien wurden typische NP-haltige Zelltypen
identifiziert [1,2]. Diese dienen als Vorlage für den Aufbau von relevanten Zellmodellen wobei
die zelluläre NP-Dosis in vitro an die Befunde in vivo Studie angepasst werden soll. Entsprechend
sollen auch Verfahren zur Quantifizierung von NP in kultivierten Zellen etabliert werden.
Folgende Teilziele wurden in der ersten Projekthälfte erreicht: Nach Abschluss der
Begutachtung histopathologischer Schnitte aus diversen Kurzzeit-Inhalationsstudien wurde mit
der Auswertung von Langzeitstudienpräparaten (2-Jahres Inhalation von CeO2 und BaSO4) mit
dem Schwerpunkt “periphere Organe“ begonnen. Die DHM wurde an Silber-NP und
Bentonit(NM-600)-beladenen Lungenschnitten, die DFM-Raman-Methode u.a. an CeO2- und
Polymerproben etabliert. Zur Identifikation NP-beladener Zelltypen wurde ein Lanthanoid-
Labelling u.a. von Zelltypen der Lunge, Leber Niere und Milz etabliert. Daraus abgeleitet wurden
18zwei Zellmodelle aufgebaut (primäre Leberzellkulturen nach Kaltlagerung, Ko-Kulturen aus
Lungenepithelzellen und Makrophagen) und ihre Partikelanreicherung u.a. elektronenoptisch
dargestellt. Die Lipidveränderungen in vitro wurden mittels MALDI-MS untersucht: Silica-
Exposition führte zu Veränderungen, die typischen in vivo-Befunden ähnelten. Erste
Untersuchungen zur NP-Beladung vereinzelter Zellen durch Kopplung von “Cell Sorting“ und ICP-
MS verliefen erfolgreich. Die ToF-SIMS-Analytik wurde umfassend verbessert; so konnten
organische Nanopartikel in Zellen menschlicher Hautproben nachgewiesen werden [3].
Der Vortrag gibt einen Überblick über diese vielversprechenden Teilergebnisse, die in der
zweiten Projekthälfte weiter vertieft werden.
Referenzen:
[1] O. Reifschneider, A. Vennemann, G. Buzanich, M. Radtke, U. Reinholz, H. Riesemeier, J.
Hogeback, C. Köppen, M. Großgarten, M. Sperling, M. Wiemann, U. Karst, Revealing Silver
Nanoparticle Uptake by Macrophages Using SR-μXRF and LA-ICP-MS. Chem Res Toxicol, 2020
18;33(5):1250-1255.
[2] M. Wiemann1 , A. Vennemann , F. Blaske , M. Sperling, U. Karst. Silver Nanoparticles in the
Lung: Toxic Effects and Focal Accumulation of Silver in Remote Organs. Nanomaterials (Basel).
2017, 7(12):441
[3] K. Lamann, C. Brungs, E. Tallarek, A. Pirkl, E. Niehuis, K. Hoffmann, K. Hoffmann, M. Stücker,
U.Karst, B. Hagenhoff and D. Breitenstein: New Analytical Approach for Tissue Analysis:
Investigation of Tattoed Human Skin Samples by ToF-SIMS and Orbitrap-SIMS. Analytical
Chemistry, submitted.
19InnoMat.Life
Innovative Materialien und neue Produktionsverfahren -
Sicherheit im Lebenszyklus und der industriellen
Wertschöpfung
Wendel Wohlleben1, Dirk Broßell2, Carmen Nickel3, Martin Wiemann4, Kerstin Hund-Rinke5,
Barbara Simonow2, Dana Kühnel6, Tom Zoz7, Andrea Haase8
1 BASF SE, Ludwigshafen, Deutschland, 2 Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA), Berlin,
Deutschland, 3 Institut für Energie und Umwelttechnik e.V. (IUTA), Duisburg, Deutschland, 4 IBE R&D gGmbH,
Institute for Lung Health, Münster, Deutschland, 5 Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte
Ökologie (IME), Schmallenberg, Deutschland, 6 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH (UFZ), Leipzig,
Deutschland, 7 Zoz GmbH (ZOZ), Wenden, Deutschland, 8 Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR), Berlin,
Deutschland
InnoMat.Life (www.innomatlife.de) widmet sich drei innovativen, in der bisherigen
Nanosicherheitsforschung nur ansatzweise untersuchten Materialklassen: (1) polydisperse
Pulver aus Metallen und Kunststoffen für die Additive Fertigung/ den industriellen 3D-Druck, (2)
Materialien mit besonderen und möglicherweise kritischen Formen wie Stäbchen, Plättchen
oder Fasern und (3) hybride Materialien bestehend aus zwei oder mehr Substanzen. Das
übergeordnete Ziel ist die Etablierung von Gruppierungsansätzen und zugehörigen Kriterien, so
dass auch neuartige bzw. komplexere Materialien hinsichtlich ihrer Gefährdungs- und
Risikopotenziale gruppiert und beurteilt werden können, was die Anpassung bzw. Etablierung
von entsprechenden experimentellen Testmethoden einschließt. Das Projekt betrachtet die
Exposition und das Gefährdungspotential für den Menschen und die Umwelt und berücksichtigt
dabei den Lebenszyklus von der Synthese bis zur Entsorgung.
InnoMat.Life hat für jede Materialklasse inzwischen eine Reihe potentieller
Gruppierungshypothesen formuliert. Die Materialauswahl und die Basischarakterisierung aller
Materialien ist abgeschlossen. Im Hinblick auf die im Projekt untersuchten Fasern, wurden
inzwischen verschiedene Dispersionsmethoden erprobt. Der Kenntnisstand zur Fasertoxizität von
Nanofasern für den Menschen wurde in einem kürzlich erschienenen Buchkapitel
zusammengetragen.1 Erste Untersuchungen zur Fasertoxizität in verschiedenen
20Umweltorganismen wurden abgeschlossen. Im Hinblick auf die polydispersen Polymerpulver
wird das Adsorptionsverhalten für verschiedene Umweltschadstoffe wie z.B. Polyzyklische
aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) als mögliches Gruppierungskriterium untersucht. Erste
verfügbare Daten belegen, dass sich die verschiedenen Polymere im Hinblick auf ihr
Adsorptionsverhalten von PAKs durchaus sehr deutlich unterscheiden. Zudem erfolgten
inzwischen die ersten Arbeitsplatzmessungen in professionellen 3D Druckereien.
Die ersten Daten lassen vermuten, dass es gelingt, mit Hilfe der ausgewählten Materialien
Gruppierungsansätze für innovative bzw. komplexere Materialien etablieren zu können.
Referenzen:
[1] Broßell D., Meyer-Plath A., Kaempf K., Plitzko S., Wohlleben W., Stahlmecke B., Wiemann M., and Haase A.
(2020): A human risk banding scheme for high aspect-ratio materials. In: Synthetic Nano-and Microfibers. Wetsus.nl.
ISBN: 978-1-71663-242-6, https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111270
21DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. Theodor-Heuss-Allee 25 60486 Frankfurt am Main
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