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038/13 vom 12. Juni 2013

Forschung: Oberfläche von Nanomaterialien entscheidet über ihre Wirkung

nanoGEM-Projekt erforschte Freisetzung und Wirkung von Nanomaterialien

Berlin - Ob und wie Nanomaterialien die Gesundheit beeinträchtigen, hängt nicht nur von deren Größe, sondern auch von der Gestaltung ihrer Oberfläche ab. Dies ist eine wichtige Erkenntnis der Abschlusskonferenz des Verbundprojektes "Nanostrukturierte Materialien - Gesundheit, Exposition und Materialeigenschaften" (nanoGEM) im Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) am 12. und 13. Juni in Berlin. Nach den Ergebnissen von nanoGEM, an dem die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) beteiligt war, bedeutet "Nano" nicht automatisch auch toxisch. Neben der Größe sind noch viele weitere Faktoren dafür verantwortlich, ob ein Material gesundheitsschädigende Wirkungen hat oder nicht.

nanoGEM liefert wichtige Erkenntnisse zur Identifizierung von Eigenschaften der Nano-Teilchen. Sind diese Eigenschaften identifiziert und klassifiziert, vereinfacht das die notwendigen Risikobeurteilungen deutlich und für die Risikobewertung sind Gruppierungen auf der Basis bestimmter physikalisch-chemischer Eigenschaften möglich. Solche Kriterien können dann auch bei der Entwicklung von neuen Nanomaterialien berücksichtigt werden, um ihren Einsatz sicherer zu gestalten.

Nanomaterialien bestehen aus winzig kleinen Partikeln, deren Durchmesser noch mehr als tausendmal kleiner ist als ein menschliches Haar. Durch die enorme Verkleinerung weisen diese Materialien neuartige und nützliche Eigenschaften auf. Herkömmliche Produkte lassen sich durch den Einsatz von Nanomaterialien in ihren Eigenschaften verbessern. Sie werden beispielsweise als Nanokompositmaterialien zum energieeffizienten Bau von Automobilen oder Flugzeugen eingesetzt, denn bei geringerem Gewicht lässt sich eine höhere Festigkeit erreichen. Aber auch in alltäglichen Produkten wie Kosmetika, Textilien oder Haushaltswaren finden sich Nanomateralien. Dabei ist jedoch ein Nanopartikel nicht wie das andere. Verschiedene Materialien weisen unterschiedliche Eigenschaften auf – abhängig von der chemischen Zusammensetzung, der Größe, der Form oder der Oberflächenbeschichtung.

16 verschiedene Nanopartikel hat das Projekt in umfassenden toxikologischen Untersuchen überprüft. So wurde untersucht, was mit den verschiedenen Nanopartikeln passiert, wenn sie eingeatmet oder verschluckt werden und wie sie sich im Körper verteilen und verhalten. Testsubstanzen waren Siliziumdioxid (SiO2) und Zirkoniumdioxid (ZrO2), die beispielsweise in Lacken eingesetzt werden, um ihre Kratzfestigkeit zu erhöhen. Auch Silberpartikel (Ag) waren im Visier. Sie kommen in Drucktinten für die Solartechnik zum Einsatz. Untersucht wurden dabei erstmals nicht nur die reinen Partikel, sondern auch so genannte funktionalisierte Partikel. Bei diesen werden Moleküle auf der Oberfläche der Partikel gebunden, um beispielsweise die Verarbeitbarkeit, Löslichkeit oder Stabilität der Produkte zu erhöhen.

"Nanopartikel, die über den Mund aufgenommen wurden, egal ob funktionalisiert oder nicht, zeigten keine signifikanten toxischen Effekte in allen unseren Untersuchungen", erklärt der Leiter des Projektes, Dr. Thomas Kuhlbusch vom Institut für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) e.V. in Duisburg. "Ein Einfluss der Funktionalisierung der Partikel auf die Wirkung zeigte sich hingegen bei den Versuchen, in denen die Partikel eingeatmet oder auf Zellen direkt aufgebracht wurden." Dieses Ergebnis unterstreiche die Bedeutung der Partikeloberfläche für die Wirkung von Nanopartikeln.

Ein weiterer zentraler Punkt der Forschungen zur Sicherheit von Nanomaterialien ist, ob die in Nanokompositmaterialien enthaltenden Nanopartikel überhaupt freigesetzt werden. Nur freigesetzte Partikel können vom Menschen aufgenommen werden. nanoGEM hat deshalb Schleif- und Verwitterungsuntersuchungen von nanopartikelhaltigen Kunststoffen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die ursprünglich eingebrachten Nanopartikel fast ausschließlich eingebunden im Kunststoff freigesetzt werden, so dass sich in separaten toxikologischen Untersuchungen keine spezifische Toxizität nachweisen ließ.

Außerdem wurden Messstrategien entwickelt, um Nanopartikel in der Atemluft bestimmen zu können. Sie sollen vor allem bei der Überwachung an Arbeitsplätzen helfen, um hier den Umgang mit Nanomaterialien sicher zu gestalten. Der entwickelte Ansatz basiert auf den drei Stufen Informationserhebung, orientierende Messungen (Screening) und erweiterter Schritt zur genauen Expositionsbeurteilung, der Intensivmessung. Durch dieses dreistufige Verfahren entstehen zunächst vergleichsweise niedrige Kosten in den ersten beiden Stufen, so dass nun auch kleine Betriebe solche Sicherheitsuntersuchungen durchführen können.

Im Forschungsverbund nanoGEM (Nanostrukturierte Materialien - Gesundheit, Exposition und Materialeigenschaften) haben sich 19 Partner aus Universitäten und Forschungsinstituten, Behörden sowie der Industrie über drei Jahre mit der Frage der Sicherheit von Nanomaterialien befasst. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Industrie haben das Projekt mit rund 6,5 Millionen Euro gefördert. Die Forscher entwickelten unter anderem neue Messmethoden zur Bestimmung von Nanopartikeln in Geweben, sie untersuchten die Freisetzung und Veränderung der Eigenschaften von Nanopartikeln aus Nanokompositen sowie die Aufnahme und Verteilung von Nanopartikeln im menschlichen Körper in Abhängigkeit von Größe, Struktur und Oberflächeneigenschaften.

Weitere Informationen unter www.nanogem.de.

Forschung für Arbeit und Gesundheit

Sichere und gesunde Arbeitsbedingungen stehen für sozialen Fortschritt und eine wettbewerbsfähige Wirtschaft. Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) forscht und entwickelt im Themenfeld Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit, fördert den Wissenstransfer in die Praxis, berät die Politik und erfüllt hoheitliche Aufgaben - im Gefahrstoffrecht, bei der Produktsicherheit und mit dem Gesundheitsdatenarchiv. Die BAuA ist eine Ressortforschungseinrichtung im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales. Über 600 Beschäftigte arbeiten an den Standorten in Dortmund, Berlin und Dresden sowie in der Außenstelle Chemnitz.

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