Project

Nanosilberpartikel

NanoSilberPartikel – Wirkmechanismen und Untersuchung ihrer möglichen Interaktion mit Geweben, Zellen und Molekülen. Definition ihres relevanten Unverträglichkeitspotenzials

Ziel des Projekts war es, Methoden zu erarbeiten, um Silber Nanopartikel (AgNP) herzustellen, die sich sicher und unter Erhalt der angestrebten Wirkung in ein Produkt einbringen lassen. Aus verschiedenen Produkten, die sowohl aus fest eingebundenen Silber Nanopartikeln als auch aus freisetzenden, resorbierbaren Systemen bestehen, sollten genaue Kenntnisse über die Wechselwirkungen der eingesetzten Nanopartikel und Nanomaterialien gewonnen werden, um potenzielle Risiken bei ihrer Anwendung möglichst auszuschließen.

Es wurden verschiedene Nanosilber-haltige Materialien entwickelt, die als Modellsysteme für folgende drei Produkttypen mit Silber Nanopartikeln dienen sollen:

1. organische Basis: schnelle und kurzzeitige Silberfreisetzung aus z.B. Kollagenfolien
2. metallische Basis: intermediäre Implantate zur Osteosynthese, z.B. Titanschrauben oder Titanplatten
3. synthetische Basis: Dauerimplantate, z.B. Knochenzement

Es wurde an Materialien mit unterschiedlichem Gehalt an Silber Nanopartikel gearbeitet, um die wirksame Dosis zu finden, bei der sowohl eine ausreichende Freisetzung und Wirksamkeit von Silber erzielt wird und gleichzeitig nicht toxisch auf die untersuchten Zellen wirkt. Hierzu wurden Freisetzungsprofile erstellt und die Toxizität auf verschiedene Zelltypen des Organismus ermittelt. Zum Vergleich wurden neben den Silber Nanopartikeln auch herkömmliche, vollständig lösliche Silbersalze getestet. Des Weiteren wurde die antimikrobielle Wirksamkeit der Produkte unter anderem nach simuliertem Gebrauch bestimmt, um die mögliche Wirkdauer zu ermitteln. In einem begrenzten Tierversuch wurde neben der Verträglichkeit für den Organismus auch eine mögliche Anreicherung der eingesetzten Silber Nanopartikel in den Organen untersucht, was für die verwendeten Implantate nicht der Fall war.

Die Ergebnisse ermöglichen es, das Gefährdungspotential von Silber Nanopartikel und Nanosilber-haltigen Materialien besser und realistischer einzuschätzen, so dass dadurch eine sichere Risikobewertung für ihren Einsatz in Medizinprodukten durchführbar ist. Antimikrobiell aktive Nanosilber-haltige Medizinprodukte stellen nach den vorliegenden Ergebnissen ein geringes Risiko für den Verbraucher dar und vermindern gleichzeitig das Risiko einer Implantat-assoziierten Infektion.

Die Silber Nanopartikel zeigen in den entwickelten Produkten:

• eine gute bakterizide Wirkung
• bereits in geringer Dosierung eine gute Wirksamkeit
• gutes Einbring-Verhalten in erprobte Materialien ohne deren Leistungsfähigkeit zu mindern
• keine unerwünschte Freisetzung beim Einbringen (gilt nicht für resorbierbare Produkte)

NanoMed

NanoMED – Toxikologische Charakterisierung von Nanomaterialien für die diagnostische Bildgebung in der Medizin

Die Aufgabenstellung des Projekts NanoMED beinhaltete die Erfassung der internen Exposition von neuartigen (magnetischen) Nanopartikeln, die spezifisch für den Einsatz bei bildgebenden Verfahren der Medizin, Computertomographie (CT) und Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) entworfen wurden. Besonders berücksichtigt wurden hierbei auch die Expositionswege über die Blut-Plazenta-Schranke (BPS) und Blut-Hirn-Schranke (BHS) für in vitro und in vivo Expositionsszenarien. Da auf regulatorischer Ebene keine spezifischen Standard-Tests zur Untersuchung der Toxikologie von Nanopartikeln existierten, sollten die eingesetzten Modellsysteme systematisch für eine breite und standardisierte Anwendung validiert werden.

Im Arbeitsprogramm wurden folgende Punkte untersucht:

• Systematische Bestimmung ausschlaggebender Nanopartikel Parameter
• Entwicklung eines Sets von Referenzpartikeln
• Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit der Blut-Plazenta- (BPS) und Blut-Hirn Schranke (BHS) in in vitro und in vivo Versuchen
• Ermittlung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen & Dosis-Wirkungs-Beziehungen
• Risikobewertung der Nanopartikel
• Korrelation von in vitro– und in vivo-Tests
• Validierung der zentralen Testsysteme
• Erstellung von Standardarbeitsanweisungen (SOPs)
• Entwicklung eines Datenbankformates

Es wurden Nanopartikel mit Eisen-, Gold- und Silberkernen mit verschiedenen Hüllen hergestellt. Daraus wurden Nanopartikel identifiziert, die auf Grund ihrer physikalischen, chemischen und ihrer bildgebenden Eigenschaften besonders geeignet sind für die Anwendung in biologischen Systemen. Mit Hilfe dieser Partikel wurde ein qualitätsgesichertes Testsystem für die Bewertung der Toxizität aufgebaut, Standardarbeitsanweisungen entwickelt und Referenzpartikel definiert. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden in vitro und in vivo biologisch relevante Barrieren mit den Nanopartikeln konfrontiert und die Effekte mit physikalischen, chemischen und immunhistochemischen Verfahren gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass in vitro toxische Effekte mit den in vivo Befunden korrelierten und bezüglich verschiedener Spezifikationen vorhersagbar sind. Diese Erkenntnisse führen zu deutlichen Fortschritten auf dem Weg zu optimierten Nanopartikeln für bildgebende Verfahren in der Medizin. Die erhobenen umfassenden Daten zu den Nanopartikeln sind in einer im Rahmen des Projektes entwickelten Datenbank niedergelegt und werden in die projektübergeordnete Wissensbasis Nanomaterialien – DaNa eingefügt.

NanoExpo

NanoExpo – Nanobalancedetektor für personenbezogene Messungen von Nanopartikel-Expositionen

Die praxisgerechte Expositionsermittlung von nanoskaligen Aerosolen, die aus synthetischen Stoffen freigesetzt werden, erfordert eine neuartige Messtechnik, welche auf einfach zu bedienenden und robusten Sensoren basiert, die auch direkt nach dem Einschalten betriebsbereit sind. Zur Realisierung dieses Ansatzes musste ein Kompromiss zwischen Sensorperformance und Sensorpreis gefunden werden. Denn gegenwärtig sind geeignete Nanopartikel-Detektoren, mit denen kontinuierlich personenbezogene und mobile Messungen der Exposition am Arbeitsplatz mit synthetischen Nanopartikeln (NP) durchgeführt werden können, zu einem vertretbaren Preis von unter 500 € nicht erhältlich.

Im Verbundprojekt NanoExpo wurde „Cantor“, ein Cantilever Nanopartikel-Detektor, entwickelt, in dem eine mikrocontrollergesteuerte MEMS-Cantilever-Resonanzwaage mit einem elektrophoretischen Nanopartikel-Abscheider kombiniert wurden. Massekonzentrationen von Nanopartikeln werden hier bestimmt, was mit konventioneller Filtersammlung und Wägung nur unter großem Zeitaufwand möglich ist. Ein vorschaltbarer Membranfilter oder Impaktor stellt sicher, dass keine Mikropartikel in die Messzelle gelangen.

Nach Kalibrierung mit FMPS (engl. fast mobility particle sizer) wird für Kohlenstoff-Nanopartikel eine Messunsicherheit von weniger als ±15% im Messbereich von 0-50µg/m³ und eine Nachweisgrenze von 6,5µg/m³ erreicht. Die Sammelzeit pro Messpunkt beträgt 2,4min. Bei Schwankungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur (ΔT<1°C), Feuchte (ΔrF<10%), Druck (Δp<1kPa) bleibt die Messabweichung bei <15%. Der komplett integrierte Aufbau mit Luftansaugung, Steuer- und Ausleseelektronik sowie LCD-Anzeige wiegt weniger als 400g. Die Standzeit der Batterie übersteigt im Dauerbetrieb eine achtstündige Arbeitsschicht.

Besonders attraktiv ist der zu erwartende Gerätepreis: Am teuersten ist die mit MEMS-Technologie hergestellte Cantilever-Waage. Alle restlichen verbauten Komponenten sind Standardausführungen, so dass Bauteilkosten insgesamt bei 200 € liegen. Bei größerer Stückzahl ist ein deutlicher Preisnachlass zu erwarten.

In einer klimatisierten Messkammer wurden mit dem System „Cantor“ umfangreiche Tests mit Kohlenstoff-, TiO₂– und SiO₂-Aerosolen durchgeführt und auch Zigarettenrauch und E-Zigarettendampf in Laborräumen untersucht. Im Anschluss an die Untersuchungen lässt sich „Cantor“ einfach zerlegen und wieder regenerieren. Nach weiterer Optimierung der Cantilever-Waage und der Auswerteschaltung ist eine zügige Verbesserung der Kenndaten mit einer Nachweisgrenze unter 1 µg/m³, einer Sammelzeit von weniger als 1 min sowie Gewicht und Volumen der Messzelle zu erwarten.

DaNa

DaNa – Erfassung, Bewertung und breitenwirksame Darstellung von gesellschaftlich relevanten Daten und Erkenntnissen zu Nanomaterialien

Das Projekt DaNa hat zum Ziel, in einem interdisziplinären Ansatz mit Wissenschaftlern aus Humantoxikologie, Ökotoxikologie, Biologie, Physik, Chemie und Soziologie Forschungsergebnisse zu Nanomaterialien und deren Auswirkungen auf den Menschen und die Umwelt so aufzubereiten, dass sie für interessierte Laien verstehbar sind.

Diese aufbereiteten Daten werden mit einer Internetpräsenz, aber auch durch andere Medien zugänglich gemacht. Darüber hinaus werden die weiteren wissenschaftlichen Ergebnisse der abgeschlossenen Projekte des NanoCare-Clusters: NanoCare, INOS und TRACER als erweiterte Basis dieses Informationsangebots aufbereitet. Zudem werden begleitende Literaturauswertungen von Nanomaterialien zur Erweiterung der Wissensplattform mit aktuellen Ergebnissen zur Human- und Umwelttoxikologie auch anderer wissenschaftlicher Gruppen durchgeführt, aufbereitet und publiziert. Die Ergebnisse der Vorhaben, die aus den NanoNature- und NanoCare-Ausschreibungen des BMBF resultieren, werden ebenfalls integriert.

Im Rahmen des Projekts werden Schülerfokusgruppen an drei Schulen zum Thema „Nanotechnologien und Umweltschutz – Chancen und Risiken“ durchgeführt. Diese Veranstaltungen geben einer Gruppe von Schülerinnen und Schülern (17-19-jährige) die Möglichkeit, sich eine informierte Meinung zu den Chancen, aber auch Risiken des Einsatzes nanotechnologischer Verfahren im Umweltbereich zu bilden.

CarboTox

CARBOTOX – Entwicklung von Screening-Verfahren zur Untersuchung eines möglichen kanzerogenen Potentials von Carbon Nanotubes

Im Rahmen des Verbundprojekts CarboTox wurden die vom Kooperationspartner (IFW, Dresden) maßgeschneidert hergestellten mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen (engl. multi-walled carbon canotubes, MWCNT) mit unterschiedlichen Längen-Durchmesserverteilungen bzw. Krümmungsgraden in vivo wie auch in vitro auf toxische und kanzerogene Wirkung untersucht.

Es wurde eine Kanzerogenitäts-Studie durchgeführt, in der das krebserregende Potenzial der Kohlenstoff Nanoröhrchen über eine Versuchsdauer von 2 Jahren untersucht wurde. Dazu wurde den Ratten (2 Dosisgruppen zu je 50 Tieren: 1 x 109 WHO-Fasern*/Ratte und 5 x 109 WHO-Fasern*/Ratte, Amosit als Referenzfaser, Dosis: 0,1 x 109 WHO-Fasern*/Ratte) einmalig intraperitoneal (ins Bauchfell) das Testmaterial injiziert. Gleichzeitig wurde versucht, einen Screening-Test zu entwickeln, um Marker für chronische negative Wirkungen schon nach einer kürzeren Versuchszeit zu finden.

*WHO-Fasern: Länge > 5 µm, Durchmesser < 3 µm, Verhältnis Länge/Durchmesser > 3/1

Es zeigte sich, dass allemehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen unabhängig von der Längen-Durchmesserverteilung nach einer Injektion in die Bauchhöhle zu fasertypischen Tumoren (Mesotheliome) führten, wobei die mehrwandigen CNT mit starrer Morphologie im Vergleich zu den Gewundenen deutlich stärker tumorigene Wirkung zeigten.

Für einen in vivo Screening-Test mit 3 bzw. 6 Monaten Versuchszeit scheint sich die Dickenmessung des Zwerchfells, welches das Peritoneum bedeckt, gut zu eignen. Ebenso geeignet ist der BrdU-Assay (chem. Bromdesoxyuridin), mit dem sich das Verhältnis der proliferierenden Zellen zu den nicht proliferierenden Zellen im Peritoneum (Bauchfell) bestimmen lässt. Hier deutet eine Zunahme der proliferierenden Zellen im Peritoneum auf eine mögliche beginnende unkontrollierte Zellteilung hin. In einem parallel verlaufenden subchronischen Inhalationstest mit denselben mehrwandigen Carbon Nanotubes soll die Migration der Kohlenstoff Nanoröhrchen zur Pleura (Rippenfell) nachgewiesen und quantifiziert werden. Allerdings lassen sich diese Fragen mit den derzeitigen Befunden noch nicht definitiv beantworten.

In vitro Untersuchungen mit primären Mesothel-Zellen haben gezeigt, dass die mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen abhängig von ihrer Morphologie die Proliferation (Zellteilung) der Zellen hemmten, Membran-, Zytoskelett- und DNA-Schäden verursachten und die Zellen in einen Wachstums-arretierten Zustand versetzten, der auch als Seneszenz bezeichnet wird. Die stärksten biologischen Effekte wurden dabei von den eher geraden, starren mehrwandigen Carbon Nanotubes hervorgerufen.

Interessanterweise korrelierte das Ausmaß der Zellkultureffekte verschiedener mehrwandigen Carbon Nanotubes mit dem Ausmaß der Tumorbildung in den Ratten, sodass bestimmte Methoden aus der Zellkultur möglicherweise als Screening-Tests eingesetzt werden könnten, um das gesundheitsschädliche, kanzerogene Potenzial neuer mehrwandigen Kohlenstoff Nanoröhrchen abzuschätzen.