Project

DaNa 4.0

DaNa4.0 – Daten zu Neuen, Innovativen und anwendungssicheren Materialien

DaNa^4.0 ist ein Wissenschafts-Kommunikationsprojekt, das sich mit der Sicherheit von neuartigen Materialien beschäftigt. Das Projekt befasst sich mit Fragen, ob bestimmte Materialien für Mensch und/oder Umwelt schädlich sein könnten oder ob und wie Mensch und Umwelt mit diesen Materialien in Kontakt kommen könnten.

Ein neues, innovatives Material ist für das DaNa Projekt interessant, wenn es in Forschungsprojekten bearbeitet wird, bereits in einem Produkt enthalten ist oder in der Presse erwähnt wird. Dann führen wir eine intensive Literaturrecherche und Bewertung mit Hilfe unseres „Literaturkriterienkatalogs“ durch.

Komplexe, toxikologische Fragestellungen aus der aktuellen Materialforschung werden allgemeinverständlich aufbereitet und für Nicht-Wissenschaftler (interessierte Verbraucher, Journalisten, Politiker, NGOs etc.) verständlich präsentiert. Diese Themen werden über die Website www.nanopartikel.info, Broschüren und Info-Flyer in einem interdisziplinären Ansatz mit Wissenschaftlern aus Humantoxikologie, Ökotoxikologie, Biologie, Physik und Chemie kommuniziert.

NanoINHAL

NanoINHAL – In-vitro Testverfahren für luftgetragene Nanomaterialien zur Untersuchung des toxischen Potentials und der Aufnahme nach inhalativer Exposition mittels innovativer organ-on-a-chip Technologie

Projektbericht:

In diesem Verbundvorhaben wurde ein innovatives gerätebasiertes Verfahren zum Screening von luftgetragenen (Nano)materialien hinsichtlich ihrer toxischen Wirkung entwickelt. Dazu wurde eine Expositionseinheit für die Beaufschlagung von menschlichen Alveolar-Lungenmodellen im Air-Liquid Interface etabliert. Parallel dazu wurde ein in das Gerät integrierbarer mikrofluidischer Zwei-Organ-Chip entwickelt, der das menschliche Alveolar-Lungen-Modell mit einem menschlichen Lebermodell kombiniert und die Langzeit-Kokultur durch kontinuierliche Medienperfusion der Organmodelle gewährleistet. Die Funktionalität der Organmodelle wurde mit biologischen Messparametern für die Lunge und für die Leber belegt. Durch Kombination von Gerät und Zwei-Organ Chips ist der Prototyp eines tierversuchsfreien kompakten NanoCube Systems für die Bewertung der Exposition von Menschen gegenüber inhalativen Nanomaterialien im Arbeitsumfeld entstanden. Dabei konnten die durch die Corona-Pandemie hervorgerufenen starken Verzögerungen im Projektablauf fast vollständig innerhalb einer kostenneutralen 9-monatigen Verlängerung aufgeholt werden. Allerdings konnte die finale Machbarkeitsstudie in diesem Zeitrahmen nicht realisiert werden. Die Partner suchen hier nach einer geeigneten Abschlussfinanzierung.

InnoMat.Life

InnoMat.Life – Innovative Materialien und neue Produktionsverfahren: Sicherheit im Lebenszyklus und der industriellen Wertschöpfung

Projektbericht:

InnoMat.Life untersuchte ausgewählte innovative Materialien im Lebenszyklus und betrachtete Materialeigenschaften, Freisetzung und Exposition sowie potentielle Gefahren für Mensch und Umwelt. Im Fokus standen drei innovative Materialklassen: (Nano-)Fasern; polydisperse Polymerpartikel für die additive Fertigung und Materialien mit komplexer Zusammensetzung und/ oder Morphologie. InnoMat.Life baute auf vorhandenem Wissen primär der Nanosicherheitsforschung auf und prüfte beispielsweise Anwendbarkeit/ Übertragbarkeit von vorhandenen Untersuchungsmethoden. Um nicht jede Materialvariante vollumfänglich einzeln untersuchen zu müssen, widmete sich InnoMat.Life der Entwicklung von Kriterienkatalogen zur Beschreibung der Ähnlichkeit sowie der Etablierung von Gruppierungsansätzen als übergeordnetem Projektziel. InnoMat.Life lieferte damit einen wichtigen Beitrag zur Risikobewertung der ausgewählten innovativen Materialien.

(1)    (Nano-)Fasern

Das Faserwirkprinzip beschreibt ein gut charakterisiertes morphologisches Wirkprinzip nach welchem Fasern mit bestimmten physikochemischen Eigenschaften (sogenannte WHO-Fasern) nach inhalativer Exposition zu schwerwiegenden gesundheitlichen Schädigungen der Lunge führen können. Nanofasern stellen eine besondere Herausforderung dar. Dünne Fasern sind nicht steif genug, verknäueln sich und zeigen dann keine charakteristische Faserwirkung. InnoMat.Life baute auf dem vorhandenen Wissen wie z.B. aus dem BMBF Projekt nanoGRAVUR (Förderkennzeichen 03XP0002) oder dem EU Projekt GRACIOUS (Grant Agreement No 760840) auf, allerdings wurde erstmals eine breitere Faserauswahl untersucht, darunter auch verschiedene Nanofasern.

(2)    polydisperse Polymerpartikel für die Additive Fertigung (3D-Druck)

Viele Polymere gelten als biokompatibel, so dass diese nach dem OECD „Polymers of Low Concern“ Konzept als Gruppe betrachtet werden können. Im Projekt wurde untersucht, wieweit das Konzept auf Polymerpartikel übertragbar ist und welche Kriterien dann zu berücksichtigen sind. Insbesondere im Fokus standen hierbei Polymerpartikel für innovative Anwendungen, konkret aus der additiven Fertigung. InnoMat.Life hat erstmals eine größere Auswahl unterschiedlicher Polymerpartikel systematisch untersucht, viele wertvolle Methoden etabliert und damit einen wichtigen Beitrag zur Risikobewertung geleistet.

(3)    Materialien mit komplexer Zusammensetzung und/oder Morphologie

Für diese Materialklasse lag der Fokus auf der Charakterisierung eines potentiellen Einflusses der Morphologie auf die Gefährdung. Dazu wurden für ausgewählte Materialien verschiedene Formen untersucht (z.B. Titandioxid Partikel gegenüber Würfeln oder Fasern). Jedoch zeigte nur die Faserform eine besondere Wirkung. Darüber hinaus wurden verschiedene hybride Metallpartikel für die additive Fertigung untersucht. Es zeigten sich dabei aber keine besonderen Auffälligkeiten. Basierend auf den Ergebnissen und den untersuchten Kriterien wurde ein übergeordnetes Schema zur Gruppierung komplexerer Materialien erarbeitet.

• • Ausführliche Zusammenfassung der InnoMat.Life Projektergebnisse (, 200 KB)

Projekt Webseite: www.innomatlife.de

InnoMat.Life Project Team (c) InnoMat.Life Projekt Konsortium

CarboBreak

CarboBreak – Voraussetzungen und Mechanismen einer Freisetzung alveolengängiger faserförmiger Carbonfaser Bruchstücke

Ergebnisbericht:

Das Verbundvorhaben CarboBreak war ein BMBF-Forschungsprojekt der Partner Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V. (STFI), Chemnitz, Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA), Berlin, IMA Materialforschung und Anwendungstechnik GmbH, Dresden und CFK Valley Stade Recycling GmbH & Co. KG, Stade. Das Projekt wurde im Rahmen des Nano-Care4.0-Programms gefördert.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von Carbonfasern und kritischen, gesundheitsrelevanten Carbonfaser-Bruchstücken © BAuA

Innovative Fasermaterialien und Faserverbundwerkstoffe wurden in den letzten Jahren immer weiter entwickelt und erfreuen sich in den verschiedensten Anwendungsgebieten und Produkten einer steigenden Nachfrage. Insbesondere bei den Carbonfasern hat sich der globale Bedarf innerhalb dieses Jahrzehnts mehr als verdoppelt.

Voruntersuchungen haben für die Fasern selbst und den aus ihnen hergestellten polymeren Verbundwerkstoffen bei mechanischer Beanspruchung und Bearbeitung teilweise eine ausgeprägte Neigung zum Splitterbruch gezeigt. Die wachsende Bedeutung von Carbonfasern insbesondere für Leichtbau- und Hochleistungsanwendungen erfordert aufgrund der hohen Beständigkeit graphitischer Werkstoffe in biologischen Systemen nicht nur aus der Sicht der Produktentwickler, sondern auch aus Sicht der Arbeits- und Produktsicherheit, ein tiefgehendes Verständnis von Staub- und Faserfreisetzungsprozessen. Dafür bedarf es gemeinschaftlicher übergreifender Anstrengungen unterschiedlicher Disziplinen wie Sicherheitsforschung, Materialwissenschaften und Produktentwicklung.

Ausgehend von der wachsenden Bedeutung von Carbonfasern (CF) insbesondere für Leichtbau- und Hochleistungsanwendungen war das Ziel von CarboBreak, ein tieferes Verständnis des Splitterbruchverhaltens der Fasern zu erlangen sowie die Untersuchung der Freisetzungsprozesse von alveolengängigen Fragmenten aus Carbonfasern und Faserverbundwerkstoffen durchzuführen. Es wurden mögliche Zusammenhänge zwischen physikalischen Eigenschaften der Carbonfasern, der Splitterbruchneigung und der Bildung von alveolengängigen CF-Fragmenten untersucht.

Arbeitsschutzmaßnahmen im Carbonfaser-Technikum des STFI © Sächsisches Textilforschungsinstitut e.V.

Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes war die Durchführung von Arbeitsplatzmessungen nach VDI 3492 und DGUV-Information 213-546. Die Messungen und Probenahmen wurden vor Ort bei den Projektpartnern und in Industriebetrieben umgesetzt, um den Bezug zur Praxis zu gewährleisten. Die Projektarbeiten erstrecken sich über den gesamten Lebenszyklus der Carbonfasern, von der Produktion textiler Halbzeuge über die Herstellung und Verarbeitung von Verbundwerkstoffen bis hin zum Recycling und zur Wiederverwendung. Hauptergebnis des Projekts sind Empfehlungen zu Arbeitsabläufen und zur Personensicherheit sowie die Identifikation idealer bzw. optimierter Prozessparameter bei der Verarbeitung. Die Ergebnisse von CarboBreak liefern grundlegende Beiträge für die Entwicklung von anwendungssicheren Materialinnovationen

• Projekt-Flyer zum Download (PDF, 4 MB )
• Projekt-Poster (2021) „CarboBreak – Conditions and Mechanisms for releasing Alveolar Fibrous Carbon Fibre Fragments“ (PDF, 816 KB )

MetalSafety

MetalSafety – Entwicklung von Bewertungskonzepten für faserförmige und granuläre Metallverbindungen – Bioverfügbarkeit, toxikologische Wirkprofile sowie vergleichende in vitro-, ex vivo- und in vivo-Studien

Metalle und ihre Verbindungen sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken, so als Bestandteile von Edelstahl, als Katalysatoren, Pigmente oder im Auto- sowie 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. Dabei werden neben granulären Verbindungen unterschiedlicher Partikelgröße auch zunehmend faserförmige „Nanowires“ verwendet. Allerdings haben sich viele Metalle als inflammatorisch und/oder sogar krebserzeugend erwiesen. Hierbei hängt die Toxizität oftmals erheblich von der jeweiligen Verbindungsform ab.

Das wissenschaftliche Gesamtziel des Vorhabens MetalSafety 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, sogenannte Nanowires, die in zunehmendem Maße in einer steigenden Anzahl von innovativen Anwendungen eingesetzt werden, und für die bislang noch kaum toxikologische Daten vorliegen. Diese sollen in ihren Wirkungen mit entsprechenden nanoskaligen granulären und wasserlöslichen Verbindungen verglichen werden.

MetalSafety Projekt Arbeitsplan

Hierfür soll zunächst ein Expositionssystem für die Applikation und Dosisbestimmung faserförmiger Verbindungen in Zellkulturen im Air-liquid interface (ALI) etabliert werden. Anhand von Genexpressions- und Gentoxizitätsanalysen sollen molekulare Wirkprofile erstellt werden.

Anschließend sollen die eingesetzten Modellsysteme (Löslichkeit auf subzellulärer Ebene in physiologisch relevanten Flüssigkeiten, Effekte in Zellkulturen) bzgl. ihrer Vorhersagekraft für die Toxizität, der zugrunde liegenden Wirkungsmechanismen und Dosis-Wirkungsbeziehungen an komplexeren ex vivo-/in vivo-Modellen validiert werden. Toxikodynamische Speziesunterschiede zwischen Ratte und Mensch werden auf der Ebene von Zellkulturen und von Gewebeschnitten (PCLS) bestimmt. Die Reaktionen in Zellkulturen sowie die ex vivo-Ergebnisse der PCLS von Ratte und Mensch sollen schließlich mit in vivo-Daten im Tiermodell verglichen werden.

Die Identifizierung relevanter Wirkungsmechanismen der einzelnen Metalle und ihrer Verbindungen ist eine wichtige Voraussetzung für eine wissenschaftlich basierte Grenzwertableitung am Arbeitsplatz und in der Umwelt, auch für neue innovative Metallformen und Verbindungen.