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DaNa 4.0

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

 

DaNa4.0 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. 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

 

Die inhalative Route ist ein wichtiger Aufnahmeweg für Nanomaterialien und andere innovative Materialien im nano- und mikroskaligen Bereich. Die Lunge ist daher ein wichtiges Zielorgan für akute toxische Effekte. Gleichzeitig entscheidet die Barrierefunktion der Lunge über eine systemische Aufnahme der Materialien und daraus resultierende Effekte auf weitere Organe. Ziel des Verbundprojektes NanoINHAL ist es, ein innovatives Prüfsystem für luftgetragene Nanomaterialien zu entwickeln basierend auf dem vorhandenen Know-how der Projektpartner im Bereich der in vitro Testverfahren.

Am Fraunhofer ITEM wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer SCAI ein Zellexpositionssystem entwickelt (P.R.I.T. EXPO Cube), das die Exposition von Zellkulturen und Gewebeschnitten gegenüber luftgetragenen Substanzen und Partikeln ermöglicht. Die Eignung dieses Systems für die Testung von Nanopartikeln wurde bereits in den Projekten InhalT90 und NanoCOLT demonstriert.

Die TU Berlin und die TissUse GmbH entwickeln Organ-on-a-Chip Systeme, die es erlauben, Zell- und Gewebemodelle mit Medium zu perfundieren und gleichzeitig verschiedene Organsysteme zu verbinden. Derartige Multi-Organ-Systeme erhalten die Funktion der Organe über Wochen hinweg stabil. Sie sind deshalb für den Einsatz in Langzeitstudien mit wiederholter Exposition gegenüber Stoffen geeignet.

Durch Kombination beider Technologien soll im Projekt NanoINHAL ein Testsystem entwickelt werden, das Untersuchungen vor Ort im Langzeitbetrieb mit täglich wiederholender Realexposition ermöglicht. Neben direkten Effekten an den menschlichen Atemwegsmodellen werden vom System parallel Daten zu Absorption und Effekten auf Sekundärorgane generiert. Letztlich wird das Testsystem exemplarisch in einer Fallstudie zur qualifizierten Bewertung des Gefährdungspotentials von Nanopartikeln in additiven Herstellprozessen, wie dem 3D Druck, erprobt.

InnoMat.Life

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

Die Nanosicherheitsforschung der letzten 20 Jahre hat sich intensiv der Erforschung von möglichen negativen Begleiterscheinungen und deren Vermeidung gewidmet. Der Schwerpunkt lag dabei insbesondere auf Nanomaterialien aus reinen Substanzen mit enger Größenverteilung und überwiegend runder Form wie z.B. Titandioxid und Zinkoxid, ergänzt durch Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen. In der Praxis sind jedoch weit mehr Materialformen im Einsatz. Häufig werden z.B. Hybridmaterialien, bestehend aus zwei oder mehr Substanzen, eingesetzt. Zahlreiche der industriell eingesetzten Materialien sind zudem polydispers, d.h. sie enthalten verschiedene Partikelgrößen und weisen oft eine breite Größenverteilung auch über den Nanometerbereich hinaus auf. Zudem basieren viele industrielle Anwendungen auf Materialsystemen, die ihre Struktur bei der Herstellung oder Anwendung verändern wie z.B. bei der Additive Fertigung. Inwieweit Erkenntnisse der bisherigen Nanosicherheitsforschung auf diese komplexeren Materialgruppen übertragbar sind, ist nicht geklärt.

Ziel von InnoMat.Life ist daher die Erforschung, Schaffung oder Erweiterung von Kriterien und Ähnlichkeiten, nach denen auch neuartige bzw. komplexe Materialien hinsichtlich ihrer Gefährdungs- und Risikopotenziale gruppiert und beurteilt werden können. Um den derzeitigen und zukünftigen komplexen Materialinnovationen gerecht zu werden, wird die Forschung um drei Materialklassen erweitert: (1) polydisperse Materialien der industriellen Anwendung z.B. Pulver aus Metallen und Kunststoffen für die Additive Fertigung oder den 3D-Druck, (2) Materialien mit besonderen und möglicherweise kritischen Formen wie z.B. Stäbchen, Plättchen oder Fasern und (3) hybride Materialien z.B. mit gemischten organischen und anorganischen Strukturen. Das Projekt betrachtet dabei die Exposition und das Gefährdungspotential für den Menschen und berücksichtigt den Lebenszyklus der komplexen Materialien von der Synthese bis zur Entsorgung.

Um diese Ziele zu erreichen, vereint das Projekt Experten aus Wissenschaft, Behörden und Industrie. Die Erkenntnisse werden nationalen und internationalen Gremien zur Verfügung gestellt, um eine regulatorische Anwendbarkeit der Befunde möglichst frühzeitig zu gewährleisten. Zukünftig soll mit Hilfe des erarbeiteten Wissens die schnellere Entwicklung von sicheren innovativen Materialsystemen und die frühzeitige Bewertung von Risiken möglichst ohne Versuche mit Tieren erreicht werden.

Projekt Webseite: www.innomatlife.de

CarboBreak

CarboBreak – Voraussetzungen und Mechanismen einer Freisetzung alveolengängiger faserförmiger Carbonfaser Bruchstücke

 

Innovative Fasermaterialien und Faserverbundwerkstoffe wurden in den letzten Jahren immer weiter entwickelt und erfreuen sich in den verschiedensten Anwendungsgebieten und Produkten einer steigenden Nachfrage.

Darstellung von Carbonfaser Bruchstücken im Mikrometerbereich aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop

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

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. Bisher ist ungeklärt, wie stark das Potential zur Freisetzung alveolengängiger Bruchstücke innerhalb des gesamten Lebenszyklus bei der mechanischen Beanspruchung der Fasern ist.

Im Licht der Asbestproblematik erscheint die Entwicklung materialwissenschaftlicher Expertise zum Bruchverhalten von Carbonfasern unterschiedlicher Typen und Herkunft als dringend geboten. Es ist notwendig, die stofflichen Voraussetzungen der Fasern für die Ausbildung alveolengängiger faserförmiger Fragmente aufzuklären.

Einblick in das Carbon-Faser Technikums des STFI mit Geräten und Laborpersonal

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

 

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.

Ziel des Vorhabens CarboBreak ist ein verbessertes Verständnis des Splitterbruchverhaltens von Carbonfasern sowie die Untersuchung des Freisetzungsverhaltens von alveolengängigen Bruchstücken aus den Fasern und daraus hergestellten Faserverbundwerkstoffen bei mechanischer Beanspruchung. Als Ergebnis werden Empfehlungen für die Arbeitsweise und die persönliche Sicherheit sowie zu idealen bzw. optimierten Prozessparametern erstellt. Die Ergebnisse des Projektes CarboBreak leisten grundsätzliche Beiträge zur Entwicklung anwendungssicherer Materialinnovationen.

 

 

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.

Diese Abbildung beschreibt den Arbeitsplan des Projekts MetalSafety zur Toxizität von faserförmigen und nano-granulären Metallverbindungen

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.

 

 

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