NanoCELL

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NanoCELL – Umfassende Charakterisierung und humantoxikologische Bewertung von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus für eine zuverlässige Risikoabschätzung und einen sicheren Einsatz in umweltfreundlichen Verpackungsmaterialien

 

Projektbericht:

Das Verbundvorhaben NanoCELL beschäftigte sich mit der Herstellung, physiko-chemischen Charakterisierung, Verwendung und humantoxikologischen Bewertung von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus. Besonderer Fokus lag dabei auf der kristallinen Nanocellulose (cellulose nanocrystals, CNC) und deren Einsatz in umweltfreundlichen Verpackungsmaterialien als wichtiger Baustein einer modernen Kreislaufwirtschaft.

Die wichtigsten Entwicklungen und gewonnenen Erkenntnisse aus NanoCELL sind:

  • Etablierung eines Prozesses zur Herstellung hydrophiler CNC aus unterschiedlichen Rohstoffquellen (u.a. Baumwolle, Birke, Fichte) im Labormaßstab inklusive erfolgreicher CNC-Sprühtrocknung; eine Hochskalierung der CNC-Herstellung erfordert jedoch Anpassungen am Reaktor-Design.
  • Erfolgreiche Oberflächenfunktionalisierung der CNC (Fluoreszenzmarkierung, Silanisierung)
  • Erfolgreiche CNC-Beschichtung unterschiedlicher Foliensubstrate (z.B. Polymilchsäure, Polypropylen, Papier) mit hoher Verbundhaftung und verbesserter Barrierewirkung gegen Sauerstoff, jedoch weitere Studien hinsichtlich Reproduzierbarkeit der Beschichtung und Barrierewirkung gegen Mineralöle notwendig.
  • Umfassende physiko-chemische Charakterisierung der CNC (Größen-/Anzahlverteilung, Zetapotential, Agglomeration) in komplexen Matrizes (u.a. Zellkulturmedium, Verdauungssäfte) mittels Multidetektor-Feldflussfraktionierung (FFF) und Elektronenmikroskopie.
  • Erfolgreiche Entwicklung verschiedener in vitro (GIT-Inflammationsmodell, 3D Lungenmodelle) und ex vivo Modelle (porziner Mucus, Darmgewebe) zur Untersuchung einer möglichen Toxizität der CNC nach oraler und pulmonaler Aufnahme.
  • CNC-Transportstudien in in vitro und ex vivo Modellen unter statischen und dynamischen Bedingungen zeigen einen CNC-Transport durch die intestinale Mucusschicht, aber nicht durch das Darmgewebe; keine toxischen Effekte konnten unter diesen Bedingungen beobachtet werden.
  • Erfolgreiche Vorarbeiten für ein in silico Transportmodell für CNC über biologische Barrieren.
Förderkennzeichen: BMBF - 03XP0196
Laufzeit: 01.03.2019 - 28.02.2022 (verlängert bis 30.06.2022)

Projektleitung

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Dr. Florian Meier, Postnova Analytics GmbH

Projekt-Partner

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Postnova Analytics GmbH, Landsberg am Lech (DE)
https://www.postnova.com/
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) Logo
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Sulzbach (DE)
https://www.ibmt.fraunhofer.de/
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Microscopy Services Dähnhardt GmbH, Flintbek (DE)
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VITROCELL Systems GmbH, Waldkirch (DE)
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Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV), Freising (DE)
https://www.ivv.fraunhofer.de/
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Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik, Technische Universität München (TUM), München (DE)
http://svt.wzw.tum.de/
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Klinische Pharmazie, Universität des Saarlands, Saarbrücken (DE)
https://www.uni-saarland.de/lehrstuhl/pharm-lehr.html

Assoziierte Partner

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Umweltbundesamt (UBA), Dessau-Roßlau (DE)
https://www.umweltbundesamt.de/
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Infiana Germany GmbH & Co. KG, Forchheim (DE)
https://loparex.com/
GRUENPERGA Papier GmbH Logo 2
GRÜNPERGA Papier GmbH, Grünhainichen (DE)
https://www.gruenperga.de/de/

Veröffentlichungen

2023

  • Kohl, Y., M. Muller, M. Fink, M. Mamier, S. Furtauer, R. Drexel, C. Herrmann, S. Dahnhardt-Pfeiffer, R. Hornberger, M. I. Arz, C. Metzger, S. Wagner, S. Sangerlaub, H. Briesen, F. Meier, and T. Krebs. "Development and Characterization of a 96-Well Exposure System for Safety Assessment of Nanomaterials." Small 19, no. 23 (2023): e2207207. https://doi.org/10.1002/smll.202207207
  • Müller, M., Roland Drexel, Marie Burkhart, Stephan Dähnhardt-Pfeiffer, Lena Wien, Christine Herrmann, Thorsten Knoll, Christoph Metzger, Heiko Briesen, Sylvia Wagner, Florian Meier, and Yvonne Kohl. "Ex Vivo Models for Intestinal Translocation Studies of Cellulose Nanocrystals." In vitro models (2023).  https://doi.org/10.1007/s44164-023-00056-x

2022

  • Campora, L. D., C. Metzger, S. Dahnhardt-Pfeiffer, R. Drexel, F. Meier, and S. Furtauer. "Fluorescence Labeling of Cellulose Nanocrystals-a Facile and Green Synthesis Route." Polymers (Basel) 14, no. 9 (2022). https://doi.org/10.3390/polym14091820

2021

  • Metzger C., Drexel R., Meier F., Briesen H. (2021). Effect of ultrasonication on the size distribution and stability of cellulose nanocrystals in suspension: an asymmetrical flow field-flow fractionation study. Cellulose, 28(16): 10221-10238. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04172-3
  • Metzger C., Briesen H. (2021). Thermoplastic Starch Nanocomposites Reinforced with Cellulose Nanocrystal Suspensions Containing Residual Salt from Neutralization. Macromolecular Materials and Engineering, n/a(n/a): 2100161. https://doi.org/10.1002/mame.202100161
  • Kohl Y., Hesler M., Drexel R., Kovar L., Dahnhardt-Pfeiffer S., Selzer D., Wagner S., Lehr T., Von Briesen H., Meier F. (2021). Influence of Physicochemical Characteristics and Stability of Gold and Silver Nanoparticles on Biological Effects and Translocation across an Intestinal Barrier-A Case Study from In Vitro to In Silico. Nanomaterials (Basel), 11(6): 1358. https://doi.org/10.3390/nano11061358

2020

  • Metzger C., Auber D., Dahnhardt-Pfeiffer S., Briesen H. (2020). Agglomeration of cellulose nanocrystals: the effect of secondary sulfates and their use in product separation. Cellulose, 27(17): 9839-9851. https://doi.org/10.1007/s10570-020-03476-0
  • Kovar L., Selzer D., Britz H., Benowitz N., St Helen G., Kohl Y., Bals R., Lehr T. (2020). Comprehensive Parent-Metabolite PBPK/PD Modeling Insights into Nicotine Replacement Therapy Strategies. Clin Pharmacokinet, 59(9): 1119-1134. https://doi.org/10.1007/s40262-020-00880-4
  • Kohl Y., Runden-Pran E., Mariussen E., Hesler M., El Yamani N., Longhin E.M., Dusinska M. (2020). Genotoxicity of Nanomaterials: Advanced In Vitro Models and High Throughput Methods for Human Hazard Assessment-A Review. Nanomaterials (Basel), 10(10): 1911. https://doi.org/10.3390/nano10101911
 

2021

  • Florian Meier (2021). NanoCELL - Umfassende Charakterisierung und humantoxikologische Bewertung von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus für eine zuverlässige Risikoabschätzung und einen sicheren Einsatz in umweltfreundlichen Verpackungsmaterialien. NanoCare 4.0 Clustertreffen, 26. November 2021, virtuell. [Vortrag]
  • R. Drexel, C. Metzger, C. Herrmann, H. Briesen, S. Dähnhardt-Pfeiffer, F. Meier. Investigation of the behavior of cellulose nanocrystals (CNC) in simulated human gastro-intestinal fluids - What happens after oral uptake? NanoCare 4.0 Clustertreffen, virtuell (Poster)
  • R. Drexel, C. Metzger, C. Herrmann, H. Briesen, S. Dähnhardt-Pfeiffer, F. Meier. Investigation of the behavior of cellulose nanocrystals (CNC) in simulated human gastro-intestinal fluids - What happens after oral uptake? FFF Symposium 2021, virtuell (Poster)

2020

  • NanoCELL Konsortium (2020). NanoCELL - Comprehensive characterization and human toxicological assessment of cellulose nanocrystals along its life cycle for reliable risk assessment and safe use in environmentally friendly packaging materials. OpenTox, 21.-25. September 2020, virtuell. [Poster]
  • H. Briesen, C. Metzger, C. Herrmann (2020). Preparation and Use of Nanocrystalline Cellulose. Canadian Bioeconomy Cooperative R&D Partnering Event, 5.-6. März 2020, Freising, Deutschland. [Vortrag]
  • S. Fürtaue (2020).  Nanocellulose-basierte Barrierebeschichtungen in Lebensmittelverpackungen. Treffen der Fraunhofer-Allianz Nanotechnologie (FNT), 19. November 2020, virtuell. [Vortrag]
  • Michelle Hesler, Annika Kittel, Stephan Dähnhardt-Pfeiffer, Christoph Metzger, Christine Herrmann, Marielle Fink, Heiko Briesen, Tobias Krebs, Hagen von Briesen, Sylvia Wagner, Yvonne Kohl (2020). Do cellulose nanocrystals harm human lung cells?. OpenTox, 21.-25. September 2020, virtuell. [Poster]
  • Michelle Hesler, Annika Kittel, Stephan Dähnhardt-Pfeiffer, Christoph Metzger, Christine Herrmann, Heiko Briesen, Hagen von Briesen, Sylvia Wagner, Yvonne Kohl  (2020). Development of an in vitro alveolar lung model for the toxicological assessment of inhaled cellulose nanocrystals. NanoSafety, 5.-7. Oktober 2020, virtuell. [Vortrag]
  • Michelle Hesler, Annika Kittel, Stephan Dähnhardt-Pfeiffer, Sylvia Wagner, Yvonne Kohl (2020). Development and validation of an in vitro alveolar lung model for aerosol exposure studies of chemicals and nanomaterials. NanoSafe, 16.-20. November 2020, virtuell. [Poster]
  • Florian Meier (2020). NanoCELL Comprehensive characterization and human toxicological assessment of cellulose nanocrystals (CNC) along their life cycle for reliable risk assessment and safe use in environmentally friendly packaging materials. NanoSafety 2020, 3. August 2020, virtuell. [Poster]
  • C. Metzger, D. Auber, H. Briesen (2020). Separation Efficiency of Cellulose Nanocrystals from High Ionic Strength Solutions. PARTEC Kongress, 09.-11. April 2019, Nürnberg, Deutschland. [Poster]

2019

  • R. Drexel, C. Metzger, H. Briesen, S. Dähnhardt-Pfeiffer, F. Meier (2019). Electrical Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation for the analysis of size distribution, aspect ratio and surface charge of cellulose nanocrystals. NanoCare 4.0 Clustertreffen, 25.-26. September 2019, Frankfurt am Main, Deutschland. [Poster]
  • R. Drexel, C. Metzger, H. Briesen, S. Dähnhardt-Pfeiffer, F. Meier (2020). Electrical Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation for the analysis of size distribution, aspect ratio and surface charge of cellulose nanocrystals. FFF2020 - 20th International Symposium on Field- and Flow-Based Separations, 23.-27. Februar 2020, Wien, Österreich. [Poster]
  • S. Fürtauer (2019). NanoCELL - Umfassende Charakterisierung und humantoxikologische Bewertung von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus für eine zuverlässige Risikoabschätzung und einen sicheren Einsatz in umweltfreundlichen Verpackungsmaterialien. NanoCare 4.0 Clustertreffen, 26. September 2019, Frankfurt am Main, Deutschland. [Vortrag]
  • C. Metzger, H. Briesen (2019). Cellulose Nanocrystals - Processing and Potential. NanoCare 4.0 Clustertreffen, 25.-26. September 2019, Frankfurt am Main, Deutschland. [Poster]

2022

2020

  • M. Lindner, S. Fürtauer, D. Bauer, P. Goderbauer, A. Stäbler (2020). Gasbarrieren für Papier aus biobasierten Beschichtungen / Biobased gas barrier coatings for paper. Coating International 5/2020, pp. 11-16.
  • M. Lindner, S. Fürtauer, D. Bauer, P. Goderbauer, A. Stäbler (2020). Gasbarrieren für Papier aus biobasierten Beschichtungen / Biobased gas barrier coatings for paper. Packaging Journal. https://packaging-journal.de/biobasierte-barrierebeschichtungen-fuer-papier/
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