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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
Cellulose ist der am häufigsten vorkommende, organische Stoff auf der Erde. Nanoskalige Kristallite können aus Biomasse oder Cellulose-haltigen Wertstoffen (Abfall) gewonnen werden. Nanocellulose (NC) wird dabei aus nachwachsenden Rohstoffen extrahiert und ist damit ein Rohstoff aus dem Bereich der Bioökonomie. Nanocellulose weist sehr gute Barriere-Eigenschaften für Sauerstoff und Mineralöle auf und kann damit Barriere-Materialien aus fossilen Rohstoffen ersetzen.
Nanocellulose ist biologisch abbaubar und bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Reduktion von schwer abbaubarem Plastikmüll und somit einen möglichen Ausweg aus der Mikroplastik-Problematik in der Umwelt, für die Fälle bei denen Verpackungsmüll unbeabsichtigt in die Umwelt gelangt und bei denen geeignete Sammelsysteme fehlen. Darüber hinaus weisen mehrere Untersuchungen darauf hin, dass Nanocellulose besser verträglich mit anderen Polymeren und Papier als üblicherweise verwendete Materialien ist und daher weniger Probleme im Recyclingprozess verursacht und zu einer höheren Recyclatqualität führt.
Während es allgemein akzeptiert wird, dass bakteriell hergestellte Cellulose nicht toxisch ist, existieren große Wissenslücken bei der Frage nach Aus- und Wechselwirkung von anderen Nano-/Mikrostrukturen aus Cellulose, wie z. B. Nanocellulose-Kristalle und Nanocellulose -Fasern. Die Toxizität dieser Materialien hängt stark von ihrer Form und Größe, der Oberflächenchemie und der der Qualität des Herstellungsprozesses (Verunreinigungen) ab. Vorläufige Ergebnisse weisen auf eine geringe dermale und orale Toxizität hin, sind jedoch widersprüchlich in Bezug auf Toxizität bei Inhalation.
NanoCELL Projektplan
Vor diesem Hintergrund verfolgt das Vorhaben NanoCELL folgende Ziele:
1. Materialentwicklung und Analytik der Nanocellulose
- Verbesserte Strategien zur Herstellung von Nanocellulose aus verschiedenen Quellen (u.a. Zellstoff und (Alt-) Papier) sowie Hochskalierung des Syntheseansatzes
- Entwicklung von Methoden zur Herstellung von Nanocellulose -verstärkten Folien und Beschichtungen
- Evaluierung der Leistungsfähigkeit der Nanocellulose -verstärkten Folien und Beschichtungen hinsichtlich ihrer Barriereeigenschaften gegenüber Sauerstoff und Mineralölen
- Entwicklung standardisierter Analysestrategien von der Probenvorbereitung bis zur physikalisch-chemischen Charakterisierung der Nanocellulose in komplexen Matrizes (wie Speichel, Magensäure, Darmflüssigkeit)
- Entwicklung quantitativer Messmethoden zur Charakterisierung von Nanocellulose entlang ihres Lebenszyklus auf Basis der Elektronenmikroskopie sowie der Feldflussfraktionierung (FFF) gekoppelt mit der statischen (MALS) und dynamischen Lichtstreuung (DLS) und der Brechungsindexdetektion (RI)
2. Toxikologische Evaluierung der Nanocellulose
- Simulation und experimentelle Verifizierung des potentiellen Transports von Nanocellulose über die gastrointestinale Barriere (GIT)
- Simulation des chemischen Abbaus und der Aufnahme von Nanocellulose in humane Zellen in Abhängigkeit von der Partikelgröße und weiteren Partikeleigenschaften (Gestalt, Oberflächenladung)
- Entwicklung intelligenter Teststrategien auf Basis neuartiger In vitro- und In silico-Verfahren zur Früherkennung und Vorhersage von Materialrisiken in Verbindung mit Nanocellulose
- Untersuchung der toxikologischen Wirkung von Nanocellulose unter Anwendung neu entwickelter Zellmodelle (GIT, Lunge) und Chip-basierter Hochdurchsatzverfahren
Förderkennzeichen: BMBF - 03XP0196
Laufzeit: 01.03.2019 - 28.02.2022 (verlängert bis 30.06.2022)
Projektleitung
Dr. Florian Meier, Postnova Analytics GmbH
Projekt-Partner
Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT), Sulzbach (DE)
https://www.ibmt.fraunhofer.de/
https://www.ibmt.fraunhofer.de/
Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV), Freising (DE)
https://www.ivv.fraunhofer.de/
https://www.ivv.fraunhofer.de/
Lehrstuhl für Systemverfahrenstechnik, Technische Universität München (TUM), München (DE)
http://svt.wzw.tum.de/
http://svt.wzw.tum.de/
Klinische Pharmazie, Universität des Saarlands, Saarbrücken (DE)
https://www.uni-saarland.de/lehrstuhl/pharm-lehr.html
https://www.uni-saarland.de/lehrstuhl/pharm-lehr.html
Assoziierte Partner
Veröffentlichungen
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]
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]
- NanoCELL - Nanocellulose als Hoffnungsträger für umweltfreundliche Verpackungen (22.07.2020), Pressemeldung Fraunhofer IBMT, https://www.ibmt.fraunhofer.de/de/ibmt-presse-uebersicht-2020/presse-BMBF-NanoCELL-2020-07-22.html
- NanoCELL - Nanocellulose as great hope for environmentally friendly packaging (22.07.2020), Press Release Fraunhofer IBMT, https://www.ibmt.fraunhofer.de/en/ibmt-press-releases-2020/press-BMBF-NanoCELL-2020-07-22.html
2022
- Fraunhofer IVV (2022). Nachhaltige Barriereschicht mit NanoCELL - FORSCHUNGSPROJEKT "NanoCELL". https://www.ivv.fraunhofer.de/de/verpackung/biobasierte-materialien-fuer-papier-und-folienanwendungen/nanocell.html
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/