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ProCycle – Analyse und toxikologische Bewertung von Stäuben aus Recycling- und Verwertungsprozessen von Nanokompositen und Strategien zur Gefährdungs-minimierung

Durch die steigende Nachfrage nach modernen Kunststoffwerkstoffen mit besonderen Eigenschaften werden heute immer häufiger Nanomaterialien, wie z.B. Titandioxid (nano-TiO2) eingearbeitet. So können diese als Nanokomposite bezeichneten Materialien mit Eigenschaften wie beispielsweise einer speziellen Farbe, einer hohen Festigkeit oder einer antibakteriellen Wirkung ausgestattet werden. Beim Recycling dieser Kunststoffe werden diese oftmals in einem ersten Schritt zerkleinert, wobei häufig sehr feine Kunststoff-Stäube entstehen. Diese Stäube bestehen aus Kunststoffteilchen von wenigen Mikrometern, deren Größe vergleichbar mit menschlichen Zellen ist. Die kleinen Kunststoff-Staubteilchen können an den Bruchstellen die eingearbeiteten Nanomaterialien aufweisen. Daher stellt sich für den Fall einer Exposition die Frage, welche Auswirkungen diese nanoskaligen Partikel auf Mensch und Umwelt haben.

Elektronenmikroskopischer Nachweis der Aufnahme von synthetischen Partikeln in menschliche Lungenzellen.

Elektronenmikroskopischer Nachweis der Aufnahme von synthetischen Partikeln in menschliche Lungenzellen.

Das Projekt ProCycle untersucht eine mögliche Schadwirkung von frei zugänglichen Nanopartikeln an den erzeugten Bruchstellen des Kunststoffes auf menschliche und tierische Zellen und stellt sich demnach die Frage, ob von diesen Stäuben besondere Gefahren beispielsweise beim Einatmen ausgehen.

Dazu wird der Zerkleinerungsprozess nachgebildet und die entstehenden Feinstäube charakterisiert. Für die Bewertung der Auswirkungen solcher Stäube auf den Menschen wird in dem Projekt ein besonderes Verfahren entwickelt, um Effekte auf menschliche Zellen bzw. menschliches Lungengewebe zu simulieren. Dazu wird ein so genanntes Air/Liquid-Interface-System (unmittelbar an der Luft-Flüssigkeitsgrenzschicht) eingesetzt, eine Technik, mit der menschliche Zellen und Gewebe wie in der Lunge mit staubbelasteter Luft angeströmt werden können. Danach werden die Zellen auf biologische Veränderungen analysiert. Insbesondere sollen mögliche Auswirkungen auf die Genomstabilität untersucht werden, da Veränderungen als ein Indiz für die mögliche Entstehung von Krebs gelten.

Untersuchung von DNA-Schäden in menschlichen Zellen nach Exposition mit Nanopartikeln. © IUK Freiburg

Untersuchung von DNA-Schäden in menschlichen Zellen nach Exposition mit Nanopartikeln. © IUK Freiburg

Um die Auswirkung der beim Recycling entstehenden Feinstäube auf die Umwelt beurteilen zu können, werden diese mit im Wasser lebenden Organismen untersucht, da diese am Anfang der Nahrungskette der im Wasser lebenden Tiere stehen. Auch hierfür werden spezielle Verfahren entwickelt, um die Aufnahme und Auswirkung dieser Staubteilchen auf wässrige Ökosysteme beurteilen zu können.

ProCycle Arbeitsplan

ProCycle Arbeitsplan

Im Anschluss an die Untersuchungen werden Empfehlungen und Messmethoden stehen, die eine Einordnung von Nanokompositen bezüglich ihrer Wirkung auf Mensch und Umwelt ermöglichen und bei zukünftig nötigen Zulassungsverfahren solcher Werkstoffe eine zuverlässige Einstufung hinsichtlich ihres Gefahrenpotenzials auf Mensch und Umwelt speziell beim Recycling treffen zu können. Dies kann bereits bei der Entwicklung und Herstellung dieser Werkstoffe einen wichtigen Beitrag zur Gefährdungsminimierung leisten.

Die Aufgabenverteilung und Zuordnung der Partner zu den Teilschritten der Wertschöpfungskette von der Analyse und Bewertung von bei Zerkleinerungsprozessen anfallenden Prozessstäuben bis hin zur Erarbeitung von gezielten Strategien zur Vermeidung oder Minderung deren human- oder umwelttoxikologischen Auswirkungen durch Änderung der Herstellungsparameter der Nanocomposite sind in der nebenstehenden Abbildung dargestellt.


Förderkennzeichen: BMBF - FKZ 03XP0009
Laufzeit: 01.05.2015 - 30.04.2018 (verlängert bis 30.09.2018)

Projektleitung

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Dr. Wolfgang Becker, Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT)

Projekt-Partner

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Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT), Pfinztal (DE)
VITROCELL Systems GmbH Logo
VITROCELL Systems GmbH, Waldkirch (DE)
KIT Logo Deutsch
Institut für Technische Chemie (ITC), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe (DE)
KIT Logo Deutsch
Institut für Angewandte Biowissenschaften (IAB), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Karlsruhe (DE)
Universitätsklinikum Freiburg Logo
Institut für Umweltmedizin und Krankenhaushygiene, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Freiburg (DE)
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Pallmann Maschinenfabrik GmbH & Co. KG, Zweibrücken (DE)
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Palas GmbH, Karlsruhe (DE)
BG RCI Logo
Berufsgenossenschaft Rohstoffe und Chemische Industrie (BG RCI), Heidelberg (DE)

Veröffentlichungen

2020

  • Hufnagel M., Schoch S., Wall J., Strauch B.M., Hartwig A. (2020). Toxicity and Gene Expression Profiling of Copper- and Titanium-Based Nanoparticles Using Air-Liquid Interface Exposure. Chem Res Toxicol, https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.9b00489
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