Project

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 )

NanoToxClass

NanoToxClass – Etablierung von Nanomaterial Gruppierungs-/ Klassifizierungsstrategien auf Basis der Toxizität und zur Unterstützung der Risikobewertung

Die Nanotechnologie wird als eine der bedeutendsten Innovationen mit großem industriellem und medizinischem Potenzial gesehen. Deutlich wird dies bereits heute durch den Einsatz von Nanomaterialien in den verschiedensten Produkten. Die aktuell eingesetzten Nanomaterialien bestehen aus einer überschaubaren Anzahl von Ausgangsstoffen. Durch Kombinationen verschiedener Ausgangsstoffe sowie Variationen in Größe, Form und Oberfläche ergibt sich dennoch eine nahezu unbegrenzte Vielfalt. Aktuell wird jede Nanomaterial-Variante einer eigenen experimentellen Prüfung und Bewertung unterzogen. Für konventionelle Chemikalien sind Gruppierungsansätze bereits vorhanden und werden auch zu regulatorischen Zwecken genutzt, während für Nanomaterialien die Entwicklung von Gruppierungsprinzipien gerade erst begonnen hat.

NanoToxClass wird Gruppierungsansätze von Nanomaterialien aufgrund ihres Gefährdungspotenzials für den Menschen basierend auf einem ausgewählten Satz an industriell relevanten Nanomaterialien entwickeln. Dabei werden die ausgewählten Nanomaterialien nicht nur in ihrer ursprünglichen Form untersucht, sondern auch in ihrem Lebenszyklus betrachtet (z.B. nach Alterung). Ein wichtiger Schwerpunkt in NanoToxClass ist jedoch die zielgerichtete Generierung neuer Daten mittels modernster Techniken der Systembiologie, welche in Kombination mit etablierten toxikologischen Endpunkten eingesetzt werden. Im Projekt werden dazu Transkriptom-, Metabolom- und Proteomanalysen basierend auf in vitro und in vivo Versuchen integriert, so dass der hier gewählte Ansatz auch Wirkmechanismen von Nanomaterialien bei der Entwicklung von Gruppierungen berücksichtigt und zudem maßgeblich zur Korrelation von in vitro und in vivo Daten beitragen wird. Die gewonnenen Gruppierungskriterien werden anschließend an weiteren Nanomaterialien überprüft bzw. validiert.

Um diese Ziele zu erreichen, vereint NanoToxClass Experten aus Wissenschaft, Behörden und Industrie. Die Entwicklung von Nanomaterial Gruppierungen ist auch auf europäischer und internationaler Ebene von hohem Interesse. NanoToxClass integriert daher die Expertise deutscher und europäischer Experten. Die Erkenntnisse von NanoToxClass werden von Beginn an in verschiedene nationale und internationale Gremien eingebracht, um auch eine regulatorische Anwendbarkeit zu berücksichtigen.

Projekt-Webseite NanoToxClass: http://www.nanotoxclass.eu/project.html

NanoBEL

NanoBEL – Biologische Elimination komplexer diagnostischer Nanopartikel

Als eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts hat sich die Nanotechnologie in den vergangenen Jahren von einer forschungsnahen Disziplin zu einem weltweit bedeutenden Wirtschaftsfaktor entwickelt. Aufgrund der Querschnittsrelevanz werden hier Impulse für ein breites Spektrum gesellschaftlicher Anwendungsfelder für die unterschiedlichsten Produkte, Prozesse und Materialien und somit Innovationen für viele Branchen einschließlich Medizin und „Life Sciences“ erwartet.

NanoBEL medizinische Nano-Anwendungen (c) NanoBEL Konsortium

In Medizin und Pharmakologie spielt die Nanotechnologie bereits heute in einer Vielzahl von Anwendungen eine wichtige Rolle. Einen besonderen Stellenwert bilden magnetische Nanopartikel (MNP) für die diagnostische Bildgebung im Sinne einer Früherkennung von Erkrankungen und des therapeutischen Monitorings. Während die Auswirkungen einer akuten Exposition mit magnetischen Nanopartikeln aus toxikologischer Sicht mittlerweile weitreichend untersucht worden sind, sind Langzeiteffekte in Abhängigkeit von strukturellen Eigenschaften der magnetischen Nanopartikel und des Gesundheitsstatus der Individuen bisher noch kaum systematisch untersucht worden.

NanoBEL befasst sich daher mit der Abschätzung von Langzeit-Effekten der Exposition mit magnetischen Nanopartikeln (beispielsweise als Folge von regelmäßigen Bildgebungssitzungen), der Bedeutung von Degradations- und Eliminationsprozessen entlang des Lebenszyklus der Nanopartikel sowie der Auswirkung der Exposition im Zusammenhang mit Erkrankungen mit hoher sozioökonomischer Relevanz (Krebs, Entzündungen).

NanoBEL berücksichtigt Formulierungen von magnetischen Nanopartikeln, welche gegenwärtig und in der Zukunft eine hohe diagnostische Relevanz aufweisen. Neben der Weiterentwicklung und Optimierung dieser Nanopartikel trägt NanoBEL auch zur Entwicklung neuer tierfreier Alternativmethoden zur Langzeittestung von magnetischen Nanopartikeln bei (z.B. in Zellkulturen und im Hühnerei).

Weiterhin soll die systematische Erhebung der Daten einen Beitrag zur Kategorisierung von Nanopartikeln und zur Identifizierung dafür geeigneter Endpunkte leisten und damit die Grundlagen für eine Risikobewertung schaffen. Daten sollen auch einer breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden z.B. über die Datenbank Nanopartikel.info.

Somit liefert das Vorhaben einen wertvollen Beitrag für einen verantwortungsvollen Umgang und die optimierte Weiterentwicklung von Nanomaterialien in der Medizin, wobei Chancen bestmöglich genutzt und Risiken vermieden werden können. Somit birgt die Nanotechnologie auch für den Wirtschafts- und Innovationsstandort Deutschland enormes Potenzial, welches nicht ungenutzt bleiben darf. Daraus resultieren positive Auswirkungen nicht nur auf das Wirtschaftswachstum per se und die Schaffung qualifizierter Arbeitsplätze, sondern auch auf eine enorm verbesserte medizinische Versorgung bei gleichzeitiger Ressourcen- und Umweltschonung.

FENOMENO

FENOMENO – Verbleib und Auswirkungen von synthetischen Nanomaterialien aus Kläranlagenausflüssen auf aquatische Ökosysteme

Heutzutage sind in vielen Produkten des täglichen Lebens Kleinstteilchen, sogenannte Nanopartikel, die kleiner als 100 nm sind, enthalten. So befinden sich z.B. in Sonnencreme nanoskaliges Titandioxid und in Sportfunktionskleidung Nano Silber. Diese Nanopartikel gelangen über die Körperpflege und Wäsche in unsere Kläranlagen und von dort in unsere Gewässer. Was passiert aber mit den in der Kläranlage veränderten Nanopartikeln in den Gewässern? Werden sie von den Organismen aufgenommen und gelangen so in die Nahrungskette?

In unserem Projekt wollen wir diese Fragen untersuchen und verfolgen hierbei zwei Ansätze. Wir versuchen, den Weg von nanoskaligem Silber und Titandioxid Nanopartikeln in einer natürlichen Nahrungskette (Algen – Wasserflöhe – Jungfische – Raubfische) im Mondsee in Österreich nachzuverfolgen.

FENOMENO Projekt Übersicht

Im Labor untersuchen wir parallel dazu gezielt die einzelnen Glieder dieser Nahrungskette. Hierzu verwenden wir Silber Nanopartikel und Titandioxid Nanopartikel, die eine Modellkläranlage passiert haben. Wir analysieren mit hochauflösender Massenspektrometrie und Mikroskopie, ob und wenn ja wie sich die Nanopartikel nach Passieren der Modellkläranlage verändert haben. Im Labor werden diese Nanopartikel Algen zugegeben, um zu testen, wie Algen diese Nanopartikel aufnehmen oder ob die Nanopartikel sich an die Algen heften.

Wasserflöhe (Daphnien) sind Schlüsselorganismen in der aquatischen Nahrungskette. Sie fressen einerseits Algen, andererseits ernähren sich Jungfische von Wasserflöhen. In verschiedenen Testreihen wollen wir herausfinden, welche Effekte diese Nanopartikel auf das Verhalten der Daphnien (Bewegungen, Herzschlagrate etc.), auf den Fortpflanzungserfolg und weitere wichtige Kriterien haben. Diese Effekte untersuchen wir in Testreihen, in denen die Daphnien nur kurzfristig den Nanopartikeln und den behandelten Algen ausgesetzt werden und auch in Versuchsreihen mit langfristiger Exposition. Die Verhaltensänderungen der Daphnien werden mittels 3D-Tracking von Kameras aufgezeichnet und die Bewegungen der Daphnien können automatisch verfolgt und ausgewertet werden. Auf diese Weise können Daphnien als Biosensoren für Nanopartikel im Gewässer dienen. Die mikroskopischen Techniken erlauben es, die Aufnahme der Nanopartikel durch die Daphnien und ihr Verbleib in den Daphnien festzustellen.

Die portugiesischen Partner werden die biologischen Effekte der Nanopartikel in den Algen, Daphnien und Fischen auf molekularer und biochemischer Ebene untersuchen. Die österreichischen Partner untersuchen die zeitliche und räumliche Verteilung der Friedfische und Raubfische, die chemisch, mikroskopisch, molekular und biochemisch untersucht werden.

Unser Projekt wird somit den Verbleib und die Auswirkungen von Nanopartikeln auf die aquatische Nahrungskette aufklären und in eine abschließende Risikoabschätzung münden, um die Risiken der Nutzung von Nanoteilchen für Mensch und Umwelt beurteilen zu können.

FENOMENO Projekt-Webseite (nur in Englisch): www.fenomeno-nano.de

nanoCOLT

nanoCOLT – Langzeitwirkung modifizierter Carbon Black Nanopartikel auf gesunde und vorgeschädigte Lungen

Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt CarbonBlack hat das Verbundprojekt nanoCOLT die Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften synthetischer Carbon Black Nanopartikel (CBNP) und der durch sie im Niedrig-Dosis-Bereich verursachten Lungenschädigung weiter untersucht. Großer Fokus lag insbesondere auf der Prüfung, ob eine CBNP-Langzeitexposition bei gesunden Lungen zu strukturellen und funktionellen Veränderungen führt, und ob vorgeschädigte Lungen sensibler auf Carbon Black Nanopartikel Exposition reagieren als gesunde. Weiterhin sollten Zell- und Gewebekultursysteme identifiziert werden, mit deren Hilfe mögliche Wirkungen von Carbon Black Nanopartikel beim Menschen vorhergesagt werden können. Die in diesen in-vitro und ex-vivo Systemen gewonnenen Ergebnisse wurden abschließend in einem in-vivo Inhalationsversuch an der Ratte gemäß OECD Richtlinie 413 geprüft.

Im Verbund wurden verschiedene in-vitro und ex-vivo Testsysteme, die z.T. im Vorgängerprojekt CarbonBlack etabliert worden waren (z.B. Explantatmodelle der murinen Trachea bzw. intrapulmonaler Atemwege, humane Präzisionslungen-schnitte), weiterentwickelt bzw. neue Testsysteme (z.B. partikel-induzierter Zellmigrationstest PICMA, Air-Liquid-Interface Zellkulturmodell) auf ihre Eignung zur Toxizitätsuntersuchung geprüft. In den in-vitro und ex-vivo Testsystemen wurden die zu prüfenden CBNP in den Konzentrationen 1, 10 und 30 μg/ml eingesetzt, in den in-vivo Tierexperimenten wurden einmalig oder siebenmalig im Abstand von je zwei Wochen 70 μg Carbon Black Nanopartikel pro Tier appliziert.

Rastermikroskopische (A) und lichtmikroskopische (B) Aufnahme der Lunge mit Atemweg (AW) und umgebenden Alveolen (AL). Die Pfeile zeigen auf Agglomerate inhalierter CBNP . © H. Fehrenbach / FZ Borstel; © N. Schreiber und B. Müller / Universität Marburg

Auf Basis der eingesetzten ex-vivo und in-vivo Tierexperimente kommt der Verbund zum Schluss, dass sowohl für gesunde als auch für durch Stickstoffdioxid (NO₂) oder experimentell induziertes allergisches Asthma vorgeschädigte Lungen gleichermaßen eine geringe akute Toxizität der geprüften Carbon Black Nanopartikel vorliegt. Die beobachteten geringgradigen Effekte werden v.a. durch die Oberflächenchemie bestimmt. Nach multiplen Carbon Black Nanopartikel-Expositionen als Modell einer Langzeitexposition waren in den ex-vivo und in-vivo Tierexperimenten ebenfalls nur geringe Effekte der Prüf- Carbon Black Nanopartikel zu verzeichnen. Der in-vivo Inhalationsversuch wurde mit Printex®90 als Referenzpartikel sowie Acetylenruß und mit Benzo[a]pyren beschichtetem Printex®90 durchgeführt. Die subchronische Exposition mit Acetylenruß induzierte bei der Ratte eine stärkere inflammatorische Antwort als die mit Printex®90 oder Printex®90 mit Benzo[a]pyren.

Die modifizierten Carbon Black Nanopartikel wurden mit Hilfe eines weiten Spektrums an Methoden charakterisiert, wobei der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Blockierung der Oberflächenfunktionen der Carbon Black Nanopartikel durch Wechselwirkungen mit Proteinen aus biologischen Umgebungen lag. Hierzu wurden verschiedene spektroskopische Methoden eingesetzt. Veränderungen der sekundären Strukturelemente als mögliche Modulatoren der biologischen Aktivität der Prüf-CBNP konnten nicht nachgewiesen werden. Die Gründe für die insgesamt geringe akute Toxizität der Prüf-CBNP liegen offenbar in einer relativ starken Wechselwirkung zwischen Proteinen und den Oberflächengruppen der Carbon Black Nanopartikel. Hierdurch könnte die toxische Wirkung von Oberflächengruppen bzw. Molekülen auf der Oberfläche abgeschirmt bzw. vermindert werden.

Die ex-vivo Untersuchungen an humanen Präzisionslungenschnitten ergaben, dass es auch im humanen Testsystem nach akuter Exposition keinen direkten zell-schädigenden Einfluss der Prüf-CBNP auf normale und erkrankte (vorgeschädigte) Lungen gibt. Vielmehr induzierten die Carbon Black Nanopartikel in Geweben aus gesunden Lungen erste Entzündungsprozesse, wie sie für physiologische Reaktionen auf Noxen kennzeichnend sind und als Schutzmechanismen gewertet werden können. An Geweben aus erkrankten Lungen (pulmonale Fibrose), die ausgeprägte fein-gewebliche Veränderungen aufwiesen, waren keine solche als physiologische Schutzmechanismen zu wertenden Entzündungsreaktionen zu beobachten. Die Befunde aus dem humanen ex-vivo Testsystem sind weitgehend deckungsgleich mit den Ergebnissen aus den ex-vivo und in-vivo Tierexperimenten.

Zusammenfassend stellt der Verbund nanoCOLT auf Basis der vielfältigen Experimente an in-vitro, ex-vivo und in-vivo Testsystemen an Maus, Ratte bzw. humanen Zellen und Geweben abschließend fest, dass die akute und subchronische Toxizität der Prüf-CBNP im Niedrig-Dosis-Bereich als gering einzuschätzen ist und v.a. durch die Oberflächenchemie bestimmt wird. Ob das im humanen ex-vivo Testsystem an feingeweblich stark veränderten Geweben beobachtete Ausbleiben von als physiologisch zu wertenden Entzündungsprozessen bei chronischer Exposition und zunehmender Persistenz der Carbon Black Nanopartikel in der Lunge einen negativen Einfluss auf den Verlauf der zugrundeliegenden Lungenerkrankung hat, wäre in weitergehenden Studien zu prüfen.