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CERASAFE

CERASAFE – Sichere Herstellung und Verwendung von Nanomaterialien für die Keramik-Industrie

Ziel des Projekts CERASAFE ist die Bewertung und Verbesserung von Umweltschutz und -sicherheit (EHS) in der keramischen Industrie. Geplant ist, industrielle Prozesse und Aktivitäten zu untersuchen, bei denen am Arbeitsplatz Nanopartikel Emissionen generiert werden. Die Exposition der Arbeitnehmer soll bewertet werden, indem zunächst die Partikelfreisetzungsprozesse analysiert werden, gefolgt von der Charakterisierung der emittierten Partikel sowie der Bewertung der Toxizität. Ausgehend von diesen Daten werden Maßnahmen zur Minimierung der Exposition vorgeschlagen.

Darüber hinaus wird CERASAFE ein Tool entwickeln, mit sich technisch hergestellte nanokeramische Partikel von Hintergrundaerosolen unterscheiden lassen, was eine Innovation auf dem Gebiet der für Umweltschutz und -sicherheit (EHS) relevanten Charakterisierungsmethoden darstellt. Im Rahmen des Projekts sollen eine Reihe von guten Herstellungs- und Anwendungspraktiken (GMP, GUP) für nanokeramische Materialien erstellt werden. Weiterhin werden die generierten Ergebnisse in einer öffentlichen Datenbank gesammelt. Diese wird ergänzt mit Informationen zu Risikobewertung und Empfehlungen für die Industrie, Anwender und Interessensverbänden, um sichere Produktionsprozesse für nanokeramische Materialien zu gewährleisten.

Projekt Webseite: www.cerasafe.eu

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

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.

ProCycle

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.

nanoGRAVUR

nanoGRAVUR – Nanostrukturierte Materialien – Gruppierung hinsichtlich Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutz und Risikominimierung

Die Nanotechnologie eröffnet eine Vielzahl neuer Anwendungsmöglichkeiten in den verschiedensten Industriebereichen (u.a. chemische Industrie, Elektrotechnik, Medizintechnik). Die Herausforderung liegt dabei in der optimalen Nutzung der Potenziale dieser z.T. neuen Technologien und zugleich in einem verantwortungsvollen Umgang.

Darstellung des NanoGravur Projektansatzes , mit dem Nanomaterialien nach verschiedenen Kriterien und Nutzerklassen gruppiert werden sollen

Schema zur Ableitung von Kriterienkatalogen (K) für die verschiedenen Schutzgüter ausgehend von den risikobestimmenden Faktoren Nanomaterialeigenschaften (N), Freisetzung/Exposition (E) und Gefährdungspotential (H und Ö).

Bei der Vielfalt existierender synthetischer Nanomaterialien, die mitunter seit Jahrzehnten in allgegenwertigen Produkten eingesetzt werden und die zudem auch in zahlreichen Modifikationen (Unterschiede in der Größe, Form, chemischer Zusammensetzung und Oberflächenfunktionalisierung) existieren können, ist der Aufwand zur Untersuchung von Effekten und Verhalten im Rahmen regulatorischer Anforderungen enorm. Bei der Variabilität der möglichen Wirkungen ist es zudem unmöglich, das potentielle Risiko für jedes Nanomaterial im Einzelfall zu prüfen.

Aufgrund dieses komplexen Bildes des heutigen Wissensstandes über die Gefährdung der Schutzgüter durch Nanomaterialien ist es ein zentrales Ziel von nanoGRAVUR, Kriterienkataloge für eine Gruppierung der Nanomaterialien in Hinblick auf Exposition-, Gefährdungs- und Risikopotenziale zu entwickeln. Der Ansatz von Gruppierungen, der bisher nur in speziellen Fällen (u.a. Fasern) verwendet wird, kann u.a. in Bereichen wie der Arbeitsplatzsicherheit, Produktkennzeichnung und Regulierung verwendet werden, wo zurzeit noch auf der Basis von Einzelfallstudien gehandelt werden muss.

 

Projekt-Webseite: www.iuta.de/nanogravur/

 

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