Eisen und Eisenoxide

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Eisen gehört zu den Metallen, die am häufigsten auf der Erde vorkommen. Seine Oxide werden als Eisenerz abgebaut und zu Stahl oder elektronischen Datenspeichermedien weiterverarbeitet. Weiterhin wird derzeit die Anwendung von Eisenoxid-Partikeln in der Medizin erforscht, z.B. als Kontrastmittel oder zur Tumortherapie.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Verrostete Dampflokomotive © c javarman / fotolia.com

Eisen und Eisenoxid-Nanopartikel werden in elektronischen Geräten verwendet, um Daten aufzuzeichnen. Auf Festplatten werden die nanometerkleinen Strukturen zur Datenspeicherung benutzt; der Anwender kommt dabei mit den Partikeln nicht in Kontakt. Bei medizinischen Anwendungen werden die Partikel direkt in den Körper eingespritzt. Daher ist es wichtig, dass sie in den verwendeten Mengen nicht giftig sind.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Für medizinische Anwendungen werden im Vergleich zu den natürlichen Eisenspeichern im Körper nur geringe Mengen verabreicht, die nicht giftig sind. In der Umwelt sind natürliche Eisenoxide allgegenwärtig. Deshalb lassen sich künstlich hergestellte Eisenoxid-Nanopartikel dort schwer nachweisen, weil man sie nicht von den natürlichen unterscheiden kann. Von Umwelttechnikern wird das Material verwendet, um Schadstoffe im Grundwasser zu zerstören. Dort verbleiben die Partikel üblicherweise, nachdem die Chemikalien abgebaut wurden. Eisen und Eisenoxidnanopartikel werden für Organismen in der Umwelt als nicht giftig eingeschätzt – nur außergewöhnlich hohe Mengen sind problematisch. Allerdings muss hier deutlich zwischen den Wirkungen des metallischen Eisens und der verschiedenen Eisenoxid-Formen unterschieden werden, da Eisen von Organismen nicht aufgenommen wird. Eisenoxide hingegen sind wichtige Spurenelemente, die jedoch in zu hohen Mengen verabreicht negative Wirkungen haben können..

Fazit

Im Alltag ist der menschliche Körper nur geringen Mengen an nanoskaligem Eisen ausgesetzt, die als ungiftig betrachtet werden. In der Umwelt kommen Eisen und Eisenoxide auf natürliche Weise vor.

Nebenbei
  • Eisenoxid wird auch als Farbpigment mit der typischen rostroten Farbe verwendet. Es ist als Farbstoff lange haltbar und schon in antiken Malereien zu sehen.
  • Von Tauben oder Bakterien ist bekannt, dass sie magnetische Eisenoxid-Partikel in ihrem Körper einlagern,um sich damit am Erdmagnetfeld zu orientieren.

Eigenschaften und Anwendungen

Festplatte in geöffnetem Gehäuse © fraeuleinlux / fotolia.com

Festplatte in geöffnetem Gehaeuse © fraeuleinlux / fotolia.com

Eisen (chemisches Symbol Fe, lat. ferrum) ist eines der wichtigsten Metalle, das wir in unserer heutigen Zeit verwenden. Stahlträger für Brücken und Häuser, Walzbleche aus Eisen und Stahl, um z.B. Autos zu bauen, Schrauben und Nägel: sie alle bestehen aus Eisen bzw. seiner veredelten Form, dem Stahl. Sowohl Eisen-Metall als auch (bestimmte) Eisenoxide sind magnetisch, früher wurden sie z.B. in Tonbändern und Kassetten verwendet, um Tonaufzeichnungen zu speichern, heute ist das nur noch ein Nischenbereich in der Tontechnik. Später wurden solche Eisenverbindungen auch in Disketten/Floppy-Disks verwendet, die bis heute wiederum aber fast vollständig durch CDs, DVDs und Speichersticks verdrängt wurden. Magnetische Aufzeichnungsmedien werden aber noch in Computer-Festplatten verwendet. Durch das verstärkte Aufkommen von PCs als Home-Computer und Media-Server, deren Speicherkapazität mit Festplatten bereitgestellt wird, könnte man also von einer Renaissance der magnetischen Aufzeichnung für die heimische Musiksammlung sprechen.

Neben Eisen werden auch Kobalt bzw. Nickel für moderne Festplatten eingesetzt, die den Giant Magneto Resistance-Effekt (GMR) als Grundlage für die Datenaufzeichnung verwenden [3,4]. Nanometerkleine Strukturen werden hier verwendet, um Daten zu speichern und erst diese extrem kleinen Strukturen machen es in den 2000er Jahren möglich, auf Festplatten Datenmengen im Terabyte-Bereich zu speichern.

Eisenoxid wird auch als Farbpigment mit der typischen rostroten Farbe eingesetzt. Wegen der hohen chemischen Stabilität ist Eisenoxid als Farbstoff lange haltbar und auch schon in antiken Malereien zu sehen. Eisenoxid kann aber auch unerwünscht sein: Die Oxidation des Eisens stellt das größte Problem im Umgang mit diesem Werkstoff dar, denn diese Oxidation kennt man im täglichen Leben unter dem Begriff "rosten". Dieser Vorgang kostet die Weltwirtschaft jährlich Milliarden, denn beim Rosten verliert Eisen seine mechanische Stabilität und zerbröselt zu kleinen Rostteilchen.

Auch in der belebten Natur ist Eisen weit verbreitet, es spielt als Bestandteil des Hämoglobins unserer roten Blutkörperchen für die höheren Lebewesen eine ebenso entscheidende Rolle wie in dem Enzym Nitrogenase, die in einigen Pflanzen die Selbst-Düngung bewerkstelligt. Ohne Eisen wären Mensch und Pflanzen nicht lebensfähig.

Bei der Blutarmut (Anämie) werden Patienten mit Eisensalzgaben behandelt, um die Hämoglobinbildung zu unterstützen. Einige neuere diagnostische Verfahren, die meist noch in der Erprobungsphase sind, setzen (Nano-)Eisenoxid als Kontrastmittel für medizinische Bildgebungsverfahren ein [5]. Solche magnetischen Verfahren sollen - wann immer möglich - die Strahlenbelastung bei medizinischen Untersuchungen verringern. Auch versprechen speziell beschichtete Fe-Oxid-Nanopartikel Fortschritte in der Krebstherapie (Hyperthermie) [6].

Metallisches Nano-Eisen ist selbstentzündlich. Die Mischung von Nanoeisen mit Luft (als Staub) ist auch ohne Einwirkung einer Zündquelle entzündlich. Eisenoxid dagegen ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist die Mischung nicht entzündlich, also besteht beim Eisenoxid keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

Natürliches Vorkommen und Herstellung

Eisen ist eines der am häufigsten vorkommenden Metalle auf der Erde. Es wird in Form von Eisenoxiden als Eisenerz abgebaut, chemisch handelt es sich dabei um Fe2O3 bzw. Fe3O4, sehr selten um FeO. Im Jahr 2000 wurde etwa eine halbe Milliarde Tonnen Eisen aus Eisenerz hergestellt, mit steigender Tendenz. Das im Bergbau abgebaute Eisenerz muss zunächst aus seiner oxidischen Form in das elementare, also metallische Eisen überführt werden. Dafür gibt es riesige Hochöfen , in denen mit Hilfe von (meist) Kohle Eisenoxid chemisch zu Eisen reduziert wird [2]. Je nach Verwendungszweck wird das Eisen dann zu Bau- oder Werkzeugstahl veredelt, indem weitere Metalle zugefügt und der Kohlenstoffgehalt reduziert wird.


Literatur

  1. Wikipedia (DE): Eisen, Vorkommen (Stand letzter Zugang: Dez 2017).
  2. Wikipedia (DE): Hochofen (Stand letzter Zugang: Dez 2017).
  3. IBM Research - Simulation of an MR and GMR (www.research.ibm.com)
  4. Peter Grünberg Institut (PGI), Forschungszentrum Jülich
  5. Ärztezeitung.de (16.10.2009): Bessere Bildgebung mit Eisenpartikeln.
  6. Stern.de (23.11.2005). Hyperthemie - Dem Krebs einheizen.

Studien haben gezeigt, dass sog. superparamagnetische Eisenoxid-Nanopartikel sehr gut von Zellen toleriert werden und kaum negative Effekte hervorrufen. Da Eisenoxid-Partikel vor allem medizinisch angewendet werden (z.B. als Kontrastmittel, zur Tumortherapie), ist es wichtig, dass sie bei den verwendeten Dosierungen keine Toxizität hervorrufen.

 

Untersuchungen am lebenden Organismus - in vivo

SPION : Eisenoxid-Kern mit wasseranziehender Hülle. © Kunzmann et al., 2011.

SPION : Eisenoxid-Kern mit wasseranziehender Hülle. © Kunzmann et al., 2011.

Die momentan verwendeten SPION bestehen aus zwei Komponenten: einem Kern aus Eisenoxid und einer Hülle bestehend aus einem wasseranziehenden Polymer. Diese Beschichtung verhindert die Agglomeration der Nanopartikel, reduziert ihre Toxizität und kontrolliert ihr Verhalten und ihre Verteilung im Körper. SPION-Partikel mit einer Hülle aus Dextran wurden bereits intensiv untersucht und sind für den klinischen Gebrauch von der US Food and Drug Administration (FDA) zugelassen.

Intravenös gespritzte SPION werden vor allem von Makrophagen aufgenommen. In diesen Zellen wird die Polymerhülle abgebaut und dann über den Urin oder den Stuhl ausgeschieden. Das Eisen in den SPION wird in die körpereigenen Eisenspeicher eingebaut. Die geringe Toxizität von SPION erstaunt daher wenig wenn man bedenkt, dass für medizinische Anwendungen nur relativ geringe Eisen-Konzentrationen (50-200 mg/Person) verabreicht werden im Vergleich zu der relativ hohen Eisenkonzentration die bereits natürlich im Körper gespeichert wird (ca. 4000 mg/ erwachsene Person).

Mit einer speziellen Polymerhülle, z.B. Polyethylenglykol (PEG), versehene SPION werden weniger gut von Makrophagen aufgenommen. Diese Modifikation erhöht somit die Verweildauer von SPION im Körper und somit die Wahrscheinlichkeit das gewollte Ziel (z.B. den Tumor) zu erreichen.


Literatur

  1. Mueller, K et al. (2007), Biomaterials, 28(9): 1629-1642.
  2. Kunzmann, A et al. (2011), Biochemica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 1810(3): 361-373.

Untersuchungen außerhalb des Organismus - in vitro

Die Zugabe von Eisenoxid-Nanopartikeln zu Makrophagen hat keine größeren negativen Einflüsse auf diese Zellen. Einzig eine erhöhte Produktion von Entzündungsfaktoren wurde in einigen Studien beobachtet.

Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass die Toxizität von SPION durch die Wahl eines geeigneten Hüll-Polymers oft stark reduziert werden kann. Diese Hüll-Polymere können aus den verschiedensten chemischen Verbindungen bestehen und bedecken die Oberfläche der SPION. Somit bestimmt vor allem die chemische Zusammensetzung der Hülle die Toxizität der SPION.


Literatur

  1. Mueller, K et al. (2007), Biomaterials, 28(9): 1629-1642.
  2. Hsiao, JK et al. (2008), NMR Biomed, 21(8): 820-829.
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  7. Mahmoudi, M et al. (2009), J Colloid Interface Sci, 336(2): 510-518.

Eisen und Eisenoxide sind natürliche Bestandteile der Erdkruste. Eisenoxide werden aus Eisenerz gewonnen, und können dann zu Eisen umgewandelt werden. Sowohl Eisen als auch Eisenoxide kommen in zahlreichen Anwendungen l in nanoskaliger wie auch in größerer Form zum Einsatz. Daher gibt es viele Freisetzungsmöglichkeiten in die Umwelt.

Tonerfarben enthalten Eisen Nanopartikel, die unbeabsichtigt freigesetzt werden können © Diegofamu/ Fotolia.com

Tonerfarben enthalten Eisen Nanopartikel, die unbeabsichtigt freigesetzt werden können.

Eine Unterscheidung zwischen natürlichem Vorkommen und menschlichem Eintrag von Eisen und Eisenoxid Nanopartikeln in die Umwelt ist nur schwer möglich. Die Freisetzung der Nanomaterialien kann in Luft, Wasser und Boden erfolgen. Neben den Eisenoxiden aus der Erdkruste treten unlösliche Eisenoxide auch in natürlichen Gewässern auf, z.B. wenn sie durch Erzabbau-Tätigkeiten freigesetzt werden. So enthalten beispielsweise die Abwässer von Kohlebergwerken viele natürlich entstandenen Eisen Nanopartikel [1].

Eisen und Eisenoxid Nanopartikel werden in der Umwelttechnik zur Beseitigung von Grundwasserschadstoffen eingesetzt Bei Reinigung des Grundwassers verbleiben die Partikel nach der Zersetzung der schädlichen Chemikalien im Grundwasserleiter. Die Nanopartikel werden als wenig mobil eingeschätzt und man geht davon aus, dass sie am Ort des Einsatzes verbleiben (vgl. Querschnittstext – Nanomaterialien in der Umweltsanierung, noch nicht online) [2,3].

Weiterhin eignen sich Eisenoxid Nanopartikel (wie z.B. Magnetit) aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften als Trägermaterialien für katalytisch aktive Beschichtungen in der Abwasserbehandlung. Da hier die Eisenoxid Nanopartikel fest in die Beschichtung eingearbeitet sind oder nach der Behandlung magnetisch wieder vom Wasser getrennt werden können, ist eine Freisetzung in die Umwelt unwahrscheinlich [4].

Ungewollt können Eisen Nanopartikel z.B. über Dieselabgase in die Luft oder aus medizinischen Anwendungen über das Abwasser in die Umwelt gelangen. Die Freisetzung von Eisen und Eisenoxid Nanopartikeln aus Tonerstaub bzw. Druckertinte in die Luft erfolgt meistens in geschlossenen Gebäuden, aus denen jedoch ein Teil in die Umgebungsluft gelangen kann [5].

Aktuell ist es in der Umwelt nicht möglich, technisch hergestellte Eisen und Eisenoxid Nanopartikel vom natürlichen Hintergrund des Materials zu unterscheiden und eine entsprechende Konzentration zu messen. Daher wurden solche Umweltkonzentrationen mittels verschiedener Computermodelle unter Einbeziehung der verschiedenen Freisetzungsszenarien berechnet (vgl. Querschnittstext - Vorkommen von Nanomaterialien in der Umwelt abschätzen). Diese theoretisch bestimmten Werte der Eisen und Eisenoxid Nanopartikel für eine Umweltexposition liegen weit unter den Konzentrationen, die schädliche Effekte in Umweltorganismen auslösen können [6].

Synthetisch hergestellte Eisen und Eisenoxid Nanopartikel gelangen aus verschiedenen Anwendungen in die Umwelt. Dort sind sie schwer von den natürlich vorkommenden Partikeln des Materials zu unterscheiden. Basierend auf den Aussagen von Computermodellen besteht nach derzeitigem Wissensstand von Eisen und Eisenoxid Nanopartikeln nur ein geringes Risiko für die Umwelt


Literatur

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  6. Wang, Y et al. (2016), Nanotoxicology, 10(10):1743-5404.

Eisenoxid-Nanopartikel (sog. SPION) finden hauptsächlich in der Medizin Anwendung, wodurch die Bedeutung der Lunge, der Haut und des Magen-Darm-Traktes als Haupteintrittspforten für Nanopartikel in den Körper in den Hintergrund rückt.

Aufgrund ihrer superparamagnetischen Eigenschaften werden Eisenoxid-Nanopartikel hauptsächlich für die Anwendung als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie (MRT) eingesetzt. Mehrere Varianten Dextran-beschichteter SPION sind bereits für die klinische Anwendung als MRT-Kontrastmittel zugelassen.

Darüber hinaus eröffnen die superparamagnetischen Eigenschaften von SPION weitere Vorteile im Hinblick auf ihre gezielte Verteilung im Körper. Ein externes magnetisches Feld erlaubt es, SPION in der gewollten Zielregion (z.B. dem Tumor) zu fixieren wo sie, lokal begrenzt, beispielsweise ein an sie gebundenes Medikament abgeben können. Dadurch kann die Dosis des Wirkstoffs reduziert werden und somit ein systemischer Effekt (Nebenwirkungen im restlichen Organismus) auf ein Minimum reduziert werden [2,3,4,5,6]. Des Weiteren können SPION durch ein oszillierendes Magnetfeld erhitzt werden. Diese Methode findet bereits in der Krebstherapie Anwendung. Im Tumor platzierte SPION töten durch die räumlich begrenzte Hitzeentwicklung gezielt Tumorzellen ab, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen [1,7,8].


Literatur

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  2. Torchilin, VP (2000), Eur J Pharm Sci, 11 Suppl 2(0): S81-91.
  3. Luebbe, AS et al. (1996), Cancer Res, 56(20): 4686-4693.
  4. Luebbe, AS et al. (2001), J Surg Res, 95(2): 200-206.
  5. Stroem, V et al. (2004), Nanotechnology, 15(5): 457-466.
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  7. Jordan, A et al. (1997) in U. Haefeli, et al. (Eds.), Scientific and Clinical applications of Magnetic Carriers, Plenum Press, New York, 1997, p. 569-595.
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  11. Reimer, P et al. (2003), Eur Radiol, 13(6): 1266-1276.

Als lebensnotwendigse Spurenelement sorgt Eisen dafür, dass  Tiere und Pflanzen gut wachsen und gesund bleiben. Zu große Mengen an Eisen können jedoch  schädliche Wirkungen auf Organismen haben. Eisen reagiert leicht mit Sauerstoff ("rosten”) und bildet dabei Eisenoxide. Eisen wie auch Eisenoxid Nanopartikel können aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften verschieden auf Umweltorganismen wirken.

 

Pantoffeltierchen IconIn geringen Konzentrationen haben Eisen und Eisenoxid Nanopartikel keine negativen Effekte auf Bakterien und fördern sogar das Wachstum. Hohe Konzentrationen verursachen negative Effekte und hemmen das Wachstum. Ein Grund für die Toxizität von Eisen und Eisenoxid Nanopartikeln ist die Entstehung von ROS [1-5].

 

Wasserfloh IconEisenoxid Nanopartikel sammeln sich auf Körperoberfläche und im Darm von Wasserflöhen und Salzkrebsen an. Für schädliche Effekte in hohen Konzentrationen werden die aus den Nanopartikeln freigesetzten Ionen und oxidativer Stress verantwortlich gemacht [6-7].

 

Wurm IconEine hohe Konzentration an Eisen Nanopartikeln führt auch in Faden- und Kompostwürmern zu oxidativen Stress und Wachstumsstörungen. Dies zeigt sich durch Wachstums- und Atmungshemmungen sowie Verletzungen der Haut [8,9].

 

Muschel IconFür die Miesmuschel spielt es keine Rolle, ob Eisen Nanopartikel oder Eisensalze im Wasser enthalten sind. Die Kiemenzellen der Miesmuschel nehmen Eisenoxid Nanopartikel auf, die Atmung der Muscheln ist jedoch dadurch nicht beeinträchtigt [10].

 

Fisch IconIn verschiedene Fischarten lösen Eisen und Eisenoxid Nanopartikel in hohen Konzentrationen ebenfalls oxidativen Stress aus und verursachen stärkere Effekte im Vergleich zu Eisensalzen, wie z.B. eine erhöhte Sterblichkeit bei Zebrabärblingen. Auf Kiemenzellen von Regenbogenforelle und Tilapia haben Eisenoxid Nanopartikel keinen Effekt [11-15].

 

Käfer IconBei Larven der Fruchtfliege lösen umweltrelevante, also relativ geringe Konzentrationen von Eisenoxid Nanopartikeln, keine schädlichen Effekte aus [16].

 

Alge IconEisenoxid Nanopartikel lagern sich an die Oberfläche von Grünalgen an. Die damit verbundene Abschattung des Lichtes führte zu einem verringerten Wachstum der Algen, da diese auf das Sonnenlicht angewiesen sind [17-18].

 

Blume IconEisen und Eisenoxid Nanopartikel werden für die Sanierung von verschmutzen Böden und Grundwasser eingesetzt und können daher von Pflanzen aufgenommen werden. Viele Pflanzen nehmen die Nanopartikel über die Wurzeln aus dem Wasser auf, jedoch nicht aus dem Boden. Die aufgenommenen Eisen und Eisenoxid Nanopartikel können in vielen Teilen der Pflanzen (Wurzeln, Sprosse, Blätter) nachgewiesen werden. Konzentrationsabhängig können diese Nanopartikel das Pflanzenwachstum beeinflussen: niedrige Konzentrationen fördern als Dünger das Wachstum, während hohe Konzentrationen an Nanopartikeln das Wachstum hemmen.

Auch in Pflanzen wird die schädliche Wirkung in hohen Konzentrationen durch die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies begründet [19-29].

 

Zusammengefasst lösen Eisen Nanopartikel aufgrund ihrer höheren Reaktivität stärkere Effekte in Umweltorganismen und Pflanzen aus als Eisenoxide. Dabei sind die Konzentrationen, welche Effekte bei den Umweltorganismen auslösen, jedoch hoch und nicht zu vergleichen mit den tatsächlich zu erwartenden Umweltkonzentrationen. Daher wird das Risiko für Umweltorganismen durch Eisen und Eisenoxid Nanopartikel als gering eingeschätzt.

 

Literatur

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  29. Wang, J et al. (2016), Environ Pollut, 210:338-345.
  30. Weitere evaluierte Veröffentlichungen zu diesem Nanomaterial finden Sie hier (PDF; 71 KB)

Eine direkte Verabreichung in den Körper (z.B. durch intravenöse Injektion in die Blutbahn) führt zu einer raschen und gewollten Verteilung der Partikel im ganzen Körper.

Intravenöse Zugabe

Makrophage gefüllt mit Eisenoxid-Nanopartikeln (rot)© KIT

Makrophage gefüllt mit Eisenoxid-Nanopartikeln (rot) © KIT

Intravenös gespritzte SPION werden vor allem von Makrophagen aufgenommen. In diesen Zellen wird die Polymerhülle abgebaut und dann über den Urin oder den Stuhl ausgeschieden. Das Eisen in den SPION wird in die körpereigenen Eisenspeicher eingebaut. Die geringe Toxizität von SPION erstaunt daher wenig wenn man bedenkt, dass für medizinische Anwendungen nur relativ geringe Eisen-Konzentrationen (50-200mg/Person) verabreicht werden im Vergleich zu der relativ hohen Eisenkonzentration die bereits natürlich im Körper gespeichert wird (ca. 4000mg/ erwachsene Person).

Mit einer speziellen Polymerhülle (Polyethylenglykol, PEG) versehene SPION werden weniger gut von Makrophagen aufgenommen. Diese Modifikation erhöht somit die Verweildauer von SPION im Körper und somit die Wahrscheinlichkeit das gewollte Ziel (z.B. den Tumor) zu erreichen. Eine zusätzliche Beschichtung mit bestimmten Proteinen dirigiert die Partikel zu unterschiedlichen Organen oder Zellen (z.B. können mit Folat beschichtete SPION zur Markierung von Krebszellen verwendet werden).

Darüber hinaus eröffnen die superparamagnetischen Eigenschaften von SPION weitere Vorteile im Hinblick auf ihre gezielte Verteilung im Körper. Ein externes magnetisches Feld erlaubt es, SPION in der gewollten Zielregion (z.B. dem Tumor) zu fixieren wo sie, lokal begrenzt, beispielsweise ein an sie gebundenes Medikament abgeben können. Dadurch kann die Dosis des Wirkstoffs herab gesetzt werden und somit ein systemischer Effekt (Nebenwirkungen im restlichen Organismus) auf ein Minimum reduziert werden [2,3,4,5,6]. Des Weiteren können SPION durch ein oszillierendes Magnetfeld erhitzt werden. Diese Methode findet bereits in der Krebstherapie Anwendung. Im Tumor platzierte SPION töten durch die räumlich begrenzte Hitzeentwicklung gezielt Tumorzellen ab, ohne das umliegende Gewebe zu schädigen [1,7,8].


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  4. Luebbe, AS et al. (2001), J Surg Res, 95(2): 200-206.
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  7. Jordan, A et al. (1997) in U. Haefeli, et al. (1997), Scientific and Clinical applications of Magnetic Carriers, Springer Verlag, p. 569, ISBN
    9780306456879.
  8. Jordan, A et al. (1999), J Magn Magn Mater, 201(1–3): 413-419.
  9. Mueller, K et al. (2007), Biomaterials, 28(9): 1629-1642.

 

Verhalten an der Blut-Hirn-Schranke

Im Rattenmodell wurden superparamagnetische Partikel mit einer speziellen Hülle, der sogenannten "solid-lipid-nanoparticle" (SLN), in die Blutbahn injiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die so modifizierten SPION die Blut-Hirn-Schranke durchdringen, sich im Gehirn ansammeln und dort über einen ausreichend langen Zeitraum verbleiben, um MRT-Daten des Gehirns aufzeichnen zu können [1]. Bei der Tumortherapie wird diese Barriere umgangen, indem die Eisenoxid-Partikellösung direkt in das Tumorgewebe des Gehirns eingespritzt wird.


Literatur

  1. Peira, E et al. (2003), J Drug Target, 11(1): 19-24.

Aufnahmeverhalten in Zellen

Nach intravenöser Gabe von SPION-Partikeln werden diese hauptsächlich von speziellen Makrophagen, dem sogenannten mononukleären Phagozytosesystem in der Leber aufgenommen. In den Fresszellen werden größere SPION-Partikel (ca. 100nm) durch Rezeptor-vermittelte Endozytose aufgenommen, während kleine SPION-Partikel (< 20nm) durch Pinozytose in die Zellen gelangen. Ausserdem wurde gezeigt, dass Plasmaproteine im Blut an SPION-Partikel binden und dadurch ihre Aufnahme in Zellen beeinflussen können. Es ist daher wichtig zu identifizieren, welche Proteine sich an die Nanopartikel anlagern um den Aufnahmemechanismus in der Zelle und die Verteilung der Partikel im Körper besser zu verstehen.


Literatur

  1. Schulze, E et al. (1995), Invest Radiol, 30(10): 604-610.
  2. Raynal, I et al. (2004), Invest Radiol, 39(1): 56-63.
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  5. Ehrenberg, MS et al. (2009), Biomaterials, 30(4): 603-610.

Eisen Nanopartikel rosten (chem. oxidieren) in der Umwelt sehr schnell und wandeln sich dadurch in Eisenoxid Nanopartikel um. Dieser Vorgang des Rostens kann durch eine Beschichtung der Nanopartikel verhindert werden. Unbeschichtete, synthetisch hergestellte Eisen Nanopartikel verhalten sich ähnlich wie natürlich vorkommende Eisen Nanopartikel.

Rostiger Auspuff © UFZ

Rostiger Auspuff © UFZ

Generell hängt die Mobilität der Nanopartikel in Boden oder Wasser davon ab, ob sie vereinzelt vorliegen, Agglomerate bilden oder mit anderen vorhandenen Stoffen Verbindungen eingehen.

Im Boden wird der Transport von Eisen und Eisenoxid Nanopartikel entscheidend von der Größe der Partikel bestimmt. Vereinzelt vorliegende Nanopartikel werden im Boden nicht weit transportiert. Untersuchungen von Boden- und Wasser-Sanierungen mit Eisen Nanopartikeln haben gezeigt, dass sich die eingebrachten Nanopartikel weniger als einen Meter von der Injektionsstelle wegbewegen (vgl. Querschnittstext – Nanomaterialien in der Umweltsanierung, noch nicht online) [1].

Für das Verhalten der Nanopartikel in wässriger Umgebung ist die Zusammensetzung des Wassers entscheidend. Der pH-Wert, Salzgehalt und der Gehalt an organischem Material im Wasser beeinflussen die Agglomeration und Sedimentation der Eisen und Eisenoxid Nanopartikel. Ist viel organisches Material im Wasser vorhanden, kann dies eine Agglomeration der Nanopartikel verhindern. Hat das Wasser jedoch einen hohen Kalzium-Gehalt, begünstigt dies eine Agglomeration und damit ein Absinken der Eisen und Eisenoxid Nanopartikel im Wasser [2-5,12,13].

Für den Einsatz in der Grundwasserreinigung werden Eisen Nanopartikel mit verschiedenen Beschichtungen versehen, um eine Agglomeration zu verhindern und die Nanopartikel damit reaktiver und transportfähiger zu halten [1,11,12].

Von natürlich vorkommenden Eisenoxid Nanopartikeln ist bekannt, dass sie schädliche Stoffe, wie z.B. Kupferkomplexe binden und abtransportieren können. Bei technisch hergestellten Eisenoxid Nanopartikeln macht man sich diesen Effekt ebenfalls zu Nutze. In belasteten Gewässern binden die Eisenoxid Nanopartikel z.B. vorhandenes Arsen oder Quecksilber, senken dadurch den Schwermetallgehalt im Wasser und verringern somit die Gefährdung für Umweltorganismen.

Andere im Wasser enthaltene Schadstoffe wie aromatische Kohlenwasserstoffe (z.B. Phenanthren und Naphthalin) werden ebenfalls durch technisch hergestellte Eisen und Eisenoxid Nanopartikel gebunden und dadurch aus dem Wasser entfernt. Darüber hinaus beschleunigen Eisen und Eisenoxid Nanopartikel den Abbau von Schadstoffen wie Benzo(a)pyren in Boden und Wasser, ein Effekt der in der Sanierung genutzt wird [6-8, 14-17].

Die Oberfläche von Eisen Nanopartikeln oxidiert innerhalb kürzester Zeit und führt zu einer Umwandlung in Eisenoxid Nanopartikel. Technisch hergestellte Eisen und Eisenoxid Nanopartikel verhalten sich weitestgehend wie natürlich vorkommende nano- und mikroskalige Eisen- und Eisenoxidpartikel. Ihr Verhalten ist von den Eigenschaften des umgebenden Milieus wie pH oder Salzgehalt abhängig und kann durch Bindung von organischen Substanzen beeinflusst werden. Eisenoxid Nanopartikel können zudem Schadstoffe binden und abbauen.


Literatur

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Weitere Materialien


Diamant
Wolframcarbid-Cobalt
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Titandioxid
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