Gold

Gold-Nanopartikel werden bereits seit mehreren Jahrhunderten genutzt: Werden Golddämpfe in Glas eingebracht, tauchen die Nanopartikel das Material in einen prächtigen roten Farbton, der niemals ausbleicht. Solches Glas wurde beispielsweise für Schmuck und farbige Kirchenfenster verarbeitet. Heutzutage finden Gold-Nanopartikel eine vielfältige Verwendung: in Schwangerschafts-Teststreifen, für die Tumor-Diagnose und –Therapie (z.B. Brustkrebs) oder als Bindungspartner für Quecksilberverunreinigungen in der Atmosphäre. Nanometerkleine Goldpartikel spielen auch vermehrt eine Rolle in der Elektronik, z.B. als Verbindung zwischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Touch-Screens.

Wie könnte ich damit in Kontakt kommen?

Goldbarren © Piotr Pawinski / fotolia.com

Bereits seit Jahrhunderten kommen Menschen täglich mit Gold in Kontakt, indem sie es als Schmuck am Körper tragen – oder als Zahngold im Mund. Der Abrieb solcher Goldoberflächen kann aus Nanopartikeln bestehen. In verschiedenen Kulturen werden Goldstaub oder Goldplättchen zur Dekoration von Nahrung verwendet (z.B. Danziger Goldwasser), und in einigen asiatischen Ländern wird essbares Gold in Fruchtgummi oder in Kaffee verwendet und in Europa sind aktuell Textilien mit einer Nanoschicht Gold auf den Fäden im Fashionbereich zu bekommen.

Wie gefährlich ist das Material für Mensch und Umwelt?

Generell zeigt Gold eine hohe Bioverträglichkeit und nur eine geringe Toxizität. Wenn man die jahrhundertelange Verwendung als Goldschmuck zugrunde legt, so wird die gute Verträglichkeit zumindest für die Haut deutlich. Nanopartikel aus Gold, die verschluckt werden, scheidet der Körper nahezu vollständig wieder aus. In den wenigen Fällen einer negativen gesundheitlichen Reaktion auf Gold konnte diese auf ein bestimmtes Hüllmaterial zurückgeführt werden (CTAB: Cetyltrimethylammoniumbromid). Die Größe spielt bei möglichen Wirkungen von Goldpartikeln eine wichtige Rolle, da Nanopartikel unterhalb von 5 nm durchaus auch negative Auswirkungen auf die Gesundheit haben können. Es konnte inzwischen auch gezeigt werden, dass beschichtete Gold-Nanopartikel die Plazentaschranke nicht durchdringen können.

Fazit

Die lange Geschichte der Menschheit ist eng mit Edelmetallen wie Gold verbunden. Daher hatten wir schon immer Umgang mit diesen Metallen und werden ihn auch in Zukunft haben. Generell können auch Gold-Nanopartikel als biologisch wenig kritisch betrachtet werden.

Eigenschaften und Anwendungen

Gold verbinden viele Menschen in unserer heutigen Zeit mit Wohlstand, teurem Schmuck und solider Geldanlage. Doch der Einsatz immer kleinerer Partikel dieses Edelmetalls, bis hin zur Nanoskaligkeit, ermöglicht es nun, dass Gold-Nanopartikel zur Lösung einiger kritischer globaler Probleme der heutigen Zeit und nahen Zukunft beitragen könnten. Denn diese winzigen Gold-Partikel besitzen eine Vielzahl an einzigartigen Eigenschaften, die zu Materialen führen, die ein weites Spektrum an Möglichkeiten abdecken, wenn sie ideal ausgenutzt werden. Dabei sind sie noch sehr kosteneffizient, ganz anders als man es vom teueren Edelmetall denken mag, das an der Börse fortwährend neue Kurshöhen erreicht.

Kirchenfenster @ Howgill / fotolia com

Kirchenfenster @ Howgill / fotolia com

Dabei finden Gold-Nanopartikel bereits seit Jahrhunderten, wenn auch unbewusst, Anwendung. Römische Kunsthandwerker nutzten den Effekt aus, der entstand, wenn sie Goldchlorid in geschmolzenes Glas einmischten: Es entstanden feinste Goldpartikel, die die Gläser purpur-rot einfärbten. Heute weiß man, dass diese Partikel nanoskalig sind. In zahlreichen Kathedralen in ganz Europa sind derartig eingefärbte Glasfenster zu finden.

Die früheste medizinische Anwendung von Gold geht bis zum Jahr 2500 v. Chr. zurück. Damals benutzten die Chinesen dieses Edelmetall, um eine heilende Wirkung zu erzielen. Das volle Potenzial im Bereich der biomedizinischen Anwendungen offenbarte jedoch erst die Nanotechnologie. Tumor-targeting Techniken, die die vorhandene Biokompatibilität des Goldes ausnutzen, werden derzeit ebenso entwickelt, wie andere einfach durchzuführende, kosteneffiziente und sichere Diagnostiktests zur schnellen Entdeckung von Prostatakrebs oder anderen Tumorkrankheiten.

Derzeit befinden sich Medikamente für eine gezielte Tumorbekämpfung mit nanoskaligem Gold in den Phasen 1 und 2 der klinischen Tests; sie zeigten bislang vielversprechende Ergebnisse. Auf Seiten der Diagnostika überzeugt das Edelmetall gleichfalls durch seine sichere und empfindliche Aussagekraft bei gleichzeitig minimalem Materialeinsatz. So sind Gold-Nanopartikeln aus Schnelltests, wie bspw. Schwangerschaftstests oder Tests auf Bakterien wie z.B. Salmonellen, E.coli und Campylobacter, nicht mehr weg zu denken. Ebenso ist es bereits möglich, mittels funktionalisierter, kolloidaler Gold-Nanopartikel HIV-Erkrankungen und deren Fortschritt im Körper durch geeignete Schnellerkennungstest zu messen. Ebenso scheint eine Kommerzialisierung der Prostatakrebsfrüherkennung durch ein auf Gold-Nanopartikeln basierendem Schnelltestverfahren in naher Zukunft möglich.

Jedoch sind die Anwendungen von Nano-Gold nicht nur auf den medizinischen Bereich begrenzt. Das Edelmetall kann in seiner nanopartikulären Form auch dazu beitragen, einige der heutigen chemischen Zwischenprodukte, die wir zur Produktion für unsere alltäglichen Bedarfsgegenstände und Nahrungsmittel benötigen, wesentlich effizienter und „grüner“ herzustellen. Ebenso lassen sich die winzigen Goldpartikel zur Luft- und Wasserreinigung einsetzen, z.B. durch die effiziente Bindung von Quecksilberimmissionen in die Atmosphäre. Unter anderem wird versucht, mit (Nano-)Gold kostengünstige und effiziente Brennstoffzellen herzustellen, eine der wichtigsten clean-energy Technologien der nahen Zukunft.

Eine der größten und weiterhin stetig wachsenden Industrien, die der Informations- und Kommunikationstechnologien, kann ebenfalls kaum auf die Anwendung von Gold verzichten. Gold dient hier zur Entwicklung von leitfähigen Nanopartikeltinten, die z.B. auf Kunststoffe für Elektronikanwendungen gedruckt werden, da es eine hohe Haltbarkeit und hervorragende Beständigkeit aufweist. Des Weiteren zeigten erste Untersuchungen an touch-sensitiven Displays mit Gold-Nanopartikeln verbesserte Werte, ebenso wie diese Partikel zu einer weiteren Verbesserung von Flash-Speichern (z.B. USB-Sticks oder SSD-Festplatten) führen können. Insbesondere die sich immer größerer Beliebtheit erfreuenden Touch-Displays, könnten durch die Kombination von nanoskaligem Gold und Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in einer transparenten Schicht, die die derzeit übliche Beschichtung aus Indium-Zinnoxid (ITO) ersetzen würde, einen Quantensprung erzielen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten befinden sich im Bereich der Solarzellen.

Zurückzuführen sind die zahlreichen Anwendungen vor allem auf die einzigartigen Eigenschaften des nanoskaligen Goldes. Es besitzt eine sehr hohe Biokompatibilität und ist somit toxikologisch unbedenklich, was es interessant für biomedizinische Anwendungen macht. Durch einen Oberflächenplasmonenresonanz genannten Effekt verändert sich die Farbe der Partikel, wenn Hormone/Antigene etc. angeheftet werden. Einfacher gesagt: Trifft ein passend modifiziertes Gold-Nanopartikel auf ein nur während der Schwangerschaft gebildetes und in einer Urin- oder Blutprobe vorhandenes Hormon, so verändert es seine Farbe; damit kann die Schwangerschaft nachgewiesen werden. Entsprechend lässt sich dies auch für die anderen, weiter oben erwähnten Tests leicht durchführen.

Gold ist als nanometergroßes Pulver nicht selbstentzündlich. Auch als fein verteilte Mischung mit Luft (Staub) unter Einwirkung einer Zündquelle ist Gold nicht entzündlich, also besteht keine Möglichkeit einer Staubexplosion.

 

Natürliches Vorkommen und Herstellung

© kei u / fotolia.com

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Gold kommt auf der Erde in primären Rohstoffvorkommen als goldhaltiges Gestein (Golderz) und in sekundären Vorkommen als gediegenes Metall vor. Die Weltjahresförderung beträgt heute rund 2600 Tonnen, etwa hundertmal mehr als im 19. Jahrhundert. Bedeutende Goldmengen fallen bei der Raffination anderer Metalle wie Kupfer, Nickel oder der anderen Edelmetalle an, so dass unter Umständen erst diese „Verunreinigungen“ die Ausbeutung einer Lagerstätte wirtschaftlich machen.

Große Teile von Gold-Nanopartikeln werden heute über die Reduktion von Goldchloridlösung (sog. Tetrachloroaureat) gewonnen. Dieser Prozess nutzt als Reduktionsmittel unterschiedlichste Stoffe, wie bspw. Zitronensäure, Oxalsäure, Borhydride oder andere. Alternativ ist es jedoch auch möglich, mittels Laserbestrahlung oder UV-Licht-Bestrahlung derartige Nanopartikel zu erzeugen. Neben dem Reduktionsmittel wird während des Prozesses ein Stabilisator zugesetzt. Dieser sowie die Wahl der Prozessparameter beeinflussen maßgeblich die Größe, Form und Morphologie der Nanopartikel.


Literatur

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Gold Nanopartikel werden von Zellen aufgenommen. Dabei wurden sie sowohl als toxisch als auch untoxisch beschrieben. Dieser Unterschied ist klar abhängig von der Größe, Oberflächenladung und der Partikelbeschichtung.

 

Untersuchungen am lebenden Organismus

Studien mit Ratten, Mäusen, Schweinen und Fischen zeigten Unterschiede in den toxischen Effekten verschiedener Goldpartikel. Allerdings verteilten sie sich alle recht ähnlich im Organismus und reicherten sich meist in der Leber und der Milz an, in speziellen Fällen konnten auch Partikel in der Lunge, der Niere, den Hoden und dem Herz nachgewiesen werden [1]. Die Gold Nanopartikel waren in Zebrafischen nicht giftig [2].

Wie auch für die Versuche mit isolierten Zellen, so war die Verteilung im gesamten Organismus ebenfalls stark davon abhängig, wie groß die Nanopartikel waren [3-6]. Nur die sehr kleinen Gold Partikel (<10 nm) konnten z.B. nach Injektion ins Blut auch im Gehirn der Tiere gefunden werden. 50, 100 und 250 nm Gold Partikel konnten nicht im Gehirn nachgewiesen werden [3]. Dieses Ergebnis ist auch bereits von einer anderen Forschergruppe bestätigt worden [4,6], die klar zeigen konnte, dass nach Injektion, aber auch nach oraler Verabreichung nur die sehr kleinen Partikel im Organismus, das Gehirn oder andere weiche Organe wie die Lunge oder das Herz erreicht haben. Natürlich sind nach Injektion alle Partikel im Körper und können sich dort verteilen bzw. in bestimmten Organen wie der Leber anreichern. Für größere Partikel (>10 nm) mehr als 99 % der Dosis wurden in der Leber gefunden, während von den kleineren (<5 nm) ungefähr 1 % in den weichen Organen Gehirn, Herz und Uterus nachgewiesen wurden [4].


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Untersuchung außerhalb des Organismus

In verschiedenen Studien konnte gezeigt werden, dass Goldpartikel giftig sind, wenn diese kleiner als 5 nm im Durchmesser sind [1,2] und sie sind nicht giftig bei einer Größe von mehr als 10 nm [2-4]. Diese leicht widersprüchlichen Ergebnisse zur Giftigkeit der Gold Nanopartikel spiegeln im Wesentlichen die Unterschiede in den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Partikel, aber auch die Unterschiede in den Zellsystemen und den Untersuchungsmethoden wider. In einer sehr aktuellen Übersicht wurden die Arbeiten zu Gold Nanopartikeln jüngst zusammengefasst und veröffentlicht [1]. Neben der Tatsache, dass die sehr kleinen Partikel eine erhöhte Toxizität zeigen, sind die negativ geladenen auch etwas wirksamer als die positiv geladenen (<3 nm). Die Goldpartikel werden über Vesikel in die Zellen aufgenommen, aber sie bleiben in diesen Vesikeln stecken und gelangen nicht in andere Organellen wie z.B. den Kern [1].

Gold Nanopartikel bilden nur stabile Suspension in physiologischen Medien, wenn sie beschichtet werden [5]. Daher muss auch der Einfluss dieser Beschichtungen auf einen möglichen Effekt in biologischen Systemen untersucht werden. In einer Studie zu diesem Thema wurden Nanostäbchen aus Gold eingesetzt, die prinzipiell keine Toxizität aufwiesen, egal wie lang die Stäbchen waren [3]. Wenn eine Giftigkeit nachgewiesen werden konnte, so konnte diese eindeutig auf freies Beschichtungsmaterial, eine chemische Verbindung mit dem Namen Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) zurückgeführt werden. In der gleichen Studie wurde gezeigt, dass verschiedene Proteine des Zellmediums an die Goldpartikel gebunden haben, wodurch diese etwas grösser wurden und sich auch ihre Oberflächeneigenschaften änderten. So richtete sich die Ladung der Oberfläche ganz nach dem dort gebundenen Serumalbumin. Die Ergebnisse offenbarten, dass jede Form der Gold Nanostäbchen, egal welche Anfangsladung diese auf der Oberfläche hatten, nach dem Suspendieren die Ladung der dort gebundenen Proteine trugen und so auch in die Zellen aufgenommen wurden [3]. Dieser Effekt wurde auch bei anderen NPs z.B. Metalloxiden oder Kohlenstoff-basierten Nanopartikeln, wie z.B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen, beobachtet [6,7].

In einem realitätsnahen in vitro Modell, ein dreifach-Zellkultursystem an der sogenannten “Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht”, wurden ebenfalls keine negativen Effekte auf die Überlebensfähigkeit der Zellen gefunden, auch wenn diese in einer entzündlichen Umgebung gehalten wurden [4]. Nicht-funktionalisierte Goldpartikel der Größe 13–20 nm im Durchmesser zeigten keine akuten toxischen Nebenwirkungen.

Gold Nanopartikel verschiedener Größen wurden durch die behandelten Zellen immer gut aufgenommen, allerdings größenabhängig durch unterschiedliche Mechanismen. Allerdings geschah die Aufnahme immer über vesikuläre Prozesse [8]. Die behandelten Zellen erholten sich nachdem die Goldpartikel nach einer Behandlung wieder entfernt worden waren.


Literatur

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Zu technisch hergestellten Gold-Nanopartikeln sind keine Daten über eine Exposition der Umwelt vorhanden.

Es ist jedoch bekannt, dass nanoskaliges Gold auch auf natürlichem Weg durch die Aktivität von Mikroorganismen entstehen kann. Sein Vorkommen ist auf Orte und Gewässer beschränkt, an denen sich Gold und Goldverbindungen in Gestein oder Erde befinden [1].


Literatur

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Zur Aufnahme über die Lunge oder die Haut sind kaum valide Studien bekannt. Wird Gold mit Futter aufgenommen, wird 99,5 % ausgeschieden.

 

Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt

Nach oraler Aufnahme wurden mehr als 99,5 % der verabreichten Dosis im Kot wiedergefunden, wurden also gar nicht in den Körper aufgenommen. Dies traf für alle untersuchten Größen zwischen 1,4 nm und 200 nm zu [1]. Weniger als 0.5% gelangten bis in den Blutstrom. Die kleinsten Partikel (1,4 nm und 1,8 nm) verteilten sich noch am besten im Körper, die negative geladenen gelangten besser in den Körper als die positiv geladenen.


Literatur

  1. Schleh, C et al. (2012), Nanotoxicology, 6(1): 36-46.

Gold-Nanopartikel wurden in einer Reihe von Zell-Linien und Organismen hinsichtlich ihrer Aufnahme und Toxizität untersucht. Übereinstimmend zeigt sich, dass diese Partikel in Zellen und Organismen aufgenommen werden können, jedoch nicht oder nur wenig toxisch sind.

WKäfer Icon (c) DaNa Teamasserflöhe nehmen ihre Nahrung durch Filtrieren von Wasser auf. Enthält diese Wasser Gold-Nanopartikel, so sind diese bereits nach kurzer Zeit im Darm der Tiere nachweisbar. Jedoch werden sie nicht aus dem Darm in die umliegenden Gewebe aufgenommen. Werden die Flöhe anschließend in Partikel-freiem Wasser gehalten, so werden die Partikel durch den Darm transportiert und wieder ausgeschieden [1]. Nur sehr hohe Konzentrationen lösten eine Sterblichkeit in Wasserflöhen aus, die Fortpflanzung und Embryoentwicklung wurde durch nanoskaliges Gold nicht beeinflusst [2]. Allerdings wurde beobachtet, dass die Partikel am Panzer der Tiere anhafteten und sowohl das Schwimmverhalten, als auch die Häutungsrate beeinflussen.

FIsch Icon (c) DaNa TeamGold-Nanopartikel (3, 10, 50 und 100 nm) wurden nachweislich in Embryonen des Zebrafisches aufgenommen, führen jedoch weder zu Fehlbildungen noch zu erhöhter Sterblichkeit [3]. Gold-Nanopartikel mit einer Größe von ca. 12 nm können durch Poren, die auch für den Transport anderer Stoffe genutzt werden, in das Innere von Zebrafischembryonen gelangen [4]. Der Partikeltransport erfolgt dabei passiv und konzentrationsabhängig, d.h. je mehr Partikel sich in der Umgebung des Embryos befinden, umso höher ist die Konzentration im Embryo. Die Aufnahme geht einher mit einer geringen Erhöhung der Sterblichkeit im Vergleich zur Kontrolle, sowie einer ebenfalls sehr gering erhöhten Zahl von Fehlbildungen der sich entwickelnden Fische.

In Gold-Nanopartikel-exponierten Leberzellen der Regenbogenforelle wurde die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies beobachtet. Diese hatten allerdings keinen Einfluss auf die Vitalität der Zellen. Gold-Nanopartikeln und Gold-Ionen in gleichen Konzentrationen zeigten jedoch gleiche Wirkungen auf die Zellen. Dies zeigt, dass vermutlich nicht die nanopartikuläre Form, sondern das Element Gold die Effekte hervorruft. Eine gleichzeitige Exposition mit gelösten organischen Materialien, wie sie in normalen Oberflächengewässern vorkommen, veränderte die Wirkung der Nanopartikel nicht [5].

Muschel Icon (c) DaNa TeamMiesmuscheln reicherten Gold-Nanopartikel fast ausschließlich in ihren Verdauungsdrüsen an. Außerdem lösten die Partikel oxidativen Stress in den Drüsen, nicht jedoch in den Kiemen und dem Mantelgewebe, aus [6]. Diese Ergebnisse wurden für zwei verschiedene Partikelgrößen bestätigt (~5 und ~13 nm) [7]. Für eine weitere Muschelart, die Körbchenmuschel, wurden ähnliche Befunde beschrieben [8].

 

Algen Icon (c) DaNa TeamIn einer Studie mit Bakterien, Gurken- und Salatpflanzen zeigten 10 nm große Gold-Nanopartikel keine toxischen Effekte [9]. Für das verwendete Lösungsmittel waren wesentlich stärkere Effekte zu beobachten als für die Nanopartikel allein. Gold-Nanopartikel konnten das Wachstum von Salatpflanzen auch positiv beeinflussen, nach 15-tägiger Exposition war eine Erhöhung des Sprosswachstums zu beobachten [10]. Amin-beschichtete Goldnanopartikel hafteten an der Oberfläche von Algen-Zellen an, in der Folge war eine konzentrationsabhängige Wachstumsreduzierung um 20–50 % zu beobachten. In die Algenzellen wurde jedoch keine Partikel aufgenommen [8].

Mit nanoskaligem Gold behandelte Leuchtbakterien nahmen die Partikel auf und zeigten eine Abnahme ihrer Leuchtkraft [11]. Die Änderung dieses Parameters wird mit einer Verlangsamung des Zellstoffwechsels, nicht jedoch mit einer erhöhten Sterblichkeit begründet. Keinerlei Einfluss auf das bakterielle Wachstumsverhalten wurde für mit Polyethylenglykol (PEG) beschichtete Goldnanopartikel (30 nm) beobachtet [12]. Die Anzahl von Mikroorganismen im Boden wurde durch Goldnanopartikel verringert, allerdings nur in sehr geringem Ausmaß [10].

Zusammenfassend waren durch nanoskaliges Gold trotz einer Aufnahme in die Zellen oder den Darm vieler Organismen nur geringe toxische Effekte zu beobachten. Im Vergleich der untersuchten Organismen reagierten Algen am sensitivsten auf eine Exposition mit Goldnanopartikeln.

Literatur

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Nur die sehr kleinen Gold Nanopartikel können Gewebebarrieren überqueren.

 

Verhalten im Körper

Nach Injektion von Gold Nanopartikeln verschiedener Größen konnte in Ratten beobachtet werden, dass nur die kleinsten Teilchen (<5 nm) auch ins Gehirn oder andere weiche Gewebe transportiert wurden [1]. Ein ähnliches Ergebnis ergaben Versuche mit oberflächenmodifizierten (PEGyliert) Goldpartikeln zwischen 10 - 30 nm. Diese konnten die menschliche Plazenta innerhalb des Beobachtungszeitraumes von 6 h nicht durchqueren [2].


Literatur

  1. Hirn, S et al. (2011), Eur J Pharm Biopharm, 77(3): 407-416.
  2. Myllynen, PK et al. (2008), Reprod Toxicol, 26(2): 130-137.

 

Aufnahmeverhalten in Zellen

Experimente mit Stoffen, die verschiedene Aufnahmewege in die Zelle verhindern, haben gezeigt, dass Gold Nanopartikel über durchaus unterschiedliche Mechanismen in die Zellen gelangen, je nachdem, wie groß die Partikel sind [1].


Literatur>

  1. Mironava, T et al. (2010), Nanotoxicology, 4(1): 120-137.

Die in allen Oberflächengewässern vorkommenden gelösten organischen Bestandteile beeinflussen das Verhalten von Gold Nanopartikeln, wobei die vorhandenen Studien zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen.

Weder eine Stabilisierung nanoskaligen Goldes (im Gegensatz zu vielen anderen Nanomaterialien) wurde beobachtet [1], noch eine wirksame Verhinderung der Agglomeration von Goldnanopartikeln durch natürliche organische Verbindungen [2]. Unter Süßwasser-Bedingungen waren Zitrat- und Acrylat-stabilisierte Gold-Nanopartikel stabil. Bei extremen pH-Werten und Salzgehalten (wie beispielsweise in Meerwasser) ist dieser Effekt allerdings nicht zu beobachten und es kommt zu einer Agglomeration der Partikel [2].


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