Nanomaterialien in Konsumgütern

Charakterisierung in komplexen Umgebungen

  • Abb. 1: Die Analyse von Nanopartikeln in einer Vielzahl von Produkten wie z.B. in Cremes, Lebensmitteln oder menschlichen Zellen ist im Hinblick auf Ihren Einsatz notwendig.
  • Abb. 2: Protokoll zur Extraktion und Analyse von Titandioxid-Nanopartikeln aus Sonnencreme.
  • Abb. 3: Lock-in Thermographie Messung von Zellen mit und ohne Nanopartikeln. Man sieht ein Wärmesignal von einer homogenen Schicht von Zellen, die Nanopartikel aufgenommen haben. Massstab: 500 µm

Nanomaterialien sind Objekte, die laut Definition in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind und im Gegensatz zur makroskopischen Form desselben Materials besondere Eigenschaften (z. B. chemische, magnetische, optische) aufweisen [1]. Nanomaterialien werden bereits in sehr vielen Produkten beigesetzt, um ihnen spezielle Eigenschaften zu verleihen. In der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie sind Nanomaterialien beispielsweise als Konservierungsstoffe, zur Veränderung der Konsistenz, als Farbstoffe oder zum Schutz vor UV-Licht oder Bakterien beigemischt [2]. Auch im Medizinbereich gewinnen die winzigen Partikel zunehmend an Bedeutung [3]. Die europäische Zulassung magnetischer Nanomaterialien der Firma Magforce im Jahr 2010 zur Behandlung von Tumoren ist ein wichtiger Meilenstein, und auch die Veröffentlichung einer Vielzahl an Dokumenten, Leit- und Richtlinien, die im Zusammenhang mit der Risikobeurteilung und Zulassung von Medikamenten im Bereich der Nanomedizin stehen, haben in den letzten Jahren zugenommen.

Potential und Risiken von Nanomaterialien

Die Nanotechnologie wird oft auch als die wissenschaftliche und technische Revolution des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Studien zeigen, dass Investitionen in diese Technologie aus den privaten und öffentlichen Sektoren stark zunehmen. Auf der anderen Seite hat die Debatte über mögliche Risiken von Nanomaterialien, die Industrie, Regierungen, Regulierungsbehörden sowie auch Forscher dazu veranlasst, sich verstärkt um die Auswirkungen dieser Materialien auf die Umwelt, sowie um Gesundheits- und Sicherheitsaspekte bei der Entwicklung neuer Technologien zu bemühen.

Die Akzeptanz von Nanomaterialien ist schwieriger als ursprünglich angenommen, nicht nur aufgrund der erforderlichen Zulassung durch die Aufsichtsbehörden, sondern auch von Seiten der Hersteller, da ihre Produktion einen erheblichen technologischen Aufwand erfordert [4]. Die Europäische Kommission hat mehrere wichtige Richtlinien und Empfehlungen zur Erleichterung der Umsetzung der EU-Rechtsvorschriften zur Sicherheit von Nanomaterialien veröffentlicht. Insbesondere Konsumgüter oder Medizinprodukte, darunter Lebensmittel, Textilien und Kosmetika, sind in den Fokus gerückt, da sie eine direkte Auswirkung auf die menschliche Gesundheit und Sicherheit haben könnten.

Charakterisierung von Nanomaterialien in Produkten und die Interaktion mit Zellen

Forscher haben gelernt wie man hochkomplexe Nanomaterialien synthetisiert, haben Tests für deren Charakterisierung und Methoden zur Untersuchung ihrer Wechselwirkung mit biologischen Systemen entwickelt.

Allerdings sind Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit oder Praxistauglichkeit solcher (Labor-)Tests häufig umstritten [5]. Darüber hinaus sind viele analytische Standardverfahren wie Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) oder Massenspektrometrie (MS), die seit Jahrzehnten zum Testen und Beurteilen von „traditionellen Chemikalien“ eingesetzt werden, für die Analyse von Nanomaterialien in den meisten Fällen ungeeignet. In einer kürzlich veröffentlichen Studie wurden Nanotechnologie-Produkte „in der realen Welt“ inventarisiert [6]. Laut diesem Bericht sind etwa 30% aller beschriebenen Nanomaterialien in Flüssigkeiten suspendiert, wie z.B. in Wasser, Cremes oder Lotionen bis hin zu Kfz-Schmiermitteln. Die übrigen Anwendungen umfassen oberflächengebundene Nanomaterialien (z.B. in Textilien) oder Nanoverbundwerkstoffe.

Eine der wichtigsten Fragestellungen im Hinblick auf den Einsatz von Nanomaterialien in Konsumgütern und der Medizin ist das Abschätzen von möglichen Risiken. Hierzu werden reproduzierbare, biologische in vitro Testsysteme benötigt, die es erlauben, die Aufnahme von Nanomaterialien in Zellen, deren Wechselwirkung und die Effekte (z.B. Entzündung, DNA-Schädigung) der Materialien auf die Zellen zu untersuchen [7], aber es braucht auch in vivo Versuche um die systemischen Auswirkungen zu evaluieren [8]. Die Untersuchung der Wechselwirkung von Nanomaterialien und biologischen Systemen ist schwierig, da die Kombination aus einer flüssigen Probe mit der Anwesenheit von Salzen, kleinen Molekülen und Proteinen eine Analyse der Materialien mit den gängigen Methoden erschwert. Zum Beispiel benötigt man für die Elektronenmikroskopie ein Vakuum, welches eine trockene Probe voraussetzt. Darüber hinaus ist das Elektronenmikroskop anfällig für Bildartefakte, die beispielsweise durch Salze oder Proteine bedingt sein können. Eine sehr gängige Methode für die Analyse von Nanomaterialien in biologischen Systemen ist die Fluoreszenzmikroskopie, wobei die Materialien dann entweder selber fluoreszierend oder mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert sein müssen. Die Markierung kann dazu führen, dass sich die Oberflächeneigenschaften der Nanomaterialien und damit die Wechselwirkungen zwischen den Materialien, oder mit den biologischen Systemen verändern. Auch ist es möglich, dass das Signal des Fluoreszenzfarbstoffes unterdrückt wird und dadurch die Materialien nicht mehr detektiert werden können.

In den letzten Jahren sind eine Reihe von Artikeln erschienen, die gängige Methoden für die Charakterisierung von Nanomaterialien beschreiben und vergleichen [9]–[11]. Sie sind sich alle einig: (i) die Detektion und Charakterisierung von Nanomaterialien in komplexen Umgebungen ist noch nicht ausgereift; (ii) jede Matrix stellt eine besondere Herausforderung dar und kann zu Störsignalen und/oder Artefakten führen; (iii) viele der verfügbaren Methoden sind prinzipiell nützlich, aber oft sehr teuer, komplex und erfordern Spezialisten für Analyse und Dateninterpretation; (iv) es kann nicht nur eine einzige Analysemethode geben, die in der Lage ist, Nachweis und Quantifizierung aller Materialtypen (Oxide, Metalle oder Kohlenstoff) in Produkten, Konsumgütern, biologischen Zellen oder Gewebe zu erbringen.

Die oben beschriebene Problematik bei der Nanomaterialanalyse verlangt ein Umdenken bei den Forschern sowie der Industrie. Gängige Methoden, die in der biologischen und chemischen Analytik seit Jahrzehnten eingesetzt werden, müssen weiterentwickelt, komplementiert oder gar ersetzt werden, um eine reproduzierbare und praxistaugliche Analyse von Nanomaterialien und deren Einsatz in Produkten aller Art zu ermöglichen. Hierbei werden neue Methoden und Verfahren benötigt, mit denen die Nanomaterialien zur Analyse aus Ihrem Umfeld extrahiert werden können oder die eine präzise Analyse in Gegenwart ihres Umfeldes erlauben.

Nanomaterial-Messungen vereinfachen

In einem Forschungsprojekt zur Analyse der Heizeigenschaften von Eisenoxid-Nanomaterialien, welche unter anderem bereits in der Krebstherapie eingesetzt werden, wurde eine Technologie aus der Materialforschung weiterentwickelt, um damit die Wärme von Nanomaterialien zu messen. Bei der sogenannten Lock-in Thermographie wird ein hochsensitives Infrarot-Bildgebungsverfahren genutzt mit dem sich sehr geringe Wärmeunterschiede bestimmen lassen [12]. Die Wärme wird dabei von den Nanomaterialien durch Anregung mit einem magnetischen Feld oder Licht verschiedener Wellenlängen erzeugt. Aufgrund der Wärmemenge die erzeugt wird, lassen sich Rückschlüsse über Nanomaterialverteilungen in Proben ziehen. Zusätzlich können auch bestimmte Eigenschaften von Nanomaterialien damit bestimmt werden wie z.B. Aggregationszustände oder die Auflösung der Partikel. Darüber hinaus erlaubt die Methode eine Analyse von Nanomaterialien in Zellen und anderen biologischen Systemen, da eine Messung in fester und flüssiger Umgebung möglich ist. Die Methode verlangt keine komplizierte Probenaufbereitung, keine Markierung der Nanomaterialien (z.B. mit einem Fluoreszenzfarbstoff) und keine komplexe Datenauswertung.

Aufgrund des grossen Potentials dieser Technik für Forschung und Industrie wird derzeit an der Vermarktung der Methode gearbeitet, um damit einen Beitrag zu leisten, die sichere Entwicklung von Nanomaterialien voranzutreiben.

Unterstützung

Wir danken der Stiftung Seed Capital Fribourg, dem Fri Up, Venture Kick und dem Ypsomed Innovationsfond für die finanzielle und beratende Unterstützung im Zusammenhang mit der NanoLockin-Unternehmensgründung, sowie der Kommission für Technologie und Innovation, dem Nationalen Forschungsschwerpunkt „Bioinspirierte Materialien“ vom Schweizerischen Nationalfond und der Adolphe Merkle Stiftung für die Unterstützung unserer Forschung. Ein herzliches Dankeschön geht an Dr. Miguel Spuch-Calvar für die Graphiken.

Autoren
Christoph Geers1, Barbara Rothen-Rutishauser1, Alke Petri-Fink1

Zugehörigkeit
1Bio-Nanomaterials, Adolphe Merkle Institute, Université de Fribourg, Fribourg, Switzerland

Kontakt 
Prof. Dr. Barbara Rothen-Rutishauser

Bio-Nanomaterials
Adolphe Merkle Institute
Université de Fribourg
Fribourg, Switzerland
barbara.rothen@unifr.ch

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Referenzen
[1] ISO/TS 80004-2:2015. .
[2] J. Donauer and J. Schimmelpfeng, “Nanopartikel in Konsumgütern,” Biol. unserer Zeit, vol. 2012, no. 42, pp. 396–404, 2012. DOI: 10.1002/biuz.201210496
[3] W. Lin, “Introduction: Nanoparticles in Medicine,” Chem. Rev., vol. 115, no. 19, pp. 10407–10409, 2015. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00534
[4] C. Kinnear et al., “Decoupling the shape parameter to assess gold nanorod uptake by mammalian cells,” Nanoscale, vol. 8, no. 36, pp. 16416–16426, 2016. DOI: 10.1039/C6NR03543D
[5] A. Dijkzeul, “Understanding Nanosafety,” Chemical Watch, pp. 1–1, 2015.
[6] M. E. Vance et al., “Nanotechnology in the real world: Redeveloping the nanomaterial consumer products inventory.,” Beilstein J. Nanotechnol., vol. 6, pp. 1769–80, 2015. DOI: 10.3762/bjnano.6.181
[7] B. Drasler, P. Sayre, K. G. Steinhäuser, A. Petri-Fink, and B. Rothen-Rutishauser, “In vitro approaches to assess the hazard of nanomaterials,” NanoImpact, vol. 8, no. August, pp. 99–116, 2017. DOI: 10.1016/j.impact.2017.08.002
[8] G. Oberdörster and T. A. J. Kuhlbusch, “In vivo effects: Methodologies and biokinetics of inhaled nanomaterials,” NanoImpact, vol. 10, no. October 2017, pp. 38–60, 2018. DOI: 10.1016/j.impact.2017.10.007
[9] G. O. Noonan, A. J. Whelton, D. Carlander, and T. V. Duncan, “Measurement methods to evaluate engineered nanomaterial release from food contact materials,” Compr. Rev. Food Sci. Food Saf., vol. 13, no. 4, pp. 679–692, 2014. DOI: 10.1111/1541-4337.12079
[10] C. Szakal, L. Tsytsikova, D. Carlander, and T. V. Duncan, “Measurement methods for the oral uptake of engineered nanomaterials from human dietary sources: Summary and outlook,” Compr. Rev. Food Sci. Food Saf., vol. 13, no. 4, pp. 669–678, 2014. DOI: 10.1111/1541-4337.12080
[11] J. G. Teeguarden, P. M. Hinderliter, G. Orr, B. D. Thrall, and J. G. Pounds, “Particokinetics in vitro: Dosimetry considerations for in vitro nanoparticle toxicity assessments,” Toxicol. Sci., vol. 95, no. 2, pp. 300–312, 2007. DOI: 10.1093/toxsci/kfl165
[12] C. A. Monnier, F. Crippa, C. Geers, E. Knapp, B. Rothen-Rutishauser, M. Bonmarin, M. Lattuada, A. Petri-Fink, “Lock-In Thermography as an Analytical Tool for Magnetic Nanoparticles: Measuring Heating Power and Magnetic Fields”, J. Phys. Chem. C, 121 (48), pp 27164–27175, DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b09094

 

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Université de Fribourg
Ch. Des Verdiers 4
1700 Fribourg
SWITZERLAND

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