Freisetzung und Charakterisierung von Nanomaterialien

Nanomaterialien (NM) werden heutzutage zahlreich in den verschiedensten Bereichen, z. B. in der Medizintechnik oder der Elektrotechnik, eingesetzt und finden sich folglich auch in Produkten wie Textilien, Farben, Haushaltswaren oder Kosmetika wieder. Dabei werden sie in unterschiedlichsten Variationen verwendet und unterscheiden sich beispielsweise in Größe, chemischer Zusammensetzung oder der Oberflächen­beschaffenheit. Mit dem vermehrten Einsatz solcher innovativen Nanomaterialien tritt zum Schutze der Gesundheit und der Umwelt zunehmend die Frage nach einer möglichen Freisetzung dieser NM aus verschiedenen Matrizes in die Umwelt auf. Um dieser Fragestellung nachzugehen ist sowohl eine Charakterisierung der „pristinen“, also unverarbeiteten als auch der verarbeiteten (z. B. in Produkte wie Plastik etc. eingebundenen) Nanomaterialien über ihre Lebensdauer hinweg vonnöten. Um eine solche Charakterisierung bzw. Lebenszyklusbetrachtung durchzuführen, verfügt das IUTA über diverse moderne Analysemethodiken zur chemisch-physikalischen Partikel­bestimmung während der verschiedenen Lebenszyklusphasen von Nanomaterialien bzw. Produkten. Eine Analyse ist sowohl in luftgetragenen als auch in verschiedenen flüssigen Medien möglich und wurde u. a. in BMBF-Projekten wie nanoGEM, DENANA, nanoGRAVUR als auch EU-Projekten wie MARINA, nanOxiMet, BIORIMA entwickelt, angewandt und steht auch industriellen Auftraggebern zur Verfügung.

Chemisch-physikalische Charakterisierung

Zur Analyse von Materialien stehen dem IUTA verschiedenste Techniken zur Verfügung:

– Partikelanzahlgrößenverteilung (SMPS, FMPS, CPC, DLS, REM-EDX)

– Partikelsammlung und chemische Identifizierung (Sammlung auf Filtern, Kaskaden-Impaktoren, elektrostatische Präzipitation, ICP-MS, ROS/Oxidative Potential Analyse mittels ESR, pH, Redoxpotenzial, Zetapotenzial statische und dynamische Löslichkeit)

– Elektronenoptische Partikelgrößen- und Morphologiebestimmung; chemische Inhaltsstoffe (REM-EDX)

– Lebenszyklusanalyse

– Schleifen, Bohren

– Verwitterung

– Mahlen

– Verbrennung

Ansprechpartner

Dr. rer. nat. Burkhard Stahlmecke
stahlmecke@iuta.de
Tel. +49 2065 418 – 180

Aktuelle Projekte

EU-Projekt BIORIMA:
Das Projekt „Biomaterial Risk Management“ untersucht die möglichen Risiken von Biomaterialien. IUTA führt hierbei Experimente zur Freisetzung aus Dentalmaterialien durch (WP3) und beteiligt sich weiterhin an der Modellierung bezüglich Freisetzung und Exposition (WP5).

EU-Projekt „nanoFASE“:
Das Projekt „nanoFASE – Fate and Exposure models for you“ behandelt die Freisetzung, Umwandlung und den Verbleib von Nanomaterialien in der Techno- und Ecosphäre. IUTA ist, neben Zuarbeiten zu verschiedenen anderen Arbeitspaketen, experimentell an Untersuchungen zur quantifizierbaren Freisetzung von Nanomaterialien während der Müllverbrennung (WP5) sowie zu atmosphärischen Einflüssen von/auf die Nanomaterialien (WP6) beteiligt. Projekt-Webseite: www.nanofase.eu.

EU-Projekt „SIINN“:
NanoToxClass: Das Projekt nanoToxClass beschäftigt sich mit der Gruppierung von Nanomaterialien insbesondre unter Einbezug von OMICS-Datensätzen. Das IUTA übernimmt im Rahmen des Projektes die Charakterisierung der Materialen sowie beteiligt sich an der statistischen Auswertung und Gruppierung.

BMBF-Projekt zonMW: „N3RVousSystem“:
Das Projekt „Eine 3R-Systembiologie-basierte Strategie zur Bewertung von Gefährdung, Risiko und Sicherheit neurotoxischer Substanzen im Menschen“ untersucht die Möglichkeit der Substitution von Tierversuchen durch Testung von chemischen und partikulären Noxen durch geeignete in-vitro Techniken. Am IUTA werden sowohl die pristinen Nanopartikel als auch Gewebeschnitte von Hirn und Darm von mit Nanopartikeln belasteten Mäusen hinsichtlich des Vorhandenseins dieser Partikel untersucht.

BMBF-Projekt „nanoGRAVUR“:
Das Projekt „nanoGRAVUR – nanostrukturierte Materialien – Gruppierung hinsichtlich Arbeits-, Verbraucher- und Umweltschutz und Risikominimierung“ untersucht Möglichkeiten zur Minimierung des Testaufwandes zur Risikobewertung von Nanomaterialien. Am IUTA finden dabei unter anderen experimentellen Untersuchungen zur Freisetzung der Nanomaterialien aus verschiedenartigen Kompositen sowie zum Verbleib der Materialien im aquatischen Kompartiment statt. Projekt-Webseite: www.iuta.de/nanogravur.

IGF-Projekt „Asbest“:
Im Projekt zur „Entwicklung nachweisstarker Verfahren zur Erfassung der Asbestbelastung in flächigen Baustoffen“ forscht das IUTA an Möglichkeiten zum Nachweis von niedrigkonzentriertem Asbest in Baustoffen wie z.B. Putzen und Spachtelmassen.

UFOPLAN-Projekt (UBA):
Messsysteme für die Lösung von Innenraumschadstoffproblemen; in Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt (UBA) entwickelt das IUTA derzeit ein Multi-Parameter-Messsystem zur schnellen und transparenten Bewertung der Luftqualität in Innenräumen.

AiF-Projekt „Online ESR“:
Im Projekt entwickelt das IUTA ein Messgerät zur Bestimmung des Oxidativen Potentiales von luftgetragenen Partikeln mit Hilfe eines Particle Into Liquid Samplers (PILS) und der Elektronen Spin Resonanz (ESR) Spektrometrie.

Publikationen

B. Stahlmecke, C, Asbach, A.M. Todea., H. Kaminski, T.A.J. Kuhlbusch, Investigations on CNT release from composite materials during end of life, Chapter 7.4 in: Handbook of Nanosafety – Measurement, Exposure and Toxicology, Eds: U. Vogel, K. Savolainen, Q. Wu, M van Tongeren, D. Brouwer, M. Berges, ISBN: 978-0-12-416604-2 , Elsevier Academic Press, 2014, Amsterdam

Christian Monsé, Christian Monz, Dirk Dahmann, Christof Asbach, Burkhard Stahlmecke, Norbert Lichtenstein, Karl-Ernst Buchwald, Rolf Merget, Jürgen Bünger, Thomas Brüning, Development and evaluation of a nanoparticle generator for a human inhalation study with airborne zinc oxide, Aerosol Science & Technology 48, 418-426, 2014, DOI: 10.1080/02786826.2014.883064

Stefan Schumacher, Jörg Lindermann, Burkhard Stahlmecke, Amit Khot, Thomas Zeiner, Till van der Zwaag, Hermann Nordsieck, Ragnar Warnecke,Christof Asbach, Particle sampling in boilers of waste incineration plants forcharacterizing corrosion relevant species, Corrosion Science 110, 82-90, 2016, DOI: 10.1016/j.corsci.2016.04.031

Driessen MD et al. (2015) Proteomic analysis of protein carbonylation: a useful tool to unravel nanoparticle toxicity mechanisms Particle and Fibre Toxicology 12:36 doi:10.1186/s12989-015-0108-2

Hellack B et al. (2017a) Analytical methods to assess the oxidative potential of nanoparticles: a review Environmental Science: Nano doi:10.1039/C7EN00346C

Hellack B, Nickel C, Schins RPF (2017b) Oxidative potential of silver nanoparticles measured by electron paramagnetic resonance spectroscopy Journal of Nanoparticle Research 19:404 doi:10.1007/s11051-017-4084-3
Hund-Rinke K, Schlich K, Kühnel D, Hellack B, Kaminski H, Nickel C (2018) Grouping concept for metal and metal oxide nanomaterials with regard to their ecotoxicological effects on algae, daphnids and fish embryos NanoImpact 9:52-60 doi:https://doi.org/10.1016/j.impact.2017.10.003

Nickel C, Gabsch S, Hellack B, Nogowski A, Babick F, Stintz M, Kuhlbusch TA (2015) Mobility of coated and uncoated TiO2 nanomaterials in soil columns–Applicability of the tests methods of OECD TG 312 and 106 for nanomaterials J Environ Manage 157:230-237 doi:10.1016/j.jenvman.2015.04.029

Sthijns MMJPE, Thongkam W, Albrecht C, Hellack B, Bast A, Haenen GRMM, Schins RPF (2017) Silver nanoparticles induce hormesis in A549 human epithelial cells Toxicology in Vitro 40:223-233 doi:https://doi.org/10.1016/j.tiv.2017.01.010

Van Landuyt KL et al. (2014) Nanoparticle release from dental composites Acta Biomater 10:365-374 doi:10.1016/j.actbio.2013.09.044

Wyrwoll AJ et al. (2016) Size matters—The phototoxicity of TiO2 nanomaterials Environmental pollution (Barking, Essex: 1987) 208:859-867 doi:10.1016/j.envpol.2015.10.035