Nanotechnologie und Arbeitssicherheit

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1 Nanotechnologie und Arbeitssicherheit Autor: Dr. Peter Meier, Arbeitsbedingungen, Amt für Wirtschaft und Arbeit des Kantons Zürich, Präsident des interkantonalen Verbands für Arbeitssicherheit IVA Der Begriff «Nanotechnologie» ist eine populärwissenschaftliche Bezeichnung für eine breite Palette technischer Anwendungen. Das Wort «nano» (griechisch für: Zwerg) verrät, dass dabei winzige Strukturen im Spiel sind: Alle Materialstrukturen, die kleiner sind als 100 Nanometer (1 Zehntausendstel-Millimeter), zählt man zur Nanotechnologie. Materialien Neben natürlich vorkommenden Materialien im Nanobereich gibt es auch zahlreiche Typen von künstlich hergestellten Nanomaterialien. Im Wesentlichen kann man sie in vier Haupttypen einteilen: Kohlenstoffbasierte Materialien: Nanoteilchen (Nanopartikel), die vollständig aus Kohlenstoff bestehen, kommen in Kugel-, Ellipsen-, Röhrchen- oder flachen Grafitformen vor. Sphärische Kohlenstoff-Nanoteilchen werden auch Fullerene genannt (z.b. der «Buckyball»), zylindrische «Nanotubes» oder Nanoröhrchen. Graphen eine weitere Kohlenstoffmodifikation besteht aus einer einzigen Atomlage Grafit und bildet ein zweidimensionales Kristallgitter. Graphen besitzt exzellente elektrische Leitfähigkeit, ähnlich wie klassische Halbleiter (z.b. Silizium). Buckyball Nanotubes Metallische Materialien: Diese Nanomaterialien bestehen aus Tausenden von Atomen und haben eine Grösse von nur wenigen bis hundert Nanometern. Beispiele sind Nanogold (Verwendung in der Elektronik), Nanosilber (breite Anwendung dank antibakterieller Wirkung), reaktive Metalle oder auch so genannte Quantenpunkte («quantumdots») aus Halbleitermaterial (Verwendung in LEDs, Displays etc.).

2 Dendrimere: Dendrimere sind synthetisch hergestellte Makromoleküle, so genannte Polymere, die wie ein Baum aus zahlreichen, perfekt verzweigten Einheiten, den Ästen, zusammengesetzt sind. Die Oberfläche eines Dendrimers besteht aus vielen Enden, die für spezifische (bio)-chemische Funktionen massgeschneidert werden können. Partikel mit solchen grossen Oberflächen werden z.b. als Katalysatoren verwendet. Dendrimere enthalten interne Hohlräume, in denen andere Moleküle eingelagert sein können. Dies wird z.b. für den Medikamententransport genutzt. Kompositen: Diese Materialien bestehen aus mehreren Nanopartikeln oder aus einem Nanopartikel und grösseren, losen Materialien. Natürliche Nanopartikel etwa bestimmte Tonminerale können Produkten wie beispielsweise Autoteilen oder Verpackungsmaterialien beigefügt werden, um deren mechanische oder thermische Beständigkeit bzw. Feuerfestigkeit zu erhöhen. Gemeinsam ist allen Nanomaterialien, dass sie sich vor allem in einem Punkt von konventionellen Materialien unterscheiden: Das Verhältnis Oberfläche zu Volumen ist bei den Nanomaterialien massiv vergrössert; die Oberflächeneigenschaften dominieren daher die Volumeneigenschaften. Nanomaterialien können deshalb auch viel reaktiver als herkömmliche Materialien sein. Zudem spielen elektrostatische Kräfte, sowie veränderte optische, elektrische und magnetische Eigenschaften der Materialien eine wichtige Rolle. Anwendungen Weltweit sind heute bereits über 300 Produkte auf dem Markt, die auf Nanomaterialien basieren. Die Palette potenzieller Anwendungen ist dabei riesig; sie reicht von der Informationstechnologie über die Pharmazie & Medizin, die Energietechnik bis zu Materialverbesserungen. Eine umfassende Übersicht ist schwierig. Grob kann man die Anwendungen in folgende Hauptbereiche unterteilen: Nanopartikel: Dies sind winzige Teilchen von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Nanopartikel auf der Basis von reinem Kohlenstoff (Nanoröhrchen) werden z.b. in Verbundstoffen oder Metallen eingesetzt; nanoskalige Metalloxide (ZnO, TiO2, SiO2) kommen in Kosmetika, Farben oder Lacken zum Einsatz, wo sie in den meisten Fällen chemisch gebunden sind. Die neuen Materialien weisen deutlich verbesserte Eigenschaften auf, beispielsweise gleiche Festigkeit bei deutlich geringerem Gewicht. Nanocoatings: Damit bezeichnet man Oberflächenbeschichtungen unterschiedlicher Art. Nanobeschichtungen können als Antihaftschicht (gegen Schmutz, Graffiti, Wasser) oder Korrosionsschutz (thermischer oder chemischer Schutz) dienen, den Verschleiss herabsetzen (Festplatten, Brillen, Abrieb, Härte, Kratzfestigkeit), eine höhere Biokompatibilität aufweisen (Implantate, medizinische Instrumente), oder als optische (Antireflexschichten, Solarzellen) oder elektronische Schichten (Speicher, Halbleiter, LEDs) verwendet werden.

3 Nanobiotech: Unter diesen Begriff fallen Anwendungen in der Medizin. Beispiele: leichtere und biokompatiblere Implantate; Nanokapseln (Buckyballs, Dendrimere), die Medikamente gezielt an den Ort im Körper transportieren können, wo der Wirkstoff angreifen soll; miniaturisierte Diagnose- Labors auf einem Chip; Krebsbekämpfung mittels injizierten Eisenoxid-Nanopartikeln etc. Die meisten dieser Anwendungen sind allerdings noch Zukunftsmusik. Nanodevices: Dazu zählen beispielsweise Sensoren, die in der Auto-, der Medizintechnik oder in der Diagnostik angewandt werden. Nanotools: Damit sind keine eigentlichen nanotechnologischen Anwendungen gemeint, sondern Werkzeuge für die Forschung. Die bekanntesten Nanotools, das Rastertunnelmikroskop und das Rasterkraftmikroskop, dienen in erster Linie der wissenschaftlichen Forschung und Analytik. Mit ihnen können Forscher beispielsweise einzelne Moleküle oder Atome gezielt bewegen. Bekannte und unbekannte Risiken Vor allem eine Eigenschaft der Nanoteilchen löst Bedenken und Verunsicherung aus: Wegen ihrer winzigen Grösse können Nanopartikel in den menschlichen Körper eindringen. Sie tun dies über verschiedene Wege: via Atmung in die Lunge, via Nasenschleimhaut oder über den Magen-Darm- Trakt. Einmal aufgenommen können die Nanopartikel im ganzen Körper zirkulieren auch im Hirn, da die winzigen Teilchen die Blut-Hirnschranke problemlos überwinden. Sie können sogar bis in den Zellkern eindringen, mit unbekannten Folgen. Möglicherweise können Nanopartikel auch über die Haut eindringen (z.b. bei Sonnencremes). Ob und wie stark Nanopartikel im menschlichen Körper ein gesundheitliches Risiko darstellen, ist aber noch unsicher. Das Gleiche gilt für ihre Umweltwirkung. So konnten beispielsweise toxische Reaktionen bei sehr kleinen Nanopartikeln (unter 20 nm) nachgewiesen werden, nicht aber für grössere Partikel des gleichen Materials (250 nm). Ökotoxikologische Abklärungen darüber, wie sich Nanopartikel in der Umwelt verhalten, sind erst punktuell vorhanden. Nanopartikel werden in erster Linie über die Luft oder via Gewässer in die Umwelt eingetragen. Der Staub gelangt auf die Erdoberfläche, belastet so den Boden, das Wasser, die Pflanzen und, über die Nahrungskette, auch den Menschen. Ein Beispiel: Gelangen bakterizid wirkende Silber-Nanopartikel in Gewässer, können sie Wasserlebewesen oder Mikroorganismen in Kläranlagen beeinträchtigen.

4 Offene Fragen existieren auf allen Ebenen des Zyklus von Nanoteilchen (vgl. Figur unten): (Darstellung nach Harald Krug) Konventionelle Risikobewertungen betrachten einerseits das Gefährdungspotenzial (inkl. Toxizität und Gesundheitsbeeinträchtigung) andererseits die Exposition (inkl. Expositionswege und -dosen). Bei Nanopartikeln sollte indes noch eine dritte Ebene, die Produkteigenschaften, berücksichtigt werden. Diese Eigenschaften können gemäss einer Studie der Eidgenössischen Ethikkommission für die Biotechnologie im Ausserhumanbereich (EKAH) in drei Risikoklassen unterteilt werden: 1) Kaum Risiken bestehen, wenn die Nanoteilchen in eine Trägersubstanz eingebettet und somit von der Umwelt isoliert sind (z.b. Materialien mit selbstreinigenden Eigenschaften oder einer Antihaft-Beschichtung). Problematisch können sie allenfalls bei der Entsorgung oder durch Abrieb werden, falls sie dort aus der Matrix herausgelöst werden und in die Umwelt gelangen. 2) Zur mittleren Risikoklasse gehören die bioaktiven Nanopartikel, die aufgrund ihrer Grösse und chemischen Eigenschaften mit Zellen interagieren und dabei Schäden verursachen können. Problematisch sind hier insbesondere künstlich hergestellte Nanopartikel wie Buckyballs und Nanotubes, die nicht in einer Matrix gebunden sind. 3) Das grösste potenzielle Risiko würde gemäss der EKAH-Studie von der «disruptiven Nanotechnologie» ausgehen. Darunter lassen sich die Versuche fassen, künstliche Mikroorganismen herzustellen; also autonom agierende Nanosysteme, die fähig sind, sich zu vervielfältigen und Lebewesen massiv zu schädigen. Solche «Nanoroboter» oder synthetische Bakterien gehören allerdings noch ins Reich der «Science Fiction». Die Forschung befindet sich momentan im reinen Grundlagenstadium, und marktreife Anwendungen dürften, wenn überhaupt, noch Jahrzehnte entfernt sein.

5 Vorläufige Empfehlungen der SUVA zum Schutz der Arbeitnehmenden (Auszug) Die folgenden Empfehlungen basieren auf dem heutigen Wissensstand und werden jeweils aufgrund neuer Erkenntnisse angepasst: Grundsätze Minimierung der Exposition: Nanopartikel stellen ein potenzielles Gesundheitsrisiko dar. Das Ausmass der gesundheitlichen Risiken kann zurzeit noch nicht schlüssig bewertet werden. Es empfiehlt sich daher, im Sinn der Prävention die Exposition gegenüber Nanopartikeln zu minimieren. Präventionsmassnahmen hierarchisch strukturieren: Die Präventionsmassnahmen sind in der «Verfügung des Eidgenössischen Departementes des Innern über die technischen Massnahmen zur Verhütung von Berufskrankheiten, die durch chemische Stoffe verursacht werden» ( geregelt und umfassen die folgenden vier Ebenen: 1. Substitution: Gesundheitsgefährdende Stoffe sind durch harmlosere zu ersetzen 2. Kollektivschutz: Technische Massnahmen zum Erfassen, Begrenzen und Abführen gefährlicher Gase, Dämpfe und Stäube 3. Individualschutz: Verwendung persönlicher Schutzausrüstung zusätzlich zu den technischen Massnahmen 4. Hygiene: Geeignete Waschgelegenheiten, geschützte Aufbewahrung der nicht beruflich eingesetzten Kleider («Ausgangskleider»). Dieser Ansatz ist grundsätzlich auch für Nanopartikel zu befolgen. Für den Umgang mit partikelförmigen Stoffen haben sich Verfahren zur Expositionsbeschränkung etabliert. Die Wirksamkeit dieser Verfahren ist für den Nanopartikelbereich erst teilweise nachgewiesen. Aufgrund der Ausgangslage erscheint ein Aufbau der Präventionsmassnahmen auf dieser Grundlage dennoch angebracht. Sicherheitsdatenblatt konsultieren: Verlangen Sie vom Lieferanten das Sicherheitsdatenblatt. Darin finden sich Hinweise zu den Gesundheitsgefährdungen, die vom Produkt ausgehen, und zu den notwendigen Schutzmassnahmen am Arbeitsplatz. Erfahrungsgemäss sind Sicherheitsdatenblätter zu gezielt hergestellten Nanopartikeln gegenwärtig teilweise lückenhaft. Sich ausschliesslich auf das Sicherheitsdatenblatt abzustützen kann daher zu unvollständigen Schutzmassnahmen führen.

6 Risikoanalyse: Eine Risikoanalyse stellt eine systematische Erfassung und Bewertung der verschiedenen Risiken am Arbeitsplatz sicher. Sie kann zur Bewertung von Arbeitsplätzen hilfreich sein, bei denen mit Nanopartikeln umgegangen wird. Falls erforderlich, ist ein Spezialist der Arbeitssicherheit beizuziehen (vgl. EKAS-Richtlinie 6508 «Richtlinie über den Beizug von Arbeitsärzten und anderen Spezialisten der Arbeitssicherheit») und «Verordnung über die Eignung der Spezialistinnen und Spezialisten der Arbeitssicherheit». Konkrete Schutzmassnahmen Schutzmassnahmen für den Umgang mit gezielt hergestellten Nanopartikeln: Substitution: Pulverförmige Zubereitungen ersetzen durch Dispersionen, Pasten, Granulate, Compounds usw. Technische Schutzmassnahmen: Verwenden von geschlossenen Apparaturen Entstehung von Stäuben oder Aerosolen vermeiden Absaugen von Stäuben oder Aerosolen direkt an der Quelle Abluftreinigung für abgesaugte Luft vorsehen («Filter») Gegebenenfalls Abtrennung des Arbeitsraums und Anpassung der Raumlüftung (leichter Unterdruck) Reinigung nur durch Aufsaugen oder feucht aufwischen, kein Abblasen. Beim Umgang mit brennbaren Nanopartikeln: zusätzlich Explosionsschutzmassnahmen berücksichtigen bei staubförmiger Verteilung und gefahrbringender Staubmenge. Beim Umgang mit reaktiven oder katalytisch wirksamen Nanopartikeln: Zusätzlich Kontakt mit unverträglichen Substanzen ausschliessen. Organisatorische Schutzmassnahmen: Minimierung der Expositionszeit Minimierung der Anzahl exponierter Personen Beschränkung des Zugangs Unterweisung des Personals über Gefahren und Schutzmassnahmen (Betriebsanweisungen) Personenbezogene Schutzmassnahmen: Atemschutz mit Partikelfilter P3 Schutzhandschuhe geschlossene Schutzbrille Schutzbekleidung mit Kapuze Literatur: Synthetische Nanomaterialien, Risikobeurteilung und Risikomanagement, Grundlagenbericht zum Aktionsplan, herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt BAFU und vom Bundesamt für Gesundheit BAG, Bern 2007,

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