Swiss Nano-Cube /13

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1 Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen Gruppenarbeit Einsatz von Nanomaterialien für den Wirkstofftransport in Kosmetika - Vergleich von Nano- Transportsystemen mit Mikro- Transportsystemen Arbeitsunterlagen (Handout) für Lernende Januar 2014 Autoren: Helmut Elbert, Christoph Meili Unterstützt durch die UBS Stiftung für Soziales und Ausbildung Swiss Nano-Cube /13

2 Kontakt: Die Innovationsgesellschaft, St Gallen Lerchenfeldstrasse 5, CH-9014 St. Gallen Tel. +41 (0) Version: Januar 2014 Dieses Modul wurde von der Innovationsgesellschaft St. Gallen im Rahmen des Projektes Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Helmut Elbert, Christoph Meili Swiss Nano-Cube /13

3 Einsatz von Nanomaterialien für den Wirkstofftransport in Kosmetika Vergleich von Nano-Transportsystemen mit MikroTransportsystemen Sozialform: Gruppenarbeit Zeitbudget: 90 Minuten Ausgangslage In diesem Zusatzarbeitsblatt wird zunächst über Nano- und Mikro-Transportsysteme informiert. Im ersten Kapitel wird das Einsatzgebiet beschrieben, eine Nutzen-Risiko-Analyse durchgeführt und die Herstellung erklärt. Mit diesen Informationen können die Aufgaben gelöst werden. Auftrag Anschliessend gibt es einige Aufgabenstellungen für die Lernenden, die die Schülerinnen und Schüler in einer Gruppe bearbeiten und diskutieren können. Abschliessend präsentiert jede Gruppe kurz ihre Resultate. Swiss Nano-Cube /13

4 Inhaltsverzeichnis 1. Informationen zu Mikro- und Nano-Transportsystemen Einleitung Was sind Nano-Transportsysteme? (Drug Delivery Systeme) Wie werden Nano-Transportsysteme in Kosmetika eingesetzt Abbaubare Mikro und Nano-Transporter Nutzen-Risiko-Analyse Herstellung der Transport-Systeme Aufgabenstellung / Gruppenarbeit Hinweise zum Ablauf der Gruppenarbeit und Ergebnispräsentation Nützliche Links Swiss Nano-Cube /13

5 1. Informationen zu Mikro- und Nano-Transportsystemen 1.1. Einleitung Im folgenden Text werden zuerst die Begriffe Nano- und Mikro-Transportsysteme erklärt und über die Anwendungsmöglichkeiten dieser sog. Drug Delivery Systeme in der Pharma- und Kosmetik- Industrie informiert. Dabei werden Grösse und Funktionsweise der beiden Systeme näher beschrieben. Anschliessend folgen Angaben zur Verwendung der beiden Transportsysteme in Hautpflegeprodukten. Abschliessend wird beschrieben, welche Geräte und Materialien für die Herstellung von Mikro- und Nano-Transportsysteme erforderlich sind Was sind Nano-Transportsysteme? (Drug Delivery Systeme) Nano-Transportsystem ( Nanotope ) Bestimmte Nanomaterialien werden in der Kosmetik- und Pharma-Industrie zum Transport von Wirkstoffen eingesetzt (sogenannte Drug Delivery Systeme). Dabei umschliessen die Nanomaterialien den Wirkstoff mit einer Hülle, welche die Wirksubstanz schützt, so dass sie gezielt zum definierten Einsatzort transportiert werden kann. Je nach Aufbau können Nano-Transportsysteme dabei biologische Barrieren - wie z.b. Zellwände durchdringen. Je nach Zielsetzung und gewünschtem Einsatzort erfüllen die Nano-Transporter unterschiedliche Aufgaben. Sie umhüllen z.b. schlecht wasserlösliche oder fettlösliche Vitamine und Wirkstoffe und machen sie so für den Körper leichter verfügbar. Andere erlauben, die Freisetzung der Wirkstoffe zeitlich gezielt vorzunehmen oder Substanzen, welche im Körper zu schnell zersetzt würden, erst am Einsatzort oder über einen sehr langen Zeitraum gleichmäßig verteilt freizusetzen. Es gibt eine ganze Reihe von Verkapselungssystemen z.b. für Kosmetika, für neue pharmazeutische Produkte oder für Kontrastmittel. Viele Systeme verwenden natürliche Materialien, die sich gut vom Körper abbauen lassen, aber durch ihre Nanoform stabiler werden oder vom Körper leichter aufgenommen werden. Hierzu gehören u.a. kleinste Fetttröpfchen (Nano-Lipidstrukturen). Zur Gruppe der nicht abbaubaren Nanotransportsystemen gehören beispielsweise Fullerene und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Sowohl für Fullerene als auch für Kohlenstoff-Nanoröhrchen stellen biologischen Barrieren nach derzeitigem Kenntnisstand keine großen Hindernisse dar. So wurde im Tierversuch nachgewiesen, dass Fullerene rasch und über neuartige Wege in den Körper aufgenommen werden und darüber hinaus sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Die Zahl der Nano-Anwendungen steigt ständig; das nachfolgende Diagramm zeigt, dass der Wirkstofftransport mit 54 Prozent an erster Stelle der medizinischen Nano-Applikationen steht. Swiss Nano-Cube /13

6 Quelle: VDI Technologiezentrum GmbH 1.3. Wie werden Nano-Transportsysteme in Kosmetika eingesetzt Im Marktsegment Kosmetische Pflegeprodukte spielen Gesichtspflegemittel eine wichtige Rolle lag der Umsatz in Deutschland bei ca. 450 Mio (Quelle: statista ). Bei kosmetischen Mitteln liegen abbaubare Transportsysteme meist als Nano-Emulsionen vor, d.h. die Zubereitungen enthalten Öl- und Wassertröpfchen. Diese werden auf nanometrische Abmessungen reduziert, um den Gehalt an pflegenden Wirkstoffen zu erhöhen. Gleichzeitig werden empfindliche Wirkstoffe, wie Vitamine, in Bläschen (Vesikeln) mit einer Größe im Nanometerbereich vor Luft geschützt. Die Transportsysteme verteilen sich sehr gleichmässig auf der Hautoberfläche und setzen den Inhaltsstoff erst beim Kontakt mit der Haut frei. Abbaubare Nano-Transportsysteme durchdringen nicht die Hautbarriere, sondern dringen in die tieferen Hautschichten ein wohingegen Mikro-Transporter zum grössten Teil in den oberen Hautschichten verbleiben. Gesundheitsbehörden bestätigen weltweit, dass die in Kosmetika eingesetzten Mikro- und Nano-Drug Delivery Systeme sicher sind. Mikro- und Nano-Transportsysteme Mikro- Transporter: - kleiner Hautbereich - geringe Eindringtiefe Leichtbau Reifenfüllstoffe Automobillacke Antireflex- und Antibeschlagschichten Verschleiß- und Korrosionsschutz Energiespeicher für elektrische menschliche Haut und Hybridantriebe Nano- Transporter: - grosse Hautbereich - grosse Eindringtiefe Nano-Transporter dringen sehr viel tiefer in Kraftstoffzusätze die Haut ein als Mikro-Transportsysteme Nano- Transporter Mikro- Transporter Swiss Nano-Cube /13

7 1.4 Abbaubare Mikro und Nano-Transporter Nutzen-Risiko-Analyse In einer Nutzen-Risiko-Analyse ist 2008 untersucht worden, ob durch den Einsatz von abbaubaren Nano-Transportsystemen für hochkonzentrierte Vitamine in Hautpflegemitteln neue, spezifische Risiken entstehen, die für den gut dokumentierten Mikro-Delivery-Bereich nicht bekannt sind. Hierzu wurden spaltbare und damit abbaubare sowie nicht-abbaubare Nano-Delivery-Produkte und konventionelle Mikro-Delivery Systeme (kugelförmige Liposome) verglichen und bewertet. Die untersuchten Produkttypen lagen als kosmetische Emulsionen vor, deren Anlieferung zum Kosmetikhersteller in stabilen Kunststoffgebinden erfolgt, so dass keine Exposition resultiert. Liposome NANOTOPES nm Als kosmetischer Wirkstoff in den jeweiligen Kosmetika (Gesichtspflegeprodukte wie z.b. Gesichtscremes, Anti-Falten-Masken, Reinigungsspots) werden wie bereits beschrieben - u.a. Vitamine verwendet. So wirkt Vitamin E beruhigend auf die Haut und reduziert Hautreizungen und rötungen, Vitamin A verringert die Faltenbildung sowie Altersflecken, Vitamin B 5 wirkt als Antioxidans ( Fänger freier Radikale), bewirkt eine weichere Hautoberfläche und schützt vor frühzeitiger Hautalterung Herstellung der Transport-Systeme Gegenüber vielen anderen in Kosmetika verwendeten Produkten ist die Herstellung der o.g. Transportsysteme relativ einfach; die erforderlichen Geräte und Chemikalien sind anschliessend aufgeführt: Geräte für die Produktherstellung: Chemikalien für die Produktherstellung: - Rührkessel - Wasser - Rührer - Chemikalien - Heizeinrichtung - Formulierungsmittel - Pumpe Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Produktionsanlage für Drug Delivery Systeme. Für den Arbeitsschutz im Umgang mit Mikro und Nano-Delivery-Systemen gelten ähnliche anlagenbezogene und persönliche Schutz- und Hygienemassnahmen - die Produktfertigung erfolgt in geschlossenen Systemen. Swiss Nano-Cube /13

8 Herstellung von Mikro- und Nano-Transportsystemen Produktionskessel / Mikro- u. Nano-Transportsysteme Rührer Kessel 2. Aufgabenstellung / Gruppenarbeit Diskutieren Sie unter Verwendung der unter Ziffer 1 enthaltenen Informationen und der unter Ziffer 4 genannten Links die Verwendung von abbaubaren und nicht abbaubaren Nano-Transportsystemen in Kosmetikprodukten und beantworten Sie folgende Fragen: Frage 1: Welche Vorteile / Nachteile haben Nano-Transporter resp. Mikro-Transportsysteme beim Einsatz in Hautpflegeprodukten bzgl. a) Wirksamkeit b) Einfluss auf die Umwelt? Begründen Sie die Antworten. Frage 2: Wie unterscheiden sich die Herstellungsverfahren für Nano-Transportsysteme von denen für Mikro- Transporter bzgl. a) Stoffeinsatz (Rohstoffe, Formulierungsstoffe etc.) b) Energieeinsatz Begründen Sie die Antworten. Frage 3: Auf welche Kosten eines Hautpflegemittels wirkt sich die Produktumstellung von einem Mikro- Transportsystem auf ein Nano-Transportsystem aus. Orientieren Sie sich dabei an die in der nachfolgenden Abbildung dargestellten Herstellungs- und Logistikschritte, bis das Pflegemittel im Verkaufsregal des Detailhandels steht? Swiss Nano-Cube /13

9 Auf welchen Prozentsatz schätzen Sie den Vorteil (z.b. Kosten für Chemikalien, Energien, Verpackungsmaterialien sowie Auswirkungen auf die Umwelt, den ein Hautpflegeprodukt mit Nanotransportern gegenüber einem Produkt mit Mikro-Transportsystemen hat? zwischen Nano- und Mikro-Transportsystem? Produktionskette Drug Delivery Systeme Formulierungsstoffe Zusatzstoff 1 Zusatzstoff 2 Rohstoff 1 Rohstoff 2 Produktion Standardisierung Konfektionierung / Abpackung Transport Detailhandel Rohstoff 3 Energien Hinweis: Sämtliche Fragen können ohne Detail-Kenntnisse des jeweiligen Produktionsprozesses sowie die relevanten Input-/Outputströme an Materialien, Stoffen, Energie, Produkten und Emissionen beantwortet werden! Die Antworten lassen sich an Hand der in dieser Lerneinheit vermittelten Informationen sowie dem bisher erlernten Biologie-, Chemie- und Physik-Wissen beantworten. Gleichfalls werden unter Ziffer 4 verschiedene Internet-Links angegeben, welche bei der Beantwortung der Fragen nützlich sein können. Als Anlage zu diesem Handout befindet sich zu jeder der drei Fragen eine leere Antwort-Tabelle, in welche Sie für Ihre Antworten eintragen können; diese Tabellen können auch zu Ihrer Kurzpräsentation benutzt werden. Swiss Nano-Cube /13

10 3. Hinweise zum Ablauf der Gruppenarbeit und Ergebnispräsentation Für die Gruppenarbeit steht insgesamt ein Zeitrahmen von 90 Minuten zur Verfügung Arbeitsschritt Vorbereitung: Organisation und Arbeitsteilung innerhalb der Gruppen festlegen; dabei einen Gruppensprecher bestimmen. Beantwortung der Fragen: Versuchen, die unter Punkt 2 gestellten Fragen zu beantworten. Sie können bei Bedarf auf die unter Ziffer 4 genannten Internet-Links zurückgreifen und Internet-Recherchen durchführen. Dokumentation: Die in der Diskussion / Internet-Recherche erhaltenen Infos und Ergebnisse zu den Fragestellungen zusammentragen, bewerten und auf eine Folie schreiben. Eine Kurzpräsentation vorbereiten (Präsentation maximal 5 Minuten). Gesamtzeit für Gruppenarbeit : Präsentation der Ergebnisse durch den Gruppensprecher (gegebenenfalls Ergänzungen / Unterstützung durch die Gruppe). Zeitrahmen ca. 5 Minuten ca. 30 Minuten ca. 10 Minuten ca. 10 Minuten ca. 55 Minuten Im Plenum ca. 35 Minuten 4. Nützliche Links Quelle 1 - Nicht abbaubare Nano-Transportsysteme mit Risiko behaftet Link: Quelle 2 - Folder Nanotechnologie und kosmetische Mittel, Herausgeber Industrieverband Körperpflege und Waschmittel e.v (IKW)., FrankfurtWaschmittel e. V. (IKW) Link: Quelle 3 Nanomaterialien: Dialogprojekt CONANO Link: Quelle 4 CONANO Dialog: Nutzen und Risiko vonnano-delivery-produkten undmikro- Delivery-Produkten im Vergleich Link: Quelle 5 - Firmen-Internetseite MJR Link Quelle 6 - Vortrag Nano-Transporter (H. Elbert) Link Quelle 7 - Wirkstoffe: Liposomen, Nanopartikel & Co Link Swiss Nano-Cube /13

11 Anlage: Antworttabellen Antwort auf Frage 1: Vergleich - Vorteile / Nachteile von Nanound Mikro-Transportsystemen bei Anwendung in Körperpflegemittel Gruppe: Parameter Nano-Transportsystem Mikro-Transportsystem Wirksamkeit als Körperpflegemittel: Einfluss auf die Umwelt: Swiss Nano-Cube Swiss Nano-Cube /13

12 Antworten auf Frage 2: Unterschiede in den Herstellungsverfahren Gruppe: Parameter Nano-Transportsystem Mikro-Transportsystem Stoffeinsatz Energieeinsatz Swiss Nano-Cube Swiss Nano-Cube /13

13 Antwort auf Frage 3: Herstellungskosten für Hautpflegemittel unter Verwendung von Nano- resp. Mikro-Transportsystemen Parameter Nano-Transportsystem Mikro-Transportsystem Stoffeinsatz: (Rohstoffe, Formulierungsmittel) Sonstige Kosten: (Strom, Wasser, Verpackung, Lagerung, Transport) "Vorteil" / Nanogegenüber Mikro- Transportsystem in % (Schätzfrage): Swiss Nano-Cube Swiss Nano-Cube /13