Nanotechnologie Chance und Risiko?

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1 Nanotechnologie Chance und Risiko? 1. September 2012 Bremthal Dr. Christoph Steinbach 1

2 DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.v. - Auf einen Blick fördert den themenbezogenen Austausch in einem großen Netzwerk identifiziert Trends in Forschung und Technologie gestaltet den Fortschritt in Chemischer Technik, Biotechnologie und verwandten Forschungsgebieten 2 Über Mitglieder (davon mehr als 650 Unternehmen) Thematische Arbeit in ca. 100 Gremien Tagungen, Kolloquien und Weiterbildung Studien, Positionspapiere und Broschüren Nachwuchsförderung + Forschungsinstitut und GmbH ACHEMA: Weltweite Leitveranstaltung für Prozessindustrie und Biotechnologie Aussteller Besucher

3 DECHEMA-Aktivitäten in der Nanotechnologie ProcessNet-Fachgruppen z.b: Fachgruppe Nanotechnologie - Offen für Jeden (DECHEMA- oder GVC-Mitgliedschaft erforderlich) - Eigene Zuordnung zur Nanotechnologie Mitglieder Viele weitere Aktivitäten mit Bezug zur Nanotechnologie 3

4 Grundlagen 4

5 Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen von 1 bis 100 nm Was ist Nanotechnologie? Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters. 1 nm = 0, m Quelle: FCI

6 Nano Nanomaterial Nanoobjekt Nanopartikel Nanofaser Nanoplättchen Nanostäbchen / Nanoröhrchen / Nanodraht 6

7 Natürliche und künstliche Nanoobjekte Natürlich Staubstürme, Waldbrände, Vulkanausbrüche, Meteoriten, Sternenstaub, Natürliche Nanoobjekte erfüllen also keine besondere Funktion sondern sind einfach da Von Menschen gemachte a) absichtlich: Titandioxid (Sonnencreme), Siliziumdioxid (Füllmittel), Ruß(Reifen), Silber (Socken, Verbandmaterial), b) unabsichtlich: Brandrodung (Ruß), Sprengungen, Autoabgase 7

8 Sand und Rauch Jeder Kubikzentimeter saubere (!) Luft enthält mehr als natürliche Nanoobjekte Wir können uns nicht aussuchen, ob wir Nano-frei leben wollen. (aber wir können ggf. wählen, ob wir Produkte verwenden, die Nanoobjekte enthalten) Diese Partikel bestehen z.b. aus Sand (chemisch SiO 2 ) Raucher leben noch gefährlicher: verrauchte Luft enthält ca Nanopartikel pro cm 3, die dann auch noch mit krebserregenden Stoffen beladen sind. 8

9 Nano in der belebten Natur Sehr viele biologische Systeme sind nanoskalig: DNA (DNS) Außenwand der Zelle (Zellmembran): 5-10nm dick Bilder: Wipkipedia: Michael Ströck LadyofHats 9

10 Nano in der belebten Natur Sehr viele biologische Systeme sind nanoskalig: Viren 500nm Blauzungenvirus Lambda Phage Phage S-PM2 Bilder: Wipkipedia: Gleiberg, Hans-Wolfgang Ackermann 10

11 Anwendungen 11

12 Alte Kirchenfenster und Glasgeräte Nano-Gold Nano-Anwendungen: Antikes Damaszener-Klingen Bilder: Wipkipedia: Schtone Ma Baker. Lucasbfr, Ralf Pfeifer Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) in Stahl 12

13 Nano-Anwendungen: Etabliertes Chemie: Katalyse Edelmetalle, Metallsalze /-oxide Bild: Evonik, DECHEMA 13

14 Nano-Anwendungen: Oberflächen Kratzfest- und Easy to Clean- Beschichtungen, z.b. für s Handy Nano-Titandioxid/-Siliziumdioxid -Diamant Bild: HTC Entspiegelung für Glas, z.b: Photovoltaikanlage Quelle: Fraunhofer ISC Nano-Keramik (mit Kunststoff) 14

15 Nano-Anwendungen: Textiles Anti-Müffel-Socken Silber verhindert Bakterienwachstum Schmutzabweisende Oberfläche Ketchup lässt sich abwischen Bild: Wikipedia, Agata Kukałowicz Happy Ketchup 15

16 Nano-Anwendungen: Alltägliches Hygiene Silber verringert Bakterienwachstum Bild: Wikipedia: Jleedev Bin im Garten, Klein Bundesarchiv 16

17 Nano-Anwendungen: Keramik Leicht zu Reinigende Oberfläche der Badewanne Keramik / SiO 2 Bild: Villeroy & Boch Vollständig ablaufender Honig Keramik / SiO 2 17

18 Nano-Anwendungen: stabilere Materialien Höhere Festigkeit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) Leichtere und stabilere Karosserien (CNT) Bilder: Nils Kruse, Maximilian Schönherr Wikipedia 18

19 Nano-Anwendungen: stabilere Materialien Windkraftanlagen Kohlenstoff- Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) BildAndy Dingley, Wikipedia 19

20 Nano-Anwendungen: Batterien Lithium Ionen Akku Verringerung der Kurzschlussgefahr durch Nano-Keramikmembranen Bilder: Mac Essentials.de, LiTec, Creavis 20

21 Nano-Anwendungen: Wasserreinigung Schadstoffe im Wasser durch Oxidation zerstören Geht prinzipiell auch bei Fettfilm auf der Brille Bilder: DBU, Buch der Synergie 21

22 Nano für die/in der Umwelt Reinigung des Grundwassers von Altlasten Quellen: 22

23 Nano-Anwendungen: Ferrofluide Flüssiges Eisen Z.B. um in Lautsprechern die Wärme zwischen der Schwingspule und der Magnetanordnung abzuleiten Bilder: Wikipedia: Steve Jurvetson, 23

24 Nano-Anwendungen: Medizin Tumore durch Hitze zerstören Nano-Eisen Zahnfüllungen Nano-Keramik (+ Kunststoff) Bilder: MagForce AG, Fraunhofer ISC 24

25 Nano-Anwendungen: Medizin Verschiedene Farben durch verschiedene Partikelgrößen: Nano-Si (Denkbare Anwendung: Zellmarkierung) Bilder: A. Gupta, CeNIDE, H. Krug, Empa 25

26 Nano-Anwendungen: Sonnenschutz Sonnencreme (TiO 2 und ZnO) Nano-Titandioxid als Ersatz für chemische UV-Schutzsubstanzen Lichtschutzfaktoren größer als 25 können bei transparenter Sonnencreme nur mit Nano erreicht werden. Sonst: Bilder: Wikipedia/Wikimedia Commons 26

27 Nano-Anwendungen: Sonnenschutz Nano-Titandioxid (ebenso Zinkoxid) durchdringt die unverletzte und die sonnenverbrannte Haut nicht! Es dringt einige Hautlagen tief ein, bleibt aber im toten Teil der Haut Verletzte Haut sollte nicht mit Sonnencreme sondern mit Wundsalbe behandelt werden! Bilder: Wikipedia/Wikimedia Commons 27

28 Nano-Anwendungen: Kosmetik Schminkprodukte (Ruß, wird als größere Partikelchen zum schwarzfärben eingesetzt => an sich kein Nano) Aber: immer feinteiliger Anteil mit dabei! Bilder: Wikipedia/Wikimedia Commons 28

29 Nanotechnologie für Nanotechnologie Ohne Nanotechnologie lässt sich Nanotechnologie nicht bearbeiten 29

30 Zukunft? 30

31 Nano-Anwendungen: Medizin Theranostics (Zusammengezogen aus Therapeutika und Diagnostika) Bild: Theranostikum hilft sowohl bei Diagnose von Tumoren als auch bei deren Behandlung (URL: organische-chemie.ch/chemie/2011/mae/krebs.shtm) 31

32 Zelle Nano-Anwendungen: Medizin Gezielte Behandlung (targeted delivery) 32

33 Sicherheit? 33

34 Quelle: Kein Leben ohne Salz und Wasser, Broschüre des Verbandes der Kali und Salzindustrie,

35 ...oder gefährlicher Killer? Dosis facit venenum (Die Dosis macht das Gift) Paracelsus ( ) Quelle Wikipedia Quelle:

36 Ist Nanotechnologie gefährlich? Nano ist eben nur eine Größenangabe: 1 nm = 0, m. Daraus lässt sich keine Gefährdungsaussage ableiten! Jedes Material muss für sich untersucht werden. Also: Sicherheitsforschung an Nanomaterialien Erste Publikationen in den 80er (da gab s den Namen Nano so noch nicht) 36

37 Förderung der Risikoforschung NanoCare ( ) - Seinerzeit das größte Projekt zur (Human-)Toxikologie von Nanomaterialien - Untersuchung zur Exposition am Arbeitsplatz - Öffentlicher Dialog als integraler Bestandteil Broschüre Stakeholder events Website: Wissensbasis Nanopartikel Schlussbericht (english!) auf der Website verfügbar 37

38 Förderung der Risikoforschung NanoCare ( ) - SOPs (standard operation procedures) eingeführt Reproduzierbare Tests für Nanomaterialien Ebenfalls auf der Website - Elf marktgängige Substanzen untersucht (19 Variationen) Keine außergewöhnlichen Gefährdungen gefunden! 38

39 Fördermaßnahmen des BMBF ab 2008 NanoNature: Nanotechnologien für den Umweltschutz Nutzen und Auswirkungen NanoCare: Auswirkungen synthetischer Nanomaterialien auf den Menschen Topics - Human- und Ökotoxikologie, - Exposition von Nanomaterialien - Analytik/Charakterisierung - Nanotechnologie für die Umwelt Fördervolumen: > 35 Mio, 19 Projekte 39

40 NanoNature: Nanotechnologien für den Umweltschutz - Nutzen und Auswirkungen 12 Projektverbünde 85 Teilprojekte von Unternehmen und Forschungseinrichtungen Fördervolumen ca. 20 Mio. Laufzeit seit 10/2009 (1) / 05-07/2010 (11) Schwerpunkte: Verteilung, Mobilität, Wirkung Wasserbehandlung/Sanierung Neue Materialien für die Umwelttechnik 40

41 NanoCare: Auswirkungen synthetischer Nanomaterialien auf den Menschen 7 Projektverbünde ca. 40 Teilprojekte von Unternehmen und Forschungseinrichtungen Fördersumme ca. 16 Mio. Laufzeit seit 05/2010, 3 Jahre 41

42 Fortführung der Nanoforschung BMBF Fördermaßnahme (2008) - NanoCare (Fördermaßnahme) Humantoxikologie von Nanomaterialien - NanoNature Nanomaterialien für und in der Natur (Ökotoxikologie) Begleitmaßnahme: DaNa Daten und Erkenntnisse zu Nanomaterialien 42

43 DaNa - Überblick Zentrale Komponente von DaNa: Kommunikation von Nanotechnologie- Sicherheitsforschung Website (Deutsch/Englisch) Broschüre, Flyer Sonstige Medien Möglichst objektive Aussagen zur Nanotechnologie zur Versachlichung der öffentlichen Diskussion 43

44 Website 44

45 Wissensbasis 45

46 Wissensbasis 46

47 Wissensbasis 47

48 Website Gestaffelte Informationstiefe

49 Nano-Tox Literatur 2011 Zahl der Veröffentlichungen wächst explosionsartig Zahl der Veröffentlichungen zur Nanotoxikologie pro Jahr. Die Balken für 2010 und 2011 sind nachträglich von H. Krug und C. Steinbach zugefügt worden (geändert von: C.L. Haynes: The emerging field of nanotoxicology. Anal. Bioanal. Chem 398, , 2010). 49

50 Qualität der Nano-Toxikologie Veröffentlichungen Eine aktuelle Auswertung zeigt, dass für Titandioxid nur ~32%, und für Zinkoxid gar nur 13% der veröffentlichten Daten für eine Risikobeurteilung geeignet sind (Hristozov et al. 2012). Heute werden etwa 1800 Artikel pro Jahr veröffentlicht => höchstens ~600 verwendbar! Aussortieren notwendig! 50

51 Nanotoxikologie-Literatur Labormaterialien Oft gut charakterisiert Wertvolle Aussagen zur Toxikologie von Nanomaterialien In der Verbraucheranwendung noch nicht angekommen Überdosierung/wenig Charakterisiert Überdosierung: Referenzaussage zur Toxikologie (ist die zu untersuchende Substanz auch auf dem Substrat angekommen) Keine verwertbare Aussage zur Toxizität Praxismaterialien Auf dem Markt Gut charakterisiert Untersuchung an toxikologisch relevanten Konzentrationen DaNa 51

52 Kriterienkatalog

53 Veröffentlichung von Negativergenissen Zellen des Typs XY haben im Kontakt mit Nano- keine (negativen) Reaktionen gezeigt Wird in der Wissenschaft als Nicht Publizierbar gewertet und deshalb nicht publiziert. Folge: es wird an der gleichen Zellinie und der gleichen Substanz immer wieder geforscht: Geld- und Zeitverschwendung. Ggf. solange bis jemand ein Falsch-positives Ergebnis erzielt! Forderung: auch Negativergebnisse publizieren. 53

54 Schutz vor Nanoobjekten Alle Lebewesen gehen, seit es Leben gibt, mit Nanoobjekten um, denn sie sind in der natürlichen Umwelt vorhanden. Mit solche niedrigen Konzentrationen kann der Körper umgehen Die heute bekannten Stoffe behandelt der Körper normaerweise genauso wie natürliche Nanoobjekte => Fresszellen fressen Nanoobjekte und transportieren sie dann ab. Anders wird es, wenn die Partikel giftig sind oder in hohen Konzentrationen vorkommen. Bild: Wikipedia 54

55 Giftigkeit von Nanoobjekten Ob normale (nicht-nano) Stoffe giftig sind oder nicht, ist bekannt. Für neue (Nano-)Stoffe wird untersucht, ob sie schädlich sind (u.a. NanoCare-Projekt => keine außergewöhnlichen Schädigungen erkennbar) Bericht des Sachverständigenrats für Umweltfragen im Oktober 2011: Für heute verfügbare Nanomaterialien ist kein schädlicher Effekt erkennbar. Manche Stoffe verhalten sich anders, wenn sie Nanometer groß sind: Zu klären: Bei Wasserflöhen trat der Effekt auf, dass ihre Entwicklung durch (ziemlich große Mengen) Nanosilber gehemmt wurde. Fazit: Weitere Forschung zur Sicherheit von Nanomaterialien ist notwendig! Quelle: 55

56 Am Ende der Lebenszeit von Nanoobjekten? Gegenstand von Untersuchungen: Was passiert auf dem Müll? => Muss weiter untersucht werden! 56

57 Risiko 57

58 Beispiel Nanosilber Silberionen sind begrenzt giftig Lebensmittelfarbe E174 (Metall) Nanosilber Nanosilber-Objekte in diversen Haushaltsgegenständen: Socken, Wischlappen, Computertastaturen, - Silber wird freigesetzt - in sehr hohen Dosen giftig - Bei hoher Belastung: Argyrie => Blaufärbung der Haut 58

59 In Bezug auf Nano in Produkten Studien des Lackverbandes zu Heimwerkerlacken Vergleich zwischen Lacken mit und ohne Nanopartikel (NP) -Zusatz - Es werden NP freigesetzt Im alltäglichen Gebrauch vernachlässigbar Beim Abschleifen werden mehr NP freigesetzt - NP bleiben an die Matrix gebunden 59

60 Risikobetrachtung von Nanomaterialien Faktoren für NanoCare-Substanzen Gefährdungspotenzial: In NanoCare untersuchte, marktgängige Substanzen waren humantoxikologisch unauffällig Exposition zu unterscheiden nach Herstellung Anwendung Recycling / Deposition / Verbrennung Herstellung: Arbeitsplatzschutz (in NanoCare: untersuchte Arbeitsplätze waren nicht belastet) Anwendung: oft gering, da für Endanwendung in Matrix- Werkstoffen verbaut Z.B. Titandioxid in Wandfarben, => im Gebrauch schwer freizusetzen! Ende des Produktlebens? Offen 60

61 Risikobetrachtung von Nanomaterialien Wichtig Gefährdungspotential und Exposition müssen immer im Einzelfall betrachtet werden Keine Analogieschlüsse bzgl. Substanzeigenschaften möglich 61

62 Informationsquellen 62

63 Informationsquellen Informationsplattform Nano-Sicherheit Woodrow-Wilson Datenbank(en): Produkte, die Nanomaterialien enthalten veraltet! VCI-Seiten zur Nanotechnologie Lackverband: Studien zur Freisetzung von Nanoobjekten aus Lacken DaNa-Website: Toxikologie von Nanomaterialien 63

64 Ausblick 64

65 Ausblick EU-Kosmetikverordnung: Kommt ab Kennzeichnung von Materialien, die in Kosmetika eingesetzt werden: TiO 2 (nano) Für Lebensmittel ab 2014 Produktregister als Freiwillige / Pflicht-Leistung wird/wurde diskutiert von BAuA 1 / BMU 2 /UBA 3 Nanokommision 1 Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin 2 Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit 3 Umweltbundesamt 65

66 Fazit Mit natürlichen Nanoobjekten gehen Lebewesen schon seit Jahrmillionen um => Abwehrmechanismen entwickelt Für menschengemachte Nanoobjekte: NanoCare: keine wesentlichen Gefährdungen SRU-Bericht: derzeit verfügbare Nanomaterialien stellen keine Gefahr dar. Bei genügend hoher Dosis sind alle Stoffe schädlich Aber: Weitere Untersuchungen zu Nanomaterialien und Anwendungen erforderlich, wie bei jeder neuen Technologie Einzelfallbetrachtungen notwendig => Eine Pauschalaussage Nano ist gefährlich/ungefährlich wäre falsch 66

67 Wir freuen uns über Ihre Kontaktaufnahme! Dr. Christoph Steinbach 069/