Innenwelt

Wie sicher ist Nano?

09.09.2016

Nanopartikel bieten der Industrie interessante Eigenschaften für neue Hightech-Produkte. Andererseits ist die Angst groß, dass sie krank machen könnten.


Gibt man im Internet den Begriff „Nanoprodukt“ in eine Suchmaschine ein, kann einem mulmig werden. „Wie gefährlich sind Nanoprodukte?“ steht dort. Oder: „Das sollten Sie über Nanopartikel wissen.“ In Datenbanken kann man nachforschen, welche Produkte Nanopartikel enthalten. Von „unbekannten Risiken“ und „nicht absehbaren Folgen“ ist die Rede.

Vor 15 Jahren sah das noch ganz anders aus. „Nano“ war ein Hype, der Nanotechnik schien die Zukunft zu gehören. Etliche Hersteller bewarben ihre Produkte mit dem schillernden Begriff – Nano-Imprägnierspray für Schuhe, Nano-Beschichtungen für Küchengeräte, Nano-Oberflächen, die Schmutz abweisen und fettige Fingerabdrücke verhindern.

Doch schnell entbrannte eine Debatte darüber, wie gefährlich Nanopartikel sind. Der griechische Wortstamm „nano“ bedeutet zwergenhaft oder winzig. In der Technik bezeichnet er Partikel oder Strukturen, die nur wenige Millionstel Millimeter groß sind. Kritiker warnten davor, dass diese winzigen Partikel über die Haut, die Lunge oder den Darm bis in die Zellen gelangen und Krankheiten auslösen könnten.

Inzwischen sind viele wissenschaftliche Studien zu den Auswirkungen von Nanopartikeln erschienen. Dennoch ist nicht restlos geklärt, wie sie im Körper wirken. Die Hersteller aber wünschen sich klare Regeln für die sichere Produktion, Verarbeitung und Anwendung unschädlicher Nanoprodukte.

Es ist die Vielfalt der Partikel, die ihre Erforschung so schwierig macht: ihre unterschiedlichen Bestandteile, Oberflächenstrukturen, Geometrien und Größen. Damit unterscheidet sich ihre Wirkung auf Körperzellen völlig voneinander.

Um die Wirkung zu verstehen und Risiken für Verbraucher ausschließen zu können, hat die Leibniz-Gemeinschaft den Forschungsverbund Nanosicherheit gegründet, an dem sich sechs Institute beteiligen. Und Forscher verschiedener Disziplinen: Materialwissenschaftler, die sich mit der Herstellung der Partikel auskennen, Biologen, die die Wirkung der Partikel auf lebende Zellen untersuchen und auch Toxikologen, die überprüfen, wie schädlich einzelne Partikel sind. Nicht zuletzt beschäftigen sich die Forscher auch mit der Frage, wie die Öffentlichkeit darin unterstützt werden kann, sich ein fundiertes Urteil über die Nanotechnologie zu bilden.

INM Annette Kraegeloh koordiniert den Leibniz-Forschungsverbund Nanosicherheit.

„Nanomaterialien werden in verschiedenen Industrien eingesetzt“, sagt Annette Kraegeloh vom INM - Leibniz-Institut für Neue Materialien in Saarbrücken, die den Forschungsverbund koordiniert. „Sie sind so interessant, weil viele Materialien vollkommen neue Eigenschaften haben, wenn man sie in Form winziger Nanopartikel einsetzt.“ Gold-Nanopartikel zum Beispiel leuchten tiefrot. Deshalb werden sie seit Jahrhunderten zum Färben von Glas genutzt. Die Nanopartikel anderer Substanzen sind durchsichtig. Es gibt elektrisch leitfähige Teilchen, die sich für die Beschichtung von Touchscreens oder flexiblen Elektronikfolien eignen. Wieder andere Teilchen machen die Oberflächen von Brillengläsern oder Werkzeugen besonders kratzfest. Auch die Verarbeitung der Partikel ist unterschiedlich. Manche werden zu festem Material verbacken, andere als dünne Oberfläche aufgetragen.

Es dauerte lange, bis sich Experten zu einer allgemeingültigen Definition für Nanomaterial durchringen konnten. Für die Europäische Kommission ist es ein „natürliches, bei Prozessen anfallendes oder hergestelltes Material, das Partikel in ungebundenem Zustand, als Aggregat oder als Agglomerat enthält.“ Zudem müsse es mindestens zur Hälfte aus Partikeln bestehen, die zwischen einem und höchstens 100 Nanometern groß sind.

Die Experten am INM beschäftigen sich seit mehr als zwanzig Jahren mit dem Thema „Nano“ und können Partikel mit genau definierten physikalischen und chemischen Eigenschaften für verschiedene technische Anwendungen produzieren. Diese stellen sie dann den anderen Instituten des Forschungsverbundes zur Verfügung – zum Beispiel dem Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung (IUF). Aktuell wird dort die Wirkung von Siliziumdioxid-Nanopartikeln auf Lungenzellen getestet. In nicht-kristalliner Form wird diese Verbindung generell als ungiftig angesehen. Sie wird zum Beispiel als Werkstoff in der Glasproduktion eingesetzt. Diese Partikel sind interessant, weil bislang keine schädliche Wirkung bekannt ist, erste Ergebnisse an isolierten Zellen im Labor aber darauf hinweisen, dass sie das Zellwachstum behindern. Offenbar blockieren sie Rezeptoren in den Zellmembranen.

IUF Klaus Unfried mit einem Inhalator aus der Lungenstudie zur Prävention der Effekte von Umweltnanopartikeln.

Das IUF untersucht bereits seit Jahrzehnten, wie sich Luftschadstoffe aus den Abgasen von Autos und Kraftwerken auf die Gesundheit und insbesondere die Lunge auswirken. Vor einiger Zeit sind die Nanopartikel in den Fokus gerückt. In einer Studie stellten die Düsseldorfer Forscher fest, dass Kohlenstoff-Nanopartikel aus der Luft in der Lunge Entzündungsreaktionen auslösen können, vor allem bei empfindlichen Personen.

Inzwischen haben die Forscher einen natürlichen Wirkstoff gefunden, mit dem sich die Entzündungsreaktion dämpfen lässt.

„Im Forschungsverbund verfolgt unser Institut vor allem zwei Ziele,“ sagt Klaus Unfried, wissenschaftlicher Koordinator am IUF. „Wir wollen die zellulären Mechanismen verstehen und wie die Nanopartikel diese Vorgänge beeinflussen. Zudem wollen wir herausfinden, ob man durch Präventivmaßnahmen bestimmte Wirkungen verhindern kann – etwa so wie in der Lungenstudie.“

Unfried arbeitet dabei eng mit den Kollegen am INM zusammen. Die Forscher setzen dort die Experimente der Kollegen vom IUF fort, indem sie präparierte Körperzellen  unter einem speziellen Fluoreszenzmikroskop untersuchen. Bestrahlt man die Präparate mit einer bestimmten Wellenlänge, beginnen die Nanopartikel zu leuchten. Damit lässt sich sehr gut feststellen, wohin sie gewandert sind. Befinden sie sich an der Außenhaut der Zelle oder sind sie gar ins Innere vorgedrungen? Solche Informationen geben Klaus Unfried wichtige Hinweise auf die zugrunde liegenden biochemischen Vorgänge.

Obwohl er sich mit möglichen Risiken von Nanopartikeln beschäftigt, will Unfried diese Materialien nicht verteufeln. Im Gegenteil: „Sie bieten auch große Chancen und können viele positive Effekte haben.“ Etwa bei der Bekämpfung von Krankheiten. Speziell designte Partikel könnten künftig als Kontrastmittel für medizinische Untersuchungen genutzt werden. Man könnte sie so beschichten oder formen, dass sie gezielt in bestimmten Geweben andocken und diese sichtbar machen. Dadurch ließe sich die Diagnose oder Therapie von Krankheiten verbessern. Andere Partikel könnte man mit Wirkstoffen beladen und gezielt zu einem Krankheitsherd, einer Entzündung oder einem Tumor lotsen. Dafür sind magnetische Partikel denkbar, die sich von außen mit einem Magnetfeld durch den Körper dirigieren lassen. Solche magnetischen Nanopartikel kommen auch in der Natur vor. Manche Bakterienstämme können sie produzieren und sich damit am Magnetfeld der Erde orientieren.

INM Mit dem STED-Mikroskop lässt sich die Verteilung von fluoreszierenden Nanopartikeln einfach beobachten.

Ob Nanopartikel ein Risiko sind, hängt nicht zuletzt davon ab, ob der Mensch überhaupt mit ihnen in Berührung kommt. In vielen Fällen ist das nicht der Fall. Wird zum Beispiel in einer Fabrik Nano-Pulver zu einer superfesten Oberflächenbeschichtung verarbeitet, ist das Endprodukt völlig unbedenklich. Im Forschungsverbund wird deshalb auch untersucht, wo Menschen Nanopartikeln ausgesetzt sind.

„Als Materialwissenschaftler arbeiten wir auch daran, neue Nanomaterialien zu entwickeln, die von vornherein als sicher gelten – wir nennen das den Safe-by-design-Ansatz“, sagt Annette Kraegeloh. „Heute wissen wir zum Beispiel, dass vor allem faserförmige Nanostrukturen gesundheitlich problematisch sein können.“ Um Risiken abzuschätzen, sollen zudem neue Testverfahren entwickelt werden. Annette Kraegeloh lobt die gute Kooperation mit den Industrieunternehmen. „Die Hersteller haben selbst ein großes Interesse daran, sichere Produkte auf den Markt zu bringen. Dafür wünschen sie sich aussagekräftige Tests und klare Produktionsstandards.“

Dass das Thema „Nano“ heute relativ einvernehmlich bearbeitet wird, liegt nach Ansicht von Experten für Technikfolgenabschätzung auch daran, dass Forscher und Hersteller die Risiken transparent gemacht haben. „Die Diskussion ist viel offener und konstruktiver gelaufen als zum Beispiel bei der Atom- und Gentechnik“, sagt Armin Grunwald, Professor für Technikphilosophie am Karlsruher Institut für Technologie. „Wissenschaftler und Wirtschaftsvertreter haben nicht bestritten, dass es Wissensdefizite über mögliche Risiken gibt.“ Auf diese Weise sei Vertrauen geschaffen worden.

Noch ist die Debatte nicht zu Ende, denn die Vielfalt der Nanoprodukte macht es nach wie vor schwer, umfassende und einheitliche Regeln für die Entwicklung neuer, sicherer Materialien zu finden. Deshalb treibt die Europäische Union die Entwicklung entsprechender Standards im Projekt NanoReg II voran. Auch die Ergebnisse aus dem Forschungsverbund Nanosicherheit werden hier einfließen. Dazu zählen nicht nur materialwissenschaftliche oder toxikologische Erkenntnisse. „In unserem Forschungsprojekt zielen wir zudem auf eine umfassende Analyse von Daten ab“, sagt Annette Kraegeloh vom INM. Denn mit dem Thema Nanotechnologie befassen sich Experten vieler verschiedener Disziplinen, die Ergebnisse der anderen können für die eigene Arbeit wichtig sein. Im Forschungsverbund sollen deshalb viele Daten aus verschiedenen Quellen zusammengetragen werden. Dieses Wissen kann ebenfalls hilfreich sein, um die Wirkung von Partikeln besser einschätzen und vorhersagen zu können. Auch damit dürfte der Forschungsverbund die Nanotechnologie ein gutes Stück voran bringen.

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