„Safety by design“ für eine verantwortungsbewusste Nanotechnologie

Das EU-finanzierte Projekt NANOMILE hat über die Entwicklung eines Tools für die bessere Beurteilung von Umweltauswirkungen durch Nanomaterialien und für die Gewährleistung deren Sicherheit dazu beigetragen, das Potenzial der Nanotechnologie zu entfalten.

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Die Nanotechnologie wird seit langem als „Game Changer“ gepriesen, um den Anforderungen des modernen Lebens gerecht werden zu können und hat Implikationen, die vom Gesundheitssektor bis zum Gebäudesektor reichen. Angesichts von Schätzungen, dass in nahezu die Hälfte aller neu entworfenen fortschrittlichen Materialien und Herstellungsverfahren Nanotechnologie integriert ist, gibt es einen immer größer werdenden Bedarf dafür, die Umweltauswirkungen zu verstehen. Dies gilt insbesondere für lebende System. Da die Forschungsmaßnahmen auf Sachverhalte hinsichtlich potenzieller Gesundheitsauswirkungen fokussiert wurden, mangelt es nach wie vor an der Erforschung der eigentlichen Mechanismen. Das EU-finanzierte Projekt NANOMILE wurde ins Leben gerufen, um diese Wissenslücke durch die Untersuchung von Umweltveränderungen innerhalb des Nanomaterial-Lebenszyklus und über ein breites Spektrum an Zielarten und Nanomaterialien hinweg zu schließen. Im Fokus standen hierbei mechanistische Effekte, um schädliche Eigenschaften zu bestimmen, die zur Gewährleistung sicherer Anwendungen vermieden werden könnten. Über das Projekt wurde ein Rechenmodell entwickelt, mit dem es möglich ist, Gefahren aufgrund von Nanomaterialien vorherzusagen. Die Entwicklung von Tools für die Gefahren- und Risikobewertung Im Rahmen von NANOMILE wurde zunächst eine Test- und Auswahlplattform geschaffen, die dem Team in Bezug auf die ausgewählten hergestellten Nanomaterialien (Manufactured Nanomaterials, MNMs) die Anwendung eines Screening-Verfahrens mit hohem Durchsatz ermöglichte, um deren Toxizität zu bestimmen. Projektkoordinatorin Professor Eugenia Valsami-Jones erinnert sich: „Wir testeten mehr als einhundert MNMs. Um vorherrschende Vorstellungen auf den Prüfstand zu stellen, legten wir an die MNMs mehrere Kriterien wie unter anderem Größe, Lebenszyklus, mögliche Wirkungsweise und Relevanz für kommerzielle Produkte an. Wir wollten zudem systematisch vorgehen, wir erstellten Eigenschaften-Bibliotheken für Experimente mit Varianten einer einzelnen Eigenschaft. Dies ermöglichte es uns, verschiedene Hypothesen methodisch zu überprüfen.“ Ein Beispiel für die systematische Überprüfung verschiedener Hypothesen im Zuge des Projekts war die Alterung der ausgewählten MNMs in verschiedenen Szenarien. Nanopartikel wurden durch die Exposition gegenüber Luft und Licht sowie im Rahmen von simulierten Bedingungen aus dem realen Leben, denen beispielsweise antimikrobielle Nanopartikel (zum Beispiel Silber) innerhalb von Waschmaschinen ausgesetzt sind, zur Simulierung deren Schicksal in Textilien älter gemacht. Diese Maßnahmen haben zur Schaffung des möglicherweise weltweit größten Charakterisierungsdatensatzes zu systematisch getesteten Nanomaterialien geführt. Die nächste Phase für das Team bestand in der Entwicklung von Rechenmodellen, die auf dem etablierten Verhalten von Nanomaterial basieren. Diese wurden durch Bildanalyse ergänzt, um das prädiktive Potenzial des Modells zu maximieren. Professor Valsami-Jones erklärt: „Die Modellierung basiert auf einem Ansatz mit der Bezeichnung ,Quantitative Nanoparticle Activity Relationship‘, über den im Wesentlichen vor der Prognose des Verhaltens anderer ähnlicher Nanomaterialien das Verhältnis zwischen Nanopartikeleigenschaft und biologischer Wirkung identifiziert wird.“ Die eigentliche Modellschnittstelle ermöglicht Forschern die Einspeisung oder Auswahl von Variablen wie zum Beispiel der Nanopartikelart (z. B. Metall) oder -form, die Identifizierung einer durchzuführenden Analyse, bevor das System eine Prognose für wahrscheinliche Gefahren anzeigt Die Schlussfolgerung der Professorin lautet: „Obwohl sich unsere Modelle sich noch in einer frühen Phase der Entwicklung befinden, konnten wir den ersten wichtigen Schritt in Richtung einer prädiktiven Nanotoxikologie machen.“ Vorgaben für eine sichere und verantwortungsbewusste Nanotechnologie unterstützen Die Projektergebnisse tragen aufgrund einer besseren Einschätzung der an Toxizität beteiligten Mechanismen wesentlich dazu bei, die Risiken zu verstehen, die MNMs möglicherweise für die Gesundheit und die Umwelt bedeuten. Tatsächlich spielt NANOMILE bereits bei weiter gefassten Maßnahmen zur Entwicklung eines regulatorischen Rahmens im Hinblick auf die nachhaltige Anwendung von Nanotechnologie eine Rolle, da Anstöße für ISO-Standards gegeben wurden oder hierzu beigetragen worden ist. Ein Beispiel hierfür ist der Standard für die Toxikokinetik von MNMs, bei dem in einem biologischen Kontext die Aufnahme, der Transport, die Umwandlung und die Beseitigung von Nanomaterialien gemessen wird. In Kooperation mit Industriepartnern sind über das Projekt zudem bereits eine Reihe marktreifer Methodiken für die MNM-Gefahrenbewertung entwickelt worden. Ein Beispiel hierfür ist die Veröffentlichung der Plattform „Vitrocell Air-Liquid Interface“ (ALI), welche die Lungenexposition gegenüber Nanomaterialien nachbildet. Diese Maßnahmen sollen dazu beitragen, das Potenzial der Nanotechnologie, die laut verschiedenen Schätzungen in den kommenden Jahren einen Wert von bis zu mehreren Billionen Euro haben soll, voll auszuschöpfen.

Schlüsselbegriffe

NANOMILE, Nanomaterialien, Nanotechnologie, Risikobewertung, Computermodellierung, ISO, fortschrittliche Materialien, Umweltauswirkung, Gefahrenprognose, Nanotoxikologie, Toxizität

Engineered nanomaterial mechanisms of interactions with living systems and the environment: a universal framework for safe nanotechnology

„Safety by design“ für eine verantwortungsbewusste Nanotechnologie

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