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Eine neue Art der Rückverfolgung technisch hergestellter Nanomaterialien

Eine innovatives Markierungsverfahren könnte den Forschenden helfen, die potenziellen Sicherheitsrisiken technisch hergestellter Nanomaterialien besser zu verstehen.

Klimawandel und Umwelt
Industrielle Technologien

Aufgrund ihrer einzigartigen Abmessungen bieten technisch hergestellte Nanomaterialien, oder Nanomaterialien, die vom Menschen entwickelt und produziert werden, eine Reihe von Vorteilen. So können sie beispielsweise in der Gesundheitsversorgung dabei helfen, Medikamente an sonst unzugängliche Stellen des Körpers zu befördern. In der Landwirtschaft können sie dazu beitragen, die Effizienz beim Einsatz von Agrochemikalien zu steigern, während die Industrie sie als Zusatzstoffe verwendet, um die Stärke und Lebensdauer von Chemikalien zu erhöhen. „Da technisch hergestellte Nanomaterialien in komplexen biologischen Geweben und Umgebungen schwer zu erkennen sind, wissen wir noch wenig über die Sicherheitsrisiken die sie darstellen könnten“, erklärt Eugenia Valsami-Jones, Koordinatorin des EU-finanzierten Projekts NanoLabels, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt wurde. „Solange wir nicht sicher wissen, wohin sich diese Materialien bewegen und was sie bewirken – insbesondere nach ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung – wird die Nutzung technisch hergestellter Nanomaterialien begrenzt bleiben.“ Eine Möglichkeit, wie Forschende technisch hergestellte Nanomaterialien besser auffindbar machen, ist das Hinzufügen eines Tracers, oder einer Markierung. Unglücklicherweise kann dieser Vorgang die technisch hergestellten Nanomaterialien modifizieren oder verändern und sich dabei auf ihr umweltbezogenes und biologisches Verhalten auswirken. Aus diesem Grund waren Tracer für das Verständnis der Nanosicherheit bisher nur von begrenztem Nutzen. Um ihre Nützlichkeit zu verbessern, hat das Projekt NanoLabels innovative Markierungsverfahren entwickelt, mit denen es möglich sein könnte, technisch hergestellte Nanomaterialien in ihrer natürlichen Umgebung zurückzuverfolgen.

Entwicklung einer Markierungsstrategie

Forschende an der Universität Birmingham haben in den letzten zehn Jahren daran gearbeitet, stabile Isotope zur Markierung technisch hergestellter Nanomaterialien zu verwenden – ein Ansatz, der sich als effizient und hochempfindlich bei der Erkennung technisch hergestellter Nanomaterialien in umweltrelevanten Konzentrationen erwiesen hat. „Das Projekt NanoLabels baut auf dieser Arbeit auf und entwickelt eine Markierungsstrategie, die von der Industrie übernommen werden kann, um z. B. Nanosicherheitsbewertungen zu ermöglichen, bevor technisch hergestellte Nanomaterialien auf den Markt kommen“, erklärt Valsami-Jones, Professorin für Umweltnanowissenschaften an der Universität Birmingham. Durch die Behandlung von Reispflanzen mit unterschiedlich markierten Nanopartikeln konnten die Forschenden die Fortbewegung von Nanopartikeln innerhalb der Pflanze verfolgen und herausfinden, wohin sie wandern und was sie bewirken. „Zum ersten Mal verwendeten wir die Markierung mit stabilen Isotopen, um die Translokation eines Nanomaterials innerhalb der Pflanze zu verfolgen“, merkt Valsami-Jones an. Laut Valsami-Jones hat das Projekt gezeigt, dass sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften – wie Größe und Morphologie der Nanopartikel – nicht von den Nanopartikeln ohne Isotopenmarkierung unterscheiden. „Dies deutet darauf hin, dass die Markierung erfolgreich war und mit Zuversicht in anderen Rückverfolgungsstudien verwendet werden könnte“, fügt sie hinzu.

Eine erfolgreiche Methodik

Mit der NanoLabels-Methodik ist es gelungen, die Aufnahme technisch hergestellter Nanomaterialien in die Umwelt selbst bei einer sehr niedrigen Konzentration nachzuweisen. „Durch die Markierungsmethodik, die wir in diesem Projekt entwickelt haben und die später in ‚Nature Protocols‘ veröffentlicht wurde, haben wir dieses sich entwickelnde Forschungsgebiet geprägt“, sagt Valsami-Jones. „Sie wird auch bei der Ausbildung der nächsten Generation von Nanowissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern in der Anwendung von Isotopenmarkierungsverfahren eine große Rolle spielen.“ Ein weiteres wichtiges Ergebnis des Projekts ist die Skalierbarkeit. „Wir gehen davon aus, dass die Skalierung der Synthese stabil isotopenmarkierter technisch herstellbarer Nanomaterialien getestet, modifiziert und standardisiert werden könnte. Sie hat das Potenzial, in industriellen Anwendungen wie der Authentifizierung von Materialien eingesetzt zu werden“, erklärt Valsami-Jones. Die Projektforschenden entwickeln derzeit die Markierung für kohlenstoffbasierte Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphen und Mikrokunststoffe. „Da Kohlenstoff das am häufigsten vorkommende Element in unserer Umwelt ist, bereitet die Rückverfolgbarkeit kohlenstoffbasierter Nanomaterialien große Schwierigkeiten – also schauen Sie am besten regelmäßig hier vorbei!“, schließt Valsami-Jones.

Schlüsselbegriffe

NanoLabels, technisch hergestellte Nanomaterialien, Nanomaterialien, Nanowissenschaft, Nanosicherheit, stabile Isotope, Nanopartikel

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