Aufbau von Grund auf sicherer Nanomaterialien
Synthetische Nanomaterialien stellen einen bedeutenden Durchbruch in den Bereichen Materialdesign und -entwicklung dar. Durch die Eigenschaften aufgrund ihrer Größe, präzisen Architektur und Synthetisierung sind sie für verschiedene Gebiete wie die Medizin, Elektronik, Verpackung, Lebensmittel, Energie und Luft- und Raumfahrt geeignet. Die Beziehung zwischen ihrem präzisen Design und ihrem Verhalten in biologischen Systemen und der Umwelt brachte den Vorschlag hervor, Nanomaterialien nach dem Ansatz “inhärent sicheres Design“ zu fertigen. Sofern sich die Entwicklung von Nanomaterialien an diesem Konzept orientiert, können ihre Vorteile zur Problemlösung und Produktentwicklung maximiert und die Toxizitätsrisiken für Menschen und die Umwelt minimiert werden.
Beseitigung der zeitlichen Verzögerung zwischen der Fertigung und Prüfung von Nanomaterialien
Derzeitige Ansätze in der Nanomaterialfertigung beruhen meist auf der Serienfertigung von Nanomaterialien und herkömmlichem In-vivo- und In-vitro-Screening. „Nanomaterialien aus der Serienfertigung werden eingelagert und an den Ort transportiert, an dem sie geprüft werden sollen. Doch das birgt ganz eigene Probleme. Zum einen altern die Nanomaterialien und bis zum Zeitpunkt der Prüfung könnten sich viele der Eigenschaften verändert haben. Zum anderen verbraucht diese Vorgehensweise viel Aufwand, Zeit und Ressourcen“, merkt Andrew Nelson an, der Koordinator des EU-finanzierten Projekts SABYDOMA. Daher wurde über SABYDOMA ein alternativer Ansatz für das Design sichererer Nanomaterialien ausgearbeitet, indem Hochdurchsatz-Plattformen zur Fertigung von Nanomaterialien und deren direkte Prüfung auf Toxizität eingerichtet wurden. So müssen die Materialien nicht mehr zur Prüfung transportiert werden, was die Fertigung wie auch die Sicherheitsprüfungen optimiert und beschleunigt.
Fortschrittliche Technologien als Grundlage von Nanomaterialien nach dem Ansatz „Safe-by-Design“
„SABYDOMA ist das Problem der möglichen Toxizität von Materialien direkt angegangen, indem eine innovative Plattform zum Hochdurchsatz-Screening mit einer Online-Produktionseinheit für Nanomaterialien kombiniert wurde. Unsere Plattform arbeitet mit physikochemischen und biologischen Sensorelementen. Die so erzeugten Signale werden verwendet, um die Neugestaltung und Fertigung sicherer und dennoch funktionaler Nanomaterialien innerhalb einer Rückkopplungsschleife zu regulieren“, betont Nelson. „Diese Plattformen stützen sich auf Computersimulationen mittels modellprädiktiver Regelung, die Prognosen über das Verhalten der Nanomaterialien ausgeben.“ Die physikalischen, chemischen und toxikologischen Parameter werden anhand unterschiedlicher Screening-Plattformen gleichzeitig geprüft. Diese Plattformen sind direkt mit der Fertigungslinie verbunden und senden die Ergebnisse an diese. So können die Parameter an der Fertigungslinie für mehr Sicherheit angepasst werden. Eines der Screening-Module ist eine Mikrofluidik-Plattform, das als Inline-Instrument auf Toxizität prüft. Es besteht aus einer Mikrofluidik-Kartusche mit einem Chip mit Mikroloch-Arrays mit einer dünnen, transparenten Membran aus Siliziumnitrid. Die zu prüfenden Säugerzellen werden auf der Siliziumnitridmembran mit hunderten Mikrolöchern angebracht. Die Testsubstanz wird dann durch Mikrofluidik-Kanäle in die Zellen geleitet. Sofern die Substanz biologische Auswirkungen hat, verändern die Zellen ihr Verhalten und ihre Struktur. Diese Veränderungen werden durch verschiedene Endpunktmessungen aufgezeichnet. In anderen Screening-Plattformen wurden auch mehrere In-vitro-Ziele verwendet (von denen bestimmte im Rahmen des Projekts HISENTS entwickelt wurden). Die Reaktionen auf Nanomaterialien werden dann zu einem Toxizitätswert kombiniert.
Inhärent sicheres Design: Das ultimative Ziel der Nanotechnologie
„Die Toxizität von Nanomaterialien wird bei neuen Anwendungen immer beachtet, genauso wie bei innovativen Chemikalien Routineprüfungen erforderlich sind, bevor sie Anwendung finden“, merkt Nelson an. „Der Ansatz von SABYDOMA ermöglicht eine sichere und auch nachhaltige Produktion von Nanomaterialien sowie die Fertigung sicherer Chemikalien und Pharmazeutika, sodass weniger nachfolgende Tests notwendig sind. Eine so wichtige Innovation wird nicht nur möglichen Gefahren vorbeugen, sondern auch den Produktionsprozess beschleunigen, die Fertigungskosten senken und den Abfall in der Kreislaufwirtschaft minimieren.“
Schlüsselbegriffe
SABYDOMA, Nanomaterialien, Screening, Toxizität, Safe-by-Design, inhärent sicheres Design, Produktionslinie, Inline, modellprädiktive Regelung
