Einzige Anlaufstelle gewährleistet Sicherheit und Nachhaltigkeit von Nanomaterialien
Obwohl Nanotechnologie häufig als Schlüsseltechnologie zur potenziellen Revolutionierung einer Vielzahl von Industriesektoren angeführt wird, gibt sie immer noch Anlass zu Bedenken. Winzige Nanopartikel, die in einer vielfältigen Produktpalette von Sonnenschutzmitteln bis hin zur Wirkstoffverabreichung zum Einsatz kommen, können die schützenden inneren Barrieren von Lebewesen, beispielsweise schleimproduzierende Membranen, überwinden. Werden sie eingeatmet oder verschluckt, können sie Gewebe im Gehirn, in der Lunge oder im Herzen angreifen. Sie können außerdem in den Boden oder ins Wasser gelangen, was eine potenzielle Gefahr für Wasser- und Landorganismen darstellt. „Bevor wir das von Nanopartikeln ausgehende Risiko beherrschen können, müssen wir zunächst ihre physikochemischen Eigenschaften und ihre Auswirkungen während der Exposition besser verstehen. Dann können wir geeignete Maßnahmen zur Schadensbegrenzung vorschlagen“, sagt Carlos Rumbo Lorenzo, Mitkoordinator des Projekts DIAGONAL. Neben diesem Ziel haben Rumbo und sein Team an der Universität Burgos in Spanien versucht, die Auswirkungen von Nanomaterialien auf die Nachhaltigkeit besser in Zahlen auszudrücken. „Es ist wichtig, die globalen Vorteile einer zukünftigen, weitverbreiteten Nutzung präzise nachzuvollziehen“, sagt Rumbo. Das Projektteam hat bereits 28 begutachtete Artikel in Fachzeitschriften hervorgebracht, wobei weitere in Vorbereitung sind. Zudem wurden im Rahmen des Projekts Instrumente entwickelt, die für Entscheidungen in der Industrie Verantwortliche dabei unterstützen sollen, inhärent sichere und nachhaltige Grundsätze auf Nanomaterialien anzuwenden.
Nanopartikel charakterisieren
Die meisten Forschungsarbeiten im Nanopartikelbereich konzentrieren sich auf ursprüngliche oder einfache Nanoformen. Das Team von DIAGONAL konzentrierte sich auf komplexere Multikomponenten-Nanomaterialien und Nanomaterialien mit hohem Aspektverhältnis. Sie wurden innerhalb von sieben industriellen Demonstratoren in den Bereichen Kosmetik, Gesundheit, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Öl und Gas, Textilien und gedruckte Elektronik untersucht. Im Zuge der Demonstrationen wurden Nanopartikelproben zur Verfügung gestellt, sodass Rumbos Team deren physikochemische Eigenschaften wie etwa Zusammensetzung, Größe und Oberflächenchemie erkunden konnte. In der Zwischenzeit wurden realistische In-vitro-Zellmodelle, u. a. der Lunge, des Magen-Darm-Trakts, von Haut- und Immunzellen, entwickelt, um die Auswirkungen der Exposition des Menschen zu erforschen. Außerdem wurde eine Vor-Ort-Überwachung in den Industrieanlagen der Demonstrationsstandorte durchgeführt, um detaillierte Arbeitsplatzdaten zu sammeln. Zur Bewertung der ökologischen Auswirkungen untersuchte das Team die Auswirkungen von Nanopartikeln auf ausgewählte Modellarten aus verschiedenen Lebensräumen: Würmer (Boden), Biofilm aus Pseudomonas putida (Sediment) sowie Daphniden und Algen (Süßwasser). Die kombinierten Daten, ergänzt um molekulare Modellierung und Maschinenlernverfahren, dienten dem DIAGONAL-Team als Grundlage seiner Erkenntnisse. Rumbo erklärt: „Unsere Modelle charakterisieren die Struktur von Nanopartikeln und simulieren ihr Verhalten in realen Umgebungen. Dank KI können wir jetzt Modelle erstellen, um die Toxizität eines bestimmten Multikomponenten-Nanomaterials oder Nanomaterials mit hohem Aspektverhältnis vorherzusagen.“
Vertrauen in die Nanotechnologie
Die Versuchs- und Modellierungsarbeit des DIAGONAL-Teams hat zur Entwicklung von inhärent sicheren und nachhaltigen Strategien inspiriert, die von den Industriepartnern des Projekts validiert und mithilfe der Demonstratoren umgesetzt wurden. Diese können über das Instrument zur Entscheidungsunterstützung von DIAGONAL abgerufen werden, das die relative Sicherheit von Nanopartikeln in bestimmten Szenarien bewertet, bevor spezifische inhärent sichere und nachhaltige Strategien zusammen mit Wertungen der zu erwartenden Auswirkungen vorgeschlagen werden. Entscheidend ist, dass diese Wertungen nicht nur Sicherheitsaspekte, sondern gleichermaßen umfassendere ökologische, wirtschaftliche und soziale Auswirkungen widerspiegeln. „Bei der Bewertung der Auswirkungen der inhärent sicheren und nachhaltigen Strategien des Instruments auf Nachhaltigkeitsprobleme in drei Fallstudien konnten wir durchweg erhebliche Verbesserungen feststellen. In einer Fallstudie haben wir errechnet, dass die Neugestaltung von Zinkoxidnanopartikeln mit einer Minderung der Umweltrisiken um 68 % und der sozialen Risiken um 87 % sowie einer Kostensenkung um 25 % einhergeht“, fügt Projektmitkoordinatorin Sonia Martel Martin hinzu. Das Entscheidungshilfeinstrument wird neben weiteren Risikomanagement-Webtools auf der Cloud-basierten Plattform von DIAGONAL gehostet. „Unsere einzige Anlaufstelle bietet offenen Zugang zu den aktuellsten Informationen für sektorspezifische Risikomanagementempfehlungen. Mit offenen Datenbanken und kontinuierlicher Zusammenarbeit wird dies auch weiterhin gewährleistet“, fügt Rumbo hinzu. Zu diesem Zweck entwickelt das Team die Unterstützungsinstrumente weiter und beteiligt sich bereits an gemeinsamen Aktivitäten mit gleichgesinnten Projekten zum Thema inhärent sicheres und nachhaltiges Design wie etwa SUNRISE und DESIDERATA.
Schlüsselbegriffe
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