NFA - Sikker anvendelse af nanoteknologi

1. Resumé

Nanoteknologi er et væsentligt vækstpotentiale for samfundsøkonomien i Danmark. Der er nu omfattende dokumentation for, at en række nanomaterialer har kræftfremkaldende egenskaber, og at nogle påvirker risikoen for at udvikle hjerte-kar-sygdomme. Viden om sammenhæng mellem fysisk-kemiske egenskaber og skadelige effekter kan bruges til at udvikle nye materialer uden de skadelige effekter, kaldet Safe-by-design.

2. Samfundsudfordringer og/eller muligheder

Forekomsten af nanomaterialer på danske arbejdspladser er stigende, hvilket kræver øget opmærksomhed på arbejdsmiljøet. De uafklarede sikkerhedsforhold skyldes, at nanomaterialers særlige egenskaber, set i forhold til større partikler, ikke kun giver grobund for udvikling, innovation og vækst, men også kan være forbundet med negative helbredsmæssige konsekvenser.

Nanopartikler har et stort overfladeareal i forhold til deres samlede masse. Dette udnyttes i mange nanoteknologiske applikationer som fx katalyse. Den store overflade-reaktivitet kan samtidig medføre øget farlighed.

Indånding af partikler øger dødeligheden i epidemiologiske studier, især død forårsaget af hjertekarsygdomme og lungesygdomme (1) (2). Indånding eller anden lungeeksponering for nanopartikler giver større toksikologiske effekter end det tilsvarende konventionelle kemikalie i dyrestudier. Det skyldes, at de små partikler kan trænge helt ned i alveolerne (lungesækkene), hvorimod større partikler primært deponeres i de øvre luftveje (3) (4). Partikler i de øvre luftveje transporteres op i svælget og synkes. Partikler, som deponeres i alveolerne, fjernes langsomt. Indånding af nanopartikler i doser, der ligger ved eller under grænseværdien i arbejdsmiljøet, forårsager langvarig inflammation i dyremodeller (5) (6) (7) (8) (9). Langvarig inflammation er knyttet til øget risiko for sygelighed - både hjertekarsygdom, kræft, allergi, og effekter på graviditet (10) (11) (12) (13) (14).

Kulstofnanorør er samtidig det nanomateriale, som giver anledning til mest bekymring, fordi nogle kulstofnanorør har tydelige asbestlignende egenskaber. Asbest forårsager lungekræft og lunge¬hindekræft (mesotheliom) hos mennesker, fordi det består af lange, tynde, respirable og syreresistente fibre – fysiske karakteristika, som mange typer af kulstofnanorør også har. Kulstofnanorør fjernes meget langsomt fra lungen (15) og forårsager en række asbestlignende symptomer i lungen i dyrestudier (16) (17).

3. Forskningsbehov

Beskrivelse af de forskningsbehov, som udfordringerne/eller mulighederne skaber

Et nanomateriale er et fast stof, hvor partiklerne er mindre end 100 nm i mindst en dimension. Man kan både anvende betegnelsen ’nanopartikler’ for fremstillede nanopartikler og for partikler i nanostørrelse, der forekommer naturligt eller opstår ved fx forbrænding. Tekniske eller producerede nano-materialer (NM) er derimod kun materialer, som er fremstillet ved hjælp af nanoteknologi. NM kan bestå af et enkelt kemisk stof, fx titaniumdioxid (TiO2), eller de kan have en kerne af et stof og en skal eller coating bestående af en eller flere andre stoffer. Partiklerne kan også være modificerede på overfladen, således at fx syregrupper, polymerer, proteiner eller andre forbindelser er kemisk bundet på overfladen af partiklerne. Overfladen har stor betydning for en partikels egenskaber (18), og en ny overfladebelægning eller en funktionalisering kan derfor medføre, at partiklerne ændrer afgørende egenskaber.

Nanopartikler fremstilles typisk for at indgå i et kompositmateriale, blandes i en maling, cement, plast, glasfiber osv. og derved blive indstøbt i en matrice. Vi ved meget lidt om nanopartiklers toksicitet, når de indgår i en matrice, der derefter nedbrydes. En bestemt type kulstofnanorør er for nyligt klassificeret som muligvis kræftfremkaldende hos mennesker af The International Agency for Research on Cancer (IARC), og det er endvidere for nyligt vist, at andre kulstofnanorør også fremkalder kræft ved indånding i dyrestudier.

Der udvikles hele tiden nye applikationer for nanomaterialer og nye nanomaterialer. Det er derfor nødvendigt at klarlægge mekanismerne bag de skadelige effekter og klarlægge hvilke fysisk-kemiske egenskaber, der driver de skadelige effekter, således der ikke er behov for at teste hvert enkelt nyt nanomateriale. Viden om sammenhæng mellem fysisk-kemiske egenskaber og skadelige effekter kan derudover bruges til at udvikle nye materialer uden de skadelige effekter, kaldet Safe-by-design.

Nanomaterialer opfører sig anderledes i luft end større partikler. Der er derfor behov for viden om, hvordan man skal måle eksponering for nanomaterialer på arbejdspladser og for at udvikle standarder for, hvordan det skal gøres.

Det er vigtigt at udvikle standardiserede protokoller for karakterisering, toksikologisk testning og måling af nanomaterialer for at sikre sammenlignelighed og international koordinering.

4. Forhold vedrørende udmøntning og implementering af forskningsindsatsen

Dansk forskning i nanosikkerhed skal ses i europæisk og international sammenhæng. EU spiller en vigtig rolle i dansk regulering af kemikalier og dermed for nanosikkerhed, og det er vigtigt, at Danmark deltager aktivt i den europæiske videnskabelige diskussion af, hvordan man skal håndtere nanomaterialer i arbejdsmiljøet.

5. Danske forudsætninger

Danmark har, med Dansk Center for Nanosikkerhed, relevante aktiviteter på de store universiteter og deltagelse i ca. 18 EU-projekter om sikkerhedsmæssige- og regulatoriske aspekter af nanoteknologi, markeret sig som et forgangsland indenfor nanosikkerhed.

Danmark har en repræsentant i SCOEL og bidrager i OECD-arbejdsgrupper om nanosikkerhed.

På det videnskabelige område er Danmark blandt de førende indenfor forskning i toksikologiske mekanismer af nanopartikler, udvikling af eksponeringsvurderinger og validering af måleteknikker og modeller for spredning.

6. Mål, effekt og perspektiver

Danmark satser på nanoteknologien. En sikker anvendelse kan være en betydelig konkurrenceparameter. Forudgående kendskab til toksikologiske effekter, relevante forholdsregler og mulige substitutionsmuligheder vil medføre, at Danmark kan engagere sig i dette lovende udviklingsområde og sikre et sikkert arbejdsmiljø.

7. Kontaktperson

Ulla Birgitte Vogel, Professor, Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø, København. ubv@nrcwe.dk. 39165227

8. Forslagets prioritering

Andenprioritet blandt NFA’s tre indspil.

Referencer:

1. C.A.Pope, III, R.T.Burnett, G.D.Thurston, M.J.Thun, E.E.Calle, D.Krewski, J.J.Godleski. Cardiovascular mortality and long-term exposure to particulate air pollution: epidemiological evidence of general pathophysiological pathways of disease, Circulation. 109 (2004) 71-77.
2. B.Brunekreef, S.T.Holgate. Air pollution and health, Lancet. 360 (2002) 1233-1242.
3. G.Oberdorster, E.Oberdorster, J.Oberdorster. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles, Environ Health Perspect. 113 (2005) 823-839
4. G.Oberdorster, A.Maynard, K.Donaldson, V.Castranova, J.Fitzpatrick, K.Ausman, J.Carter, B.Karn, W.Kreyling, D.Lai, S.Olin, N.Monteiro-Riviere, D.Warheit, H.Yang. Principles for characterizing the potential human health effects from exposure to nanomaterials: elements of a screening strategy, Part Fibre. Toxicol. 2:8. (2005).
5. K.S.Hougaard, K.A.Jensen, P.Nordly, C.Taxvig, U.Vogel, A.T.Saber, H.Wallin. Effects of prenatal exposure to diesel exhaust particles on postnatal development, behavior, genotoxicity, and inflammation in mice, Part Fibre. Toxicol. 5 (2008) 3.
6. A.T.Saber, K.A.Jensen, N.R.Jacobsen, R.Birkedal, L.Mikkelsen, P.Moller, S.Loft, H.Wallin, U.Vogel. Inflammatory and genotoxic effects of nanoparticles designed for inclusion in paints and lacquers, Nanotoxicology (2011).
7. L.Ma-Hock, S.Treumann, V.Strauss, S.Brill, F.Luizi, M.Mertler, K.Wiench, A.O.Gamer, R.B.van, R.Landsiedel. Inhalation toxicity of multiwall carbon nanotubes in rats exposed for 3 months, Toxicol. Sci. 112 (2009) 468-481.
8. P.Jackson, K.S.Hougaard, A.M.Boisen, N.R.Jacobsen, K.A.Jensen, P.Moller, G.Brunborg, K.B.Gutzkow, O.Andersen, S.Loft, U.Vogel, H.Wallin. Pulmonary exposure to carbon black by inhalation or instillation in pregnant mice: Effects on liver DNA strand breaks in dams and offspring, Nanotoxicology (2011).
9. J.A.Bourdon, A.T.Saber, N.R.Jacobsen, K.A.Jensen, A.M.Madsen, J.S.Lamson, H.Wallin, P.Moller, S.Loft, C.L.Yauk, U.B.Vogel. Carbon Black Nanoparticle Instillation Induces Sustained Inflammation and Genotoxicity in Mouse Lung and Liver, Part Fibre Toxicol. 9 (2012) 5.
10. P.M.Ridker, C.H.Hennekens, J.E.Buring, N.Rifai. C-reactive protein and other markers of inflammation in the prediction of cardiovascular disease in women, N. Engl. J. Med. 342 (2000) 836-843.
11. P.Jackson, S.Halappanavar, K.S.Hougaard, A.Williams, A.M.Madsen, Lamson J.S., O.Andersen, C.L.Yauk, Wallin H., Vogel U. Maternal inhalation of surface-coated nanosized titanium dioxide (UV-Titan) in C57BL/6 mice: Effects in prenatally exposed offspring on hepatic DNA damage and gene expression. Nanotoxicology . 2011.
12. P.Jackson, K.S.Hougaard, U.Vogel, D.Wu, L.Casavant, A.Williams, M.Wade, C.L.Yauk, H.Wallin, S.Halappanavar. Exposure of pregnant mice to carbon black by intratracheal instillation: Toxicogenomic effects in dams and offspring, Mutat. Res 745 (2012) 73-83.
13. A.T.Saber, J.S.Lamson, N.R.Jacobsen, G.Ravn-Haren, K.S.Hougaard, A.N.Nyendi, P.Wahlberg, A.M.Madsen, P.Jackson, H.Wallin, U.Vogel. Particle-induced pulmonary acute phase response correlates with neutrophil influx linking inhaled particles and cardiovascular risk, PLoS. One. 8 (2013) e69020.
14. A.T.Saber, N.R.Jacobsen, P.Jackson, S.S.Poulsen, Z.O.Kyjovska, S.Halappanavar, C.L.Yauk, Wallin H., Vogel U. Particle-induced pulmonary acute phase response may be the causal link between particle inhalation and cardiovascular disease, WIREs Nanomed Nanobiotechnol doi: 10.1002/wnan.1279 (2014).
15. J.Pauluhn. Subchronic 13-Week Inhalation Exposure of Rats to Multiwalled Carbon Nanotubes: Toxic Effects Are Determined by Density of Agglomerate Structures, Not Fibrillar Structures, Toxicological Sciences 113 (2010) 226-242.
16. K.Donaldson, F.A.Murphy, R.Duffin, C.A.Poland. Asbestos, carbon nanotubes and the pleural mesothelium: a review of the hypothesis regarding the role of long fibre retention in the parietal pleura, inflammation and mesothelioma, Part Fibre. Toxicol. 7 (2010) 5.
17. C.A.Poland, R.Duffin, I.Kinloch, A.Maynard, W.A.H.Wallace, A.Seaton, V.Stone, S.Brown, W.MacNee, K.Donaldson. Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilot study, Nature Nanotechnology 3 (2008) 423-428.
18. D.B.Warheit, T.R.Webb, K.L.Reed, S.Frerichs, C.M.Sayes. Pulmonary toxicity study in rats with three forms of ultrafine-TiO2 particles: differential responses related to surface properties, Toxicology 230 (2007) 90-104.

• Hent indspillet i PDF her