Eine interdisziplinär durchgeführte Studie aus dem EU-finanzierten Großprojekt „Graphene Flagship“ kommt zu dem Schluss, dass graphenhaltige Nanopartikel vernachlässigbare Gesundheitsrisiken bergen. Die Ergebnisse haben die Forschenden kürzlich im „Journal of Hazardous Materials“ veröffentlicht.

Verbesserung der Materialeigenschaften

Graphenhaltige Materialien können die Festigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und den Wärmetransport von Verbundwerkstoffen für eine Vielzahl von Anwendungen erheblich verbessern. In Konzentrationen von bis zu fünf Gewichtsprozent werden sie häufig zur Verstärkung von Polymeren verwendet.

Da es sich bei Graphen und mit Graphen verwandten Materialien (graphene-related materials, GRM) um eine relativ neue Materialgruppe handelt, müssen Graphen und GRM vor der Vermarktung sorgfältig geprüft werden, um mögliche negative Auswirkungen zu ermitteln. Dies ist nun unter Leitung der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) im Rahmen der Studie geschehen. Das internationale Forscherteam untersuchte hierzu Partikel auf Graphenbasis, die nach dem Abrieb von Polymerverbundwerkstoffen freigesetzt werden.

Simulation des Produktlebenszyklus

Das Forscherteam stellte einen Verbundwerkstoff aus Polyamid 6 (PA6) mit 2,5 Prozent reduziertem Graphenoxid (rGO) her, einer Form von Graphen, die die Verstärkung des Polymers erhöht. Polyamid 6, auch bekannt als Nylon-6, ist ein thermoplastisches Polymer, das in verschiedenen Bereichen wie Automobil- und Sportausrüstung verwendet wird. Anschließend wurde das Material abgeschliffen, um eine Weiterverarbeitung oder ein «End-of-Life»-Szenario zu simulieren. Dabei entstanden Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,9 μm bei rGO-PA6 bzw. 3,2 μm bei reinem PA6.

Mögliche Expositionswege In-vitro und In-vivo

Die Forschenden analysierten und verglichen die Auswirkungen der abgeschliffenen Partikel entlang der wahrscheinlichsten Expositionswege aus PA6-rGO, PA6 allein oder reinem rGO. Dazu verwendeten sie eine Reihe etablierter In-vitro-Modelle, die repräsentativ für das Immunsystem und mögliche Zielorgane wie Lunge, Darm und Haut sind. In den verschiedenen In-vitro-Modellen wurden begrenzte Reaktionen auf die PA6-rGO-Exposition festgestellt. Nur as-produziertes rGO induzierte erhebliche schädliche Wirkungen, insbesondere in Makrophagen, einer Art von Immunzellen.

Da das Einatmen von luftgetragenen Materialien ein wichtiges berufliches Problem darstellt, wollte das Team außerdem prüfen, ob sich die in vitro festgestellten Reaktionen auf diese Materialien in vivo in schädliche Wirkungen umsetzen lassen. Zu diesem Zweck wurde die Reaktion 1, 7 und 28 Tage nach einer einmaligen Lungenexposition bei Mäusen untersucht. In Übereinstimmung mit den In-vitro-Daten löste PA6-rGO eine geringfügige und vorübergehende Lungenentzündung aus, die nach 28 Tagen abklang. Im Gegensatz dazu löste rGO eine länger anhaltende, wenn auch moderate Entzündung aus, die innerhalb von 28 Tagen nicht zu einem Gewebeumbau führte.

Optimistisch stimmende Ergebnisse

Insgesamt deutet die vorliegende Studie darauf hin, dass die Auswirkungen von GRM-Füllstoffen wie rGO auf die menschliche Gesundheit unter akuten Expositionsbedingungen vernachlässigbar sind, wenn sie aus Verbundwerkstoffen in den am Arbeitsplatz zu erwartenden Dosen freigesetzt werden.

Andrea C. Ferrari, Wissenschafts- und Technologiebeauftragter des Graphen-Flaggschiffs und Vorsitzender des Verwaltungsgremiums, fügt hinzu: „Diese umfassende Studie über die mögliche Toxizität von Graphen-Polymer-Verbundstofffragmenten unterstreicht die zentrale Rolle, die Gesundheit und Sicherheit im Graphen-Flaggschiff von Anfang an gespielt haben. Wenn diese Verbundwerkstoffe zu industriellen Teilen verarbeitet werden, muss man sich ernsthaft mit den möglichen gesundheitlichen Auswirkungen der emittierten/abgeschliffenen Partikel auseinandersetzen. Es ist beruhigend zu sehen, dass diese Studie vernachlässigbare Auswirkungen zeigt und damit die Tauglichkeit von Graphen für Massenanwendungen bestätigt“.

Weitere Informationen zum Projekt „Graphene Flagship“ finden Sie hier.