Slibning på nanoholdig maling. Foto: Mikkel Østergaard 688x274

Nanomaterialers fysisk-kemiske egenskaber spiller en nøglerolle

Oprettet den 3. dec 2019 - Foto: Mikkel Østergaard

Gode analyser af nanomaterialers fysiske og kemiske egenskaber er nødvendige - både for at kunne afgøre, om det er et nanomateriale, for at forskerne kan fortolke deres toksikologiske test, og for at kunne udvikle redskaber, som virksomheder og myndigheder kan bruge til at gøre arbejdet med nanomaterialer på arbejdspladsen sikker.

Fra 2000 og frem begyndte virksomheder for alvor at få øjnene op for mulighederne i at anvende tekniske nanomaterialer. Det blev muligt at masseproducere både simple og komplekse nanomaterialer med velkontrollerede egenskaber, og deres anvendelse og videre udvikling tog fart. 

I dag anvendes nanomaterialer i en lang række produktioner og produkter over hele verden, og udviklingen fortsætter. Nanomaterialer varierer meget fysisk og kemisk og omfatter i princippet alle former for materialer – både enkeltvis og kombineret med andre til kompositter i nanometerskala. Det har derfor været nødvendigt at finde ud af, hvordan nanomaterialer skal defineres, karakteriseres, undersøges for at kunne beskrive og forstå deres egenskaber samt klassificere og risikovurdere dem i kemisk regulering såvel som på arbejdspladserne. 

En detaljeret forståelse af nanomaterialers fysisk-kemiske sammensætning og egenskaber er også essentiel for at vide, hvad man tester, og for at kunne forstå og generalisere toksikologisk viden om og hvordan nanomaterialer kan påvirke menneskers helbred. 

Ambitionen er, at man ud fra fx nanomaterialernes karakteristika og egenskaber (fx fysisk form, størrelse, kemisk sammensætning, reaktivitet og støvning) kan forudsige, i hvor høj grad man risikerer at blive udsat for dem i arbejdsmiljøet, og om de kan udgøre et muligt sundhedsproblem. 

Ved man, hvilke egenskaber, der kan gøre nanomaterialer farlige, kan man også fokusere på at mindske deres farlighed – safety by design. Forskere verden rundt er stadig ved at undersøge, hvor langt man kan komme med at anvende specifikke fysisk-kemiske egenskaber til at forudsige nanomaterialers helbredsmæssige risici og bruge den viden til at etablere safety-by-design kriterier. 

Dansk Center for Nanosikkerhed har gennemført metodeudvikling og en lang række studier, som har bidraget til dette. Det omfatter både karakterisering og test af nanomaterialer. Her følger fire eksempler:

  1. Ny standard til støvnigstest af nanomaterialer
  2. Luftfugtigheden og kompaktion (tryk) under lagring påvirker støvning
  3. Mulig sammenhæng mellem kulstofnanorørs form og effekter på helbredet
  4. Overfladeaktivitet ser ud til at forårsage DNA-skader i leveren.

1. Ny standard til støvningstest af nanomaterialer

I 2008, før Nanosikkerhedscenteret blev etableret, fik NFA offentliggjort resultater, der viste, at titaniumdioxid (TiO2) nanomaterialer kunne støve op til 300 gange mere end større TiO2-partikler.

- Viden om pulveres støvning er vigtig for at kunne beregne eller direkte modellere, hvilke koncentrationer af partikler, medarbejdere kan blive udsat for, når de arbejder med et pulvermateriale, siger professor Keld Alstrup Jensen, NFA. 

Nanosikkerhedscenteret har derfor arbejdet på at udvikle en metode til at teste nanomaterialers støvning. Konkret har forskerne udviklet en lille støvtromle, som kun har behov for små mængder testmateriale sammenlignet med den daværende Europæisk standarder, og forskerne har testet den på en lang række nanomaterialer. I 2019 blev den lille støvtromle accepteret som en ny Europæisk standard (EN17199-4:2019) til test af materialer der indeholder eller kan afgive støv med nanomaterialer. 

- Vi er stolte over, at vi har kunnet udvikle en metode og se den blive implementeret som en international standard inden for relativ kort tid. Resultaterne fra metoden er meget anvendelige i praksis. Vi har nemlig dokumenteret, at data fra disse støvningstests kan bruges til forholdsvist pålideligt at beregne udsættelsen for partikler ved håndtering af pulvere på arbejdspladser, siger Keld Alstrup Jensen. 

Data for støvningstest er også medtaget som et af de nye resultater, man skal rapportere fra 2020, når man registrerer nanomaterialer i REACH, og metoden er på vej ind i en OECD-guideline, som er under udvikling i et EU-projekt (GOV4NANO).

 

2. Luftfugtigheden og kompaktion (tryk) under lagring påvirker støvning

Nanosikkerhedscenteret har også undersøgt, hvordan lagringen af nanomaterialer på en virksomhed kan påvirke nanomaterialers støvning. Det viser sig, at luftfugtigheden på lageret og i produktionen på en virksomhed, kan få stor betydning for medarbejdernes arbejdsmiljø. Grunden er, at luftfugtighed har stor betydning for, hvor støvende forskellige typer af pulvere er. 

- For visse nanomaterialer har vi også set, at kompaktion (dvs. tryk) kan ændre støvningen. Det kan fx ske, når nanopulveret er granuleret – dvs. består af sammenpressede klumper af mange partikler, forklarer Keld Alstrup Jensen, professor på NFA.

Den viden kan være vigtig i bestemte arbejdssituationer, fordi standardiserede test af partiklers støvning oftest bliver udført ved 50 procent relativ luftfugtighed samtidig med, at materialet måske ikke har været opbevaret i stakke på et lager. I andre tilfælde testes pulvere, som de ankommer til laboratoriet. Det er derfor vigtigt, at man ved, hvad man tester, for at kunne bruge resultaterne rigtigt.

Der er udviklet nogle værktøjer (modeller), som virksomheder kan bruge til at vurdere, hvordan de kan håndtere nanomaterialer i deres arbejdsmiljø og sikre deres medarbejdere mod at blive udsat for skadelige nanomaterialer på arbejdet. Nogle af disse modeller anvender oplysninger om pulvernes støvning. Når en virksomhed skal bruge støvningsdata til at vurdere graden af udsættelse for et nanomateriale, er det vigtigt, at de vurderer, om betingelserne i deres arbejdsmiljø afviger meget fra testbetingelserne. 

- Hvis den relative luftfugtighed på virksomheden er meget lavere end de 50 procent, vil pulveret sandsynligvis støve mere og modellen vil måske undervurdere virksomhedens behov for tekniske og personlige værnemidler. I praksis kan det betyde, at medarbejderne kan blive udsat for uventede høje koncentrationer af nanomaterialer under deres arbejde, forklarer Keld Alstrup Jensen.

 

3. Mulig sammenhæng mellem kulstofnanorørs form og effekter på helbredet

Forskere på nanosikkerhedscenteret har blandt undersøgt, hvordan to meget forskellige typer af kulstofnanorør interagerer med cellerne i lungerne på mus. 

- Vores resultater viser, at lange, lige kulstofnanorør tilsyneladende har lettere ved at undslippe kroppens forsvarsmekanismer end korte, krøllede nanorør. Det kan være årsagen til, at nogle kulstofnanorør har asbestlignende effekter, når de kommer ned i lungerne på mus, siger Ulla Vogel, professor på NFA og leder af Dansk Center for Nanosikkerhed på Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø (NFA). 

- En specifik type lange og lige kulstofnanorør er allerede blevet klassificeret som muligvis kræftfremkaldende for mennesker af WHO’s kræftagentur, IARC, siger hun.   

 

4. Overfladeaktivitet ser ud til at forårsage DNA-skader i leveren

Forskerne fra Nanosikkerhedscenteret har også testet to forskellige hypoteser om, hvordan deponering af kulnanopartikler af typen carbon black i lungerne på mus giver DNA-skader i leveren. 

Resultaterne viser, at DNA-skaderne i leveren sandsynligvis opstår, fordi en lille andel af carbon black nanopartiklerne vandrer fra lungen over i blodbanen og bliver opsamlet i leveren. Her er carbon blacks meget reaktiv overflade årsag til, at der danner reaktive iltforbindelser, der skader cellens DNA. 

- Dette studie viser, at nanopartikler med overflade-katalytisk aktivitet kan forårsage DNA-skader i leveren. Resultaterne bidrager væsentligt til at forstå mekanismerne bag disse nanomaterialers kræftfremkaldende effekt – en viden, som er central i en helbredsbaseret risikovurdering, konkluderer Ulla Vogel.

Fysisk-kemiske egenskaber bestemmer kulstofnanorørs skadelige effekter

En lang række videnskabelige undersøgelser i dyremodeller har vist, at kulstofnanorør kan forårsage inflammation, fibrose og kræft, hvis de kommer ned i lungerne på dyr. Derudover øger de også risikoen for udvikling af hjertekarsygdomme. Men der er forskel på de helbredsskadende effekter af at blive udsat for forskellige typer af kulstofnanorør. 

Derfor har nanosikkerhedscenteret arbejdet på at identificere de fysisk-kemiske egenskaber i 14 forskellige typer af kulstofnanorør, der forudsiger akutfaserespons i lunger og lever på mus – et respons som øger risikoen for hjertekarsygdom.

Resultaterne viser, at både nanorørenes længde, tykkelse og indholdet af tre typer metaller i nanorørenes overflademodificering havde betydning for akutfaseresponset i musenes lunger og lever. Det tyder altså på, at der er en sammenhæng mellem nogle af kulstofnanorørenes fysiske-kemiske egenskaber og deres helbredsskadende effekter. 

- Viden om sammenhængen mellem nanomaterialers fysisk-kemiske egenskaber og effekter på helbredet kan bruges til at forsøge at designe nyttige nanomaterialer, der er mindre skadelige og dermed mindre risikable at håndtere fx i arbejdsmiljøet, siger Ulla Vogel, professor på Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø (NFA) og leder af Dansk Center for Nanosikkerhed.

Læs mere om nanosikkerhedscenterets forskning i karakterisering af nanomaterialer 

To modeller til risikovurdering

Læs mere om nogle af nanosikkerhedscenterets resultater i NFA's temanyhedsbrev om Dansk Center for Nanosikkerhed.

Yderligere oplysninger

Ulla Vogel og Keld Alstrup Jensen, begge professorer på NFA