Nanomaterialer

Indledning

Hvad er nanomaterialer?

Videnskabsfolk er ikke enstemmigt blevet enige om en præcis definition af nanomaterialer, men er enige om, at de delvist er karakteriseret ved deres lille størrelse, målt i nanometer. En nanometer er en milliontedel af en millimeter – ca. 100.000 gange mindre end diameteren på et menneskehår.

Nanostørrelsespartikler findes i naturen og kan skabes af en række forskellige produkter, f.eks. kulstof eller mineraler som sølv, men nanomaterialer skal pr. definition have mindst én dimension, der er mindre end ca. 100 nanometer. De fleste materialer i nanoskala er for små til at kunne ses med det blotte øje og selv med konventionelle laboratoriemikroskoper.

Materialer, der er konstrueret i en så lille skala, kaldes ofte konstruerede nanomaterialer (ENM’er), som kan få unikke optiske, magnetiske, elektriske og andre egenskaber. Disse nye egenskaber har potentiale til at få stor betydning inden for elektronik, medicin og andre områder. F.eks.

1. Nanoteknologi kan f.eks. bruges til at designe lægemidler, der kan målrettes mod bestemte organer eller celler i kroppen, f.eks. kræftceller, og øge effektiviteten af behandlingen.
2. Nanomaterialer kan også tilsættes cement, stof og andre materialer for at gøre dem stærkere og samtidig lettere.
3. Deres størrelse gør dem yderst nyttige i elektronik, og de kan også bruges i forbindelse med miljøsanering eller oprydning for at binde sig til og neutralisere giftstoffer.

Men selv om konstruerede nanomaterialer giver store fordele, ved vi meget lidt om de potentielle virkninger på menneskers sundhed og miljøet. Selv velkendte materialer, som f.eks. sølv, kan udgøre en fare, når de er konstrueret til nanostørrelse.

Nanostørrelsepartikler kan trænge ind i menneskekroppen ved indånding og indtagelse og gennem huden. Fibrøse nanomaterialer fremstillet af kulstof har vist sig at fremkalde betændelse i lungerne på en måde, der ligner asbest.

Hvor findes nanomaterialer?

Nogle nanomaterialer kan forekomme naturligt, f.eks. blodbårne proteiner, der er livsvigtige, og lipider, der findes i blodet og i kropsfedt. Forskere er imidlertid særligt interesserede i konstruerede nanomaterialer (ENM’er), som er designet til brug i mange kommercielle materialer, anordninger og strukturer. Tusindvis af almindelige produkter – herunder solcreme, kosmetik, sportsartikler, pletbestandigt tøj, dæk og elektronik – er allerede fremstillet ved hjælp af ENM’er. De indgår også i medicinsk diagnose, billeddannelse og lægemiddelafgivelse og i miljøsanering.

Hvad er nogle af de vigtigste punkter, som NIEHS og NTP ønsker, at folk skal vide om ikke-materialer?

Der er tre vigtige punkter:

• Der findes ikke en enkelt type nanomateriale. Nanomaterialer kan i teorien fremstilles af mineraler og næsten alle kemiske stoffer, og de kan variere med hensyn til sammensætning, primær partikelstørrelse, form, overfladebelægninger og styrke af partikelbindinger. Nogle få af de mange eksempler omfatter nanokrystaller, som består af en kvantepunkt omgivet af halvledermaterialer, sølv i nanoskala, dendrimere, som er gentagne gange forgrenede molekyler, og fullerener, som er kulstofmolekyler i form af en hul kugle, en ellipsoide eller et rør.
• Den lille størrelse gør materialet både lovende og udfordrende. For forskere ses nanomaterialer ofte som et “tveægget sværd”. De egenskaber, der gør nanomaterialer potentielt fordelagtige i produktudvikling og lægemiddelafgivelse, såsom deres størrelse, form, høje reaktivitet og andre unikke egenskaber, er de samme egenskaber, der giver anledning til bekymring med hensyn til arten af deres interaktion med biologiske systemer og potentielle virkninger i miljøet. Nanoteknologi kan f.eks. gøre det muligt for sensorer at påvise meget små mængder af kemiske dampe, men ofte er der ingen midler til at påvise niveauet af nanopartikler i luften – et særligt problem på arbejdspladser, hvor der anvendes nanomaterialer.
• Forskning med fokus på de potentielle sundhedseffekter af fremstillede materialer i nanoskala er under udvikling, men meget er endnu ikke kendt. NIEHS er forpligtet til at udvikle nye anvendelser inden for miljøhygiejnevidenskab, samtidig med at man undersøger de potentielle risici, som disse materialer kan indebære for menneskers sundhed.

Hvorfor er NIEHS involveret i nanoteknologi?

NIEHS har to primære interesser inden for nanoteknologi: at udnytte kraften i konstruerede nanomaterialer til at forbedre folkesundheden og samtidig forstå de potentielle risici, der er forbundet med eksponering for materialerne.

Hvad gør NIEHS?

I øjeblikket ved man meget lidt om materialer i nanoskala, og hvordan de påvirker menneskers sundhed og miljøet. NIEHS er forpligtet til at støtte udviklingen af nanoteknologier, der kan anvendes til at forbedre produkter og løse globale problemer inden for områder som energi, vand, medicin og miljøsanering, samtidig med at de potentielle risici, som disse materialer udgør for menneskers sundhed og miljøet, undersøges. NIEHS-forskere har forpligtet sig til at forebygge gennem design, hvilket er et udtryk for bestræbelserne på at undgå potentielle farer i forbindelse med produktion, brug eller bortskaffelse af produkter og anordninger på nanoskala ved at forudse dem på forhånd.

NIEHS har udviklet et integreret, strategisk forskningsprogram, der omfatter støtte til støttemodtagere, udnyttelse af vores interne forskningsekspertise, investering i udvikling af nanobaserede applikationer, der er til gavn for miljøet og folkesundheden, og udnyttelse af det nationale toksikologiske programs (NTP) toksicitetsundersøgelseskapacitet i verdensklasse for at forstå virkningerne af konstruerede nanomaterialer på menneskers sundhed og for at støtte målene i det nationale nanoteknologiinitiativ .

En af de vigtigste måder, hvorpå NIEHS støtter forskning i de sundhedsmæssige virkninger af konstruerede nanomaterialer, er gennem NIEHS-konsortiet Centers for Nanotechnology Health Implications Research (NCNHIR). NCNHIR er et tværfagligt program, der består af otte Cooperative Centers og andre aktive støttemodtagere. Konsortiets forskere, der blev oprettet i 2010, arbejder på at forstå, hvordan konstruerede nanomaterialer interagerer med biologiske systemer, og hvordan disse virkninger kan påvirke menneskers sundhed.

NIEHS har også indgået kontraktlige aftaler om karakterisering af nanomaterialer og en informationsdatabase for at støtte dette konsortium. De overordnede mål med denne indsats er at opnå grundlæggende viden om ENM’s interaktioner med biologiske systemer for bedre at forstå potentielle sundhedsrisici i forbindelse med ENM-eksponering. Disse resultater vil også være en rettesnor for sikker udvikling og anvendelse af nanoteknologi.

Konsortiet er vokset ud af det arbejde, der blev indledt af støttemodtagere, som blev støttet gennem tilskudsprogrammet Engineered Nanomaterials Grand Opportunity (Nano GO), der blev finansieret gennem den amerikanske genopretnings- og geninvesteringslov (American Recovery and Reinvestment Act). NCNHIR-konsortiet fortsætter med at bygge videre på forskningsprotokollerne og erfaringerne fra Nano GO.

Dertil kommer, at NIEHS har dannet partnerskaber med andre føderale agenturer for at støtte støttemodtagere i hele landet som led i sit program for miljømæssig sundhed og sikkerhed. F.eks. er NIEHS i årenes løb gået sammen med Environmental Protection Agency (EPA), National Science Foundation (NSF), National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) og andre NIH-institutter og -centre (IC’er) for at støtte forskningsstrategier, der omhandler miljømæssige sundheds- og sikkerhedsaspekter af konstruerede materialer.

Besøg NIEHS’ websted om Nano Environmental Health and Safety (Nano EHS) for at få yderligere oplysninger om NIEHS’ engagement inden for nanoteknologi.

Besøg webstedet “Who We Fund” for at få en komplet liste over NIEHS-støttede bevillinger. Webstedet “Who We Fund: Listen “Application of Technology to Disease – Nanotechnology” identificerer NIEHS-støttemodtagere, der arbejder med nanoteknologi.

NIH Research Portfolio Online Reporting Tools (REPORT) giver adgang til rapporter, data og analyser af NIH’s forskningsaktiviteter.

NIH Funding Opportunities and Notices er online.

Nanotechnology Notable Papers and Advances – En søgbar liste over 401 nanoteknologipapirer, der er støttet af NIEHS og American Recovery and Reinvestment Act of 2009 (ARRA) tilskud fra 2010 – 12. juli 2017

NanoHealth and Safety – NIEHS tilskynder til og støtter forskning i de underliggende egenskaber af konstruerede nanomaterialer (ENM) for at bestemme deres potentielle biokompatibilitet eller toksicitet for menneskers sundhed. Konsortier, der er oprettet af NIEHS, fremmer samarbejde med henblik på at opbygge et fundament af forståelse for, hvordan de unikke kemiske og fysiske egenskaber, der opstår på nanoskalaen, kan påvirke interaktioner mellem miljøeksponering og kroppen.

Kan du give eksempler på den type arbejde, som NIEHS har finansieret?

NIEHS-forskere har udarbejdet hundredvis af artikler, der fremmer vores viden om nanomaterialer og deres potentielle indvirkning på miljøet. Et lille udsnit viser dybden og bredden af arbejdet:

• Forskere var bekymrede for, om inhalerede kulstofnanorør kunne føre til visse lungesygdomme, herunder pleurafibrose, som resulterer i en hærdning og fortykkelse af det væv, der dækker lungerne, og som hæmmer vejrtrækningen. For at afprøve denne hypotese udsatte de laboratoriemus for forskellige doser af forurenende stoffer og nanopartikler. Mus, der blev udsat for visse doser af kulstofnanorør, udviklede subplural fibrose blot to til seks uger efter indånding af kulstofnanorør. Arbejdet tyder på, at det er klogt at minimere indånding af nanorør, indtil der er foretaget yderligere langsigtede vurderinger.

• Lette koncentrationer af kulstofnanopartikler havde dybtgående virkninger på celler, der beklæder nyretubuli – en kritisk struktur i nyrerne. Både barrierecellefunktion og proteinekspression blev påvirket. Resultaterne viser, at kulstofnanopartikler påvirker nyrecellerne ved lavere koncentrationer end tidligere kendt, og de antyder forsigtighed med hensyn til at øge niveauet af kulstofnanopartikler, der kommer ind i fødekæden.

• Materialer i nanoskala anvendes i mange kosmetiske produkter, solcreme og andre forbrugerprodukter. En eventuel optagelse af materialerne gennem huden og de potentielle konsekvenser er ikke blevet fastlagt. NIEHS-finansierede forskere anvendte nanostørrelsespartikler af cadmiumselenid, et kendt kræftfremkaldende stof , på hårløse forsøgsmus. De fandt ud af, at når musenes hud var blevet skrabet af for at fjerne de øverste hudlag, inden opløsningen blev påført, blev der påvist forhøjet cadmiumindhold i musenes lymfeknuder og lever. Når kvantepletterne af cadmiumselenid blev påført musenes uforstyrrede hud, blev der ikke påvist nogen konsekvent cadmiumforøgelse i organerne. Undersøgelsen konkluderede, at hudens absorption af nanomaterialer afhænger af hudbarrierens kvalitet, og at fremtidige risikovurderinger bør tage hensyn til centrale barriereaspekter af huden og dens generelle integritet.

• Nanomaterialer er meget lovende i forbindelse med lægemiddeloverførsel med mulighed for at ramme kræftceller med et lægemiddel, men undgå et angreb på sunde celler. En NIEHS-finansieret undersøgelse viste, at evnen hos to linjer af kræftceller til at absorbere nanoformede, stavformede partikler varierede afhængigt af nanopartiklernes aspektforhold – dvs. proportionerne mellem partiklernes højde og bredde. Denne opdagelse kan bidrage til at opnå en mere effektiv lægemiddeltilførsel.
  Ryman-Rasmussen JP, MF Cesta, AR Brody, JK Shipley-Phillips, JI Everitt, EW Tewskbury, OR Moss, BA Wong, DE Dodd, ME Anderson JC Bonner. Inhalerede kulstofnanorør når frem til det subplurale væv hos mus. Nature Nanotechnology (2009) v. 4 (11): 747-51. Abstract

  Blazer-Yost BL, A Banga, A Amos, E Chernoff , X Lai, C Li, S Mitra, FA Witzmann. Effekt af kulstofnanopartikler på nyreepitelcellestruktur, barrierefunktion og proteinekspression. Nanotoxicology (2011) v.5 (3):354-71. Abstract

  Gopee, N, D Roberts, P Webb, C Cozart, P Siitonen, J Latendresse, A Warbitton A, W Yu, V Colvin, N Walker, P Howard. Kvantitativ bestemmelse af hudpenetration af PEG-belagte CdSe-kvantepunkter i dermadraseret, men ikke i intakt hud af SKH-1 hårløs mus. Toxicological Sciences (2009) v. 111(1):37-48. Abstract

  Meng H, S Yang, Z Li, T Xia, J Chen, Z Ji, Z Ji, H Zhang, X Wang, S Lin, C Huang, Z Z Zhou, J Zink, A Nel. Aspektforholdet bestemmer mængden af optag af mesoporøse silica-nanopartikler ved hjælp af en lille GTPase-afhængig makropinocytose-mekanisme. ACS nano (2011) v. 5 (6): 4434-47. Resumé

Hvad gør NIEHS for at fremme udviklingen og anvendelsen af nanomaterialer til brug i miljøsundhedsforskning?

En stor del af NIEHS’s indsats er fokuseret på den potentielle toksicitet af konstruerede materialer. NIEHS har imidlertid udviklet et program for anvendelse af nanoteknologi hovedsagelig gennem Cadmium-indsatsen, herunder muligheder for bioteknologisk forskning med flere institutter, NIH Genes, Environment and Health Initiative og Small Business Program (SBIR). NIEHS-finansierede støttemodtagere arbejder på at udvikle nanoteknologibaserede sensorer til påvisning af eksponering for giftige forurenende stoffer, som vil bidrage til at øge vores forståelse af de biologiske konsekvenser af eksponering, og udvikle strategier til at reducere miljøfaktorers giftighed. Der ydes støtte til flere forskerinitierede tilskud.

Specifikt, hvordan er Superfund Research Program involveret i nanoteknologirelaterede spørgsmål?

Superfund Research Program støtter tilskudsmodtagere, der udvikler nye eller forbedrede teknologier og metoder, herunder det lovende område nanoteknologi, for at hjælpe med at overvåge og sanere eller rydde op omkring Superfund-områder. Nanomaterialer giver nogle klare fordele ved rensningsteknologier, f.eks. et stort overfladeareal i forhold til volumen og høj kemisk reaktivitet. Superfund-forskere undersøger også, hvordan nanomaterialer opfører sig i miljøet, når de anvendes til sanering.
For mere information specifikt relateret til nanoteknologi kan du besøge SRP Search webside og indtaste søgeordet “nano*”.SRP er et netværk af universitetstilskud, der er designet til at finde løsninger på de komplekse sundheds- og miljøproblemer, der er forbundet med landets farlige affaldsdepoter. Den forskning, der udføres af SRP, er en koordineret indsats med Environmental Protection Agency, som er den føderale enhed, der har til opgave at rydde op efter de værste farlige affaldspladser i landet.

S SRP samarbejder også med andre agenturer om at gennemføre interaktive webbaserede “Risk e Learning”-seminarer, der giver oplysninger om innovative teknologier til behandling og karakterisering af websteder til samfundet, der beskæftiger sig med sanering af farligt affald. Besøg websiden Nanotechnology – Applications and Implications for Superfund webpage for at få en liste over nogle af de seminarer, der vedrører nanoteknologi.

Hvad gør det nationale toksikologiske program (NTP) for at vurdere de sundhedsrisici, der er forbundet med nanoteknologi?

Det nationale toksikologiprogram er involveret i et bredt baseret forskningsprogram for at behandle de potentielle sundhedsrisici for mennesker i forbindelse med fremstilling og brug af nanomaterialer.

Videnskabsfolk ved de tre kerneagenturer, som NTP består af – NIEHS, National Center for Toxicological Research ved U.S. Food and Drug Administration og National Institute for Occupational Safety and Health under Centers for Disease Control and Prevention – arbejder på at evaluere de toksikologiske egenskaber af et repræsentativt tværsnit af flere forskellige klasser af nanomaterialer, herunder (1) metaloxider, (2) fluorescerende krystallinske halvledere (quantum dots), (3) kulstoffullerener (Buckyballs ) og (4) kulstofnanorør gennem NTP’s Nanotechnology and Safety Initiative (NTP-initiativ om nanoteknologi og sikkerhed). De vigtigste parametre, der giver anledning til størst bekymring i forhold til deres potentielle toksicitet, er størrelse, form, overfladekemi og sammensætning. Forskere anvender undersøgelser på forsøgsdyr og celler samt matematiske modeller til at evaluere og forudsige, hvor disse materialer kommer ind i kroppen, og hvilke potentielle sundhedsvirkninger de kan forårsage.

Hvad gør NIEHS for at hjælpe med at beskytte arbejdstagere, der udsættes for nanomaterialer?

NIEHS Worker Education and Training Program (WETP) støtter arbejdstagere, der er beskæftiget med aktiviteter i forbindelse med farlige materialer og affaldsproduktion, fjernelse, inddæmning, transport og nødberedskab. Som led i denne indsats er det nationale clearinghouse den primære nationale kilde til læseplaner for arbejdstagere med farligt affald, tekniske rapporter og ugentlige nyheder. Clearinghouse tilbyder en række sikkerhedsrelaterede ressourcer inden for det voksende område nanoteknologi. NIEHS WETP støttede også udviklingen af publikationen Training Workers on Risks of Nanotechnology, som omhandler, hvordan arbejdstagere, der skaber og håndterer nanomaterialer, bør uddannes om de farer, de står over for – i laboratorier, produktionsanlæg, på oprydningssteder for farligt affald og i forbindelse med beredskabsindsatser.

Cross-Agency Nanotechnology Initiatives

Hvilke initiativer på tværs af myndighederne er NIEHS involveret i?

NIEHS er involveret i følgende initiativer på tværs af myndighederne:

• Det nationale nanoteknologiinitiativ (NNI), et føderalt program med flere myndigheder, der er dedikeret til at fremskynde nanoteknologisk forskning og udvikling i verdensklasse, at fremme overførsel af ny teknologi til kommercielle og offentlige fordele, at udvikle og opretholde en kvalificeret arbejdsstyrke og at støtte en ansvarlig udvikling af nanoteknologi.
  • Nanoscale Science, Engineering and Technology (NSET) underudvalget under NNI har fire arbejdsgrupper, der koordinerer planlægning, budget, programgennemførelse og revision af nanoteknologiinitiativet.
  • Underudvalget for Nanotechnology Environmental and Health Implications (NEHI) er en arbejdsgruppe, der støtter føderale aktiviteter med fokus på sundheds- og sikkerhedsmæssige konsekvenser af nanoteknologier.
• NIEHS har indgået et samarbejde med to andre NIH-institutter, National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (NIBIB) og National Cancer Institute (NCI), om at udvikle NanoRegistry . Registret er et centralt arkiv for offentliggjorte resultater relateret til nanoteknologi.
• Udviklet en aftale mellem agenturer med NCI’s Nanotechnology Characterization Laboratory for at give NIEHS-tilskudsmodtagere fælles konstruerede nanomaterialer (ENM’er) og karakterisere de fysiske og kemiske egenskaber af dem. Dette giver støttemodtagerne mulighed for at få en standardiseret karakterisering af de materialer, de bruger, så de lettere kan sammenligne resultaterne på tværs af undersøgelser.
• NIH Nanomedicine Initiative er en tværinstitutionel indsats for at forstå og udvikle nanoskala-teknologier, der kan anvendes til behandling af sygdomme og reparation af beskadiget væv.
• The NIH Nano Task Force , der koordineres af NIEHS, repræsenterer interesserne hos institutter og centre inden for NIH, der arbejder med nanomaterialer for at forstå medicinske anvendelser og vurdere sikkerhed og toksikologi i forbindelse med disse materialer.

Er nanomaterialer reguleret?

NIEHS er ikke et regulerende organ og håndhæver derfor ikke love i forbindelse med nanomaterialer eller andre farlige stoffer. Hvis du har spørgsmål om lovgivning eller oplysninger om, hvad andre føderale agenturer gør med hensyn til nanoteknologi, bedes du besøge det relevante agentur. En forkortet liste findes nedenfor.

• Den amerikanske Food and Drug Administration (FDA) regulerer en lang række produkter, herunder fødevarer, kosmetik, lægemidler, udstyr og veterinærprodukter, hvoraf nogle kan anvende nanoteknologi eller indeholde nanomaterialer.
• Den amerikanske FDA regulerer en lang række produkter, herunder fødevarer, kosmetik, lægemidler, udstyr og veterinærprodukter, hvoraf nogle kan anvende nanoteknologi eller indeholde nanomaterialer.
• Den amerikanske FDA regulerer en lang række produkter, herunder fødevarer, kosmetik, lægemidler, udstyr og veterinærprodukter. Environmental Protection Agency (EPA) betragtes mange nanomaterialer som “kemiske stoffer” i henhold til Toxic Substances Control Act (TSCA).
• Den amerikanske Consumer Product Safety Commission (CPSC) er et uafhængigt føderalt reguleringsorgan, der blev oprettet i 1972 af Kongressen ved Consumer Product Safety Act (lov om forbrugerproduktsikkerhed). I denne lov pålagde Kongressen CPSC at “beskytte offentligheden mod urimelige risici for skader og dødsfald i forbindelse med forbrugerprodukter.”
• ONE Nano: NIEHS’s strategiske initiativ om de sundhedsmæssige og sikkerhedsmæssige virkninger af konstruerede nanomaterialer – Som led i sin rolle som støtte for det nationale nanoteknologiinitiativ har National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) udviklet et integreret, strategisk forskningsprogram – “ONE Nano” – for at øge vores grundlæggende forståelse af, hvordan ENM’er interagerer med levende systemer, for at udvikle forudsigelsesmodeller til kvantificering af ENM-eksponering og vurdering af ENM’ers sundhedsmæssige virkninger og for at vejlede udformningen af andengenerations ENM’er med henblik på at minimere negative sundhedsmæssige virkninger.

Videre læsning

Stories from the Environmental Factor (NIEHS Newsletter)

• Blocking Mosquitoes with a Graphene Shield (September 2019)
• Nanoparticles Offer Low-cost, Genanvendelig måde at rense drikkevand på (december 2018)
• Indisk forsker tilbyder globalt perspektiv på fibernanotoksikologi (august 2013)
• Udfordringer fortsætter i den kritiske opgave med at bestemme sikkerheden af nanomaterialer (oktober 2012)
• Miller fremmer forebyggelse ved design på nanomødet (september 2012)
• NIH-Funded Nanomaterial Registry Now Available Online (August 2012)
• Holian Discusses Lung Inflammation Caused by Nanoparticles (January 2012)
• Nano Grand Opportunities Researchers Share Findings (January 2012)

Additional Resources

• Nanotechnology – Information from the Occupational Safety and Health Administration (Nanoteknologi – Information fra Arbejdstilsynet), en del af det amerikanske arbejdsministerium.
• Nanoteknologi (NIOSH) – Oplysninger fra The National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), der er en del af CDC.
• Nanoteknologiprogrammer hos FDA – Nanoteknologi gør det muligt for forskere at skabe, udforske og manipulere materialer, der måles i nanometer (milliardedele af en meter). Sådanne materialer kan have kemiske, fysiske og biologiske egenskaber, der adskiller sig fra deres større modstykker.
• National Nanotechnology Initiative – Officielt websted for United States National Nanotechnology Initiative.
• Forskning i nanomaterialer – EPA’s forskere forsker i de mest udbredte nanomaterialer, der kan have konsekvenser for menneskers og miljøets sundhed.
• Nanomaterial Registry – Nanomaterial Registry samler data fra flere databaser i en enkelt ressource.

Relaterede sundhedstemaer

• Toksikologi