PLATOX – In-vitro– und In-vivo-Untersuchungen zur Generierung validierter Toxizitätsdaten für Graphen-Nanoplättchen im Vergleich zu einem Referenz-Testruß
Das Projekt PLATOX wird vom Fraunhofer ITEM koordiniert und zusammen mit den Partnern Universität Aveiro, Portugal und BIO-TOX, Rumänien durchgeführt. Es soll einen Beitrag zur Ergänzung der bislang spärlichen Toxizitätsdatenlage bei Graphen leisten.
Graphen Nanoplättchen bestehen aus reinem Kohlenstoff, wobei die einzelnen Kohlenstoffatome nur in einer Ebene angeordnet sind. In der Praxis unterscheidet man zwischen (1) einlagigem Graphen, (2) Graphen mit wenigen Lagen, (3) Graphen mit bis zu 10 Lagen und (4) Graphen mit mehr als 10 Lagen (bekannt unter dem Begriff Graphit). Eine Graphen-Lage ist etwa 0,3 Nanometer dick, während eine Ebene 1-20 Mikrometer lang und breit sein kann. Für technische Anwendungen werden verschiedene funktionalisierte Graphene eingesetzt, z.B. Graphenoxid oder Carboxyliertes Graphen.
Aufgrund der speziellen Partikelabmessungen hat Graphen besondere technische Eigenschaften, die beim Flammschutz, der verbesserten Festigkeit von Kunststoffen, in Touchscreens oder im medizinischen Sektor genutzt werden. Damit einhergehen jedoch auch spezielle aerodynamische Eigenschaften der Nanoplättchen, die bei Längen/Breiten von 5-25 µm noch eine Lungengängigkeit (Alveolarbereich) aufweisen. Bei granulären Stäuben/Partikeln liegt die Grenze des Eindringens in die tiefe Lunge dagegen bei ca. 4-5 µm Durchmesser.
In einem bereits publizierten 5-Tage Inhalationstest (Ma-Hock et al., 2012) zeigten Graphen-Nanoplättchen ein geringeres toxisches Potenzial als mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNT; Knäuelform), jedoch ein höheres toxisches Potential als ein Testruß (Carbon Black). Vier Kohlenstoffverbindungen ließen sich in der Reihenfolge Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) > Graphen Nanoplättchen > Graphit Nanoplättchen > Testruß hinsichtlich ihrer Lungentoxizität anordnen.
Da Modifizierungen von Partikeln oft auch zu einer veränderten Toxizität führen, werden unterschiedliche Mitglieder der Graphenfamilie (GFN) verglichen und eine toxikologische Rangfolge erstellt. Der Ansatz besteht darin, die biologischen Wirkungen kritischer Graphenfamilie mithilfe eines engmaschigen Netzes von Endpunkten in In-vitro-Screening-Tests festzustellen. Durch Auswertung der Screening-Ergebnisse können die Graphenfamilien mit der stärksten bzw. geringsten biologischen Wirkung ermittelt werden, um diese dann einer In-vivo-Validierung, d. h. einem 28-Tage-Inhalationstest in der Ratte zu unterziehen. Unter regulatorischen Gesichtspunkten zielt das Projekt PLATOX auf eine Bewertung toxikologischer Daten ab, um schließlich den DNEL (engl. Derived No-Effect Level) zu bestimmen, also die maximale vertretbare Exposition für den Menschen (entsprechend der REACH-Anforderung).
Die Ergebnisse dieses Vorhabens tragen dazu bei, eine verbesserte Grundlage zur Risikobewertung von Graphen zu schaffen. Diese Informationen sind notwendig, um den Verbraucherschutz zu erhöhen, Arbeitsplatzsicherheit zu gewährleisten sowie neue Produkte und Technologien etablieren zu können.
