NanoTrust

Titanium dioxide has been used as a food additive (E 171) in Europe since the 1960s. For a long time, it was assumed that this waterinsoluble material would not cause any negative health effects because of its low absorption rate. In recent years, however, animal studies have confirmed a dose-dependent toxic potential in the event of oral ingestion, with particular damage to the liver and kidneys, inflammatory reactions, and changes to the spleen and heart. The material was also found to accumulate in organs, and individual studies showed an effect on the intestinal flora and the immune system. One study also makes reference to a possible carcinogenic potential. The European Food Safety Authority (EFSA) rated the substance as safe when ingested orally. Up to 59% of the particles of E 171 can have a size of less than 100 nm. On the basis of the studies available to date, the French Agency for Food, Environmental and Occupational Health & Safety (ANSES) sees great uncertainties with regard to possible health effects, in particular because of the high proportion of nanoparticulates. The French government has therefore decided to ban E 171 for one year starting from 01.01.2020. Consumer protection organisations are calling for the ban to be extended to the entire European Union (EU). The industry stresses that E 171 is safe and fears negative economic consequences. However, some confectionery manufacturers have already changed their recipes and no longer use E 171. The European Commission is changing the specifications for E 171 so that it may only contain a maximum of 50% of nanoparticles in the future.

This dossier explores bio-inspired and biomimetic nanomaterials, differentiating between bio-inspired or biomimetic nanotechnology and bio-nanotechnology. Following a clarification of these terms, the basics of bio-inspired and biomimetic nanomaterials are then presented. Subsequently, a systematic classification of synthetic methods of bio-inspired and biomimetic nanomaterials is demonstrated. This classification is based on the method of manufacturing and not on the functionality of the materials. This enables a more coherent correlation with security aspects, which are yet to be defined in many cases. Due to the great variety, a categorization according to material properties or material compositions is not considered practical. In addition to chemical properties and behavior, physical parameters such as size, structure and surface quality also play an important role in the categorization. In summary, it can be said that bio-inspired and biomimetic nanomaterials represent important base materials as so-called functional advanced materials in research, development and industry – provided that the material development is accompanied by a corresponding safety and sustainability-oriented technology assessment.

Titandioxid wird seit den 1960er-Jahren in Europa als Lebensmittelzusatzstoff (E 171) eingesetzt. Lange Zeit ging man davon aus, dassdieses wasserunlösliche Material aufgrund seiner geringen Absorption keine negativen gesundheitlichen Effekte verursacht. In den letzten Jahren zeigten aber Untersuchungen an Tieren Hinweise auf ein dosisabhängiges toxisches Potenzial bei oraler Aufnahme, vor allem Schädigungen der Leber und der Nieren, Entzündungsreaktionen, Veränderungen an der Milz und am Herz. Ebenso wurde eine Akkumulation in Organen festgestellt und einzelne Arbeiten zeigten auch eine Auswirkung auf die Darmflora sowie das Immunsystem. Eine Studie liefert auch Hinweise auf ein mögliches krebsförderndes Potenzial. Die europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bewertet den Stoff als unbedenklich bei oraler Aufnahme. E 171 kann einen Anteil von bis zu 59 % der Partikeln in einer Größenordnung von unter 100 nm aufweisen. Die französische Behörde für Lebensmittelsicherheit (ANSES) sieht auf Basis der bislang vorliegenden Studien große Unsicherheiten hinsichtlich möglicher gesundheitlicher Effekte, insbesondere durch den hohen nanopartikulären Anteil. Die französische Regierung hat deshalb ein Verbot von E 171 ab 1.1.2020 für ein Jahr beschlossen. Verbraucherschutzorganisationen verlangen eine Ausweitung des Verbots auf die gesamte EU. Die Industrie betont, dass E 171 sicher sei und befürchtet negative wirtschaftliche Folgen. Einige Süßwarenhersteller haben dennoch ihre Rezepturen bereits geändert und setzen kein E 171 mehr ein. Die Europäische Kommission ändert die Spezifikationen für E 171, sodass dieses zukünftig nur mehr maximal einen Anteil von 50 % an Nanopartikeln enthalten darf.

Dieses NanoTrust Dossier beschäftigt sich mit bio-inspirierten und biomimetischen Nanomaterialien. Zuallererst erfolgt eine Begriffsklärung, in der zwischen bio­inspirierter bzw. biomimetischer Nanotechnologie und Bionanotechnologie unterschieden wird. Anschlie­ßend werden die Grundlagen bio­inspirierter und biomimetischer Nanomaterialien präsentiert. Es folgt eine systematische Einteilung von Synthesemethoden bio­inspirierter und biomimetischer Nanomaterialien. Diese Einteilung ist nach der Methode der Herstellung der Materialien angeordnet, nicht nach Funktionalität. Dies soll eine schlüssigere Korrelation mit Sicherheitsaspekten, die in vielen Fällen erst erstellt werden muss, ermöglichen. Eine Anordnung nach Materialeigenschaften oder auch Materialzusammensetzungen ist in Folge der großen Vielfalt nicht sinnvoll. Au­ßerdem spielen neben der Chemie auch physikalische Parameter wie Größe, Struktur und Oberflächenbeschaffenheit bei der Bewertung eine wesentliche Rolle. Zusammenfassend ist zu sagen, dass bio-inspirierte und biomimetische Nanomaterialien, sofern die Materialentwicklung von einer entsprechenden sicherheits­ und nachhaltigkeitsorientierten Technikfolgenabschätzung begleitet ist, wichtige Grundstoffe als sogenannte funktionale Advanced Materials in Forschung, Entwicklung und Industrie darstellen.

Numerous research projects within the 8th Framework Programme for Research and Innovation of the European Commission – Horizon 2020 – are dedicated to environment, health and safety aspects of nanotechnologies, in continuation of the preceding 7th Framework Programme1. Many of the Horizon 2020 projects are devoted to the following subjects: risk assessment, regulation, standardization of measurement and analytical methods. Furthermore, some projects are focusing their research on production techniques and quality standards. Further research topics include life cycle analyses, safeby-design approaches and processes regarding sustainable production. Projects surrounding the subject of toxicity of nanomaterials are increasingly focusing on long-term studies and the (further) development of test methods. A number of Horizon 2020 projects are also dedicated to the consolidation and harmonization of data and databases. An increasing number of projects investigate computer models for the analysis of health risks and exposure scenarios, which are made available in the form of online platforms or tools for regulators, developers and researchers. Compared to the 7th Framework Programme, Horizon 2020 includes more projects dedicated to physicochemical characterization and the development of measurement and analysis methods of nanomaterials, as well as an increased number of nanoinformatic projects, which are intended to pool existing data on a European level.

In der Europäischen Union (EU) ist das Chemikalienrecht weitgehend harmonisiert. Jedoch werden Nanomaterialien, obwohl sie bereits seit Jahrzehnten in Gebrauch sind, in der Gesetzgebung häufig nicht speziell geregelt. Informationen darüber, wie, wo, und in welchen Mengen sie auf dem EU-Markt verwendet werden, sind rar. Da sich kein EU-weites Nanoregister in Planung befindet, haben viele Mitgliedstaaten national verbindliche Register eingeführt. Frankreich machte 2013 mit dem ersten nationalen Nanoregister den Anfang. Vier weitere Länder der Europäischen Union und des Europäischen Wirtschaftsraums (EWR) sind dem Beispiel gefolgt. Alle der nationalen Nanoregister legen starken Wert auf die Vermeidung von Risiken für die menschliche Gesundheit und für die Umwelt, unterscheiden sich jedoch in Bezug auf die eingeforderten Informationen oder den Zeitpunkt der Registrierung.

Kunststoffen werden unterschiedliche Additive zugesetzt, um entweder die Verarbeitbarkeit zu verbessern, die Produkteigenschaften zu verändern oder um sie gegen Wärme, UV bzw. Lichteinflüsse zu schützen. Bei einem Polymer-Nanokomposit weisen die Additive zumindest in einer Dimension eine Größenordnung von unter 100 nm auf und können plättchen-, faser- oder partikelförmig sein. Sie dienen vor allem der Verbesserung der Zugfestigkeit, der Wärmeformbeständigkeit, des Brandschutzes, der optischen und elektrischen Eigenschaften sowie der Barriereeigenschaften des Kunststoffs. Zu den Nano-Additiven zählen Schichtsilikate wie Montmorillonit, kohlenstoffbasierte Additive (z. B. Carbon Black, Carbon Nanotubes, Graphen), nanoskalige Metalloxide (z.B. SiO2, TiO2, Al2O3), Metalle (z. B. Nanosilber, -gold, -kupfer) oder organische Additive wie Nanocellulose oder LigninNanopartikel. Neben der Ressourceneinsparung und der Gewichtsreduktion haben NanoAdditive auch das Potenzial schädliche Substanzen, wie z.B. umweltproblematische halogenierte Flammschutzmittel, zu ersetzen.
Polymer-Nanokomposite finden weltweit bereits in Verpackungsmaterialien, der Automobilindustrie und dem Transportwesen, der Luftund Raumfahrt sowie in der Energietechnologie, aber auch in Sportartikeln, Anwendung.
Unternehmensbefragungen in der österreichischen Automobil- und Elektronikindustrie haben jedoch gezeigt, dass Nano-Additive derzeit in diesen Branchen noch eine untergeordnete Rolle spielen. Die Gründe sind vor allem Probleme mit der Dispergierbarkeit, die Herstellung in größerem Maßstab, ein zu hohes Preisniveau und ein ungewisser Einfluss auf Mensch und Umwelt. In Hinblick auf Freisetzung, Exposition und Umweltverhalten bestehen noch erhebliche Wissenslücken und Forschungsbedarf.

Chemicals legislation is largely harmonisedwithin the European Union (EU), but even though nanomaterials have been in use for decades, they are often not specifically addressed in legislation. Information about how and where they are used on the EU market, and in what quantities, is scarce. As no common EU-wide nano-registry is in sight for the near future, many member states have launched national mandatory registries. The first such nano-registry was introduced in France in 2013, with four countries in the European Union and the European Economic Area (EEA) having since followed suit. Whilst the prevention of risks to human health and the environment is central to all national nano-registries, differences can be found with regard to the required information or the timing of registration.

A number of concepts address safety-relevant issues of innovative materials and products. The Safe-by-Design (SbD) concept is one of these, and aims to take account of these safety issues early on and during the entire product development process. The nano-specific concepts of SbD are intended to address prevailing uncertainties about potential risks to the environment and human health at the beginning stages in the development of new nanomaterials and products. The basic assumption of the SbD concept is that risks can be reduced through the choice of materials, products, tools and technologies, making them as safe as possible. Particular attention is paid to the product development stage, when it is still possible to intervene to control the selection of these factors. In line with the precautionary principle, the early integration of safety in the innovation process is generally seen as desirable.

Eine Reihe von Konzepten befasst sich mit sicherheitsrelevanten Fragestellungen bezüglich innovativer Materialien und Produkte. Das Safe-by-Design (SbD)-Konzept ist eines davon und hat zum Ziel, diese Sicherheitsfragen schon zu Beginn und während der gesamten Produktentwicklungsphase zu berücksichtigen. Durch die nanospezifischen SbD­-Konzepte sollen die herrschenden Unsicherheiten über die potenziellen Risiken für Umwelt und menschliche Gesundheit schon früh im Innovationsprozess von neuen Nanomaterialien und -produkten adressiert werden. Die Grundannahme des SbD-Konzeptes besagt, dass Risiken durch den Einsatz von möglichst sicheren Materialien, Produkten, Werkzeugen und Techniken reduziert werden können. Augenmerk wird dabei besonders auf die Produktentwicklungsphase gelegt, in welcher bei der Auswahl dieser Faktoren noch steuernd eingegriffen werden kann. Die frühe Integration von Sicherheit in den Innovationsprozess gilt im Sinne des Vorsorgeprinzips generell als erstrebenswert.

Nanomaterials can improve the properties of food contact materials. Innovations of this kind are of particular interest for food packaging made out of plastic materials. The purpose of their use is to improve food storage and so to guarantee both freshness and quality. A further goal is to improve the technical properties of materials in order to make them sturdier more resistant to abrasion, and easier to process. Food contact materials are subject to a number of EU consumer protection regulations. Nanomaterials require authorisation by the European Food Safety Authority (EFSA), being responsible for assessing their safety. For nanomaterials authorised for use in the EU, specifications and restrictions are laid down in order to prevent consumers being exposed to them or to keep exposure as low as possible, and so to rule out any danger to health. At the end of the product lifetime, workers of recycling and waste treatment facilities may be exposed to higher levels of ultra ne particles or particulate matter may also be released unintentionally. To date, however, it has not been demonstrated that recycling polymers containing nanomaterials leads to any increased exposure of employees. With regard to environmental protection, little is known at present about the specific behaviour of nanomaterials and composites during waste treatment processes. There is also a need for comprehensive research on how far nanomaterials can be recycled, in order to develop sustainable nanotechnology.

Nanomaterialien können die Eigenschaften von Lebensmittelkontaktmaterialien verbes­sern. Insbesondere für Lebensmittelverpa­ckungen aus Kunststoff sind derartige Inno­vationen von großem Interesse. Sie zielen da­rauf ab, die Lagerungsfähigkeit von Lebens­mitteln zu erhöhen und damit die Frische so­wie Qualität zu gewährleisten. Auch die tech­nischen Eigenschaften, wie Härte, Abriebbe­ständigkeit oder Verarbeitbarkeit von Materi­alien sollen verbessert werden. Lebensmittelkontaktmaterialien unterliegen zum Schutz der VerbraucherInnen in der EU einer Reihe von Vorschriften. Nanomaterialien müssen zu­gelassen werden und werden von der Euro­päischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) einer Sicherheitsbewertung unterzo­gen. Bei den in der EU zugelassenen Nano­materialien werden Spezifikationen und Beschränkungen für eine Verwendung festgelegt, um eine Exposition der VerbraucherInnen zu verhindern oder so gering wie möglich zu hal­ten und damit ein gesundheitliches Risiko auszuschließen. In Recycling-­ bzw. Abfallbehand­lungsanlagen kann es zu erhöhter Ultra-­ bzw. Feinstaubbelastung von ArbeitnehmerInnen kommen, wodurch auch unbeabsichtigt Nano­materialien freigesetzt werden können. Bis­lang gibt es jedoch keine verlässlichen Nach­weise, dass das Recycling von Nanomaterial-haltigen Polymeren zu einer erhöhten Exposi­tion von ArbeitnehmerInnen führt. Hinsichtlich der Umweltschutzaspekte ist bis dato wenig über das spezifische Verhalten von Nanoma­terialien und -kompositen während Abfallbehandlungsprozessen bekannt. Auch wären umfassende Untersuchungen zur Rezyklier­barkeit von Nanokompositen im Sinne einer nachhaltigen Nanotechnologie notwendig.