Potential mit Gefahren

Die Partikel, um die sich in der Nanowelt alles dreht, sind ein bis 100 Nanometer gross. Zum Vergleich: Ein Haar ist etwa 80'000 Nanometer dick. Nanopartikel können wenige Atome, aber auch noch Hunderte Moleküle enthalten. Interessant sind vor allem ihre Eigenschaften. Ein und derselbe Stoff kann sich je nach Grösse unterschiedlich verhalten. Physikalisches Verhalten ändert sich in der Nanowelt und eröffnet neue Anwendungen.

Titandioxid etwa, das UV-Strahlen abhalten kann, erscheint je nach Partikelgrösse weiss oder farblos. Früher blieb die Sonnenschutzcreme auf der Nase weiss, mit Nanopartikeln jedoch kann man transparenten Sonnenschutz herstellen. Titandioxid wird als grösseres, weisses Pigment in Farben oder Zahnpasta verwendet.

Seit über 20 Jahren wird im Nanobereich geforscht. Die US-Datenbank PEN (Project on Emerging Nanotechnologies) listet mehr als 1300 Produkte auf. Häufig handelt es sich um wasser- und schmutzabweisende Alltagsgegenstände oder Textilien, die dank Silberpartikeln geruchsneutral bleiben.

Besonders unübersichtlich ist der Lebensmittelbereich, wo intensiv an Zusatzstoffen geforscht, aber wenig öffentlich gemacht wird. Bekannt ist die Verwendung von Nano-Siliziumdioxid als Antiklumpmittel E 551 in Streuwürze – auch in der Schweiz. Auf geschmacksverstärkende Nanopartikel setzt man in den USA bei Milchshakes, in England bei fettarmer Schokolade und in China bei Tee.

In der Schweiz gibt es laut Bundesamt für Gesundheit derzeit keine Anträge auf Zulassung neuer Nano-Zusatzstoffe. Aber die Verunsicherung ist gross, denn eine Kennzeichnungspflicht bei Lebensmitteln existiert noch nicht. So lassen sich mit natürlichen Fettbestandteilen Nanobehälter herstellen, die etwa Geschmacksstoffe oder Zusatzstoffe enthalten können. Behörden und Vertreter der Industrie sind sich uneinig, inwieweit diese natürlich-synthetischen Zusätze in Nanogrösse überhaupt zu kennzeichnen wären.

Zwar gibt es einen Verhaltenskodex der Detailhändler, aber die Lebensmittelindustrie gibt sich zugeknöpft. Firmen wie Nestlé oder Kraft befürchten eine Ablehnung der Nanotechnologie durch die Konsumenten, wie dies im Fall der Gentechnik bei Lebensmitteln passiert ist. Deshalb will man erst dann mit neuen Produkten auf den Markt kommen, wenn diese einen überzeugenden Zusatznutzen haben. Gleichzeitig werden die Details der künftigen Deklaration verhandelt. Bei Kosmetika verlangt die EU ab 2013 den Zusatz «Nano». Im Zeichen der Transparenz haben Coop und Migros auf ihren Websites Listen mit Nanoprodukten aufgeschaltet.

Würzmischungen
Nano-Siliziumdioxid (E 551) in Würzmischungen absorbiert Wassermoleküle und verhindert die Verklumpung.

Milchdrink (Slim Shake Chocolate, USA)
Nano-Siliziumdioxid mit Kakaobeschichtung wirkt geschmacksverstärkend.

Reis (China)
Nanobehälter (Mizellen) enthalten Eisenverbindungen und verbessern die Versorgung mit Eisen.

Sonnencremen
Farbloses Nano-Titandioxid absorbiert schädliche UV-Strahlung.

Autopolituren
Nano-Siliziumdioxid oder -Aluminiumoxid in Wachsen und Pflegemitteln wirkt wasserabstossend.

Socken
Nano-Silberpartikel stoppen das Wachstum von Bakterien, die übelriechende Stoffe produzieren.

Verpackungen (Asien)
Nano-Silberpartikel in Lebensmittelschalen verlängern die Haltbarkeit von Früchten.

PET-Flaschen
In Kunststoff eingearbeitete Nano-Tonpartikel verhindern den Austritt von CO2.

Imprägnierspray
Aufgesprayte Nanobeschichtungen (Silane) machen Oberflächen wasserabweisend («Lotuseffekt»).

Wandfarben
Nano-Titandioxid bildet reaktive Stoffe und stoppt das Wachstum von Algen und Bakterien.

Glas
Wasser perlt an Nanobeschichtungen (etwa Siliziumdioxid, Silane) auf Fenstern oder Brillengläsern ab. Zudem verhindern die Beschichtungen die Verschmutzung und vereinfachen die Reinigung.

Tennisschläger/Velorahmen
Nano-Kohlenstoffröhrchen erhöhen die Festigkeit von ultraleichtem Kunststoff.

Tomographie
Superparamagnetisches Eisenoxid (SPIO) wird als Kontrastmittel verwendet.

Nanopartikel lassen sich magnetisieren, können Sonnenenergie effizient einfangen oder absorbieren Öl aus dem Meerwasser. Die Möglichkeiten neuer Anwendungen sind fast unbegrenzt. Kein Wunder, ist rund um die Nanotechnologie eine wahre Goldgräberstimmung ausgebrochen. Analysten beziffern das weltweite Marktvolumen der Nanotechnologie auf rund 27 Milliarden Dollar im Jahr 2015. Andere Prognosen schätzen das Potential sogar noch höher ein, vor allem aufgrund von Entwicklungen im Medizin- und im Lebensmittelbereich.

Gerade in der Diagnose und Behandlung von Krankheiten sind spektakuläre Anwendungen denkbar: etwa Nanofähren – Hohlkugeln aus Lipiden, einer fettähnlichen Substanz –, die Medikamente durch den Körper schleusen (siehe Grafik), oder wärmeaktive Materialien, die Wirkstoffe erst bei Bedarf abgeben, zum Beispiel wenn Gelenkprobleme auftreten.

Nanocontainer (Querschnitt) aus biologischen Molekülen könnten in ihrem Inneren Wirkstoffe transportieren. Mit dem Nanocontainer gelangt das Medikament zum kranken Organ. Die gezielte Anwendung würde die Chancen auf Heilung verbessern und Nebenwirkungen minimieren.

A Der Nanocontainer wird über das Blut zum Organ transportiert.

B Der Container ist mit Rezeptoren ausgestattet, die das Zielorgan, zum Beispiel die Leber, erkennen und dort andocken.

C In der Hülle öffnen sich kleine Kanäle, durch die der Wirkstoff freigesetzt wird.

An den technischen Hochschulen und in der Life-Sciences-Industrie forschen auch in der Schweiz schon zahlreiche Wissenschaftler an medizinischen Nanoprojekten oder an der Optimierung der Oberflächen von Speichermedien. Laut einer Analyse der ETH Zürich haben Forscher in der Schweiz in den vergangenen Jahren 350 Entdeckungen auf der Basis von Nanotechnologie patentieren lassen.

Nanocontainer für Medikamente
Nanobehälter transportieren Wirkstoffe zielgenau zu einem Organ oder Blutgefäss und setzen sie dort frei.

Intelligente Materialien
Neue Materialien erlauben es, den Blutzucker von aussen auf der Haut zu messen. Oder sie geben Medikamente etwa in der Bandscheibe nur dann ab, wenn dort Schmerz entsteht.

Implantate
Künstliche Gelenke, dank Nanotechnologie hart wie Stahl, aber leicht wie Kunststoff, sind in Entwicklung.

Früherkennung von Krankheiten
Rasterkraftmikroskope machen es möglich, Strukturen im Nanobereich abzutasten. So könnte dank der Analyse von Körpergewebe die Frühdiagnose von Krankheiten wie Krebs oder Arthrose verbessert werden.

Solarzellen
Dünnschicht-Nanofilme steigern die Effizienz von Fotovoltaik-Zellen.

Elektronik
Kohlenstoff-Nanoröhrchen ermöglichen immer kleinere elektronische Bauteile, zum Beispiel Transistoren.

Zellanalysen
Dank Nanotechnologie könnten die Vorgänge in Körperzellen in Echtzeit analysiert werden. So liesse sich zum Beispiel der Zuckerspiegel laufend überwachen.

Geschmack nach Wahl
Orange oder Zitrone? Süssgetränke enthalten verschiedene Geschmacksrichtungen in Nanokapseln. Abhängig davon, wie lange man das Getränk schüttelt, wird ein Geschmack freigesetzt.

Nanosensoren
«Intelligente» Winzlinge überwachen Körperfunktionen auf Zellebene und schlagen bei Bedarf Alarm.

Nanomaschinen und -roboter
Kleinste Roboter erkunden die Organe und Blutgefässe.

Ob Nanopartikel im menschlichen Körper Schaden anrichten können, ist nicht bekannt. Ihr Verhalten im Körper muss deshalb genau geprüft werden. Dies gilt insbesondere für Nanopartikel, die medizinisch verwendet werden sollen.

Die Nanomaterialien gelangen über verschiedene Wege auch in die Umwelt. Letztlich enden Nanopartikel in der Kläranlage und in Gewässern sowie im Boden. Ob und welchen Schaden sie dort anrichten, ist ebenfalls ungewiss.

Weil die Risiken nicht geklärt sind und Gesetze oder Vorschriften fehlen, hat der Bund ein «Vorsorgeraster» entwickelt. Wer mit einem neuen Stoff arbeitet, hat damit ein – freiwilliges – Instrument zu einer ersten Risikoabschätzung in Händen.

So können sich Nanopartikel in der Nahrungskette anreichern.

1. Aufnahme in den Körper
Lunge: Die Lunge ist die Haupteintrittspforte für Nanopartikel aus der Luft.

Haut: Nanoteilchen aus Kosmetika können über die Haut in den Körper eindringen.

Magen-Darm: Nanopartikel aus Lebensmitteln landen im Verdauungstrakt.

2. Abwasser
Mit den Ausscheidungen gelangen Nanopartikel in die Kanalisation und von dort zur Kläranlage.

3. Kläranlage
Es gibt keine Hinweise darauf, dass in der Kläranlage alle Nanopartikel abgebaut werden.

4. Industrie
Nanopartikel aus Russ, Pneuabrieb, Farben oder Textilien gelangen mit nicht abgebauten Teilchen aus der Kläranlage in Gewässer und Böden.

5. Freisetzung
In Böden und Gewässern lassen sich kleine Mengen von Nanopartikeln nachweisen.

6. Organismen
Bakterien, Mikroorganismen und Kleinstlebewesen nehmen einen Teil der ausgewaschenen Teilchen aus Böden und Gewässern auf.

7. Flora
Es besteht die Gefahr, dass Pflanzen die Teilchen und Organismen aus dem Boden anreichern.

8. Schlachttiere
Fressen Nutztiere mit Nanopartikeln kontaminiertes Futter, gelangen die Teilchen in geringen Mengen auch ins Fleisch. Und damit in unseren Körper, siehe 1.

Der überwiegende Teil der aufgenommenen Nanopartikel wird wieder ausgeschieden. Die Teilchen können im Prinzip aber ins Blut und in die Organe, ja selbst ins Gehirn vordringen. Diesen Schluss legen Experimente mit Zellen im Reagenzglas und an Tieren nahe. Auch im Gewebe Verstorbener konnten schon Nanopartikel nachgewiesen werden.

Im Laborversuch können manche Nanopartikel in hohen Dosen Zellen schädigen, das Abwehrsystem beeinflussen oder das Erbgut verändern. Jedes Nanopartikel muss deshalb geprüft werden, bevor es für medizinische oder kosmetische Anwendungen freigegeben wird.

Nano-Siliziumdioxid als Antiklumpmittel in Gewürzen zum Beispiel ist ungefährlich und wird ausgeschieden.

Manche Nanoröhrchen aus Kohlenstoff gelten in hohen Dosen als gefährlich, wobei das Risiko vom Verhältnis ihrer Länge zum Durchmesser abhängt. Sie sind ähnlich wie Asbest krebserregend und dürfen nicht eingeatmet werden.

Nanoteilchen werden aus Farben, Textilien und Werkstoffen ausgewaschen. Bei einer Verbrennung entsteht Nanoruss, auch Abriebe von Autopneus bilden Nanopartikel in der Luft. Als Zusatzstoffe von Dünger und Pestiziden gelangen sie direkt in Boden und Gewässer. Der Mensch scheidet aufgenommene Nanopartikel wieder aus und bringt sie mit den Abwässern in die Umwelt. Die Risiken für Pflanzen und Tiere sind noch weitgehend ungeklärt.

Eines der am häufigsten eingesetzten Nanopartikel ist Nanosilber. Weltweit werden 320 Tonnen pro Jahr verbraucht. In Kläranlagen wird es zum grössten Teil im Schlamm in ungiftiger Form gebunden, problematisch ist der ungebundene Rest. Seine Auswirkung auf Umweltorganismen ist weltweit Gegenstand vieler Untersuchungen. Ökologen befürchten, dass der Stoff Mikroorganismen töten kann und sich in manchen Organismen anreichert.

Auch bei anderen Nanopartikeln gibt es Hinweise auf unerwünschte Giftwirkungen: Nano-Titandioxid zum Beispiel kann in Laborversuchen in hoher Konzentration Wasserflöhe töten.