Forscher haben viel Zeit und Geld in die Erforschung neuer Anwendungen der Nanotechnologie investiert, aber relativ wenig in die Erforschung der Auswirkungen dieser Partikel auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Elemente verhalten sich anders, wenn sie in extrem kleinem Maßstab hergestellt werden, sodass sie auf unerwartete Weise auf ihre Umgebung reagieren können. Sie können möglicherweise auf eine Weise in den Körper eindringen, die sie vorher nicht konnten, und das Gehirn oder andere Gewebe beeinträchtigen; Da viele dieser Elemente in ihrer Standardform die Blut-Hirn-Schranke nicht durchbrechen können, weiß niemand wirklich, was passiert, wenn sie es tun. Auch die Form von Nanopartikeln kann sich stark von der für das Element üblichen unterscheiden, was dazu führen kann, dass lebende Systeme nicht wissen, wie sie darauf reagieren sollen oder negativ reagieren.
Was ist Nanotechnologie?
Nanotechnologie ist ein Bereich der Wissenschaft und Technik, der die Untersuchung und Manipulation von Partikeln mit einer Größe von 1 bis 100 Nanometern umfasst. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, ein Meter etwa 39 Zoll. Partikel in diesem Größenbereich haben oft ungewöhnliche Eigenschaften, und man hofft, dass diese genutzt werden können, um in Bereichen wie Wissenschaft, Ingenieurwesen, Medizin und Informatik enorme Vorteile zu bringen.
Das Verhalten von Nanopartikeln
Experten zufolge verhalten sich Elemente im Nanobereich anders als die größeren Partikel, in denen sie normalerweise vorkommen. Als Beispiel sind die Eigenschaften von Graphit bekannt: Es nimmt eine besondere Stellung in toxikologischen Richtlinien ein und wird unter normalen Umständen nicht als gefährliches oder reaktives Material angesehen. Der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Physiker Richard Smalley von der Rice University entdeckte Kohlenstoffnanoröhren und Fullerene (Buckyballs) – Nanopartikel aus Kohlenstoff – die aufgrund der Anordnung der Kohlenstoffatome als Graphitformen kategorisiert werden. Diese Partikel verhalten sich jedoch anders als Graphit, was ihre Klassifizierung zu einer potenziell gefährlichen macht.
Wissenschaftler wissen, dass Substanzen reaktiver werden, wenn ihre Partikel kleiner werden, da die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen größer ist, wodurch eine größere Oberfläche bereitgestellt wird, auf der chemische Reaktionen für eine bestimmte Menge der Substanz ablaufen können. Ein Beispiel betrifft das Element Eisen. Ein Eisennagel brennt nicht, aber die gleiche Menge des Elements in Form eines extrem feinen Pulvers entzündet sich an der Luft spontan. Ebenso können Substanzen, die normalerweise relativ inert sind, in Nanopartikelform im menschlichen Körper oder in der Umwelt unerwartete chemische Reaktionen eingehen.
Wie Nanopartikel mit lebenden Systemen interagieren
Jede Einschätzung der Gefahren der Nanotechnologie wird dadurch erschwert, dass Größe und Form von Nanopartikeln ihre Bioaktivität und Toxizität beeinflussen können. Dadurch ist eine einfache Kategorisierung anhand der bekannten Eigenschaften der Elemente unter Umständen nicht möglich. Ihre Fähigkeit, mit lebenden Systemen zu interagieren, nimmt zu, da sie oft die Haut durchdringen, über die Lunge in den Blutkreislauf gelangen und die Blut-Hirn-Schranke überwinden können. Einmal im Körper können weitere biochemische Reaktionen stattfinden, wie die Bildung von freien Radikalen, die Zellen und DNA schädigen. Ein weiteres Problem ist, dass der Körper zwar über eingebaute Abwehrmechanismen gegen natürliche Partikel verfügt, auf die er trifft, die Nanotechnologie jedoch völlig neue Substanzen einführt, die der Körper nicht erkennen oder verarbeiten kann.
Manchmal können Partikel allein aufgrund ihrer physikalischen im Gegensatz zu ihren chemischen Eigenschaften auf unerwartete Weise gefährlich werden. Asbest ist ein Beispiel. Da es chemisch ziemlich inert ist, galt es zunächst als harmlos und wurde weit verbreitet verwendet, aber wenn es geschnitten oder gebrochen wird, produziert dieses Material winzige, in der Luft schwebende Fasern, die eingeatmet werden können. Es wurde nun festgestellt, dass diese Fasern Krebs verursachen können, wenn sie sich in der Lunge festsetzen, und es scheint, dass die Wirkung auf ihre Größe und Form und die Art und Weise zurückzuführen ist, wie sie mechanisch mit Lungenzellen interagieren.
Eine wissenschaftliche Studie ergab, dass einige Arten von Kohlenstoffnanoröhren in ihren Abmessungen und ihrer Form Asbestfasern sehr ähneln, und Tierversuche zeigten, dass die Nanoröhren Entzündungen und Läsionen im Gewebe verursachen, das ihnen ausgesetzt ist. Es wurde noch kein Zusammenhang mit Krebs nachgewiesen, aber im Fall von Asbest kann sich die Krankheit erst mehrere Jahrzehnte nach der Exposition entwickeln. Auch heute noch werden 3,000 Todesfälle pro Jahr auf Asbest aus jahrzehntelanger Nutzung zurückgeführt. Ein ähnliches oder noch schlimmeres Zukunftsszenario erhoffen sich diejenigen, die sich mit den möglichen Gefahren der Nanotechnologie beschäftigen, insbesondere angesichts des wachsenden Marktes für Nanopartikel in so unterschiedlichen Produkten wie Autolack, Tennisschläger und Make-up.
Studien zu Nanopartikeleffekten
Im März 2004 fanden Tests der Umwelttoxikologin Eva Oberdörster, Ph.D., von der Southern Methodist University in Texas, bei Fischen, die Fullerenen bei einer relativ moderaten Dosis von 48 ppm ausgesetzt waren, über einen Zeitraum von nur 0.5 Stunden ausgedehnte Hirnschäden — vergleichbar mit den Konzentrationen anderer Schadstoffe in ähnlichen Umgebungen. Die Fische wiesen auch veränderte Genmarker in ihrer Leber auf, was darauf hindeutet, dass ihre gesamte Physiologie betroffen war. In einem gleichzeitigen Test töteten die Fullerene Wasserflöhe, ein wichtiges Glied in der marinen Nahrungskette.
Ob Fullerene auch beim Menschen Hirnschäden verursachen würden, konnte Oberdörster nicht sagen, warnte jedoch davor, dass weitere Studien notwendig seien und die Akkumulation von Fullerenen im Laufe der Zeit Anlass zur Sorge geben könnte, insbesondere wenn sie in die Nahrungskette gelangen könnten. Frühere Studien des Center for Biological and Environmental Nanotechnology (CBEN) aus dem Jahr 2002 zeigten, dass sich im Körper von Labortieren Nanopartikel ansammelten, und weitere Studien zeigten, dass Fullerene frei durch den Boden wandern und von Regenwürmern aufgenommen werden könnten. Dies ist eine potenzielle Verbindung der Nahrungskette zum Menschen und stellt eine der möglichen Gefahren der Nanotechnologie dar.
Auch andere Nanopartikel haben nachweislich nachteilige Wirkungen. Untersuchungen der University of California in San Diego Anfang 2002 ergaben, dass Cadmiumselenid-Nanopartikel, auch Quantenpunkte genannt, beim Menschen eine Cadmiumvergiftung verursachen können. Cadmium ist in jeder Form giftig, die vom Körper aufgenommen werden kann, aber die geringe Größe dieser Partikel kann das Risiko einer versehentlichen Exposition erhöhen. Im Jahr 2004 veröffentlichte der britische Wissenschaftler Vyvyan Howard erste Ergebnisse, die darauf hindeuteten, dass Goldnanopartikel durch die Plazenta einer schwangeren Frau zu ihrem Fötus gelangen könnten. Bereits 1997 entdeckten Wissenschaftler in Oxford, dass Nanopartikel, die in Sonnenschutzmitteln verwendet werden, freie Radikale erzeugen, die die DNA schädigen.
Die Zukunft
Es besteht kein Zweifel, dass Nanopartikel interessante und nützliche Eigenschaften haben und große Vorteile bringen können, aber die Erforschung ihrer möglichen negativen Auswirkungen ist noch im Gange und die Menschen sind ihnen bereits ausgesetzt. Arbeitnehmer, die in der Herstellung von Produkten mit Nanopartikeln beschäftigt sind, sind am stärksten gefährdet: Das US-amerikanische National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) berichtet, dass über 2 Millionen Amerikaner einer hohen Konzentration dieser Partikel ausgesetzt sind, und sie gehen davon aus, dass diese Zahl auf 4 Millionen steigen wird in naher Zukunft. Eine Reihe von Gruppen haben ein Moratorium für die Herstellung und Vermarktung von Produkten, die Nanopartikel enthalten, vorgeschlagen und fordern, dass die Forschung der Herstellung vorausgeht, anstatt ihr zu folgen. Es gibt Bedenken, dass starke wirtschaftliche Triebkräfte und Wettbewerb auf dem Markt in Bezug auf die öffentliche Gesundheit und die potenziellen Gefahren der Nanotechnologie Vorrang vor wissenschaftlicher Umsicht haben könnten.