Ein besonderer Schwerpunkt in der Materialforschung, den auch die Europäische Union mit verschiedenen Programmen unterstützt und fördert, liegt in den sogenannten „Advanced Materials“ – neuartigen und fortschrittlichen Werkstoffen und Materialien. Diese sollen dazu beitragen, Produkte und Herstellungsprozesse zu verbessern und Kosten zu reduzieren. Sie sollen aber auch umweltfreundlich sein und eine nachhaltige Entwicklung fördern.
„Advanced Materials“ haben gegenüber herkömmlichen Materialien verbesserte oder neue physikalische, chemische oder biologische Eigenschaften, etwa besondere Widerstandsfähigkeit und Härte, geringes Gewicht, hohe chemische Reaktivität, bio logische Abbaubarkeit oder verbesserte Leitfähigkeit.
Unter den Begriff fallen ganz unterschiedliche Werkstoffe, wie etwa Legierungen von Metallen, Kunststoffe, Keramiken, Komposite aus mehreren Materialien, Textilien und Fasern, Beschichtungen, Gele, Schäume und auch Nanomaterialien, wie etwa Kohlenstoff- Nanoröhrchen oder Graphen.
„Advanced Materials“ werden je nach Anwendungsbereich und gewünschten Eigenschaften „maßgeschneidert“. So werden neuartige Materialien in der Solarzelltechnologie erforscht und erprobt, um besonders umweltfreundliche, flexible und leichte Solarmodule auf Basis von günstigen und leicht verfügbaren Rohstoffen herstellen zu können. In der Medizin gibt es laufend Weiterentwicklungen, wie etwa spezielle Metalllegierungen für gut vert rägliche und langlebige Implantate. Neuartige Farben und Oberflächenbeschichtungen für Beton können nicht nur Fassaden länger sauber halten, sondern auch die Luft von schädlichen Stickoxiden reinigen. Im Bauwesen findet man neuartige Isoliermaterialien, die besonders dünn sind und sich auch zur thermischen Sanierung von Altbauten eignen. Kunststoffe werden durch den Zusatz von Nanomaterialien widerstandsfähiger, leichter, gasundurchlässiger oder elektrisch leitend und eröffnen neue Anwendungsbereiche von der Lebensmittelverpackung bis zur Elektronik.
Oftmals bieten diese neuen Materialien die Möglichkeit, konventionelle umweltproblematische oder gesundheitlich bedenkliche Stoffe zu ersetzen, dennoch sind neben den Vorteilen auch Risiken nicht auszuschließen , die möglichst umfassend abgeschätzt werden müssen. ArbeitnehmerInnen und KonsumentInnen sind vor möglichen Gesundheitsrisiken zu schützen, aber auch die Frage der Entsorgung und des Recyclings von Produkten mit „Advanced Materials“ muss schon bei der Entwicklung berücksichtigt werden. Schon durch ein geeignetes Design und bei der Auswahl der eingesetzten Ausgangsmaterialien und Herstellungsprozesse können Umwelt- und Gesundheitsrisiken minimiert werden.
Literatur:
Advanced Materials. NanoTrust Dossier Nr. 58, Jänner 2022
Lipid-Nanopartikel
Lipide sind Fette oder fettähnliche Substanzen, die natürlich in Pflanzen und tierischen Zellen vorkommen. Ein Beispiel ist etwa das Lecithin, das aus Soja gewonnen werden kann und als Lebensmittelzusatzstoff eingesetzt wird. Lipide sind eigentlich in Wass er unlöslich. Mischt man sie aber zusammen mit einem Emulgator in Wasser, entsteht eine Emulsion, also fein im Wasser verteilte bzw. homogenisierte Fetttröpfchen. Je nach Art der Herstellung werden diese als Liposome oder Lipid-Nanopartikel bezeichnet. Lipid-Nanopartikel sind eigentlich Fettkügelchen, denn zum Unterschied zu Liposomen haben sie einen festen und keinen flüssigen Kern. In deren Innerem können Wirkstoffe eingeschlossen werden. Diese Form der Verkapselungsmethode wird seit langem in der Kosmetik und in der Pharmazie eingesetzt.
Die Bezeichnung „Nanopartikel“ für diese Fettkügelchen ist irreführend. Zwar liegt deren Größe tatsächlich im Nanometerbereich, es handelt sich dabei aber nicht um Nanopartikel von Feststoffen, wie etwa im Fall von Nanosilber oder Titandioxid. Lipid-Nanopartikel sind auch keine Nanomaterialien laut gesetzlichen Vorgaben, da sie löslich und biologisch abbaubar sind.
Die Vorteile solcher Verkapselungs- und Trägersysteme für Wirkstoffe sind:
- Bessere Bioverfügbarkeit, d. h. die Wirkstoffe können vom Körper besser aufgenommen werden;
- Zielgerichteter Wirkstofftransport im Körper, d. h. der Wirkstoff kommt im Körper dort hin, wo er wirken soll;
- Schutz von empfindlichen und instabilen Wirkstoffen, d. h. Wirkstoffe werden nicht so leicht im Körper zerstört, bevor sie ihre positive Wirkung entfalten können;
- Sehr gute Verträglichkeit;
- Biologisch abbaubar, d. h. die Verkapselungsmaterialien werden vollständig im Körper abgebaut;
- Nicht giftig und unschädlich.
Da sie keine Allergien a uslösen und zugleich pflegend wirken, werden Liposome und Lipid - Nanopartikel häufig in der Kosmetik eingesetzt. Wasserunlösliche und empfindliche Wirkstoffe können mit deren Hilfe in die obersten Hautschichten eingebracht werden.
Besondere Bedeutung haben sie aber vor allem in der medizinischen Forschung und in der Entwicklung von Arzneimitteln sowie Impfstoffen, etwa gegen Krebserkrankungen und das neuartige COVID-19-Virus. Sogenannte mRNA-Impfstoffe wurden entwickelt, bei denen nicht das inaktivierte Virus selbst zum Einsatz kommt, wie bei vielen klassischen Impfungen, sondern dem menschlichen Immunsystem nur ein kleiner Teil des genetischen Bauplans des Virus in Form der mRNA (Boten-RNA) präsentiert wird. Die mRNA ist aber sehr empfindlich und wird leicht von Enzymen im Körper zerstört, bevor sie die Zellen erreichen kann. Um die Aufnahme der mRNA in die Körperzellen zu verbessern und die Stabilität zu erhöhen, wird sie in Lipid- Nanopartikeln verpackt.
Advanced Materials für innovative Photovoltaik-Technologien
Um die Pariser Klimaziele für 2050 zu erreichen, werden neben klassischen, siliziumbasierten Technologien auch neuartige Photovoltaik-Technologien, sogenannte „Emerging Photovoltaics“ (EPVs), zum Einsatz kommen, die flexible, ultradünne und vor allem leichte Photovoltaik (PV)-Module ermöglichen. Hier eröffnen „Advanced Materials“ (AdMs) neue Anwendungsbereiche und -möglichkeiten. Solche neuartigen PV-Systeme basieren z. B. auf Perowskit-Halbleitern, Quantenpunkten, organischen Halbleitern oder Farbstoffen, die relativ einfach und kostengünstig produziert werden können. Neben der klassischen Energieerzeugung in Form von Freiflächen- und Aufdachanlagen erschließen sie neue Anwendungsfelder wie z. B. tragbare Kleingeräte, gebäudeintegrierte Energiegewinnung auf Fassaden bzw. Fensterflächen oder im Verkehrssektor. Allerdings ist vor einer breiten Kommerzialisierung noch einige Forschungs- und Entwicklungsarbeit notwendig, vor allem um den Wirkungsgrad und die Lebensdauer zu erhöhen.
Um die ökologische Nachhaltigkeit von „Advanced Materials“ in innovativen Solarzelltechnologien (EPVs) abschätzen zu können, ist die Betrachtung des gesamten Lebenszyklus notwendig. Lebenszyklus-Analysen (LCAs) können jene Materialien in einem Produkt identifizieren, die in Relation zu anderen eingesetzten Materialien am meisten zu Umweltbelastungen durch das Gesamtprodukt beitragen. Dies bietet die Möglichkeit, das Produkt im Sinne der Nachhaltigkeit zu optimieren. Bislang durchgeführte LCAs von EPVs sind aufgrund der unterschiedlichen Annahmen und Systemgrenzen kaum vergleichbar und haben Limitierungen, insbesondere aufgrund fehlender Daten. Generell zeigen sie jedoch, dass EPVs verglichen mit konventionellen PV-Technologien einen niedrigeren Energiebedarf und eine kürzere Energierücklaufzeit aufgrund der einfacheren Herstellungsmethoden und des geringeren Materialeinsatzes haben können. Die eingesetzten AdMs weisen in LCAs, etwa im Vergleich mit Solarglas, den für die Elektroden verwendeten (Edel)metallen (z. B. Gold, Silber, Platin) oder „kritischen Rohstoffen“ mit hohem Versorgungsrisiko (z. B. Indium und Ruthenium), nur geringe Umweltauswirkungen auf, vorrangig, weil sie in verhältnismäßig geringen Mengen eingesetzt werden. Dennoch sollten umweltproblematische und potenziell gesundheitsgefährdende Materialien, wie etwa bleihaltige Verbindungen oder toxische Lösungsmittel zur Herstellung von EPVs vermieden werden.
EPVs haben noch keine Marktreife erlangt, daher wurden bislang noch keine entsprechenden Recyclingtechnologien entwickelt. Die Verbundmaterialien aufzutrennen stellt eine große
Herausforderung beim Recycling dar. Idealerweise sollte bereits beim Design nicht nur die Umweltverträglichkeit („Safe by Design“), sondern auch die Recyclingfähigkeit („Design for Recycling“) berücksichtigt werden und auch darauf geachtet werden, einen geeigneten Kompromiss zwischen höchstem Wirkungsgrad, bester Stabilität, Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit zu finden („Sustainability by Design“).
Literatur:
Advanced Materials für innovative Solarzelltechnologien
Nanocarrier – Neuartige Transport- und Verkapselungssysteme
Als „Nanocarrier“ bezeichnet man vielfältige Strukturen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, die als innovative Transport- oder Verkapselungssysteme für aktive Wirkstoffe dienen. Nicht immer handelt es sich bei diesen Strukturen um Nanomaterialien in einer Größe von 1 bis 100 nm, wie in der Definitionsempfehlung der Europäischen Kommission festgehalten. Vor allem im medizinischen Bereich werden auch „Nanocarrier“ entwickelt und eingesetzt, die eine Größe von einem Mikrometer und sogar noch darüber hinaus aufweisen. Die Strukturen und Formen von „Nanocarriern“ sind ebenso vielfältig wie deren Zusammensetzung und reichen von hohlen Bläschen oder Tröpfchen aus organischen Lipiden (siehe auch Lipid-Nanopartikel), Polymeren oder Tensiden bis hin zu anorganischen Fasern, festen Partikeln und komplexen, zusammengesetzten Strukturen unterschiedlicher Materialien. Selbst menschliche Zellen, Hüllen von Viren, Bakterien und Pollen sind Gegenstand der Erforschung als „Nanocarrier“. Ebenso vielfältig sind die Wirkstoffe, die mittels dieser „Advanced Materials“ „verpackt“ und transportiert werden können. Die wichtigste Funktion eines „Nanocarriers“ ist die Verbesserung der Löslichkeit bzw. Dispergierbarkeit einer schlecht wasserlöslichen Substanz. Darüber hinaus schützt die „Verpackung“ auch empfindliche aktive Inhaltsstoffe vor äußeren Einflüssen und ermöglicht durch gezieltes Design auch deren kontrollierte und zielgerichtete Freisetzung am gewünschten Wirkort.
Ein wichtiger Anwendungsbereich ist die Medizin, wobei „Nanocarrier“ sowohl in der Therapie, z. B. zur Behandlung von Krebs, als auch in der Diagnostik eingesetzt werden können. Beispielsweise ermöglichen die spezifischen Eigenschaften eines „Nanocarriers“ das gezielte Ansprechen von kranken Körperzellen, ohne dass andere Zellen und Organe den oft belastenden Nebenwirkungen von z. B. Medikamenten zur Chemotherapie ausgesetzt werden. Ebenso können „Nanocarrier“ auch als Transportmittel für diagnostische Hilfsstoffe in bildgebenden Verfahren (z. B. Kontrastmittel, Fluoreszenzfarbstoffe, etc.) zum Einsatz kommen.
Ein weiteres Feld der Anwendung wird im Bereich der Landwirtschaft gesehen. Hier könnten sich Verfahren zur gezielten Verabreichung von Düngemitteln und/oder Pflanzenschutzmitteln (Pestizide, Insektizide, Fungizide, Herbizide, u. ä.) mit Hilfe von „Nanocarriern“ als vorteilhaft erweisen. Analog zur Medizin können somit die Wirkstoffe gezielt zu bestimmten Pflanzenorganen transportiert und kontrolliert über einen längeren Zeitraum abgegeben werden.
Auch im Bereich der stark wachsenden Kosmetikindustrie werden zunehmend „Nanocarrier“ zur verbesserten und gezielteren Freisetzung von Inhaltsstoffen und zur Erhöhung deren Stabilität verwendet. Solche Systeme sind bereits z. B. als Hautcremes, Anti-Aging- oder Bräunungsmitteln auf dem Markt. „Nanocarrier“ sind auch interessant für die Lebensmittelindustrie und werden bereits in Nahrungsergänzungsmitteln eingesetzt, v. a. um die Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von schlecht wasserlöslichen Substanzen zu verbessern. In Haushaltsprodukten wie Textilerfrischern helfen „Nanocarrier“ bei der Entfernung schlechter Gerüche. Die Forschung auf dem Gebiet der „Nanocarrier“ schreitet rasant voran und es ist zu erwarten, dass sich die Anwendungsgebiete in Zukunft noch erweitern werden.
Die möglichen Gesundheits- und Umweltrisiken von „Nanocarriern“ sollten jedoch trotz der erhofften Vorteile nicht unberücksichtigt bleiben. So sind das Schicksal und der Abbau des Carriermaterials und seiner Inhaltstoffe in der Umwelt noch nicht ausreichend erforscht. Hinsichtlich der Arbeitssicherheit müssen die gesundheitlichen Auswirkungen von „Nanocarriern“ für besondere Anwendergruppen (wie z. B. medizinisches Personal, Beschäftigte in der Landwirtschaft, Labormitarbeiter, etc.) berücksichtigt werden.
Literatur
Nanocarrier – Innovative Trägersysteme im Überblick. NanoTrust Dossier Nr. 62, März 2024. https://epub.oeaw.ac.at/ita/nanotrust-dossiers/dossier062.pdf.
Nanocarrier - Part I: Overview and categorization of nanocarriers. TEXTE 16/2024. Umweltbundesamt Deutschland. https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/11850/publikationen/16_2024_texte_nanocarrier_v2.pdf.