Hautreinigung von Partikeln im Nanometer-Bereich Die Augendusche für die Haut

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Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.

Vom Laborunfall zur Innovation: Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Polymerforschung stellten fest, dass sich viele nanoskalige Partikel mit bis dato verfügbaren Mitteln nur unzureichend von der Haut abwaschen ließen – und entwickelten selbst eine Lösung.

Hochmodernde Laborausstattung, regelmäßige Schulungen und vorschriftsmäßige Schutzausrüstung – die Arbeitssicherheit in deutschen Forschungseinrichtungen und Laboren ist, wenn alles den Vorschriften folgt, auf einem sehr hohen Stand. Doch Unfälle lassen sich nicht zu 100 Prozent ausschließen – deshalb gibt es Erste-Hilfe-Prozesse und geeignete Mittel wie Augenduschen, Erste-Hilfe-Kästen und Feuerlöscher in Reichweite. Was aber tun, wenn hier ein wesentliches Puzzleteil fehlt?

Diese Frage stellten sich Wissenschaftler am Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden (IPF) nach einem ‚Zwischenfall‘ im Labor: trotz vorgeschriebener Schutzausrüstung verschüttete eine Studentin versehentlich Cadmiumselenid-Partikel und kontaminierte ihre exponierte Haut zwischen Laborkittel und Schutzhandschuhen. Was tun? Die Studentin versuchte zunächst, die Partikel mit Wasser und Seife abzuwaschen. Doch unter UV-Licht erkannten sie und ihre Kollegen, dass diese Maßnahme sich angesichts der Menge der auf ihrer Haut verbliebenen fluoreszierenden Partikel nicht als wirksam erwies. Im Gespräch mit Fachleuten wie Arbeitsmedizinern, dem Giftnotruf oder dem Sicherheitsbeauftragten des Instituts erhielt das Team allerlei Ratschläge, wie sich das Risiko solcher Vorfälle verringern ließe, aber niemand wusste wirklich, was man als wirksame Nachsorge tun sollte.

Keine absolute Sicherheit

Trotz intakter Laborsicherheitskonzepte oder hochgradiger Automatisierung in der Industrie sind Arbeitsunfälle und Kontaminationsszenarien nicht gänzlich auszuschließen. Der menschliche Faktor oder Materialversagen in Kombination mit bestimmten Arbeitsschritten (z. B. in der Wartung, Reinigung, Probenentnahme, o. ä.) können zur Exposition von Arbeitnehmern mit potenziell gesundheitsschädlichen Stoffen führen. Insbesondere an Hochschulen ist das Risiko allein dadurch erhöht, dass laufend neue Studenten oder Doktoranden mit wenig Routine im Labor Arbeitsschritte ausführen, mit denen sie erst wenig oder noch gar keine Erfahrung gemacht haben. Hinzu kommt, dass in der Praxis der hohe Arbeitsschutzstandard leider nicht immer eingehalten wird.

Das Risiko auf der Haut

Es gibt zahlreiche Studien über die Frage, ob und in welcher Konzentration nanoskalige Partikel die Haut penetrieren können oder nicht. Doch ein für den Arbeitsschutz wesentlicher Aspekt, der damit leicht übergangen wird, wurde bei dem beschriebenen Zwischenfall am IPF offenbar: Was passiert eigentlich mit den Partikeln, die ich nicht von der Haut herunterwaschen kann? Das Risiko der Kontaminationsverschleppung – ggf. mit späterer oraler Aufnahme – gilt es auszuschließen. Das gilt bereits für die Industrie, wo i. d. R. bekannt ist, mit welchen Materialien man es zu tun hat. Aber es gilt umso mehr für Labore, in denen die Mitarbeiter auch Partikel synthetisieren, deren Eigenschaften sie noch gar nicht kennen.

Während die gesunde Haut eine natürliche Barrierefunktion hat, können bestimmte Partikel dennoch direkt in die Haut eindringen (z. B. Quantenpunkte) [1]. Darüber hinaus können externe Faktoren wie die beteiligte Oberfläche, die Kontaktzeit, das Schwitzen, andere chemische Verstärker wie Seifen sowie der Zustand der Haut (z. B. Risse) die Hautpenetration potenziell verstärken, was zu gesundheitsschädlichen Auswirkungen führen kann – sowohl lokal als auch systemisch. Darüber hinaus können Nanopartikel in Haarfollikel transportiert und gelagert werden, von wo aus sie für eine gewisse Zeit Ionen freisetzen können [2].

Challenge: Nanopartikel

Während die Eigenschaften von Nanopartikeln neue und aufregende Möglichkeiten wie neuartige therapeutische Ansätze eröffnet haben, bedeuten die besonderen physiko-chemischen Eigenschaften der Kleinstpartikel bei der Hautkontamination eine Herausforderung: Stoffe, die sich im Mikrometer-Bereich noch relativ gut mit Wasser abwaschen lassen, müssen nicht notwendigerweise ebenso gut mit Wasser von der Haut gehen, wenn sie 150 oder 50 Nanometer klein sind.

An dieser Stelle sollte ein Blick in das Sicherheitsdatenblatt Klarheit bieten: schließlich ist der Hersteller gemäß der europäischen CLP-Verordnung verpflichtet anzugeben, was nach Hautkontakt zu tun ist. Schaut man genauer hin, bietet sich ein ernüchterndes Bild: laut einer Studie der europäischen Chemikalienbehörde ECHA wurden 2013 bis zu 52 % der untersuchten Sicherheitsdatenblätter als mangelhaft eingestuft [3]. Im eingangs beschriebenen Arbeitsunfall mit Cadmium-Selenid-Partikeln wurde beispielsweise Wasser und Seife empfohlen, was sich erstens als wenig effektiv erwies, und zweitens im Widerspruch zu den deutschen Technischen Regeln für den Umgang mit Gefahrstoffen (TRGS) 401 steht. Dort heißt es: „Bei gleichzeitiger oder vorheriger Einwirkung entfettender Substanzen auf die Haut (Seifen, Tenside, Lösungsmittel) ist von einer erhöhten Gefährdung auszugehen, da eine Entfettung der Haut eine vermehrte Aufnahme von Gefahrstoffen bedingen kann.“ [4] Richtet man sich aber nach aktuellen Empfehlungen und nutzt ausschließlich Wasser, so bleiben sogar 95 % der Cadmium-Selenid-Partikel auf der Haut (s. Abb. 2).

Eine Lösung musste her

Nachdem das Team am IPF das Problem und das Fehlen einer geeigneten Maßnahme erkannt hatte, machte es sich daran, an einer möglichen Lösung zu arbeiten. In den Feierabendstunden untersuchten die Wissenschaftler die Wirksamkeit verschiedener Dekontaminationsmittel, Wasser, Seife; und sie begannen, ihre eigenen Rezepturen zu mischen. Dabei legten sie drei grundlegende Kriterien fest, die eine wirksame Lösung zur Dekontamination der Haut von Nanopartikeln idealerweise erfüllen sollte:

• Die Lösung sollte für ein möglichst breites Spektrum an Materialien wirksam sein; bestenfalls für alle Arten von Nanomateri­alien.

• Um den Empfehlungen der TRGS 401 zu entsprechen, wurden Seifen, Tenside und viele weitere, in der Literatur als Penetrationsverstärker angegebene Inhaltsstoffe kategorisch ausgeschlossen.

• Die Lösung sollte einfach anwendbar und perspektivisch für alle Arbeitnehmer in der Nanotechnologie verfügbar sein, die irgendwann einmal Nanomaterialien ausgesetzt sein könnten.

Nach dem Testen von mehr als 60 eigenen Zusammensetzungen fand das Team schließlich eine Formel, die nicht nur für Cadmium-Selenid-Nanopartikel, sondern auch bei allen anderen Arten von getesteten Partikeln – einschließlich Metall-, Metalloxid-, anorganische und polymere Nanopartikel – wirkte, und zuverlässig mehr als 99 % der verschütteten Partikel von der Haut entfernte (s. Abb. 2).

Transfer in die Praxis

Mit diesen Ergebnissen war der Mehrwert für den Arbeitsschutz in der Nanotechnologie erkenntlich. Nach intensiver Marktrecherche, Gesprächen mit Gründerberatern und dem Forschungsinstitut folgte eine Patentanmeldung und die Einwerbung einer „Exist-Förderung“ vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), um das hochwirksame Gel in ein anwendungsbereites Erste-Hilfe-Produkt weiterzuentwickeln, welches in wissenschaftlichen und industriellen Einrichtung vorgehalten werden und im Notfall zur Anwendung kommen kann. Verschiedene Produktdesigns wurden mit Testanwendern getestet, um die optimale Applikation im Ernstfall zu gewährleisten.

Die fertige Erste-Hilfe-Lösung – getauft auf den Namen Nano-Ex – bietet ein Update auf den Stand der Technik für Labore, in denen mit Nanopartikeln gearbeitet wird: das Gel wirkt bei allen Materialien im Skalenbereich 4 nm bis 3 µm. Dazu bietet die anwendungsbereite Tube einen Schwammapplikator, ähnlich einer Schuhcreme-Tube, mit dem der Waschvorgang sicher ausgeführt werden kann – ohne weiteren Kontakt mit der kontaminierten Stelle und dem Risiko von Sekundärkontaminationen.

Seit diesem Jahr vertreibt das Team mit der Ausgründung Dermapurge am IPF ihre Entwicklung Nano-Ex bereits innerhalb der EU, um den Kollegen in der Nanotechnologie die Lösung zu bieten, die ihnen selbst gefehlt hat. Eine Ausweitung in die USA und weitere Länder ist geplant.

Literaturtitel

• [1] How Nanoparticles Enter the Human Body and Their Effects There [accessed Oct 26 2020].

• [2] Larese Filon F, Bello D, Cherrie JW, Sleeuwenhoek A, Spaan S, Brouwer DH.: Occupational dermal exposure to nanoparticles and nano-enabled products: Part I-Factors affecting skin absorption. Int J Hyg Environ Health. 2016 Aug;219(6):536-44. DOI: 10.1016/j.ijheh.2016.05.009. Epub 2016 May 27. PMID: 27289581.

• [3] Forum REACH-EN-FORCE 2 Project Report ECHA-13-R-12-EN, [Publ.date: September 2013 (updated in December 2013)]

• [4] TRGS 401 "Gefährdung durch Hautkontakt - Ermittlung, Beurteilung, Maßnahmen", 4.1 (6) 2, S. 10, Juni 2008

* Dr. J. Schubert, Dr. M. Schnepf, F. Klee, Dermapurge GmbH c/o Leibniz-Institut für Polymerforschung, 01069 Dresden

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