English China

„Safety-by-Design“ in der Nanotechnologie (Nano-) Sicherheit durch Design

Redakteur: Doris Popp

Nanomaterialien werden heutzutage in vielen Bereichen eingesetzt, z.B. in der Kosmetik, Nahrungsmittelindustrie, Umwelttechnologie, beim Militär und natürlich in der Medizin. Vor- und Nachteile der verwendeten Materialien müssen jedoch sorgfältig abgewogen werden, da mögliche Gefahren für Mensch und Umwelt noch nicht vollständig klar sind. An dieser Stelle setzt das EU-Projekt „SABYDOMA“ (SAfety BY Design Of nanoMAterials) an.

Firmen zum Thema

1 Dr. Yvonne Kohl forscht am Fraunhofer IBMT in den Feldern Nanotoxikologie und Nano­technologie.
1 Dr. Yvonne Kohl forscht am Fraunhofer IBMT in den Feldern Nanotoxikologie und Nano­technologie.
(Bild: Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT)

LP: Frau Dr. Kohl, um uns alle auf einen Stand zu bringen, „Safety-by-Design“ – was kann man sich darunter vorstellen, v.a. auch im Zusammenhang mit Nanomaterialien?

Dr. Yvonne Kohl: „Safety-by-Design“ ist ein schon in anderen Bereichen etabliertes Konzept zur Minimierung von Risiken und zwar bereits im Stadium der Produktentwicklung, mit dem Ziel, die Sicherheits- und Gesundheitsrisiken während des gesamten Lebenszyklus von Materialien und Prozessen zu minimieren.

Ziel des Projekts Sabydoma ist es, dieses Konzept in den Bereich der Nanotechnologie zu transferieren. Statt aufwändige und kostenintensive Toxizitätsbewertungen erst nach dem Markteintritt von Nanomaterialien durchzuführen, berücksichtigt „Safety-by-Design“ deren Sicherheit, bzw. das ausgehende Risiko, bereits in der Design- und Entwicklungsphase.

Die Herausforderung besteht nun darin, die bestehenden, oft sehr komplexen Methoden zu vereinfachen, robuster und kostengünstiger zu gestalten, um sie für die Überwachung und Modellierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Bewertung der biologischen Wirkung von Nanomaterialien im Bereich „Safety-by-Design“ anwenden zu können.

Das EU-Projekt Sabydoma entwickelt neue „Safety-by-Design“-Methoden und -Protokolle und implementiert diese in verschiedenen industriellen Prozessen.

LP: Welche Fragestellungen sollen mit dem EU-Projekt Sabydoma untersucht werden?

Dr. Kohl: Sabydoma ist ein im Rahmen des Europäischen Förderprogramms Horizon 2020 finanziertes Forschungsprojekt aus dem Bereich Forschung und Innovation. „Safe by Design: From Science to Regulation“ – unter diesem Schirm wird das Projekt seit April 2020 gefördert. Das Hauptziel von Sabydoma ist die Entwicklung einer neuen Methodik und Technologie, um die bestehenden Herausforderungen von „Safety-by-Design“ als Steuerungs-Tool für sichere Nanomaterialien anzugehen. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die Funktionsweise unseres „Safety-by-Design“-Konzepts in der relevanten industriellen Umgebung zu demonstrieren, um schnellere, effektivere und kostengünstigere Protokolle zu implementieren und auf industrieller Ebene zu validieren.

Für uns, am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, liegt der Schlüssel in der Umsetzung des „Safety-by-Design“-Konzepts für die Nanomaterial-Herstellung in der direkten Kopplung von Screening und Produktion. D.h. das Screening erfolgt inline am Produktionsort und ein automatisches Feedback des Screenings wird an die Design-Ebene zurückgeführt, um so das Design von Nanomaterialien im Sinne der Sicherheit zu modifizieren.

Sabydoma basiert auf der Technologie, die im Rahmen des EU-Projekts H2020 Hisents entwickelt wurde. Eine Hochdurchsatz-Durchflussplattform mit mehreren integrierten Sensorelementen (z.B. Impedanzsensoren) wird für das Screening von Nanomaterialien genutzt. Daten zu physikochemischen Eigenschaften, z.B. Größenverteilung, Oberflächenladung oder Ionenfreisetzung, können im Fluss bestimmt werden. Die Screening-Plattform umfasst weiterhin In-vitro-Targets unterschiedlicher Komplexität (von der 2D-Biomembran bis zu komplexen Zellmodellen), mit denen biologische Effekte der Nanomaterialien, wie die Interaktion mit der Zellmembran oder die Auswirkung der Materialien auf die Aktivität der Zelle, untersucht werden können.

Ein neuer Ansatz dieses EU-Projekts ist die Anwendung der Systemkontroll- und Optimierungstheorie einschließlich der Philosophie der „Model Predictive Control“, einer modernen Methode zur prädiktiven Regelung von komplexen, multivariablen Prozessen. Das Signal des Screen­ings steuert automatisch, über eine Rückkopplungsschleife, das Re-Design und die Produktion der sicheren Nanomaterialien. Ein erster Schritt von Sabydoma ist der Aufbau der Screening-Plattformen und deren Kopplung mit dem Nanopartikel-Herstellungsprozess. Somit wird ein Toxizitäts-Screening direkt am Produktionsort ermöglicht. Diese Screening-Plattform wird vom Labordemonstrator bin zur Demon­stration im industriellen Umfeld weiterentwickelt und auf industrieller Ebene validiert.

Langfristig soll durch eine solche „Flow-Through-Production“ gewährleistet werden, dass in verschiedenen Industrie­sektoren bereits in der F&E- und Design­phase das Risiko der produzierten Nanomaterialien einfacher und standardisiert untersucht und bewertet werden kann. Ein weiteres Ziel von Sabydoma ist es, die Kompetenzen und die bestehenden Aktivitäten der Projektpartner in verschiedenen nationalen und internationalen Standardisierungsgremien zu nutzen, um die Projektergebnisse in neue Standards einfließen zu lassen.

LP: Am internationalen Projekt sind Partner aus 15 Ländern beteiligt. Welche Aufgabe wird das Fraun­hofer IBMT übernehmen?

Dr. Kohl: Das Sabydoma-Projektteam setzt sich aus 19 internationalen Partnern aus 15 Ländern zusammen. Als einziger deutscher Partner ist das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in diesem Projekt an der Entwicklung der Screening-Plattform sowie der toxikologischen Untersuchung der Nanomaterialien beteiligt. In enger Kooperation mit dem Projektkoordinator Prof. Andrew Nelson der Universität Leeds in Großbritannien und weiteren Projektpartnern aus Spanien, Finnland, Frankreich und Zypern entwickeln wir ein mikrofluidisches In-vitro-Modul, das am Ende des Projekts als Screening-Plattform fungieren soll, um die Toxizität von Nanomaterialien direkt am Produktionsort zu analysieren. Es soll während der Produktentwicklung und -herstellung flexibel in den Herstellungsprozess der Nanomaterialien eingebunden werden und automatisiert Daten zur Toxizität der Produkte liefern.

Das Fraunhofer IBMT ist an diesem Projekt mit der Abteilung „Bioprozesse und Bioanalytik“ beteiligt. Unsere langjährige Erfahrung im Bereich Toxikologie und biohybride Systeme können wir hier zielführend einbringen. Aufbauend auf den Ergebnissen des 2019 beendeten EU-Projekts Hisents werden wir in Sabydoma ein mikrofluidisches System mit spezifischen Zelllinien kombinieren. Das mikrofluidische System besteht aus einer modularen Fluidikkartusche mit einem Mikroloch-Array-Chip. Dieser besitzt eine sehr dünne transparente Siliziumnitrid-Membran, auf der die Zellen wachsen. Die Zellen werden in der Mikrokavität kultiviert und permanent über die Fluidikkanäle mit frischem Zellkulturmedium versorgt. In die mikrofluidischen Kanäle integrierte Elektroden ermöglichen die nicht-invasive Überwachung der Zellen.

Ein Proof-of-Concept mit verschiedenen relevanten Zellmodellen zeigte die Eignung des mikrofluidischen Aufbaus für die nicht-invasive Analyse von zytotoxischen Effekten. Somit können toxikologische Effekte quantifiziert werden, ohne die Zellen zu zerstören. Dies ist eine Besonderheit unseres Systems. Die Testplattform wird im Laufe des Projekts vom Technologie-Reifegrad TRL 4 (Versuchsaufbau im Labor) zum Reifegrad TRL 6 (Demonstration im industriellen Umfeld), am Beispiel von vier industriellen Fallstudien, weiterentwickelt.

Frau Dr. Kohl, vielen Dank für das Gespräch.

(ID:46955710)