artikel

Nanomaterialen: veel mogelijkheden maar ook risico’s

R&D

Nanodeeltjes hebben bijzondere eigenschappen, zoals hun extreem kleine afmetingen en een veel hogere reactiviteit dan chemisch identieke maar grotere deeltjes. Dat zorgt ook voor risico’s. Hoe zijn producten met nanomaterialen nu zo te ontwikkelen dat ze ‘Safe by Design’ zijn?

Nanomaterialen: veel mogelijkheden maar ook risico’s

Door: Lydia Heida

‘Nanomaterialen hebben allerlei goede eigenschappen. Zo heeft nanozilver een antimicrobiële werking, waardoor het heel geschikt is voor medische producten’, vertelt Ineke Malsch, eigenaar van een adviesbureau in nanotechnologie.
De structuren op microchips zijn al kleiner dan 100 nanometer, waardoor mobiele telefoons en andere elektronica veel minder groot zijn. De hoge reactiviteit van nanodeeltjes maakt ook dat er minder materialen nodig zijn, zoals in zonnecellen.
De afgelopen tien jaar is het gebruik van nanomaterialen dus sterk toegenomen, en deze worden verwerkt in een heel scala aan producten – van coatings, cement en composiet tot kleding, keukenspullen, katalysatoren, brandstofcellen en halfgeleiders.
De mondiale markt voor nanomaterialen komt naar schatting in 2022 op ruim 55 miljard Amerikaanse dollars uit (ongeveer 48 miljard euro), aldus een rapport van Allied Market Research. Dat lag in 2015 nog op 14,7 miljard Amerikaanse dollars (ongeveer 12,9 miljard euro). De grootste toepassing voor nanotechnologie is elektronica, gevolgd door energietoepassingen.

Risico’s nanomaterialen

Het probleem is dat steeds meer wetenschappelijke studies laten zien dat juist de specifieke eigenschappen van nanodeeltjes ook schadelijke effecten kunnen hebben.
Professor Lucas Reijnders waarschuwde in 2005 al dat verschillende onderzoeken aantoonden dat inademing van persistente nanodeeltjes kan leiden tot ontstekingen in de longen of het ontstaan van hart- en vaatziekten bij mensen.
Nanodeeltjes zijn namelijk zo klein dat ze na inhalering via de longen in het bloed kunnen komen, of na inname de darmwand penetreren of door de huid het lichaam binnendringen. Van daaruit kunnen ze door het hele lichaam gaan zwerven, tot de lever, het hart, het lymfesysteem en de hersenen aan toe.
Recente testen van wetenschappers op celweefsel en proefdieren laten zien dat nanodeeltjes ook kanker kunnen veroorzaken, het vermogen om zich voort te planten kunnen aantasten en DNA kunnen beschadigen.
Ook wordt steeds duidelijker hoeveel kennis ontbreekt over nanodeeltjes. Dat levert allerlei vragen op. Welke beschermingsmaatregelen zijn voldoende voor werknemers tijdens het produceren of verwerken van nanodeeltjes? Hoeveel deeltjes komen vrij tijdens het gebruik van producten met nanodeeltjes? Waar horen dit soort producten na gebruik thuis: in de gewone afvalbak of bij het chemisch afval?

Nanotechnologie en aansprakelijkheid

De complexiteit van nanomaterialen maakt het beantwoorden van die vragen er niet makkelijker op. Van elke stof zijn nanodeeltjes te maken en die kunnen talloze verschillende verschijningsvormen hebben, afhankelijk van de grootte en de vorm van de deeltjes, of er een coating is toegepast enzovoort.
Het ene nanodeeltje brengt door deze specifieke eigenschappen wel risico’s met zich mee, terwijl een ander gevormd nanodeeltje van dezelfde stof misschien zonder gevaar is te gebruiken.
Verzekeringsmaatschappijen zien de bui dus al hangen. Zij zijn bang dat fabrikanten van producten met nanomaterialen in de toekomst te maken krijgen met juridische claims. Het liefst zien verzekeraars daarom een indeling van nanomaterialen in diverse risicoklassen, variërend van relatief veilig tot een hoog risico.
Nanotechnologie valt nu onder de algemene aansprakelijkheidsverzekering, maar misschien is mettertijd een aanvullende verzekering nodig.

Veilig ontwerp met nanodeeltjes

Er is ondertussen al genoeg bekend bij wetenschappers over risicovolle eigenschappen van nanodeeltjes, waaruit de eerste stappen voor ‘Safe by Design’ zijn te zetten. Het gaat er daarbij om nanodeeltjes zo te ontwerpen dat deze geen, of zo min mogelijk, schade toebrengen aan mens of milieu.
‘De uitdaging is dat een bedrijf zoekt naar materialen met de hoogst haalbare veiligheid, maar die nog steeds functioneel zijn’, stelt Adriënne Sips, onderzoekscoördinator Risico’s van Nanotechnologie bij het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu.
‘Ook maakt toepassing van ‘Safe by Design’ materialen veel geschikter voor de circulaire economie’, aldus Sips. ‘Als nanodeeltjes inherent veilig zijn, is het ook niet nodig maatregelen te nemen om blootstelling aan deze deeltjes te voorkomen in de productie- of afvalfase.’
Een kanttekening: nanomaterialen met een laag risico waar mens en milieu veel aan worden blootgesteld, kunnen net zoveel schade of meer opleveren als nanomaterialen met een hoog risico maar nauwelijks blootstelling.

Vrije nanodeeltjes of vast in een matrix

Nanodeeltjes komen voor als vrije deeltjes, bijvoorbeeld in cosmetica en geneesmiddelen, die dus gemakkelijk loskomen uit een product. Of ze zitten vast in een matrix, zoals composiet, textiel, autokatalysatoren of cement. Hieruit kunnen nanodeeltjes ook vrijkomen, door slijtage, corrosie, onderhoud of schoonmaak. ‘Het is beter om nanodeeltjes niet in een organische matrix te stoppen, omdat dit vaak tot reacties leidt waardoor deze matrix wordt afgebroken en deeltjes vrijkomen,’ stelt Reijnders, die al ruim vijftien jaar pleit voor toepassing van ‘Safe by Design’ bij nanodeeltjes.
Als deeltjes vrijkomen, is het een plus als deze samenklonteren met andere deeltjes. Hoe groter een deeltje is, hoe minder makkelijk en hoe minder diep deze in het lichaam kan doordringen.
De eigenschap dat nanodeeltjes snel aggregeren oftewel zich samenvoegen is ook bij producten in te zetten om risico’s te vermijden. ‘Sommige nanodeeltjes in zonnebrandcrème klitten aan elkaar en vormen een zelf georganiseerde laag als je de crème op je huid smeert’, vertelt Malsch. ‘Zo dringen individuele deeltjes niet door je huid heen.’

Zonnepanelen met regendruppels op een nanocoating

De vorm en grootte van nanodeeltjes meebepalend voor het risico

Stervormig, elliptisch, langwerpig of bolvormig: nanodeeltjes kunnen allerlei vormen hebben. Langwerpige, rigide nanodeeltjes worden gezien als het meest risicovol, aldus diverse experts. Koolstofnanobuisjes met deze vorm kunnen bijvoorbeeld kanker veroorzaken, net zoals asbest.
‘Omdat ze zo lang en dun zijn, maken ze cellen kapot’, legt Malsch uit. Het gaat dus niet zozeer om de stof waarvan het deeltje gemaakt is, maar om de vorm.’
Ook stervormige deeltjes zijn risicovol. ‘Die blijven veel makkelijker in weefsel haken dan een rond deeltje’, aldus hoogleraar Martina Vijver, die onderzoek doet naar effecten van nanodeeltjes. ‘Dat kan leiden tot beschadigingen of ontstekingen.’
Uit haar onderzoek blijkt dat nanodeeltjes die kleiner zijn dan vijftig nanometer de darmwand penetreren van proefdieren. ‘Als je als fabrikant een keuze hebt, kies dan voor groter’, aldus Vijver. ‘Nanodeeltjes die tussen de één en vier nanometer groot zijn, kunnen de bloed-hersenbarrière passeren.’ Dat zorgt voor extra risico’s.

Oplosbaarheid nanodeeltjes

Veel nanodeeltjes zijn op metalen gebaseerd, zoals zilver, goud en zink. ‘Lood is altijd risicovol, of het nu om een nano- of groter deeltje gaat’, zegt Malsch. ‘Dat geldt ook voor cadmium.’
Reijnders stelt: ‘Sommige nanodeeltjes kunnen oplossen in het lichaam, wat niet zo’n probleem is bij titanium of zink, maar wel bij cadmium. Het is een toxische stof die zich gaat opstapelen in de nieren. Dan raken je nieren uiteindelijk lek.’
Persistente nanodeeltjes kunnen ook leiden tot schade, bijvoorbeeld als ze zich ophopen in celweefsel. Of in het milieu terechtkomen.’Textiel, zoals sokken, waar zilveren nanodeeltjes vanwege hun antimicrobiële werking in worden verwerkt, komen in het afvalwater terecht en dus in waterzuiveringsinstallaties’, vertelt Malsch. ‘Het komt vervolgens in het slib terecht van deze systemen.  Als dat wordt gebruikt voor bemesting van het land, hebben de deeltjes net zo’n dodelijke werking op het bodemleven.’
‘Het gaat er dus om langs de hele keten te kijken wat er gebeurt met nanodeeltjes: van de productie, het gebruik tot de afvalverwerking’, aldus Malsch.

 

Risico’s mitigeren

Er zijn een aantal strategieën om de risico’s van nanodeeltjes te verkleinen, zoals ‘doping’ van nanodeeltjes en het aanbrengen van een coating. Bij ‘doping’ gaat het om het inbouwen van een andere stof tijdens de synthese van nanodeeltjes, aldus Reijnders.
‘Nano titaniumdioxide heeft een bepaalde range aan golflengtes waarbij het fotokatalytische effecten heeft. Die range kun je veranderen door te dopen.’ Dit maakt de deeltjes minder schadelijk.
Het coaten van nanodeeltjes kan ook zorgen dat ze niet meer gevaarlijk zijn. ‘Vaak levert de reactiviteit van het oppervlakte van nanodeeltjes problemen op. Een coating verhelpt dit’, legt Malsch uit. ‘Uit sommige testen blijkt wel dat de helft van de nanodeeltjes al snel hun coating verliest.’

Risicoanalyse rond nanomaterialen

Ook worden er tools voor risicoanalyse ontwikkeld die bedrijven helpen te beslissen welke nanomaterialen veiliger zijn om te gebruiken. Een goed voorbeeld hiervan is SUNDS, waarvan een bètaversie gratis beschikbaar is voor bedrijven.
SUNDS is voortgekomen uit het EU-project SUN, waar ruim honderd wetenschappers uit twaalf lidstaten aan werkten. Het brengt zowel de voordelen van het gebruik van nanomaterialen in kaart, als mogelijke risico’s. Totale investering: 13,5 miljoen euro.
‘Je kunt niet zomaar de kosten tegen de baten wegstrepen’, aldus Toon van Harmelen, onderzoeker bij TNO. ‘Deze tool helpt wel te analyseren in welke orde van grootte beide zitten.’
SUNDS bestaat uit twee lagen, waarbij de eerste laag is gebaseerd op de al eerder door TNO ontwikkelde LICARA Nanoscan. Dit levert een meer algemene analyse op en kost circa vijftien uur om in te vullen.
Een bedrijf kan dan besluiten om het product of het productieproces aan te passen. Of door te gaan naar de tweede scan die veel uitgebreider is en een fikse inspanning vergt van een bedrijf. ‘Dit is gebaseerd op bestaande methodieken voor het analyseren van risico’s voor mens en milieu, economische baten en maatschappelijke voordelen’, stelt Van Harmelen. ‘Er is dus veel data voor nodig.’

Raamwerk

Een nieuw EU-project, caLIBRAte, brengt nu allerlei digitale tools voor nanomaterialen bij elkaar, zoals SUNDS, Nanosafer CB, Swiss Precautionary Matrix, StoffenmanagerNano en GuideNano. Budget: 8 miljoen euro. Het project is eind 2019 klaar.
‘Alle tools worden doorgelicht om te zien hoe goed ze functioneren en hoe stakeholders ermee aan de slag kunnen’, aldus Wouter Fransman, senior expert risico’s nanomaterialen bij TNO.
Waar onderbouwing in een tool niet afdoende is, kan dit worden aangevuld om het te kunnen implementeren. Sips: ‘Er wordt ook gekeken hoe deze tools zich verhouden tot het huidige regelgevend kader. Soms vraagt de regelgeving om bepaalde dingen die niet in een tool staan. Dan heb je een mismatch.’

 

Samenwerking

Een Zweedse producent heeft ondertussen de hulp ingeroepen van Vijver en haar onderzoeksgroep voor het ontwikkelen van veilige nanomaterialen voor nieuwe zonnepanelen. ‘Het ontwerp ligt nog op de tekentafel’, stelt Vijver. ‘We kunnen zo echt mee ontwikkelen. Als je dat niet doet, ben je te laat.’
‘Wij hebben berekend hoeveel energie het kost om deze nanodeeltjes te maken. Nu kijken we naar de milieuveiligheid. Heb je echt die lengte nodig, of kan het anders?’, aldus Vijver. ‘En wat is dan de groeisnelheid? Het moet ook commercieel haalbaar zijn om te maken.’
Fransman stelt: ‘De grootste winst zit er in als onderzoekers die kijken naar de risico’s van nanomaterialen voor mens en milieu nauw worden betrokken bij de ontwikkeling van materialen. Nu zie je dat techneuten bij een bedrijf, met alle goede bedoelingen, voornamelijk kijken naar functionaliteit.’
”Safe by Design’ is een concept wat niet alleen geldt voor nanomaterialen, maar voor alle chemicaliën. In de pers lees je over zoveel schandalen: chroom 6, asbest, noem maar op. Je zou willen dat stoffen voordat ze op de markt komen, veilig zijn. Preventie is dan ook de basis voor ‘Safe by Design’.’

 

Reageer op dit artikel