Untersuchungen zur Toxizität von TiO2

Winzige Eindringlinge

von Dr. Stefanie Wagner, Dr. Ralf Dillert, Prof. Dr. Ralf Bahnemann, Prof. Dr. Cornelia Kasper

Titandioxidnanopartikel werden aufgrund ihrer fotokatalytischen Aktivität in unterschiedlichen Bereichen angewandt. Sie können für selbstreinigende Oberflächen und zur Abwasser- und Luftreinigung eingesetzt werden. Aufgrund des sehr breiten Anwendungsfeldes von TiO2-Partikeln sind Untersuchungen und Bewertungen zur möglichen Toxizität solcher Materialien von großer Bedeutung.

Nanotechnologie

Die Nanotechnologie beschäftigt sich mit Materialien mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm. Durch die Miniaturisierung von Materialien können deren Eigenschaften und Funktionen gezielt beeinflusst werden. So besitzen Nanopartikel, bezogen auf ihr Volumen, eine extrem große Oberfläche, was sie besonders reaktiv macht. Des Weiteren können in der Größenordnung von Nanopartikeln häufig neuartige Effekte, Eigenschaften und Funktionen beobachtet werden. In diesem Bereich hängen die mechanischen, optischen, magnetischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften nicht mehr allein von der Natur und Zusammensetzung des Ausgangsmaterials, sondern in hohem Maße von der Größe und der Gestalt der Partikel ab. Es entstehen neue Phänomene, so können bei sehr kleinen Partikeln Massen- und Quanteneffekte zum Tragen kommen. Potenziale für die Anwendung nanotechnologischer Produkte bestehen in nahezu allen Industriezweigen [1].

Anwendungen von Titandioxid

Aufgrund seiner hohen Brechungszahl ist Titandioxid das bedeutendste Weißpigment und findet Anwendung in der Farb-, Kunststoff- und Papierindustrie. Titandioxid wird als Trübungsmittel für Emaille, als Dielektrikum für den Bau von Kondensatoren und in Arznei- und Lebensmittelverpackungen eingesetzt. Des Weiteren findet TiO2 Anwendung im Bereich der Kosmetik, wo es beispielsweise Zahnpasta und Sonnencremes zugesetzt wird. Bei Bestrahlung mit UV-Licht weisen TiO2-Partikel eine fotokatalytische Aktivität auf, was eine vielseitige Anwendung dieser Partikel möglich macht. So werden TiO2-Partikel im Bereich der selbstreinigenden und antibakteriellen Oberflächen sowie für die Abwasser- und Luftreinigung verwendet.

Nanotoxikologie

Es existiert bereits jetzt eine große Zahl verschiedenartigster, synthetisch hergestellter Nanopartikel für vielfältige Einsatzzwecke im täglichen Leben. Aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen Einsatzgebiete und der hohen stofflichen Vielfalt der Nanomaterialien ist die biologische Unbedenklichkeit dieser Materialien von großem Interesse und mögliche Umweltbelastungen und Gesundheitsrisiken, hervorgerufen durch Nanopartikel, werden momentan kontrovers diskutiert. Abhängig von Produktion und Gebrauch können Nanomaterialien in die Luft oder ins Wasser gelangen und darüber in den Boden und ins Grundwasser. Durch den Eintrag nanotechnologischer Produkte in Luft, Wasser und Boden werden die Partikel von Pflanzen und tierischen Organismen aufgenommen, gelangen somit in die Nahrungskette und können unter Umständen eine Gefahr für Mensch und Tier darstellen. Die Aufklärung möglicher Gefahren durch Nanopartikel für den Menschen ist von großer Bedeutung, da Menschen, die mit nanostrukturierten Materialien arbeiten, noch nicht durch MAK-Werte (maximale Arbeitsplatzkonzentration) geschützt werden. Die Aufnahme von Nanopartikeln in den menschlichen und tierischen Organismus kann prinzipiell über vier Wege erfolgen: über die Lunge, über die Haut, über das Verdauungssystem sowie gezielt für therapeutische Zwecke. Sind Nanopartikel auf einem dieser Wege in den Körper gelangt, können sie aufgrund ihrer geringen Größe und großen Reaktivität in fast alle Bereiche des Körpers vordringen. So können nanostrukturierte Stoffe biologische Barrieren wie Zellmembranen und die Blut-Hirn-Schranke überwinden, sich entlang der Nervenbahnen bewegen und über das Blut in verschiedene Organe wie Herz, Niere und Leber gelangen [3], [4], [5]. Abbildung 2 gibt einen Überblick über die möglichen Aufnahmewege sowie die Verteilung und Ausscheidung von Nanopartikeln im Organismus. Da Nanopartikel bereits häufig verwendet werden, sind Untersuchungen zur Toxizität dieser Partikel von großer Bedeutung. Hierbei muss zwischen der Gefährdung für die Umwelt und die Gefährdung für Menschen und Tiere durch Nanopartikel unterschieden werden.

Toxizität von TiO2

Um die mögliche Gefährdung der Umwelt durch TiO2 Nanopartikel einschätzen zu können, wurden unterschiedliche Studien mit Bakterien, Wasserorganismen sowie Pflanzen durchgeführt. Eine Vielzahl von Studien zeigt, dass mit UV-Licht bestrahlte TiO2-Nanopartikel einen antibakteriellen Effekt besitzen, wobei der Mechanismus dieser fotokatalytischen Reaktion noch nicht komplett verstanden ist. Sowohl die vollständige Oxidation von Escherichia coli als auch eine Zellschädigung wurden beobachtet, die jeweils auf die Generierung von oxidativen Sauerstoffspezies, gebildet durch fotokatalytische Reaktionen der TiO2-Partikel, zurückgeführt wurden [7]. Insbesondere auf Oberflächen, die mit TiO2-Partikeln beschichtet waren und anschließend mit UV-Licht bestrahlt wurden, war eine hohe Sterblichkeit von Bakterien zu beobachten. Dies lässt vermuten, dass die auf der Katalysatoroberfläche unter UV-Bestrahlung gebildeten OH- und O2-Radikale den toxischen Effekt auslösen, da unbestrahlte Oberflächen diesen Effekt nicht zeigten [8]. Diese Studien machen deutlich, dass mit UV-Licht bestrahlte TiO2-Nanopartikel eine schädigende Wirkung auf eine Vielzahl von Bakterien und Mikroorganismen haben können und dass dieser Effekt durch die fotokatalytische Bildung von Sauerstoffradikalen und den damit verbundenen oxidativen Stress zu erklären ist. Dieser Effekt lässt sich in einer Vielzahl von Anwendungen ausnutzen. So werden Titandioxidnanopartikel u.a. für selbstreinigende Oberflächen sowie für die Wasseraufbereitung und Luftreinigung verwendet. Des Weiteren wurde beobachtet, dass Titandioxidnanopartikel ökotoxikologische Effekte hervorrufen können, wobei diese stark von der Natur der Teilchen abhängen. So lösten fotokatalytisch aktive TiO2-Partikel mit einer Größe von 25 nm erhebliche Schädigungen der Grünalge Desmodesmus subspicatus hervor, wohingegen Partikel mit einer Größe von 100 nm in der gleichen Konzentration keinen nachweisbaren Effekt auf die Alge hatten. Bei Untersuchungen mit Wasserflöhen zeigten die untersuchten Partikel unabhängig von der Größe die gleiche schädigende Wirkung [9], [10]. Andere Studien wiederum zeigten, dass weder großteiliges TiO2 noch nanopartikuläres Titandioxid eine toxische Wirkung auf Bakterien, Wasserflöhe und Krebstiere im untersuchten Konzentrationsbereich bis zu einer sehr hohen Konzentration von 20 g/L hatten, wobei diese Untersuchungen keine eventuelle Größenveränderung der im Wasser vorliegenden Partikel berücksichtigten. Die Untersuchungen des Einflusses von Titandioxidnanopartikeln auf die Wachstumsraten von vier verschiedenen Phytoplanktonarten ergaben, dass diese im Konzentrationsbereich bis 1000 ?g/L (ppb) keinen Effekt hatten [11]. Zur Einschätzung der möglichen toxischen Gefährdung von Mensch und Tier durch TiO2-Nanopartikel wurden ebenfalls schon zahlreiche In-vitro- und In-vivo-Studien durchgeführt. Da Titandioxid als Pigment Sonnencremes und Zahnpasta zugesetzt wird, ist eine gründliche Untersuchung dieser Partikel bezüglich ihres möglicherweise toxischen Potenzials extrem wichtig. Die meisten Studien, die mit in Sonnencremes verwendeten Titandioxidpartikeln durchgeführt wurden, zeigten, dass diese keinen toxischen Effekt besitzen. Einzelne Studien, die den Effekt von mit UV-Licht bestrahlter Sonnencreme untersuchten, zeigten jedoch, dass einige Cremes in der Lage sind, eine schädigende Wirkung der Haut hervorzurufen, im Besonderen eine lichtinduzierte Mutagenität [12]. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass TiO2-Partikel mit RNA und DNA-Bestandteilen reagieren können und somit möglicherweise eine Schädigung dieser Komponenten hervorrufen [13]. Untersuchungen mit Zelllinien ergaben, dass unterschiedlich strukturierte Titandioxidpartikel unterschiedliche Toxizitäten bewirken. Diese Unterschiede in der Toxizität können möglicherweise auf unterschiedliche Aufnahmewege unmodifizierter TiO2-Partikel in die Zelle zurückzuführen sein und somit auf eine andere Lokalisierung der Partikel in der Zelle verbunden mit veränderten Möglichkeiten der Interaktion mit Zellbestandteilen.

Oxidativer Stress und die Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) sind fundamentale Schlüsselmechanismen der zellulären Abwehr nach Partikelaufnahme. Titandioxidteilchen können offensichtlich durch die Störung der Oxidations- und Reduktionsvorgänge, einen gewissen intrazellulären oxidativen Stress auslösen, den die Zellen aber aufgrund der Tatsache, dass es sich hierbei nur um eine geringe Störung handelt, regeln können und dadurch nicht geschädigt werden. Eigene Studien zur Toxizität von Titandioxidnanopartikeln zeigten demzufolge auch in der Tat keine schädigende Wirkung auf Zellen. Es wurden Partikel untersucht, die sich sowohl in ihrer Kristallstruktur, in ihrer Größe als auch in der BET-Oberfläche unterschieden. Bei der Kultivierung der Zellen mit TiO2-Partikeln im untersuchten Konzentrationsbereich zwischen 100 und 1000 ppm konnte bei keiner der von uns untersuchten Zelllinien eine verminderte Viabilität festgestellt werden. Selbst bei der Kultivierung in Gegenwart von mit UV-Licht bestrahlten Partikeln war keine Verminderung der Viabilität festzustellen [14], [15]. TiO2-Partikel wurden auch in zahlreichen Tierversuchen an Mäusen, Ratten und Hamstern getestet. Die Teilchen wurden dabei den Tieren oral und inhalativ oder über Injektionen zugeführt. Inhalationsstudien mit Ratten zeigten, dass TiO2-Nanopartikel, abhängig von ihrer Größe und Gestalt, eine mögliche Gefährdung darstellen und Entzündungsreaktion hervorrufen können. Andere Studien, bei denen Ratten TiO2-Partikelkonzentrationen bis zu 250 mg/m3 über einen maximalen Zeitraum von 2 Jahren ausgesetzt waren, zeigten keine abnormalen klinischen Werte, es konnte lediglich ein geringfügiger Anstieg in der Häufigkeit von Lungenentzündungen, Tracheitis, Rhinitis sowie von Leber- und Nierenschäden bei weiblichen Ratten beobachtet werden. Hauptsächlich reicherten sich TiO2-Partikel nach Aufnahme in den Organismus in Leber, Niere, Magen, Milz und Lunge an, nahezu unabhängig von ihrem Aufnahmeweg [16], [17], [18]. Anhand von Inhalationsstudien mit Ratten kann das Auftreten von Lungentumoren bei Menschen nach Einatmen von TiO2-Partikeln nahezu ausgeschlossen werden. Es gibt keine Anhaltspunkte, dass Titandioxidnanopartikel Lungentumore auslösen können, wobei allerdings die Oberflächenmodifizierung der Partikel die Toxizität auf die Lunge beeinflussen kann [19], [20]. Werden Mäusen hohe Dosen an TiO2-Partikeln über Injektionen verabreicht, konnten erhebliche Schäden von Leber, Niere und Herzmuskel, Entzündungsreaktionen und Störung des Blutzuckerspiegels festgestellt werden [21].

Zusammenfassung

Nanostrukturierte Materialien finden bereits heute in fast allen Industriezweigen Anwendung. Titandioxidnanopartikel werden dabei aufgrund ihrer fotokatalytischen Aktivität sehr häufig angewendet. Sie können sowohl für Oberflächen mit selbstreinigender Wirkung als auch für die Aufbereitung von Wasser und zur Luftreinigung eingesetzt werden. Des Weiteren werden sie Sonnencremes als UV-Adsorber und Zahnpasta als Weißpigment zugesetzt. Da die Nanoteilchen sowohl während ihrer Herstellungsprozesse als auch aus den jeweiligen Endprodukten in die Umwelt entlassen und somit von Mensch und Tier aufgenommen werden können, ist eine detaillierte Untersuchung des toxischen Potenzials solcher Partikel unerlässlich, um Konsumenten und Arbeiter zu schützen.
Aus diesem Grund hat sich in den letzten Jahren ein neues Forschungsgebiet, die „Nanotoxikologie“, entwickelt. Die Nanotoxikologie beschäftigt sich mit dem Einfluss und der Auswirkung von Nanopartikeln auf Mensch und Umwelt, mit der Bestimmung von Partikelkonzentrationen in der Umwelt sowie mit der Risikovermeidung bzw. -verminderung. Verschiedenste Untersuchungen zum toxischen Effekt von TiO2 Partikeln liefern bislang noch recht unterschiedliche Ergebnisse. Dieses macht deutlich, dass insbesondere eine genaue Beschreibung und Charakterisierung der Partikel notwendig ist, um Studien miteinander vergleichen zu können.

Literatur bei den Autoren

Foto: © Prof. Dr. Cornelia Kasper