Aufgrund seiner aussergewöhnlichen Eigenschaften wird Graphen heute einer Vielzahl von Kunststoffen zugesetzt. So verbessert das Kohlenstoff-basierte Material beispielsweise die Leitfähigkeit und die Stabilität von Verbundstoffen. Wie es um die Gesundheitsrisiken dieser vergleichsweise neuen Kompositmaterialien bestellt ist, untersuchen Empa-Forschende derzeit in mehreren Studien. Die jüngsten Untersuchungen befassen sich mit den Rückständen von Graphen-Nanoplättchen, die nach der Verbrennung der Verbundstoffe in Kehrichtverbrennungsanlagen oder bei einem Brandunfall entstehen können.
Nach vier Tagen unter Graphen-Kunststoff-Rückständen zeigen Lungenzellen keine Anzeichen einer akuten Schädigung. Bild: Empa
Ein realitätsnahes Lungenmodell in der Petrischale
Da der menschliche Organismus mit Graphen-Partikeln am ehesten über die Atemwege in Kontakt kommt, nutzten die Forschenden das an der Empa entwickelte 3D-Lungenmodell mit Zellkulturen für die Toxizitätstests. Das Team von Peter Wick vom Empa-Labor für «Particles-Biology Interactions» in St. Gallen setzten Lungenzellen dabei Rückständen aus der Verbrennung von Kompositmaterialien, die Graphen-Nanoplättchen enthielten, aus. Um die Menge der Graphen-Partikel, denen Menschen dabei typischerweise ausgesetzt sind, möglichst realistisch abschätzen zu können, untersuchte und quantifizierte ein Team um Jing Wang vom «Advanced Analytical Technologies»-Labor der Empa die Verbrennungsrückstände der Graphen-Verbundstoffe. Am interdisziplinären Projekt waren zudem Forschende des «Advanced Fibers»-Labors der Empa beteiligt.
Keine akute Schädigung
Anhand dieser Daten setzte das Team das 3-D-Lungenmodell realitätsnahen Bedingungen aus, so dass Voraussagen zur akuten Toxizität von Graphen-Nanoplättchen nach der Verbrennung getroffen werden konnten. Die Ergebnisse zeigten, dass zwar Verbrennungsrückstände von Kunststoffharzen ohne Graphen bereits bekannte Reaktionen auslösen, die auf ein Gesundheitsrisiko hinweisen. Nach Kontakt mit den Rückständen der Graphen-Nanoplättchen gab es darüber hinaus aber keine Hinweise auf akute Schädigungen der Lungenzellen, wie etwa Entzündungsreaktionen, oxidativer Stress oder das Absterben von Zellen.
In einer früheren Studie hatten Empa-Forschende bereits zeigen können, dass die Gesundheitsrisiken von Graphen-Staub, der durch Abrieb aus Polymerverbundstoffen entsteht, zu vernachlässigen sind. Die Auswirkungen einer anhaltenden Belastung mit Graphen-Nanopartikeln soll nun in langfristigeren Studien untersucht werden.