Nanomaterial

Kontaktperson vid IMM: Dr Hanna Karlsson

Förekomst och exponering

Nanomaterial definieras ofta som material med minst en dimension i storleksintervallet 1-100 nm. Partiklar i nanostorlek bildas exempelvis vid förbränning, och i luften nära en trafikerad väg finns det ofta flera tusen nanopartiklar per kubikcentimeter. På senare år har dessutom avsiktlig framställning av material i nanoskala ökat markant och många experter menar att nanoteknologin utgör en ny industriell revolution med tillämpningar inom en rad olika områden. Material i nanostorlek har andra egenskaper än större partiklar av samma ämne, och dessa egenskaper kan i många fall vara mycket användbara. Några exempel är optiska egenskaper, vattenlöslighet, magnetism och smältpunkt. Nya egenskaper medför dock en risk för nya och oförutsedda effekter på miljö och hälsa. Vid inandning kommer nanopartiklar djupt ned i lungan och de har i många fall en mer reaktiv yta och är därför ofta skadligare jämfört med större partiklar (1).

Det är i nuläget svårt att veta vilka nanomaterial som finns på den svenska marknaden och Kemikalieinspektionen har föreslagit att den som anmäler produkter till det så kallade produktregistret även ska ge information om eventuella nanomaterial som avsiktligt tillsatts till produkten (2). Andra länder inom EU (Frankrike, Belgien, Danmark) har redan infört liknande register. Frågan om ett EU-register över nanomaterial diskuteras också av Europeiska kommissionen. Nanomaterial omfattas av den europeiska kemikalielagstiftningen REACH, men det pågår en diskussion om huruvida REACH är anpassat för nanomaterial. Inom REACH är kraven för registrering och testning av olika ämnen beroende på hur mycket som tillverkas eller importeras per år (mindre än ett ton per år behövs ingen registrering). Eftersom nanomaterial i många fall tillverkas eller importeras i relativt liten skala diskuteras exempelvis frågan om lägre viktgränser för registrering skulle behövas.

Det finns i dag olika databaser över konsumentprodukter som innehåller nanomaterial. De två som innefattar flest produkter är en amerikansk databas som har funnits sedan 2006 (se www.nanotechnologyproject.org) och sedan 2012 finns även en dansk databas ”The Nanodatabase” som fokuserar på produkter som är tillgängliga inom EU, och som uppdateras mer regelbundet (www.nanodb.dk). I ”The Nanodatabase” finns över 3000 produkter registrerade, men det är svårt att beräkna exponeringen då det saknas information om koncentrationen av nanopartiklar i de olika produkterna (3). Tillverkningen av nanomaterial i Sverige sker främst vid högskolor, på branschinstitut samt inom ett fåtal industrier (4). Globalt sett är nanopartiklar av silver, titandioxid, zinkoxid, samt kolnanorör några av de material som framställs i störst omfattning. Nanosilver är det nanomaterial som har rapporterats ingå i flest konsumentprodukter (3) och det används främst som antimikrobiellt ämne i t.ex. textilier. Titandioxid (TiO2) i nanostorlek släpper igenom synligt ljus och reflekterar samtidigt UV-ljus, vilket gör att dessa partiklar ofta används i solkrämer. De används också för att erhålla självrengörande ytor då reaktiva ämnen bildas vid UV-bestrålning. Zinkoxid (ZnO) används exempelvis i kosmetika och solkrämer. Kolnanorör används främst som förstärkningsmaterial i olika typer av polymerer (kompositmaterial) och användningen förutspås fortsätta att öka starkt framöver i en rad olika applikationer. Nedan beskrivs kortfattat (hälso)effekter, främst baserat på djurförsök, som har rapporterats för dessa nanomaterial. En viktig aktivitet för att säkerställa testning av nanomaterial har varit ett speciellt testprogram som koordinerats av OECD och som pågått sedan 2007. Genom detta program har 11 olika nanomaterial testats ingående (5).

Hälsoeffekter

Den enda kända effekten av silver (främst i jonform) som visats på människor är en gråblå missfärgning av framför allt hud och ögonvitor, som kallas argyria. Silverexponering oralt eller via lungorna har visats vara biotillgängligt i djurstudier och målorganen är främst mjälte, lever och njurar. Upptag via huden har inte påvisats om huden är intakt, men däremot om den är skadad (6). Generellt verkar silvernanopartiklar ha en relativt låg toxicitet för människor och inga kliniska effekter noterades exempelvis i en studie där försökspersoner drack nanosilver (1). Det finns dock studier som tyder på att nanosilver kan påverka sammansättningen av bakterier i mag-tarmkanalen och det finns en farhåga att användning av silver kan göra bakterier resistenta (6), men här saknas kunskap. Djurförsök har dock visat en rad effekter såsom påverkan på lungfunktion efter lungexponering samt effekter på en viss typ av lymfocyter (NK-celler) då råttor injicerats med nanosilver (1). Även cellstudier har visat en rad skadliga effekter, som exempelvis genotoxicitet, och i många fall är effekterna storleksberoende och till stor del relaterat till frisättning av silverjoner (1).

TiO2 var ett av de första ämnen där det tidigt noterades i djurförsök att partiklar i nanostorlek är mer skadliga än större partiklar av samma material. Förutom storleken så spelar även kristallstrukturen en roll för den toxiska effekten hos nanopartiklar av TiO2 (1). Generellt krävs emellertid höga doser i både cell- och djurförsök innan skadliga effekter noteras för dessa material. IARC har klassificerat TiO2 som möjligen cancerframkallande (klass 2B). I en rapport från en europeisk expertgrupp (7) som speciellt fokuserade på användning av nanopartiklar av TiO2 i solkrämer konstaterades att nanopartiklarna inte kan tränga ned djupt i huden och därför inte komma i kontakt med levande celler. Det går dock inte att utesluta att de kan de tränga in i hårsäckar och svettkörtlar. TiO2 nanopartiklar som bildar fria radikaler tillsammans med ljus (det vill säga de är ”fotokatalytiska”) skulle därmed kunna skada levande celler. Även när det gäller ZnO nanopartiklar drogs slutsatsen att det troligen inte sker någon penetration genom huden (8). Det finns dock många cell- och djurstudier som visar toxiska effekter av ZnO nanopartiklar och de flesta visar att frigjorda Zn-joner, både extra- och intracellulärt, spelar stor roll (1). Det finns dock i dag inga tydliga bevis för en ökad cancerrisk vid exponering för olika zinkämnen. Vid upphettning av zink bildas zinkoxid och inandning av ångor vid svetsning av galvaniserad plåt kan ge så kallad ”zinkfrossa”. Sjukdomen är influensalik med frossa, feber, hosta, muskelvärk, illamående och kräkningar.

När det gäller kolnanorör anses deras fiberform problematisk och på senare tid har paralleller dragits med asbest (9). I en kunskapsöversikt skriver Arbetsmiljöverket att tillförlitliga exponeringsdata för kolnanorör saknas och att försiktighetsprincipen bör råda vid tillverkning, hantering och användning av kolnanorör samt bearbetning av material som innehåller kolnanorör (10). Det är för närvarande svårt att dra entydiga slutsatser vad gäller kolnanorörens toxicitet. Flera studier talar dock för att kolnanorör kan utgöra en hälsorisk, eftersom man har sett att både enkel- och flerväggiga kolnanorör kan orsaka inflammation och fibros i luftvägar, lungor och lungsäck, i relevanta djurmodeller (11). I studier där jämförelser har gjorts med välkända skadliga fibermaterial (asbest) har man funnit liknande eller kraftigare effekter av kolnanorör (11). I flera studier har man visat att olika flerväggiga kolnanorör kan orsaka cancerformen mesoteliom på liknande sätt som asbest i försöksdjur efter att kolnanorören injicerats direkt i bukhålan (11). IARC har klassificerat en viss typ av flerväggiga kolnanorör (MWCNT-7) som en klass 2B carcinogen (möjligen cancerframkallande för människa), medan enkelväggiga och andra flerväggiga kolnanorör inte kunde klassificeras (12).

Riskbedömning

Ur hälsorisksynpunkt är det viktigt att skilja på nanopartiklar som är “fria” och har möjlighet att ta sig in i kroppen och nanomaterial som är inbäddade i en struktur eller en produkt och därför inte medför någon nämnvärd exponering. Det finns i dag flera faktorer som försvårar riskbedömning av nanopartiklar, bland annat saknas i stor utsträckning kunskap om faktiska exponeringsnivåer. Flera konsumentprodukter kan förväntas komma i kontakt med huden (3), men enligt flera studier utgör oskadad hud en god barriär mot partiklar i nanostorlek. Däremot kan exponering via inandning förekomma, vilket gör att sprayprodukter anses vara mindre säkra. Troligen kommer exponeringen för nanomaterial att öka i takt med att allt fler produkter med nanomaterial framställs.

När det gäller silver (inklusive nanosilver) så har forskare beräknat ett TDI för oralt intag till 2,5 µg/kg kroppsvikt/dag (13). För gränsvärden i arbetsmiljön har exempelvis National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) ett gränsvärde på 0,01 mg/m3 för silverdamm och lösligt silver (6). Nyligen föreslog forskare att ett gränsvärde på 0.19 μg/m3 silvernanopartiklar i luften skulle vara lämpligt i arbetsmiljön för att skydda från skador på lunga, lever och hud (14).

För TiO2 i solkrämer så konstaterades det i en rapport (7) att så länge partiklarna inte är fotokatalytiskt aktiva så bedöms de inte utgöra någon risk för allvarliga hälsoeffekter. Det konstaterades dock att sprayer bör undvikas för att minimera risk för lungexponering. När det gäller TiO2 i arbetsmiljön så rekommenderar NIOSH i USA olika gränsvärden för fina och ultrafina (nano)partiklar; 2,4 mg/m3 för fina partiklar och 0,3 mg/m3 för ultrafina partiklar (15). Liksom för TiO2 nanopartiklar så bedöms inte ZnO kunna penetrera huden, och bedömningen gjordes därför att förekomsten av ZnO nanopartiklar i olika hudprodukter inte medför någon risk för skadliga effekter (8). Däremot konstaterades att skadliga effekter observerats efter lungexponering i djurstudier och därför anses sprayprodukter inte vara lika säkra som produkter som appliceras på huden.

För kolnanorör har NIOSH rekommenderat ett gränsvärde (8 timmars medelvärde som respirabelt elementärt kol) om 1 μg/m3 (11). Det är viktigt att beakta att kolnanorör förekommer i många olika varianter och att dessa material kan innehålla andra föroreningar från framställningsprocessen såsom metaller vilket kan försvåra tolkningen av toxikologiska tester.

Referenser

1. Karlsson HL, Toprak M, and Bengt Fadeel (2014). Toxicity of metal and metal oxide nanoparticles. Book chapter in "Handbook on Toxicity of Metals". Eds . M. Nordberg, G. Nordberg. Elsevier.
2. Kemikalieinspektionen (2015). Förslag om utökad anmälningsplikt för nanomaterial, Rapport från ett regeringsuppdrag
3. Hansen et al (2016). Nanoproducts – what is actually available to European consumers? Environmental Science: Nano, DOI: 10.1039/c5en00182j.
4. VINNOVA (2010). Nationell strategi för nanoteknik - Ökad innovationskraft för hållbar samhällsnytta
5. OECD (2016). Information om testprogrammet för nanomaterial
6. European Commission, SCENIHR, (2014). Opinion on Nanosilver: safety, health and environmental effects and role in antimicrobial resistance.
7. European Commission, SCCS, (2014). Opinion on Titanium Dioxide (nano form).
8. European Commission (2011). Opinion on Zinc oxide (nano form), SCCS/1489/12.
9. Evaluating the mechanistic evidence and key data gaps in assessing the potential carcinogenicity of carbon nanotubes and nanofibers in humans.
Kuempel E, Jaurand M, Møller P, Morimoto Y, Kobayashi N, Pinkerton K, et al
Crit. Rev. Toxicol. 2017 Jan;47(1):1-58
10. Arbetsmiljöverket. Kolnanorör – Exponering, toxikologi och skyddsåtgärder i arbetsmiljön. Rapport 2011:1.
11. National Institute for Occupational Safety and Health. (2013). Current Intelligence Bulletin: Occupational Exposure to Carbon Nanotubes and Nanofibers, DHHS (NIOSH) Publication No. 2013–145.
12. Carcinogenicity of fluoro-edenite, silicon carbide fibres and whiskers, and carbon nanotubes.
Grosse Y, Loomis D, Guyton K, Lauby-Secretan B, El Ghissassi F, Bouvard V, et al
Lancet Oncol. 2014 Dec;15(13):1427-8
13. Oral toxicity of silver ions, silver nanoparticles and colloidal silver--a review.
Hadrup N, Lam H
Regul. Toxicol. Pharmacol. 2014 Feb;68(1):1-7
14. Occupational exposure limit for silver nanoparticles: considerations on the derivation of a general health-based value.
Weldon B, M Faustman E, Oberdörster G, Workman T, Griffith W, Kneuer C, et al
Nanotoxicology 2016 09;10(7):945-56
15. National Institute for Occupational Safety and Health (2011). Occupational Exposure to Titanium Dioxide. Current Intelligence Bulletin 63.