Graphen-verwandte Materialien (engl. «graphene-related materials», GRM) werden häufig zur Verstärkung von Polymeren verwendet. In Konzentrationen von bis zu fünf Gewichtsprozent können GRM die Festigkeit, die elektrische Leitfähigkeit und den Wärmetransport von Verbundwerkstoffen für eine Vielzahl von Anwendungen erheblich verbessern. Da es sich jedoch um eine relativ neue Materialgruppe handelt, müssen Graphen und GRM vor der Vermarktung sorgfältig geprüft werden, um mögliche negative Auswirkungen zu ermitteln.

In einer neuen Studie hat ein grosses interdisziplinäres Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, das vom EU-Flaggschiffprojekt «Graphene» finanziert wurde und dem auch die Empa angehört, einen Verbundwerkstoff aus Polyamid 6 (PA6, auch bekannt als Nylon-6) – einem thermoplastischen Polymer, das in verschiedenen Bereichen wie Automobil- und Sportausrüstung verwendet wird – mit 2,5 Prozent reduziertem Graphenoxid (rGO) hergestellt, einer Form von Graphen, die die Verstärkung des Polymers erhöht. Anschliessend wurde das Material abgeschliffen, um eine Weiterverarbeitung oder ein «End-of-Life»-Szenario zu simulieren. Dabei entstanden Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1,9 μm bei rGO-PA6 bzw. 3,2 μm bei reinem PA6.

Konfokalmikrosokopie-Aufnahmen von Lungenzellkulturen nach Exposition mit den getesteten Materialien (links) im Vergleich zu Kontrollzellen. Es konnten keine Veränderungen an den Zellen festgestellt werden, selbst bei den höchsten Konzentration an abgeschliffenen Partikeln. Bild: Empa / Journal of Hazardous Materials

Die Forscher analysierten und verglichen die Auswirkungen der abgeschliffenen Partikel aus PA6-rGO, PA6 allein oder reinem rGO, entlang der wahrscheinlichsten Expositionswege. Dazu verwendeten sie zellbasierte Modelle, die die menschliche Lunge, den Magen-Darm-Trakt, die Haut und das Immunsystem repräsentieren, sowie ein in-vivo-Mausmodell für Lungenexpositionsstudien.

Die Forscher fanden nur eine geringfügige akute Reaktion nach der Exposition mit PA6-rGO in den verschiedenen Zell-Modellen. Nur reines rGO zeigte nenneswerte negative Auswirkungen, insbesondere bei Makrophagen, einer Art von Immunzellen. Da das Einatmen von Kleinstpartikeln in einigen Berufen ein wichtiges Problem am Arbeitsplatz darstellt, führte das Team eine Studie mit Atemwegexpositionen an Mäusen durch. In Übereinstimmung mit den in-vitro-Daten löste PA6-rGO eine geringfügige und vorübergehende Entzündung der Lunge aus. Insgesamt deutet diese umfassende Studie auf ein höchstwahrscheinlich geringes Risiko für die menschliche Gesundheit unter akuten Expositionsbedingungen mit rGO-PA6 hin. Weitere Studien sind jedoch erforderlich, um die chronischen Auswirkungen oder die Auswirkungen auf Patienten mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) oder Asthma zu untersuchen.

Andrea C. Ferrari, Wissenschafts- und Technologiebeauftragter des Graphen-Flaggschiffs und Vorsitzender des Verwaltungsgremiums, fügt hinzu: «Diese umfassende Studie über die mögliche Toxizität von Graphen-Polymer-Verbundstofffragmenten unterstreicht die zentrale Rolle, die Gesundheit und Sicherheit im Graphen-Flaggschiff von Anfang an gespielt haben. Wenn diese Verbundwerkstoffe zu industriellen Teilen verarbeitet werden, muss man sich ernsthaft mit den möglichen gesundheitlichen Auswirkungen der emittierten/abgeschliffenen Partikel auseinandersetzen. Es ist beruhigend zu sehen, dass diese Studie vernachlässigbare Auswirkungen zeigt und damit die Tauglichkeit von Graphen für Massenanwendungen bestätigt».