Anja Kočman

(1)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

DIPLOMSKO DELO

Anja Kočman

Ljubljana, 2021

(2)

U

NIVERZA V

L

JUBLJANI

F

AKULTETA ZA KEMIJO IN KEMIJSKO TEHNOLOGIJO

UNIVERZITETNI ŠTUDIJSKI PROGRAM 1. STOPNJE TEHNIŠKA VARNOST

Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov

DIPLOMSKO DELO

Anja Kočman

M

ENTOR

: doc. dr. Klementina Zupan

Ljubljana, 2021

(3)

IZJAVA O AVTORSTVU

diplomskega dela

Spodaj podpisana Anja Kočman sem avtorica diplomskega dela z naslovom:

Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov.

S svojim podpisom zagotavljam, da:

• je diplomsko delo rezultat mojega raziskovalnega dela pod mentorstvom doc. dr.

Klementine Zupan;

• sem poskrbela, da so dela in mnenja drugih avtorjev, ki jih uporabljam v predloženem diplomskem delu, navedena oziroma citirana v skladu z navodili;

• se zavedam, da je plagiatorstvo, v katerem so tuje misli oziroma ideje

predstavljene kot moje lastne, kaznivo po zakonu (Zakon o avtorski in sorodnih pravicah – uradno prečiščeno besedilo (ZASP-UPB3) (Ur. list RS, št. 16/2007);

• sem poskrbela za slovnično in oblikovno korektnost diplomskega dela;

• je elektronska oblika diplomskega dela identična tiskani obliki diplomskega dela.

V Ljubljani, datum Podpis avtorja/-ice

(4)

(5)

Zahvaljujem se mentorici doc. dr. Klementini Zupan za vodenje in pomoč pri opravljanju diplomskega dela. Posebna zahvala gre moji družini za podporo med študijem.

(6)

Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov Povzetek:

Nanomateriale se zaradi izrednih fizikalno-kemijskih lastnosti uporablja na različnih področjih in so tako vse pogosteje prisotni na delovnih mestih, kar pomeni vse večje število izpostavljenih delavcev. Nanomateriale predstavljajo delci izredno majhnih velikosti, ki lažje vstopijo v človeško telo kot večji delci. Ti delci se lahko akumulirajo v tkivih in ovirajo normalno delovanje organov. Delci, ki so nerazgradljivi ali težko razgradljivi, preobremenijo fagocite in povzročajo številne bolezni. Dokazi o zdravstvenih tveganjih povezanih z uporabo nanomaterialov se povečujejo. Ker gre za področje, ki je v razvoju, je še veliko neznanega. Področje nanotehnologije se razvija veliko hitreje kot znanje o učinkih nanomaterialov na zdravje. Pomanjkanje teh informacij vpliva na ocenjevanje prisotnih tveganj. Izrednega pomena je obvladovanje potencialnih tveganj ob sočasnem ohranjanju uporabnih lastnosti nanomaterialov.

Ključne besede: nanotehnologija, nanomateriali, ocena tveganja, tveganja za zdravje

(7)

Safety and risks associated with the use of nanomaterials Abstract:

Due to their exceptional physico-chemical properties, nanomaterials are used in various fields and are thus increasingly present in the workplace, which means an increasing number of exposed workers. Nanomaterials are particles of extremely small size that are known to enter the human body more easily than larger particles. These particles can accumulate in tissues and disrupt the normal functioning of organs. If the particles are non-degradable or difficult to degrade, they overload the phagocytes and cause many diseases. Evidence of health risks associated with the use of nanomaterials is increasing.

Since this is still a developing field, much remains unknown despite ongoing research.

The field of nanotechnology is evolving much faster than knowledge about the health of nanomaterials. The lack of information also affects the assessment of the risks involved.

It is extremely important to plan the mitigation of potential risks while maintaining the useful properties of nanomaterials.

Keywords: nanotechnology, nanomaterials, risk assessment, health risks

(8)

Kazalo

1 Uvod ... 1

2 Namen dela ... 2

3 Nanomateriali ... 3

3.1 Zgodovinski pregled ... 4

3.2 Fizikalno-kemijske lastnosti ... 5

3.3 Priprava nanomaterialov ... 6

3.4 Razvrstitev nanomaterialov ... 7

3.4.1 Razvrstitev nanomaterialov glede na izvor ... 8

3.5 Karakterizacija nanomaterialov ... 8

3.6 Področja uporabe nanomaterialov ... 10

3.7 Pogosti primeri nanomaterialov na delovnem mestu ... 11

3.7.1 Nanodelci silicijevega dioksida ... 11

3.7.2 Srebrovi nanodelci ... 12

3.7.3 Ogljikove nanocevke ... 12

3.7.4 Nanodelci titanovega dioksida... 14

4 Tveganja pri uporabi nanomaterialov ... 15

4.1 Tveganje za zdravje ... 15

4.2 Toksikokinetika ... 16

4.3 Vstopne poti nanodelcev v organizem... 18

4.3.1 Vdihavanje ... 18

4.3.2 Zaužitje ... 19

4.3.3 Preko kože ... 19

4.4 Tveganje za pojav požara in/ali eksplozije ... 20

4.5 Izpostavljenost na delovnem mestu ... 20

4.5.1 Monitoring na delovnem mestu ... 21

4.6 Zakonodaja ... 22

4.6.1 Smernice za varno ravnanje in nadzor nanomaterialov ... 23

4.7 Ravnanje z nanomateriali na delovnem mestu ... 24

(9)

4.8 Ocenjevanje tveganj nanomaterialov ... 25

4.9 Ukrepi varstva pri delu ... 27

4.9.1 Tehnični ukrepi ... 28

4.9.2 Organizacijski ukrepi ... 29

4.9.3 Osebna varovalna oprema ... 29

4.10 Preverjanje učinkovitosti preventivnih ukrepov ... 31

5 Zaključek ... 32

6 Literatura ... 35

(10)

Kazalo slik

Slika 1: Primerjava velikosti in oblike proizvedenih nanomaterialov z drugimi snovmi [9]. ... 3 Slika 2: Prikaz (A) razpršenih nanodelcev (2-5 nm) in (B) agregiranih (80-120 nm) nanodelcev titanovega dioksida (TiO2), slikanih s transmisijskim elektronskim mikroskopom (TEM) [20]. ... 6 Slika 3: Nanomateriali z različnimi morfologijami: (A) neporozni nanodelci paladija, (B) ploščice grafena, (C) srebrove nanopalice, (D) nanovlakna polietilen oksida, ... 7 Slika 4: Prikaz nekaterih lastnosti potrebnih za karakterizacijo nanomaterialov [28]. .. 9 Slika 5: Primeri uporabe nanomaterialov v gradbeništvu. (a) Strešni sončni kolektor z vsebnostjo silicijevih/TiO2 nanožic. (b) Betonski pločnik z vsebnostjo ogljikovih nanovlaken. (c) Jekleni most z vsebnostjo nanodelcev bakra. (d) Okno stavbe z vsebnostjo nanodelcev TiO2 [32]. ... 11 Slika 6: Enostenske in večstenske ogljikove nanocevke [2]. ... 13 Slika 7: Prikazuje večstensko ogljikovo nanocevko v pljučnem mešičku [35]. ... 13 Slika 8: Poti izpostavljenosti, prizadeti organi in z nanomateriali povezane bolezni [21].

... 16 Slika 9: Prodor nanodelcev na različna mesta znotraj fagocitne celične linije. Oznake:

M = mitohondriji, P = nanodelci [12]. ... 18 Slika 10: Načini izpostavljenosti in potencialne poti prenosa [9]. ... 19 Slika 11: Prikazuje opremo za ocenjevanje možne izpostavljenosti [40]. ... 21 Slika 12: Sestavni deli in vidiki ocene tveganj, povezanih z industrijsko proizvodnjo in uporabo nanomaterialov [22]. ... 26 Slika 13: Dejavniki, ki vplivajo na izbiro nadzora [51]. ... 28 Slika 14: Prikaz osebne varovalne opreme za delo z nanomateriali [38]... 31

(11)

Seznam uporabljenih kratic in simbolov

ACSH American Council on Science and Health CNT Carbon Nanotube

COSHH Control of Substances Hazardous to Health CLP Classification, Labelling and Packaging DNA Deoxyribonucleic acid

DWCNT Double-Walled Carbon Nanotube EC European Commission

ECHA European Chemicals Agency EU European Union

EU-OSHA European Agency for Safety and Health at Work FFP Filtering Face Piece

FNV Federatie Nederlandse Vakbeweging HEPA High-Efficiency Particulate Air

ISO International Organization for Standardization IARC International Agency for Research on Cancer LDSA Lung-deposited surface area

MHLW Ministry of Health, Labour and Welfare of Japan MWCNT Multi-walled Carbon Nanotube

NIOSH National Institute for Occupational Safety and Health OEL Occupational Exposure Limit

OLED Organic light-emitting diode

REACH Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals SI International System of Units

SWCNT Single-Walled Carbon Nanotube

(12)

SCENIHR Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks TEM Transmission Electron Microscopy

UFP Ultrafine particle

USA United States of America ULPA Ultra-Low Particulate Air WHO World Health Organization

(13)

(14)

Anja Kočman, Varnost in tveganja pri uporabi nanomaterialov

1

1 Uvod

Nanotehnologija je s hitrim razvojem v zadnjih tridesetih letih povzročila novo industrijsko revolucijo, saj je omogočila rešitve marsikaterih tehnoloških problemov in izboljšala kakovost izdelkov. Gre za interdisciplinarno področje, ki zajema kemijo, fiziko, biologijo, materiale in tehniko. Kemija veliko prispeva k večini vidikov znanosti in tehnologije nanomaterialov. Področje nanotehnologije temelji na načrtovanju, sintezi in uporabi nanomaterialov ter njihovem vgrajevanju v polimere in druge snovi. S tem se ukvarja nanoznanost, ki pojasnjuje nove pojave in značilnosti na nanometrskem nivoju.

Nanotehnologija poleg razvoja mnogih področij predstavlja tudi nove izzive za merjenje, spremljanje oziroma monitoring nanomaterialov na delovnem mestu in v okolju. Čeprav so nanomateriali nevidni s prostim očesom, se proizvajajo in uporabljajo na mnogih delovnih mestih. Tovrstne lastnosti nanomaterialov predstavljajo tako koristi kot tudi nove nevarnosti za delavce v delovnih okoljih, kjer lahko pride do povečane emisije nanodelcev, ki zaradi svoje majhne velikosti na različne načine prodirajo globoko v organizem. Z razvojem nanotehnologije se je tveganje zaradi večje izpostavljenosti povečalo. Tveganje za kratkotrajno izpostavljenost ljudi velikim odmerkom se šteje za razmeroma majhno. Vendar je zaskrbljujoča možnost, da bi bili ljudje v daljšem časovnem obdobju lahko večkrat izpostavljeni nizkim odmerkom nanomaterialov z različnimi fizikalno-kemijskimi lastnostmi, kar so začeli upoštevati tudi industrija, vlada, akademske in potrošniške agencije. Nanomateriale najdemo v panogah, kjer so prisotne nevarnosti, vendar se preventivni ukrepi pogosto ne uvajajo ali ne upoštevajo. Nekatera tveganja je mogoče predvideti na podlagi izkušenj z drugimi sintetičnimi kemikalijami in znanjem o drobnih delcih, medtem ko tveganj povezanih z novimi lastnostmi nanomaterialov ni mogoče predvideti na podlagi obstoječih podatkov. Kljub pogosti uporabi še niso poznane vse nevarnosti nanomaterialov za zdravje, zato se vse več raziskav usmerja na ravnanje s temi materiali. Pri omejevanju tveganj je predvsem potrebno dosledno izpolnjevati vse predpisane zahteve varnosti in zdravja pri delu ter dosledno skrbeti, da do sproščanja nanodelcev ne pride. To poudarja potrebo po proaktivnem ocenjevanju tveganj in smernicah za zagotovitev varne uporabe ter odstranjevanja izdelkov, ki vsebujejo nanomateriale. Nevarnosti nanomaterialov se ne sme zanemarjati, da v prihodnosti ne postanejo "novi azbest", ki je bil konec 19. stoletja opisan kot "čarobno vlakno", ker je predstavljal poceni surovino, dostopno v velikem obsegu in uporabno za številne namene. Neselektivna uporaba je povzročila milijone smrtnih primerov, ki bi se jih lahko do neke stopnje preprečilo [1]–[4].

(15)

2

2 Namen dela

Namen diplomske naloge je predstaviti tveganja, ki se pojavljajo pri uporabi nanomaterialov v različnih delovnih okoljih, in povzeti dosedanje znanje na tem področju. Prav tako je namen preučiti vpliv nanomaterialov na zdravje delavcev. V sklopu diplomske naloge sem posebno pozornost namenila poklicni izpostavljenosti, oceni tveganja in ustreznim preventivnim ukrepom.

V diplomski nalogi sem potrdila oziroma ovrgla naslednje predpostavke:

- Nanomateriali predstavljajo tveganje za varnost in zdravje pri delu.

- Obstaja povezava med uporabo nanomaterialov in izpostavljenostjo njihovim toksičnim učinkom.

- Področje nanotehnologije se kljub stalnim raziskavam razvija hitreje kot znanje o zdravstvenih in varnostnih učinkih nanomaterialov.

- Zakonodaja in regulativa na področju varnosti nanomaterialov je pomanjkljiva.

- Sedanje metodologije ocenjevanja tveganj niso primerne za ocenjevanje nevarnosti, povezanih z nanomateriali.

(16)

3

3 Nanomateriali

Nanometer (nm) je enota Mednarodnega sistema enot (SI), ki predstavlja miljardinko metra oziroma 10^-9 m [4]. Nanomateriali so po velikosti primerljivi z atomi in molekulami (slika 1). Velikost molekul je 0,1 nm, kar je enako 1 Å oziroma 10^-10 m [5]. Trenutno še ni mednarodno sprejete opredelitve nanomaterialov, zato obstajajo različne definicije.

Definicija nanomateriala, kot jo priporoča Evropska komisija (EC)-(2011/696/EU) z dne 18. oktobra 2011, je namenjena uporabi na področju zakonodaje in raziskav. Ta opredeljuje nanomaterial kot material, ki vsebuje nanodelce naravnega izvora, izdelane nenamerno ali namerno, ki so med seboj v nevezanem stanju, ali pa tvorijo agregate ali aglomerate, ter jih 50 % ali več v številski porazdelitvi meri med 1 nm in 100 nm v eni ali v več zunanjih dimenzijah. V primeru, da je ogroženo okolje, zdravje ali varnost, se 50 % prag lahko nadomesti s pragom med 1 in 50 %. Kot odstopanje od osnovne definicije se pod nanomateriale upošteva tudi fulerene, plasti grafena in enoplastne ogljikove nanocevke, ki imajo eno ali več zunanjih dimenzij pod 1 nm [6]. Mednarodna organizacija za standardizacijo (ISO) nanomateriale opredeljuje kot materiale, s katero koli zunanjo dimenzijo, notranjo ali površinsko strukturo v nanometrskem merilu. ISO razvršča nanomateriale v dve kategoriji: nanoobjekte in nanostrukturirane materiale. Nanoobjekti so materiali, s katero koli zunanjo dimenzijo v nanometru. Nanostrukturirani materiali so materiali z notranjo ali površinsko strukturo v nanometru. Pod nanoobjekte spadajo nanodelci, kot so nanoploščice, nanovlakna, nanocevke in kvantne točke [7]. Opredelitev nanotehnologije na splošno ne vključuje nenamerno izdelanih nanomaterialov in je zato omejena na namerno proizvedene nanomateriale [8].

Slika 1: Primerjava velikosti in oblike proizvedenih nanomaterialov z drugimi snovmi [9].

(17)

4

3.1 Zgodovinski pregled

Nanotehnologija je razmeroma novo področje, vendar raziskave v nanometrskem merilu niso novost. V tem merilu se že stoletja preučujejo biološki sistemi in materiali. Ljudje so že pred več kot 4500 leti izkoriščali azbestna nanovlakna za ojačitev keramičnih matric. Stari Egipčani so pred več kot 4000 leti uporabljali nanomateriale na osnovi sinteze nanodelcev svinčevega sulfida (PbS) velikosti 5 nm za barvanje las. Podobno je bila "egiptovsko modra" prvi sintetični pigment, ki so ga okoli 3. stoletja pred našim štetjem pripravili s sintrano mešanico nanodelcev stekla in kremena. Sinteza kovinskih nanodelcev s kemičnimi metodami sega v 13. in 14. stoletje pred našim štetjem, ko so Egipčani in Mezopotamci začeli izdelovati steklo iz kovin, kar lahko navedemo kot začetek dobe kovinskih nanodelcev. Ti materiali so prvi primeri sintetičnih nanomaterialov v praktični uporabi. Glineni minerali z debelino nekaj nanometrov so najboljši primer naravne uporabe nanomaterialov že v antiki. Poročali so, da so leta 5000 pred našim štetjem na Cipru glino uporabljali za beljenje volne in oblačil. V Italiji, v Frattesini di Rovigo je bilo odkrito rdeče steklo iz pozne bronaste dobe, ki je bilo obarvano s površinskim plazmonskim vzbujanjem bakrovih nanodelcev. Lycurgus kelih je rimski izdelek iz 4. stoletja, narejen iz dikroičnega stekla, ki prikazuje različne barve:

rdečo, ko svetloba prehaja od zadaj, in zeleno, ko svetloba prehaja od spredaj. Nedavne študije so pokazale, da kelih vsebuje nanodelce zlitine srebra in zlata v razmerju 7:3 poleg približno 10 % bakra. Pozneje so v srednjeveških katedralah našli rdeče in rumeno obarvana stekla, ki so jih izdelali z vgradnjo koloidnih nanodelcev srebra in zlata. Leta 1857 je Michael Faraday poročal o sintezi koloidne raztopine nanodelcev zlata, kar velja za prvi znanstveni opis, ki poroča o sintezi nanodelcev, in začetek zgodovine nanomaterialov na znanstvenem področju. Izvor nanotehnologije je povezan s predavanjem Richarda Feymana iz leta 1959 z naslovom ''There's plenty of room at the bottom'', v katerem je predstavil ideje in koncepte nanoznanosti in nanotehnologije [10].

Skoraj 15 let po Feynmanovem predavanju je japonski znanstvenik Norio Taniguchi prvi uporabil izraz "nanotehnologija" za opis polprevodniških procesov, ki so se zgodili na nanometrskem nivoju. Zagovarjal je, da nanotehnologija vključuje obdelavo, ločevanje, utrjevanje in deformacijo materialov z enim atomom ali eno molekulo. Zlata doba nanotehnologije se je začela v osemdesetih letih, ko so Kroto, Smalley in Curl odkrili fulerene. Ameriški fizik Eric Drexler je leta 1986 uporabil Feynmanove ideje in Taniguchijev izraz nanotehnologija v svoji knjigi o možnostih nanotehnologije z naslovom ''Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology'', v kateri je predlagal idejo "molekularnih strojev", ki bi lahko zgradili kopijo sebe in drugih predmetov poljubne zapletenosti. Drexlerjevo vizijo nanotehnologije pogosto imenujejo molekularna nanotehnologija. Znanost o nanotehnologiji je še napredovala, ko je Sumio Iijima, japonski znanstvenik, razvil ogljikove nanocevke [11]. Prve raziskave v toksikologiji, povezane z nanodelci, so bile izvedene konec osemdesetih let. V dveh desetletjih se je količina toksikoloških raziskav nanomaterialov povečala z manj kot 10 publikacij pred letom 1998 na več kot 200 v letu 2010 [6].

(18)

5

Od leta 2000 je prišlo do povečanja števila patentov in znanstvenih člankov, ki temeljijo na nanotehnologiji. Prav tako se povečuje število publikacij, ki obravnavajo tveganja nanomaterialov. Leta 2003 je Samsung za pralne stroje, klimatske naprave, hladilnike, čistilnike zraka in sesalnike, predstavil protibakterijsko tehnologijo s trgovskim imenom Silver Nano™, ki uporablja ionske srebrove nanodelce. Konec leta 2003 je Mercedes- Benz v serijsko proizvodnjo uvedel prozorni premaz na osnovi nanodelcev, tako za kovinske kot nekovinske lakirne premaze. Z uporabo premaza se je povečala odpornost na praske in sijaj. V letu 2012 je podjetje Logitech izdelalo tipkovnico za iPad, ki deluje na svetlobo, kar predstavlja prvo veliko komercialno uporabo barvno občutljivih sončnih celic, ki so sestavljene iz nanodelcev [12], [13].

3.2 Fizikalno-kemijske lastnosti

Nanomateriali so kristalni, drobni delci z veliko površino, višjo stopnjo površinskega naboja in izmenljivostjo protonov [14]. Zaradi majhne velikosti in posebnih fizikalno- kemijskih lastnosti se razlikujejo od večjih materialov enake sestave. To so tudi lastnosti, ki določajo učinke nanomaterialov in predstavljajo tveganja za okolje in zdravje ljudi. Pri oceni tveganj je potrebno upoštevati dejstvo, da nanomateriali tvorijo aglomerate in agregate, ki so tudi večji od 100 nm (slika 2). Nanodelci se lahko sprostijo iz šibko vezanih aglomeratov in pod določenimi pogoji tudi iz agregatov, v katerih so nanodelci med seboj vezani močneje [15]. Pri aglomeratih je celotna površina enaka ali nekoliko manjša od vsote površin posameznih nanodelcev. Pri agregatih je celotna površina bistveno manjša od vsote površin posameznih nanodelcev [16]. Agregirani nanodelci bi bili primer nanostrukturiranega materiala [17]. Večina bioloških procesov poteka na nanometrskem nivoju, kar daje znanstvenikom modele in predloge, da si lažje predstavljajo in gradijo nove procese na različnih področjih. Nanotehnologija jim tako omogoča uporabo edinstvenih fizikalnih, kemijskih, mehanskih in optičnih lastnosti, ki se naravno pojavljajo na nanometrskem nivoju. Lastnosti nanomaterialov so odvisne od kvantnih pojavov in velikega razmerja med površino in prostornino. Kvantni pojavi nastopijo, ko pride do spremembe v koordinaciji atomov s sosednjimi atomi v tolikšni meri, da to povzroči spremembe v energijski strukturi elektronov in posledično spremenjene lastnosti. Kvantni pojavi vplivajo na tališče, fluorescenco, električno prevodnost, magnetno prepustnost in kemijsko reaktivnost materialov [18]. Poleg specifične površine in reaktivnosti z majhnostjo naraščajo tudi trdnost, trdota, razteznost, termični raztezek, difuzija, padajo pa tališče, termična prevodnost, prožnostni modul, gostota in razsip svetlobe [5]. Vsaka modifikacija velikosti, oblike ali površine nanomaterialov povzroča pomembne spremembe v njihovih fizikalnih, kemijskih in bioloških lastnostih [19].

(19)

6

Večino nanomaterialov se površinsko modificira z namenom, da se zmanjša njihova toksičnost, da se izboljšajo ali prilagodijo fizikalno-kemijske lastnosti, spremeni se jim lahko tudi funkcionalnost v primeru, da površinska prevleka vsebuje funkcionalne skupine ter se zagotovi kontrola neželenih procesov aglomeriranja in agregiranja nanodelcev [29].

Slika 2: Prikaz (A) razpršenih nanodelcev (2-5 nm) in (B) agregiranih (80-120 nm) nanodelcev titanovega dioksida (TiO2), slikanih s transmisijskim elektronskim

mikroskopom (TEM) [20].

3.3 Priprava nanomaterialov

Sinteza nanomaterialov se razvija na dnevni ravni z novimi postopki in postulati. Na voljo so številne metode. Izbira določene metode je odvisna od vrste materiala, zahtevane geometrije in dimenzije, v kateri bo nanomaterial proizveden. V prihodnosti se bodo razvijale nove sintetične metode hkrati s potrebo po določeni velikosti in obliki nanomaterialov. Na splošno sintetične metode razdelimo na pristopa bottom-up in top- down. Obstajajo štiri generične poti za pripravo nanomaterialov: mokre kemijske metode, mehanski postopki, nanašanje in-situ in nanašanje v plinski fazi. Glede na izbrano metodo imajo nanomateriali bistveno drugačne fizikalno-kemijske lastnosti. Odvisno od načina priprave in uporabljenih surovin imajo lahko nanomateriali različno velikost, kemijsko aktivnost (redoks obnašanje), površinsko funkcionalnost in stopnjo čistosti. Nanodelci obstajajo v različnih oblikah, kot sferični delci, paličice, cevke, nanovlakna, nanožice itd.

[21]. Sestavljeni so iz več sto atomov ali molekul in so lahko različnih velikosti in morfologij [22]. Nanomateriali se sintetizirajo v različnih morfologijah odvisno od zahtevanih lastnosti za želeno aplikacijo (slika 3) [12]. Pojavljajo se v treh dimenzijah.

Ničdimenzionalni (0D) so kvantne točke, enodimenzionalne (1D) so nanopalice, nanožice in nanocevke, dvodimenzionalni (2D) so nanofilmi, nanoplasti in grafen, tridimenzionalne (3D) so disperzije nanodelcev, snopi nanožic in nanocevk ter večplastni sloji [23].

(20)

7

Slika 3: Nanomateriali z različnimi morfologijami: (A) neporozni nanodelci paladija, (B) ploščice grafena, (C) srebrove nanopalice, (D) nanovlakna polietilen oksida,

(E) ježkom podobne nanožice cinkovega oksida (ZnO), (F) mreža nanožic volframovega oksida (WO3)[12].

3.4 Razvrstitev nanomaterialov

V preteklosti so poročali o številnih vrstah nanomaterialov. S tem se je povečala tudi potreba po njihovi razvrstitvi. Prvo idejo za klasifikacijo nanomaterialov je leta 2000 dal Herbert Gleiter. Nanomateriale je razvrstil glede na kristalno obliko in kemijsko sestavo.

Gleiterjeva shema ni bila popolna, ker niso bile upoštevane dimenzije nanomaterialov.

Leta 2007 sta Pokropivny in Skorokhod izdelala novo shemo za klasifikacijo nanomaterialov, ki je vključevala nedavno razvite kompozite, kot so 0D, 1D, 2D in 3D nanomateriali. Pokropivny in Skorokhod sta razvrstila, da so značilnosti nanomaterialov odvisne od oblike in dimenzionalnosti delcev v skladu s konceptom "inženiringa površine" [12]. Nanomateriale lahko razvrstimo v štiri kategorije glede na njihovo velikost, sestavo in obliko:

- Prva kategorija so nanomateriali na osnovi ogljika, ki jih najdemo v morfologijah, kot so votle cevke, elipsoidni ali sferični nanodelci. V to kategorijo so vključeni fulereni, ogljikove nanocevke, ogljikovi nanodelci in grafeni [9].

- Druga kategorija so nanomateriali iz anorganskih snovi. Te lahko sintetiziramo npr. v kovine, kot so nanodelci srebra ali zlata, kovinske okside, kot so nanodelci TiO2 in ZnO, ter kvantne točke iz polprevodniških spojin.

- V tretjo kategorijo spadajo nanomateriali, izdelani večinoma iz organskih snovi, kot so dendrimeri, liposomi in polimerni miceli.

(21)

8

- Četrta kategorija so kompozitni nanomateriali. To so večfazni nanomateriali z eno fazo v nano dimenziji, ki lahko kombinirajo nanodelce z drugimi nanodelci ali nanodelce v kombinaciji z večjimi materiali, kot so npr. hibridna nanovlakna [12].

3.4.1 Razvrstitev nanomaterialov glede na izvor

Nanomateriale razvrstimo glede na njihov izvor na naravne in sintetične. Nanomateriali, ki se pojavljajo v naravi, so prisotni v hidrosferi, ozračju, litosferi in biosferi. Nastajajo v naravi z delovanjem organizmov, v vulkanskih izbruhih, z erozijo, puščavskim prahom itd.

Sintetični nanomateriali se proizvajajo nenamensko kot posledica človekovih dejavnosti ali kot stranski produkt industrijskih dejavnostih, npr. z mehanskim brušenjem, s tobačnim dimom, izpuhi iz motorjev z notranjim zgorevanjem ali pri izgorevanju biomase itd., ali pa se namensko sintetizirajo s fizikalnimi, kemičnimi, biološkimi ali hibridnimi metodami, in so tako imenovani proizvedeni nanomateriali. Slednji so predvsem tisti, ki povzročajo škodljive vplive na okolje in zdravje ljudi [12], [24]. Izraz ultrafini delci (UFPs) se nanaša na naravno prisotne nanomateriale. UFP so frakcije zunanjih delcev, ki vsebujejo delce v zraku s premerom manj kot 100 nm. Nekaj informacij o učinkih nanomaterialov lahko dobimo po analogiji iz ultrafinih delcev, za katere je dokazano, da po vdihavanju povzročajo vnetja, poslabšajo astme, so lahko genotoksični in rakotvorni [9], [25]. Če imajo proizvedeni nanodelci enake fizikalno-kemijske značilnosti, kot ultrafini delci, lahko predstavljajo enake zdravstvene težave [17].

3.5 Karakterizacija nanomaterialov

Nanodelce lahko z razvojem nanotehnologije opazujemo z modernimi specializiranimi mikroskopskimi napravami. Nedavne ugotovitve na področju mikroskopije so znanstvenikom omogočile nova orodja za razumevanje in izkoriščanje pojavov nanodelcev [18]. Karakterizacija nanomaterialov je pomemben prvi korak pri oceni tveganja, da se prepozna njihovo sestavo in lastnosti ter tako lažje oceni njihove biološke učinke in potencialno toksičnosti. Za oceno tveganja je potreben širok spekter lastnosti (slika 4). S karakterizacijo nanomaterialov določimo kemijske lastnosti, ki vključujejo sestavo, strukturo, molekulsko maso, tališče, vrelišče, parni tlak, porazdelitveni koeficient oktanol-voda, topnost v vodi, reaktivnost in stabilnost. Prav tako so potrebne informacije o proizvodnji in formulaciji nanomaterialov za razumevanje čistosti, spremenljivosti izdelka, učinkovitosti in uporabe. Zaradi raznolikosti in kompleksnosti nanomaterialov je karakterizacija pomembna in zahtevna. Pričakujejo se tudi druge lastnosti, kot so velikost delcev in porazdelitev velikosti, razmerje med površino in prostornino, oblika, elektronske lastnosti, značilnosti površine, stanje agregacije ali aglomeracije in prevodnosti [20].

(22)

9

Trenutno ni parametra, ki bi lahko razložil vse škodljive učinke. V skladu s tem je treba analizirati najrazličnejše fizikalno-kemijske lastnosti s številnimi študijami in-vitro in in- vivo ter preučiti, kateri parametri lahko pravilno odražajo te nevarnosti [26]. Obstajajo fizikalne lastnosti, ki jih je mogoče oceniti z več kot eno tehniko. Različne prednosti in omejitve vsake tehnike otežijo izbiro najprimernejše metode, zato se pogosto uporablja kombinacijski pristop h karakterizaciji [27].

Slika 4: Prikaz nekaterih lastnosti potrebnih za karakterizacijo nanomaterialov [28].

Tipične kombinacije vključujejo elektronske in optične detektorje za strukturo ter kemijsko sestavo, ionske in elektronske žarke za pripravo in opazovanje vzorcev, skenirno sondo in optične detektorje za topografijo ter kemijske lastnosti [29].

Nanomateriali predstavljajo vrsto izzivov za karakterizacijo. V nekaterih delih raziskovalne skupnosti se vedno bolj priznava, da študije in objavljena poročila o lastnostih in vedenju nanomaterialov pogosto poročajo o neustrezni ali nepopolni karakterizaciji [30]. Ključne raziskave v prihodnosti se usmerjajo v razvoj metod za odkrivanje in karakterizacijo nanomaterialov v kompleksnih matricah in določanje njihovih transformacij v teh okoljih. Potrebna je razširitev metod na zahtevnejše materiale, kot so kompleksni ali napredni nanomateriali in materiali na osnovi ogljika.

Poleg tega bo večja razpoložljivost potrjenih protokolov in referenčnih materialov bistvena za napredovanje tako študij o nanovarnosti kot tudi karakterizacije materialov.

Natančna dozimetrija, ustrezni kontrolni poskusi in bolj realistični in-vitro modeli bodo pomagali odpraviti trenutne vrzeli v nanotoksikologiji [26].

(23)

10

3.6 Področja uporabe nanomaterialov

V zadnjih letih se povečuje izdelava nanomaterialov in s tem število proizvedenih nanomaterialov v potrošniških izdelkih in industrijskih aplikacijah. Nanomateriali so zanimivi predvsem zaradi specifičnih lastnosti in se zato uporabljajo v različne namene.

Uporabljajo se samostojno ali v kombinaciji z drugimi materiali. Z uporabo nanomaterialov se doseže miniaturizacijo, zmanjša težo zaradi povečane učinkovitosti materiala in izboljša funkcionalnosti materialov. Omogoči se daljšo obstojnost, toplotno stabilnost, boljšo prevodnost in topnost ter zmanjša trenje materialov. Razvoj novih vrst nanomaterialov poteka hitro in v prihodnosti naj bi se število nanomaterialov na trgu še povečalo [8]. Nekatere pomembne aplikacije in tehnologije, ki temeljijo na nanomaterialih, so proizvodnja nanopraškov iz keramike in drugih materialov, nanokompozitov, razvoj nanoelektromehanskih sistemov (NEMS), čipi za kemijske/biokemijske preiskave, nanoelektronika, novi laserji, nanosenzorji, nanoračunalniki (na osnovi nanocevk in drugih materialov), spintronika in povezovanje bioloških motorjev z anorganskimi nanodelci [4]. Prednosti in koristi nanomaterialov so vidne v različnih industrijah od kemijske, avtomobilske, tekstilne, kovinske in farmacevtske industrije do gradbeništva (slika 5), transporta in obrambne dejavnosti.

Nanotehnologija pomembno vpliva na razvoj, predelavo in uporabo elektronskih naprav.

Na tržišču so se pojavile nano diode, OLED tehnologija, plazma zasloni, novi materiali za polprevodnike, ki omogočajo hitrejšo obdelavo, nova generacija tranzistorjev itd.

Nanotehnologija je vpeta v proces obnovljivih virov energije, kjer vpliva na učinkovitost proizvodnje energije, energetsko absorpcijo in shranjevanje energije [31].

Nanotehnološke aplikacije so tako prisotne na področju baterij, fotovoltaike, sončnih celic, gorivnih celic, pridobivanju goriv iz biomase in shranjevanju toplotne energije, itd.

Nanotehnologija občutno prispeva k sanacijam okolja in reševanju okoljskih problemov.

V ta namen se uporabljajo za izdelavo membran in antimikrobnih materialov za čiščenje vode, nanostrukturirane filtre za odstranjevanje onesnaževal iz industrijskih odplak, za izboljšane metode sanacije, kot so npr. foto-katalitske metode, fitofarmacevtska sredstva, čiščenje zraka in odpadnih voda preko uporabe sistemov z nano-filtri. Na področju medicine se nanotehnologijo uporablja za diagnostiko in zgodnje odkrivanje bolezni, pri nanopremazih za izboljšanje bioaktivnosti in biokompatibilnosti vsadkov, za dostavo zdravil v telo brez poškodb ostalih celičnih linij ali organov, kot kontrastna sredstva za nuklearno magnetno resonanco, za izdelavo materialov za regeneracijo kosti in tkiva.

Raziskave na področju nanotehnologije se usmerjajo v nove varne izdelke in procese, ki bodo tako izboljšali dolgoročno konkurenčnost evropske industrije kot tudi kakovost življenja ljudi. Eden od ciljev nanotehnologije je zagotoviti nov sklop stroškovno učinkovitih in inovativnih metod za odstranjevanje odpadkov [31]. Ker se nanotehnologija aktivno uporablja na številnih področjih, je pomembno razumevanje njihovih značilnosti, vedenja in učinkov ob izpostavljenosti ter potencialne toksičnosti [14].

(24)

11

Slika 5: Primeri uporabe nanomaterialov v gradbeništvu. (a) Strešni sončni kolektor z vsebnostjo silicijevih/TiO2 nanožic. (b) Betonski pločnik z vsebnostjo ogljikovih

nanovlaken. (c) Jekleni most z vsebnostjo nanodelcev bakra. (d) Okno stavbe z vsebnostjo nanodelcev TiO2 [32].

3.7 Pogosti primeri nanomaterialov na delovnem mestu

3.7.1 Nanodelci silicijevega dioksida

Nanodelce silicijevega dioksida (SiO2) najdemo v gradbeništvu v visoko zmogljivih betonskih mešanicah za povečanje kohezije betona, v barvah in premazih. Nanodelci SiO2

se razvijajo za biomedicinske namene, za zdravljenje raka, prenos zdravil do organov in izdelke za zdravstveno nego. Barve in premazi vsebujejo delce SiO2, zaradi česar površine preprečujejo umazanijo, grafite ali prstne odtise. Lotus-effect ™ je patentiral nemški znanstvenik dr. Wilhelm Barthlott in se sklicuje na idejo konstrukcije površin z mikroskopskimi dvignjenimi samočistilnimi površinami, posledično umazanija in tekočine ne morejo priti na površino in se od nje odbijajo [2]. Nanodelci SiO2 se lahko nahajajo v amorfni ali kristalinični obliki. V aplikacijah se po navadi uporablja amorfna oblika. Raziskave so pokazale, da je kristalinična oblika za razliko od amorfne oblike toksična. Z manjšanjem velikosti postaja SiO2 čedalje bolj toksičen material z negativnimi učinki na organizme že v koncentracijah velikosti nekaj mg/L. Testi in-vitro na človeških jetrnih celičnih linijah so pokazali, da so nanodelci SiO2 citotoksični in lahko povzročijo apoptozo celic. Toksičnost delcev je odvisna od njihove velikosti, kristaliničnosti, koncentracije in časa izpostavljenosti.

(25)

12

Po vdihavanju nanodelcev s kristalinično obliko se je v telesu testnih podgan pojavil vnetni odziv z različnimi genotoksičnimi učinki, pri tem se je zvišala koncentracija fibrionogena in spremenila viskoznost krvi. Testi in-vitro na človeških pljučnih celičnih linijah so pokazali, da lahko nanodelci SiO2 povzročijo vnetje, fibrozo, poškodbe pljučnega tkiva ter celo poškodbe genskega materiala. Testi in-vitro na rakastih celicah bronhoalveolarnega pljučnega tkiva so pokazali, da viabilnost celic znatno pada z vsebnostjo nanodelcev in je odvisna od njihove velikosti. Pri teh rakastih celicah se je po izpostavljenosti povečala tudi koncentracija reaktivnih kisikovih spojin, ki povzročajo peroksidacijo lipidov in poškodbe celičnih membran. Raziskave so prav tako pokazale, da nanodelci SiO2 preprosto prehajajo skozi kožo, se akumulirajo po celotnem organizmu ter povzročajo enake stranske učinke kot nanodelci, ki vstopijo v organizem z vdihavanjem [33].

3.7.2 Srebrovi nanodelci

Srebrovi nanodelci se proizvajajo in uporabljajo v različnih izdelkih in aplikacijah zaradi dobre protimikrobne aktivnosti ionske oblike Ag+, četudi srebro v prosti ionski obliki predstavlja eno izmed najbolj ekotoksičnih kovin. Uporabljeni so na različnih področjih, od elektronike in tekstilstva do biomedicine in farmacije, kljub temu obstaja malo raziskav o njihovi toksičnosti ter usodi v organizmih in ekosistemih. Izpostavljenost delavcev in potrošnikov je zaradi razširjenosti uporabe relativno velika. Potrebni so nadaljnji podatki o izpostavljenosti in toksičnosti za ljudi [2]. Dokazano je, da se ionska oblika srebra izloča iz kompozitnih polimerov, ki vsebujejo srebrove nanodelce. Z eksperimenti so pri testnih podganah po vdihavanju našli srebrove nanodelce porazdeljene po celem telesu. S testi in-vitro so pokazali, da vplivajo na delovanje mitohondrijev in poškodujejo deoksiribonukleinske kisline (DNA), vendar še ni pojasnjeno, katera oblika srebrovih nanodelcev povzroča te učinke. Srebrovi nanodelci, ki v telo vstopijo z vdihavanjem, so v večini v ionski obliki in manjši delci so bolj toksični od večjih delcev. Glavni mehanizem toksičnosti je povezan z večjo vsebnostjo genotoksičnih reaktivnih kisikovih spojin oziroma nastankom reaktivnih prostih radikalov, ki v večjih koncentracijah povzročijo oksidativni stres in vodijo do odmrtja celic [33].

3.7.3 Ogljikove nanocevke

Razvoj nanotehnologije je leta 1991 prinesel ogljikove nanocevke (CNT), ki imajo cilindrično obliko, zgrajeno iz heksagonalno povezanih ogljikovih atomov. Obstajajo različne vrste nanocevk: enostenske (SWCNT), dvostenske (DWCNT) in večstenske (MWCNT), ki se razlikujejo po številu plasti grafita (slika 6). Njihova majhna velikost, struktura in topologija jim dajejo edinstvene mehanske lastnosti, kot so visoka stabilnost, trdnost in togost ter posebne električne, toplotne in optične lastnosti, zaradi katerih imajo sloves enega najobetavnejših nanomaterialov. Najbolj trendni in trženi nanotehnološki izdelki so zgrajeni iz MWCNT.

(26)

13

Vendar so dokazali, da škodljivo vplivajo na zdravje, in sicer povzročajo azbestu podobne učinke. Znanstveniki so poročali, da se je pri laboratorijskih glodalcih, ki so bili izpostavljeni MWCNT, s časom razvil mezoteliom. MWCNT so lahko patogene, ker so vlakna dovolj tanka, da pridejo mimo zgornjih dihalnih poti v območja pljuč, kjer kisik difundira v krvni obtok, prav tako so dovolj dolga, da povzročajo škodo v pljučih, saj uničujejo naravno obrambo, so tudi trpežna, saj se v telesu zadržijo dlje časa, ne da bi jih telo raztopilo ali razgradilo. Zadrževanje dolgih vlaken povzroča poškodbe v pljučih, kot so vnetja, nastanek granulomov in fibrozo (slika 7). S časom se stanje poslabša, ker vlaken ni mogoče odstraniti iz pljuč, in lahko pride do nastanka mezotelioma. Ogljikove nanocevke lahko ravno tako prehajajo skozi posteljico in vplivajo na plod. Značilnosti premer, dolžina, bioobstojnost so znane kot paradigma vlaken. Ogljikove nanocevke MWCNT‑7 je Mednarodna agencija za raziskave raka (IARC) razvrstila v skupino 2B med morebitno rakotvorne za ljudi [17]. Pomisleki glede nevarnosti CNT se pojavljajo ne le zaradi njihove nanostrukture, ampak tudi dejstva, da so te strukture vlaknaste.

Vlakna ožja od 3 μm, lahko prodrejo vse do pljučnih mešičkov, s tem ko so vlakna, daljša od 15 μm, predolga in jih makrofagi ne morejo odstraniti [26], [34]. MWCNT je mogoče izdelati z različnimi metodami in pogoji obdelave, zato je na delovnih mestih potrebna posebna previdnost. Za delavce je ključno, da dobijo dovolj informacij o procesih, pri katerih bi jim lahko bili izpostavljeni. Čeprav še ni znanstvenega soglasja o odmerku in času, potrebnem za povzročanje škodljivih vplivov na zdravje, jim delavci v nobenem primeru ne smejo biti izpostavljeni [2], [15].

Slika 6: Enostenske in večstenske ogljikove nanocevke [2].

Slika 7: Prikazuje večstensko ogljikovo nanocevko v pljučnem mešičku [35].

(27)

14

Znanstvenikom je s preobdelavo uspelo spremeniti površinske lastnosti nanocevk in s tem izrazito vplivati na zmanjšanje njihove toksičnosti. Za ogljikove nanocevke je bilo izdanih več kot 5000 patentov in proizvedenih več kot 50.000 različic. Veliko število proizvedenih nanomaterialov prispeva k nerazumevanja vseh vplivov na zdravje in varnost [9], [15]. Treba se je izogibati posploševanju o toksičnosti nanomaterialov na osnovi ogljika, saj to niso posamezni nanomateriali, temveč razredi z različnimi fizikalno- kemijskimi lastnostmi, ki se posledično razlikujejo tudi po toksičnosti [36].

3.7.4 Nanodelci titanovega dioksida

Nanodelci TiO2 imajo izjemne karakteristike, zato so med najbolj vsestransko uporabnimi nanomateriali. Pojavljajo se v treh alotropnih modifikacijah kot anatas, rutil in brukit.

Običajno so mešanica anatasne in rutilne oblike. Nanodelci TiO2 so stabilni in odporni proti kemikalijam. Za njih je značilno, da so zmerno toksični, povzročajo vnetni odziv v pljučih. V anatasni obliki imajo nanodelci večji učinek toksičnosti kot v rutilni obliki.

Nanodelci velikosti okoli 20 nm, lahko sprožijo oksidativne poškodbe DNA in peroksidacijo lipidov. Trenutno razumevanje njihove toksičnosti je v veliki meri odvisno od omejenega števila poskusnih študij na živalih ali celičnih kulturah, zato je potrebna ekstrapolacija na izpostavljenost ljudi. Epidemiološke študije doslej niso odkrile pomembnih povezav med poklicno izpostavljenostjo in povečanim tveganjem za pojav raka [33], [37].

(28)

15

4 Tveganja pri uporabi nanomaterialov

4.1 Tveganje za zdravje

Znanstveni odbor za nastajajoča in na novo ugotovljena zdravstvena tveganja (SCENIHR) je na podlagi dokazov ugotovil, da obstajajo nevarnosti za zdravje, povezane z nekaterimi proizvedenimi nanomateriali, predvsem zaradi njihove potencialne toksičnosti [21]. Tveganja za zdravje se glede na sestavo nanomaterialov med seboj razlikujejo, pri tem se tveganje z zmanjševanjem velikosti delcev povečuje.

Nanomateriali imajo veliko večjo površino kot materiali enake mase z večjimi delci.

Načeloma imajo enake učinke na zdravje kot večji delci istega materiala, vendar imajo tudi druge, bistveno drugačne učinke. S tem ko se površina na maso materiala poveča, se poveča količina materiala, ki pride v stik z okoliškimi materiali, kar vpliva na njihovo reaktivnost. Snov, ki je običajno neškodljiva, je lahko strupena v majhnih velikostih [34].

Nekateri mehanizmi tveganja za zdravje so že prepoznani, niso pa še povsem pojasnjeni.

Sinteza nanovlaken nenehno napreduje, zato jih je danes mogoče izdelati iz skoraj vseh materialov. Pojavlja se možnost izdelave nanovlaken, ki bi lahko bila enako ali celo bolj škodljiva od azbestnih. Nekateri bodo zelo verjetno po velikosti, kemični sestavi ali površinskih lastnostih bolj podobni azbestu, kot so ogljikove nanocevke [38]. Obnašanje nanodelcev je odvisno od njihove velikosti, oblike in reaktivnosti z okoliškimi tkivi.

Druge lastnosti, ki vplivajo na toksičnost nanomaterialov, predstavljajo kemična sestava, površinska struktura, površinski naboj, agregacija, aglomeracija, topnost in prisotnost ali odsotnost funkcionalnih skupin. Veliko število spremenljivk, ki vplivajo na toksičnost, pomeni, da je težko posploševati zdravstvena tveganja povezana z izpostavljenostjo nanomaterialom, zato je treba vsak nov nanomaterial oceniti posebej in upoštevati vse lastnosti materiala [21]. Čeprav so v preteklosti poročali, da so nekatere fizikalno- kemijske lastnosti nanomaterialov povezane z biološkimi učinki, lastnosti niso povsem poenotene. Npr. kratka vlakna imajo zaradi večje specifične površine večji potencial, da povzročijo vnetja. Vendar je to nasprotno od paradigme vlaken [26]. Najbolj problematični so nerazgradljivi ali težko razgradljivi nanodelci, ki se kopičijo v organih.

Nanodelci preobremenijo fagocite in sprožijo stresne reakcije, ki vodijo do vnetij in oslabijo obrambno sposobnost telesa pred drugimi patogeni. Poleg tega nanodelci adsorbirajo makromolekule na tkivu in tekočinah, s katerimi se srečajo, kar lahko vpliva na regulativne mehanizme encimov in drugih beljakovin [21]. Splošni akutni toksični učinki, ki jih povzroča izpostavljenost nanomaterialom, vključujejo nastajanje reaktivnih kisikovih vrst, denaturacijo beljakovin, mitohondrijsko diskoncentracijo in motnje fagocitnih funkcij. Kronični učinki so toksičnost, citotoksičnost in različne poškodbe pljuč, kot so vnetja, poškodbe tkiva, fibroza in pojav tumorjev [38].

(29)

16

Bolezni, ki se razvijejo v povezavi z nanodelci, so astma, bronhitis, pljučni rak, Parkinsonova bolezen, Alzheimerjeva bolezen, Crohnova bolezen, rak debelega črevesa, bolezni srca, revmatoidni artritis, sklerodermija, urtikarija in bolezni, povezane z jetri, vranico (slika 8) itd. [21].

Slika 8: Poti izpostavljenosti, prizadeti organi in z nanomateriali povezane bolezni [21].

4.2 Toksikokinetika

Ob vstopu v telo se nanodelci podobno kot druge snovi v telesu absorbirajo, razporedijo in presnovijo. Nanodelce so našli v pljučih, jetrih, ledvicah, srcu, reproduktivnih organih, možganih, vranici, skeletu, mehkih tkivih in zarodkih [33]. Največ so jih našli v vranici, jetrih in v bezgavkah. Vranica iz krvi čisti delce večje od 250 nm, jetra pa manjše delce.

V jetrih se kri pretaka preko drobnih sinusoidnih žil, v katerih so prisotni makrofagi, t.i.

Kupfferjeve celice, v osrednjo veno in tako delujejo kot biološki filter. S tem ko so učinkovite pri nevtralizaciji nezaželenih molekul in filtriranju nanodelcev, so tudi izpostavljene njihovim toksičnim učinkom [34]. Človeško telo je razvilo toleranco do večine naravno prisotnih elementov in molekul, s katerimi pride v stik. Ni pa imuno na nove snovi in zato je bolj verjetno, da bo telo take snovi zaznalo kot toksične. Ustvarijo se tako imenovani prosti radikali, ki lahko poškodujejo celice. Za nenamensko proizvedene nanomateriale je značilno, da so različnih velikosti in zato v telesu povzročajo različne bolezni, od zasluzenja pljuč in kašlja do srčnih obolenj in obolenj notranjih organov.

(30)

17

Za namensko proizvedene nanomateriale razvite za potrebe nanotehnologij je značilno, da so ti delci običajno enako veliki, zato pri vstopu v organizem povzročijo en sam odziv, ki pa je hujši, kot bi bil ob vstopu delcev različnih velikosti [21]. Nanodelci, ki jih vdihnemo, lahko brez težav dosežejo krvni obtok, saj so po velikosti podobni receptorjem celične membrane in jih celice makrofagov ne prepoznajo kot tujek ter ga s procesom endocitoze spustijo vase (slika 9) [12]. Anatomske in fiziološke ovire predstavljajo prvo obrambno linijo pred patogeni in tujimi materiali. Sluznične ovire, kot so pljučne ali prebavne cevi, so pogosto prve, ki naletijo na nanodelce. Delci z velikostjo več kot 100 nm se ustavijo v zgornjih dihalih (v nosu, žrelu in bronhijih), medtem ko delci, manjši od 50 nm, prodrejo do območja malih sapnic in pljučnih mešičkov. V pljučih se nanodelci pogosto očistijo z močnim mukociliarnim očistkom, ki je primarni prirojeni obrambni mehanizem dihalnega trakta. Ob vstopu delca epitelijske celice izločajo kemikalijo, ki povzroči, da makrofagi pridejo na mesto vstopa delcev in začnejo z mehanizmom čiščenja. Celice sprožijo rast dolgih organskih izrastkov, ki potegnejo delce vase in jih tako imobilizirajo. Pri velikih količinah nanodelcev pride do tako intenzivne rasti celičnih izrastkov in povečanega števila makrofagov, da se pojavi zasluzenje pljuč. V primeru, da makrofagi nanodelca zaradi specifične oblike ne uspejo povsem izolirati, kot je to značilno za nitkaste nanodelce, pride do puščanja celične tekočine v pljučno tkivo in do trajnega draženja, ki lahko zaradi mutacijskih sprememb vodi do rakavih obolenj.

Prevelika koncentracija nanodelcev znotraj makrofaga lahko povzroči njegovo smrt.

Čeprav bi morala celovitost epitelija in njegove površinsko aktivne snovi omejiti odlaganje nanodelcev v alveolarno regijo, je dokazano, da nanodelci dosežejo osnovno sluznico lamina proprija in sčasoma vstopijo v limfni in portalni obtok [3], [34]. Trenutno je še vedno veliko neznanega glede bioakumulacije nanodelcev in mehanizmov izločanja iz celic in organov. Čeprav sami po sebi niso nujno toksični, lahko delujejo kot sredstvo, na katerega se pritrdijo bolj toksične snovi in vstopijo v telo, organe ali celice [35].

(31)

18

Slika 9: Prodor nanodelcev na različna mesta znotraj fagocitne celične linije. Oznake:

M = mitohondriji, P = nanodelci [12].

4.3 Vstopne poti nanodelcev v organizem

Vstopne poti nanodelcev so absorpcija preko kože (npr. z uporabo kozmetike, ki vsebuje nanodelce), vdihavanje (npr. na delovnem mestu), zaužitje (npr. živilskih izdelkov, ki vsebujejo nanodelce) in vbrizgavanje (npr. zdravil, ki temeljijo na nanotehnologiji).

Najpogostejšo izpostavljenost na delovnem mestu predstavljata vdihavanje in absorpcija preko kože, redkeje pride do zaužitja, vbrizganja ali vstopa v telo preko oči (slika 10) [3].

4.3.1 Vdihavanje

V primerjavi z ostalimi načini njihovega vstopa v telo je verjetnost, da pride do izpostavljenosti preko vdihavanja, največja. Po vdihavanju lahko prodrejo skozi pljučni epitelij, vstopijo v krvni obtok in dosežejo organe. Ugotovljeno je bilo, da nekateri vdihani nanodelci pridejo do možganov preko vohalnega živca [39].

(32)

19

4.3.2 Zaužitje

Do izpostavljenosti nanodelcem pride s prenosom z rok v usta, če si delavci po delu ne umijejo rok. Zunaj delovnega mesta lahko pride do zaužitja nanodelcev s hrano preko embalaže, ki vsebuje nanodelce. Delci, ki vstopijo v telo z zaužitjem, se absorbirajo v prebavnem traktu in vstopijo v krvni obtok [24].

4.3.3 Preko kože

Delavci so izpostavljeni nanomaterialom tudi preko kože. Način, kako nanodelci prehajajo skozi kožno tkivo, še ni popolnoma znan [15]. Nanodelci lahko vstopijo v telo skozi poškodovano kožo. Na delovnem mestu pride do izpostavljenosti s stikom z nanomateriali ali z nanomateriali onesnaženimi površinami. To predstavlja zanemarljivo ali zelo majhno tveganje, vendar s tem, da se izognemo stiku s kožo, lahko preprečimo nenamerno zaužitje oziroma zmanjšamo izpostavljenost nanomaterialom preko kože [18].

Slika 10: Načini izpostavljenosti in potencialne poti prenosa [9].

(33)

20

4.4 Tveganje za pojav požara in/ali eksplozije

Vsi nanomateriali ne predstavljajo enake možnosti za požar ali eksplozijo. Nekateri nanomateriali so posebej zasnovani za eksplozivna goriva, drugi pa so zaviralci gorenja [40]. Trdni nanodelci lahko zaradi majhne velikosti in velike površine predstavljajo nevarnost za pojav požara in/ali eksplozije, kot so npr. kovinski nanoprahovi, ki v primerjavi z večjimi delci eksplodirajo močneje [41]. Občutljivost za vžig se povečuje z zmanjšanjem delcev in večjo površino za kemijsko reakcijo. Manjši kot so delci, nižja je tudi temperatura samovžiga [24], [34]. Zgornja meja velikosti delcev eksplozivnega oblaka prahu je 500 µm. Trenutno ni določena omejitev velikosti, pod katero je mogoče izključiti eksplozije prahu. Preventivni ukrepi za nanomateriale v obliki prahu so enaki kot za vse druge eksplozivne in vnetljive prahove in bi morali upoštevati zahteve iz Direktive 99/92/ES o minimalnih zahtevah za izboljšanje varnosti in varovanja zdravja delavcev, ki bi lahko bili v nevarnosti zaradi eksplozivnih atmosfer [39].

4.5 Izpostavljenost na delovnem mestu

Izpostavljenost nanomaterialom je najverjetnejša na delovnih mestih, kjer se jih proizvaja ali z njimi ravna v velikih količinah in v daljšem časovnem obdobju [42]. Raziskave o izpostavljenosti delavcev, potrošnikov in okolja so v zadnjih letih močno napredovale, kar kaže povečanje števila objav z 18 v letu 2000, 1144 v letu 2010 na 3753 v letu 2016 [43]. Delavci so nanomaterialom izpostavljeni v različnih poklicnih okoljih, v katerih se nanomateriali proizvajajo, uporabljajo, obdelujejo ali predelujejo, zaradi česar se prenašajo po zraku in jih lahko delavci vdihavajo ali pridejo v stik z njimi preko kože, npr. pri varjenju, brušenju, mletju, spajkanju, rezanju, v zdravstvu, gradbeništvu, itd.

Veliko delavcev ne ve, da so izpostavljeni nanomaterialom in ne poznajo prisotnih tveganj. V takih delovnih okoljih je manj verjetno, da so bili sprejeti ustrezni preventivni ukrepi [41]. Delavci so izpostavljeni v različnih fazah, pri delih kot so nakladanje in razkladanje nanomaterialov ali kemikalij, ki vsebujejo nanomateriale, v/iz opreme za mletje ali mešanje, polnjenje kemikalij v posode, vzorčenje proizvedenih kemikalij, pri odpiranju sistemov za pridobivanje izdelkov, čiščenju in vzdrževanju naprav (vključno z zaprtimi proizvodnimi sistemi) in opreme za zmanjšanje tveganja, kot so filtri v lokalnih izpušnih prezračevalnih sistemih. Nizozemska konfederacija sindikatov (FNV) je leta 2010 objavila smernico o varnem ravnanju z nanomateriali in nanoizdelki, ki priporoča oceno celotnega življenjskega cikla nanomaterialov, le ta se začne v trenutku, ko materiali ali izdelki vstopijo v podjetje, in konča, ko ti materiali ali izdelki ponovno zapustijo podjetje kot izdelek pripravljen za uporabo ali kot odpadki. Če se ti materiali spremenijo ali vključijo v drug izdelek, bodo delavci lahko izpostavljeni tudi pri ravnanju z izdelki, prevozu, odstranjevanju in recikliranju. Potencialna izpostavljenosti je odvisna predvsem od verjetnosti, da se nanomateriali razpršijo v zrak. To predstavlja večje potencialno tveganje kot suspenzije v tekočini, pastah, zrnatih materialih ali kompozitih [2],[10].

(34)

21

Načeloma lahko vse dejavnosti, ki vključujejo nanomateriale in se izvajajo zunaj zaprtega sistema, štejejo za kritične, ker obstaja nevarnost izpostavljenosti delavcev. Vendar je izpostavljenost možna tudi pri uporabi zaprtih sistemov, npr. v primeru puščanja ali med dejavnostmi čiščenja in vzdrževanja, kar je treba upoštevati pri oceni tveganja in izvajanju preventivnih ukrepov [39].

4.5.1 Monitoring na delovnem mestu

Meritve in ocene izpostavljenosti na industrijskih delovnih mestih so bile prvič izvedene konec prejšnjega stoletja. Proučevanje postopkov sproščanja nanomaterialov je osrednjega pomena za razumevanje, modeliranje in zmanjšanje možne izpostavljenosti, kar velja tako za izpostavljenost delavcev, kot tudi potrošnikov in splošne javnosti [43].

Merilne naprave za sprotno spremljanje nanomaterialov v zraku se razlikujejo po uporabljenih metodah, merilnem območju, časovnem intervalu, natančnosti itd.

Standardizirane metode vzorčenja zagotavljajo, da so vsi zbrani podatki in dokumentacija za merjenje izpostavljenosti usklajeni in omogočajo primerjavo med različnimi scenariji izpostavljenosti [25]. Čeprav je bilo opravljeno veliko meritev za določanje emisij nanomaterialov s številom delcev na kubični meter, se trenutno pri ocenah tveganj na delovnem mestu in predpisih uporabljajo masne koncentracije [28]. Nizka masna koncentracija nanodelcev lahko predstavlja veliko število delcev. Meritev na podlagi mase je lahko zaradi prisotnosti razmeroma majhnega števila velikih in težkih delcev popačena. Ker imajo najmanjši delci sorazmerno večjo specifično površino, ki je pomemben dejavnik pri toksičnosti, je SCENIHR opredelil število delcev na kubični meter kot ustreznejšo metriko za oceno možnih učinkov [44].

Slika 11: Prikazuje opremo za ocenjevanje možne izpostavljenosti [40].

(35)

22

Metode merjenja in analize so omejene in drage v primerih, ko je treba identificirati in količinsko opredeliti nanomateriale. Na področju ocenjevanja izpostavljenosti je bil v EU dosežen napredek v zadnjih desetih letih. Merilne naprave so postale enostavnejše za uporabo in dostopnejše s cenami pod 10.000 €, predvsem za meritve števila delcev in njihove površine. Trenutno ni pravno zavezujoče uredbe, ki bi določala, kako in s katerimi instrumenti je treba izvajati meritve izpostavljenosti proizvedenim nanomaterialom.

Začetne meritve nanodelcev in njihovih aglomeratov na delovnem mestu so temeljile zgolj na stacionarnih meritvah, medtem ko nedavna dognanja omogočajo meritve osebne izpostavljenosti v območju dihanja [39]. Pomanjkanje usklajenega pristopa povzroča nedosledno in pogosto omejeno zbiranje informacij za monitoring in razlago rezultatov na delovnem mestu. Posledično so potrebne obsežne študije izpostavljenosti v celotnem življenjskem ciklu nanomateriala, z doslednim zbiranjem in analizami podatkov o izpostavljenosti na delovnem mestu [45]. Pri oceni je treba uporabiti vzorce na osnovi filtrov in števcev delcev. Števci delcev sporočajo količino nanomaterialov in drugih naključnih delcev v ozadju v realnem času. Vzorci na osnovi filtrov identificirajo nanomateriale. Dve pogosti metodi, ki se uporabljata za filtre, sta elektronska mikroskopija za prikaz objektov manjših od 200 nm in elementna analiza. Elementna analiza ugotavlja prisotnost in količino določenega elementa v nanomaterialu. Celovita ocena izpostavljenosti za preverjanje nadzora zahteva vse tri metode vzorčenja: števce delcev, elementno analizo in elektronsko mikroskopijo (slika 11) [40].

4.6 Zakonodaja

Nanotehnologija je izziv tudi za zakonodajne organe, kot sta Evropska komisija in Evropska agencija za kemikalije (ECHA) ter druge interesne skupine. Evropska komisija je nanotehnologijo opredelila kot ključno tehnologijo, ki naj bi v prihodnosti pomembno vplivala na gospodarsko rast v Evropski uniji. Povečana uporaba nanomaterialov tako sproža pomisleke, katere bo potrebno v prihodnosti ovrednotiti in bolje opredeliti v zakonodaji [46]. Za nanomateriale veljajo posebne določbe iz področne zakonodaje, kot so živilska zakonodaja, zakonodaja o biocidih in kozmetiki ter zakonodaja o varstvu okolja, delavcev in potrošnikov. Na tem področju je pomembna tudi zakonodaja o kemikalijah, Uredba REACH o registraciji, evalvaciji, avtorizaciji in omejevanju kemikalij (Uredba (ES) št. 1907/2006) in Uredba CLP o razvrščanju, označevanju in pakiranju snovi ter zmesi (Uredba (ES) št. 1272/2008). Uredba REACH določa, da mora biti zagotovljena varna uporaba vseh kemičnih snovi, za kar so odgovorni tako proizvajalci, uvozniki kot tudi nadaljnji uporabniki. Nanomateriali so v zakonodaji opredeljeni kot kemične snovi in tako spadajo pod opredelitev snovi iz omenjenih uredb, čeprav uredbi ne določata konkretnih zahtev za nanomateriale [41].

(36)

23

Evropska agencija za kemikalije (ECHA) ureja registracije nevarnih snovi, tako ima osrednjo vlogo pri zbiranju, ocenjevanju in informiranju o snoveh in pripravkih, vključno z nanomateriali. Prav tako pomaga pri izvajanju predpisov iz zakonodaje EU o kemikalijah za nanomateriale in sodeluje s pristojnimi organi držav članic, Evropsko komisijo, nevladnimi organizacijami in industrijskimi združenji ter mednarodnimi organizacijami. V skladu z uredbo REACH za podjetja, ki proizvajajo ali uvažajo nanooblike, s 1. januarjem 2020 veljajo posebne pravne zahteve. Obveznosti za poročanje so določene v revidiranih prilogah k uredbi REACH. Spremembe se nanašajo na obstoječe kot tudi nove registracije, ki zajemajo nanooblike [47]. Medicinski standardi povezani z etiko, okoljsko varnostjo in zdravstvenim upravljanjem, so bili spremenjeni tako, da zajemajo tudi nanomateriale na biomedicinskem področju. Evropska komisija je pripravila več predpisov zakonodaje in tehničnih smernic EU s posebnimi sklici na nanomateriale. Zakonodaja je bila uporabljena v državah EU, da se zagotovi skladnost med zakonodajnimi področji. Poleg tega je EU ustanovila Znanstveni odbor za nastajajoča in na novo opredeljena zdravstvena tveganja (SCENIHR) za oceno tveganj, povezanih z nanomateriali. Za raziskovalce in proizvajalce je bistveno, da pred proizvodnjo nanomaterialov preučijo zakonske predpise [3]. Potreba po ureditvi predpisov za zaščito delavcev pred nanomateriali je postala bolj izrazita, odkar so naredili primerjavo med ogljikovimi nanocevkami in azbestom. Institucije, ki urejajo področje zaščite delavcev na mednarodni ravni, se ukvarjajo z raziskavo morebitnih novih tveganj za delavce in izvajajo postopke za zagotavljanje, da so nanomateriali zajeti v obstoječih predpisih. Te institucije so Evropski svetovalni odbor za varnost in zdravje pri delu (OSHA), Evropska agencija za varnost in zdravje pri delu (EU-OSHA), Ameriška uprava za varnost in zdravje pri delu (ACSH) in Japonsko ministrstvo za zdravje, delo in socialno varstvo (MHLW) [26].

4.6.1 Smernice za varno ravnanje in nadzor nanomaterialov

Smernice za varno ravnanje in nadzor nanomaterialov so primer dobre prakse na različnih področjih uporabe. Z velikim svetovnim zanimanjem za področje nanotehnologije se je povečal pritisk na proizvajalce standardov, da razvijejo komercialne in regulatorne standarde. Standardizacija predstavlja enega od gradnikov varnega, integriranega in odgovornega pristopa k razvoju in uporabi nanotehnologije. Standardi igrajo ključno vlogo zlasti na področjih, kjer ureditev zahteva skladnost s predpisi, kar velja za ocenjevanje in obvladovanje tveganj. Standardizacija na področju nanotehnologije poteka na mednarodnih in nacionalnih ravneh, pri čemer sodelujejo številne organizacije [48].

Na voljo so različne vrste orodij za oceno tveganja nanomaterialov, ki so predstavljene v smernicah Evropske komisije o varovanju zdravja in zagotavljanju varnosti delavcev pred možnimi tveganji nanomaterialov na delovnem mestu. Informacije o ravnanju z nanomateriali so na voljo na spletnih portalih Evropske agencije za kemikalije, Svetovne zdravstvene organizacije ter Organizacije za gospodarsko sodelovanje in razvoj [24].

(37)

24

Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) je zbrala smernice in priporočila za nadzor izpostavljenosti nanomaterialom. Poročilo WHO opisuje predlagane mejne vrednosti za poklicno izpostavljenost (OEL). Na splošno velja, da:

- koncentracija vlaknastih nanomaterialov, kot so ogljikove nanocevke in nanoceluloza, vlaken kovin in kovinskih oksidov, ne sme presegati 0,01 vlaken/cm³,

- za delce z gostoto večjo od 6 g/cm³(nekateri kovinski delci, kot so Ag, Au, Fe, Pb in kovinski oksidi, kot so CoO, CeO2, SnO2, FexOy) je predlagana mejna koncentracija za nadzor izpostavljenosti 20.000 delcev/cm³,

- za delce z gostoto nižjo od 6 g/cm³, kot so kovinski oksidi (npr. TiO2, ZnO, Al2O3), fulereni, dendrimeri, polistiren, SiO2, itd., je referenčna vrednost 40.000 delcev/cm³[25], [49].

V nekaterih državah še ni uradnih OEL za nanomateriale. Nacionalni inštituti izvajajo raziskave o bioloških učinkih izbranih nanodelcev in priporočajo varne mejne vrednosti.

Te vrednosti so določene le začasno in se lahko spreminjajo, s tem ko bo znanje o toksičnosti nanomaterialov napredovalo. Koncentracije so bile sprejete kot referenčne vrednosti. Za nanodelce je značilna povečana površina, zato je treba upoštevati tudi površino delcev. Nedavna študija je pokazala, da so nanodelci z večjo površino bolj toksični kot nanodelci z manjšo površino. Trenutno razpoložljivi merilni instrumenti ne merijo tega parametra, lahko pa z njimi določimo površino, ki jo nanodelci zavzamejo v pljučih (LDSA), ali "aktivno" površino. Koncentracija LDSA velja za pomembno merilo za negativne vplive aerosolov na zdravje [26].

4.7 Ravnanje z nanomateriali na delovnem mestu

Kljub številnim razpravam, delavnicam, pregledom in poročilom o odgovornem ravnanju in razvoju nanotehnologije, primanjkujejo informacije v povezavi z opredelitvijo različnih vrst nanomaterialov, ugotavljanjem potencialnih nevarnosti in vrednotenjem morebitnih poklicnih izpostavljenosti v številnih delovnih okoljih. V prihodnosti bo potrebno tveganja novih vrst nanomaterialov ustrezno ovrednotiti z obravnavo na multidisciplinarni ravni in jih obvladovati oziroma odpraviti. Javne in zasebne institucije ter industrije so dolžne sprejeti preventivne in zaščitne ukrepe, sorazmerne z intenzivnostjo tveganja in želeno stopnjo zaščite [15]. Postopek za varno ravnanje in nadzor nanomaterialov je podoben kot pri drugih vrstah materialov. Uredba Združenega kraljestva o nadzoru snovi, nevarnih za zdravje (COSHH), opisuje okviren postopek, ki se lahko uporablja tudi za nadzor nanomaterialov. Kot prvo je pomembna prepoznava nevarnosti in ocena tveganja, sledi odločitev, kateri preventivni ukrepi so potrebni.