Die Zahl der in-vitro-Studien zu möglichen gesundheitlichen Auswirkungen von nanoskaligem Titandioxid steigt seit einigen Jahren deutlich an. Die wichtigsten Beobachtungen, die bisher in vitro beschrieben wurden, betrafen Effekte des Titandioxids hinsichtlich - der Beeinflussung der Zellvitalität - der Auslösung von Entzündungsreaktionen - der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und Radikale - der Verursachung von DNA-Schädigungen Der Kontakt einer Zelle mit nanoskaligen Titandioxidpartikeln oder die Aufnahme der Partikel in die Zelle kann zur Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) oder zum Einstrom von Calciumionen (Ca²⁺) in die Zelle führen. Dies kann zur Aktivierung verschiedener intrazellulärer Signalwege führen, die, je nach Stärke der Signale, eine anti-oxidative Antwort, die Ausschüttung von entzündungsfördernden Botenstoffen, die Schädigung des Erbguts oder Zelltod zur Folge haben können.

Zentrale Erkenntnisse dieser Studien sind, dass die biologische Wirkung von Titandioxidpartikeln abhängig ist von der Partikelstruktur ^[2], der Partikelform (faserige nano-TiO₂-Partikel sind toxischer als sphärische Partikel ^[3]) sowie der Partikelgröße ^[4].

Diese Reihe von Feststellungen wurde auf der Basis sehr hoher Partikelkonzentration getroffen, die für einen Alltagsumgang nicht realistisch sind. Dennoch sind sie von Bedeutung, da die erzeugten biologischen Effekte zum Verständnis der prinzipiellen Wirkung des Titandioxids beim Kontakt mit Zellen beitragen.

Von der Seite der herstellenden bzw. anwendenden Unternehmen wird eine Studie angeführt, die belegt, dass nanoskaliges Titandioxid im Herstellungsverfahren in spezifischer Form aggregiert bzw. agglomeriert und sich diese Bindungen nicht in Lungenflüssigkeit lösen ^[5]. Im beschriebenen Forschungsprojekt wurde theoretisch und experimentell das Verhalten der Teilchen in künstlicher Lungenflüssigkeit untersucht.

Literatur

1. Donaldson, K. and Stone, V.(2003), Ann.Ist.Super.Sanita, 39 (3), 405-410
2. Sayes, C. M. et al., (2006), Toxicol.Sci., 92 (1), 174-185
3. Hirano, S. et al., (2000), Am.J.Respir.Cell Mol.Biol., 23 (3), 313-319
4. Singh, S. et al., (2007), Toxicol.Appl.Pharmacol., 222 (2), 141-151
5. Maier, M. et al., (2006), J.Occup.Environ.Med., 48 (12), 1314-1320

Eingeatmete Titandioxidpartikel werden in der Lunge deponiert und können zu einem geringen Anteil in den Lymph- und Blutkreislauf gelangen ^[1]. Die Auswirkungen von nanoskaligem Titandioxid auf den Körper ergaben in mehreren Versuchen mit Nagetieren bei Partikelexpositionen über die Lunge einen Zusammenhang von Partikelgröße und Ausmaß von entzündlichen Reaktionen bei relativ hohen Dosen (kleinere Partikel haben eine größere biologische Wirkung als größere) ^[2,3,4]. Analog zu in vitro Untersuchungen ist die Lungentoxizität von nano-TiO₂-Partikeln abhängig von ihrer Kristallstruktur und Oberflächenbeschaffenheit. Da die Entzündungsreaktionen in der Lunge jedoch vorübergehend und umkehrbar sind, ist zu erwarten, dass inhalierte nano-TiO₂-Partikel ein geringes Risikopotential für eine nachhaltige Beeinträchtigung der Lungenfunktion besitzen ^[5,6,7]. Bei Ratten wurde mit arbeitsplatzrelevanten Konzentrationen von nano-TiO₂-Partikeln keine Lungen-Toxizität festgestellt ^[6]. Bei den beschriebenen Effekten in der Lunge handelt es sich um akute Reaktionen. Über chronische Auswirkungen von nano-TiO₂-Partikeln auf den Körper liegen noch keine Studien vor.

Hersteller für Kosmetikrohstoffe zeigten in verschiedenen Studien, dass Titandioxid nicht durch gesunde Haut in den Körper eindringt ^[8,9]. Diese Ergebnisse wurden im Projekt NANODERM für nano-TiO₂-Partikel als Bestandteil von Kosmetika bestätigt. Offen ist allerdings noch die Frage, wie verletzte, entzündete oder besonders empfindliche Haut, wie beispielsweise durch Sonnenbrand geschädigte Haut, reagiert.
 

Mit Hinblick auf die Einschätzung eines erhöhten Gesundheitsrisikos für Produktionsmitarbeiter in der Titandioxidindustrie liegen bislang drei epidemiologische Studien aus Nordamerika und aus Westeuropa vor ^[1,2,3]. Die umfangreichste Studie, die in sechs europäischen Ländern durchgeführt wurde, lieferte keinen Beweis für ein erhöhtes Lungenkrebsrisiko für Arbeiter in der Titandioxidproduktion. Ebenso wurde im Vergleich zur allgemeinen Bevölkerung keine Zunahme der Sterblichkeitsrate an Nierenkrebs gefunden. Die Studien, die in den USA durchgeführt wurden, lieferten ebenso keine Hinweise auf eine erhöhte Gefahr für Titandioxidproduktionsmitarbeiter an Lungenkrebs oder anderen Krebsarten zu erkranken. Zusammenfassend zeigen die Studien keine Verbindung zwischen dem beruflichen Umgang mit Titandioxid und einem erhöhtem Krebsrisiko. Es gibt jedoch noch offene Fragen: Keine der Studien war entworfen, um die Auswirkung der Teilchengröße (feine oder Nano-Partikel) oder der Oberflächenbeschaffenheit der Partikel auf ein erhöhtes Krebsrisiko festzusetzen.

Literatur

1. Boffetta, P. et al., (2004), Cancer Causes Control, 15 (7), 697-706
   
2. Fryzek, J. P. et al., (2003), J.Occup.Environ.Med., 45 (4), 400-409
   
3. Chen, J. L. and Fayerweather, W. E.(1988), J.Occup.Med., 30 (12), 937-942

Mittels Computerprogrammen wurde versucht zu simulieren, wie sich Titandioxid-Nanopartikel in der Umwelt verhalten könnten. Am wahrscheinlichsten werden sie demnach in natürlichen Oberflächengewässern (Bächen, Flüssen, Seen) auftreten und könnten, sollten sich Titandioxid-Nanopartikel als toxisch erweisen, ein Risiko für alle im Wasser lebende Organismen darstellen ^[1].

Eine Untersuchung von Abwässern aus Kläranlagen ergab, dass ein Großteil aller Titanpartikel aus dem Abwasser entfernt wird, jedoch gerade die sehr kleinen (<700 nm) Teilchen im Wasser verbleiben und so wieder in Flüsse und Seen gelangen können. Die Titan-Konzentrationen im Ausstrom der Kläranlage betrugen zwischen 10 und 100 µg/l. Die meisten Titanpartikel werden während des Klärprozesses an Feststoffe gebunden und gelangen in den Klärschlamm. Dieser wiederum wird entweder auf der Mülldeponie entsorgt oder auf Felder zur Düngung ausgebracht, so dass die größeren Titanpartikel eher in den Boden gelangen können.

Die Auswaschung von Titanidioxid-Nanopartikeln aus Fassaden durch herunter laufendes Regenwasser konnte bereits nachgewiesen werden. Die Partikel gelangten anschließend in Form von Aggregaten und oft eingebettet in Farbbestandteile in Oberflächen-Gewässer. Generell gibt es in diesem Bereich noch große Wissenslücken. Die Messung von Umweltkonzentrationen von Nanopartikeln ist derzeit noch schwierig und aufwändig.

Literatur

1. Kaegi, R., Ulrich, A., Sinnet, B., Vonbank, R., Wichser, A., Zuleeg, S., Simmler, H., Brunner, S., Vonmont, H., Burkhardt, M., Boller, M., 2008. Synthetic TiO2 nanoparticle emission from exterior facades into the aquatic environment. Environmental Pollution 156, 233
2. Kiser, M.A., Westerhoff, P., Benn, T., Wang, Y., Perez-Rivera, J., Hristovski, K., 2009. Titanium nanomaterial removal and release from wastewater treatment plants. Environ Sci Technol 43, 6757-6763.
3. Mueller, N.C., Nowack, B., 2008. Exposure Modeling of Engineered Nanoparticles in the Environment. Environmental Science & Technology 42, 4447.
4. Tiede, K., Tear, S.P., David, H., Boxall, A.B.A., 2009. Imaging of engineered nanoparticles and their aggregates under fully liquid conditions in environmental matrices. Water Research 43, 3335.