Dringend benötigt: Referenzmaterialien für Nanopartikel Nanopartikel: Kleinste Standards mit größter Wichtigkeit

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Nanomaterialien verbergen sich in zahlreichen Anwendungen – von zielgerichteten Medikamenten bis zu Elektronik-Bauteilen. Doch für ihren sicheren Einsatz mangelt es noch an Vergleichsstandards, wie eine Studie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung bemängelt. Zwei neue Referenzmaterialien könnten hier helfen und mehr Sicherheit für Mensch und Umwelt schaffen.

Ob elektronische Bauteile, neue Medikamente oder moderne Umweltanalytik: Nanomaterialien stecken in vielen Zukunftstechnologien. Sie werden als Pigmente in Farben und Sonnencremes eingesetzt, verbessern die Eigenschaften von Kosmetika und finden sich inzwischen auch in Druckertinten, Pulvern für den dreidimensionalen Druck und RFID-Chips. Damit sie sicher und zuverlässig eingesetzt werden können, braucht es präzise Vergleichsstandards. Dabei besteht noch Verbesserungsbedarf, wie eine aktuelle Studie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und des Metrology Research Centre Kanada zeigt. Zwei neue Entwicklungen könnten die Lage deutlich verbessern.

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Das Ziel: sichere Nanomaterialien

Seit Januar 2020 müssen Unternehmen Nanomaterialien bei der European Chemicals Agency (ECHA) registrieren, wenn sie die Materialien in der europäischen Union herstellen oder verwenden. Dies soll Menschen und Umwelt vor möglichen Gefährdungen durch die Partikel schützen. Die Registrierung erfordert eine umfassende chemische, physikalische und toxikologische Charakterisierung der Substanzen, wozu bekannte und gut erforschte Referenzmaterialien unerlässlich sind.

Solche Referenzmaterialien sind sehr hochwertige, umfassend charakterisierte Proben, mit denen Labore ihre Messgeräte überprüfen oder kalibrieren und neue Messmethoden entwickeln oder in ihren Laboratorien etablieren können. Sie sorgen dafür, dass Messungen vergleichbar und Ergebnisse zuverlässig sind. „Ohne verlässliche Vergleichsstandards können wir nicht garantieren, dass Nanomaterialien sicher sind – weder für den Menschen noch für die Umwelt“, betont Ute Resch-Genger von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM).

Zwar gibt es bereits einige Nano-Referenzmaterialien, allerdings decken diese viele wichtige Eigenschaften wie die genaue Form, Größenverteilung, Zusammensetzung, und Oberflächenchemie sowie die Partikelkonzentration nicht ab. Besonders kritisch ist das in der Medizin, wo Nanopartikel z. B. in Impfstoffen oder Krebstherapien eingesetzt werden. Auch für die Risikobewertung von Nanomaterialien sind genaue Messungen entscheidend.

Zwei neue Referenzmaterialien entwickelt

Nun tut sich etwas bei den Nano-Referenzmaterialien: Erstmals haben Wissenschaftler der BAM und vom Metrology Research Centre Canada zwei neue nanoskalige Referenzmaterialien entwickelt – Eisenoxid-Nanowürfel und lipidbasierte Nanopartikel.

Eisenoxid-Nanopartikel werden beispielsweise für bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt. Da sie nicht nur kugelförmig sind, sondern verschiedenen Formen haben oder eine breite Größenverteilung aufweisen können, wurden erstmals Referenzmaterialien in Würfelform entwickelt. Die Eisenoxid-Nanowürfel dienen unter anderem zur Kalibrierung von Elektronenmikroskopen.

Lipidbasierte Nanopartikel spielen eine wichtige Rolle als Trägersysteme für Medikamente, etwa in Impfstoffen oder bei Krebstherapien. Sie helfen, Wirkstoffe gezielt im Körper zu platzieren und Nebenwirkungen zu reduzieren. Dass es nun erste Nano-Referenzmaterialien gibt, ist ein wichtiger Schritt für mehr Sicherheit in der Medizin und in den Lebenswissenschaften.

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Forschungsbedarf bleibt groß

Trotz dieser Fortschritte besteht weiter erheblicher Handlungsbedarf. So betonen die Autoren der Studie die Notwendigkeit, weitere Nano-Referenzmaterialien zu entwickeln – etwa mit bekannter Oberflächenchemie, wie sie aktuell in dem von der BAM koordinierten europäischen Metrologieprojekt Smurfnano (23NRM02) entstehen.

Zudem braucht es Materialien, die mehrere Eigenschaften gleichzeitig abbilden und unter praxisnahen Bedingungen einsetzen lassen. Besonders wichtig ist es außerdem, Charakterisierungsdaten von Nanomaterialien in öffentlich zugänglichen Datenbanken bereitzustellen. So können neue Nanomaterialien und Technologien schneller und sicherer in die Anwendung gebracht werden.

„Mit solchen verlässlich charakterisierten Referenzprodukten werden Daten aus Studien und Ringversuchen belastbarer und können miteinander verglichen werden“, erklärt Umweltphysiker an der BAM. „Insgesamt sollen so weite Bereiche von Wissenschaft und Industrie von den Vorteilen der Nanotechnologie profitieren können, Menschen und Umwelt aber zugleich vor potenziellen Gefährdungen geschützt werden.“

Originalpublikation: Abram, SL., Tavernaro, I., Johnston, L.J. et al.: Nanoscale reference and test materials for the validation of characterization methods for engineered nanomaterials — current state, limitations, and needs, Anal Bioanal Chem 417, 2405–2425 (2025); DOI: 10.1007/s00216-024-05719-6

Weitere Informationen: BAM: Neue Plattform für sichere Nanomaterialien

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