Grouping can replace animal testing to demonstrate the safe use of nanomaterials, but previously case studies were missing.

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Background Advanced/innovative materials are an undefined group of nano- and micro-particles encompassing diverse material compositions, structures and combinations. Due to their unique properties that enable specific functions during applications, there are concerns about unexpected hazards to humans and the environment. In this study, we provide ecotoxicity data for 36 nano- and microparticles of various inorganic species (single constituents and complex compositions; materials releasing toxic ions and others), morphologies (spheroidal, cubic, flaky, elongated/fibrous) and sizes (10 nm–38 µm). By applying Raphidocelis subcapitata algae growth inhibition and Daphnia magna immobilisation tests according to OECD test guidelines 201 and 202, and extensive material characterisation, we aimed to identify indicators of concern. This would allow better predictions of the hazardous properties of these materials in the future. Results The chemical identity (toxic ion-releasing materials vs. other materials) and agglomeration behaviour, which is affected by size (nm vs. µm) and morphology (fibres vs. others), were obvious drivers of ecotoxicity on R. subcapitata. Differences in morphology had an impact on agglomeration behaviour. Fibres formed agglomerates of varying sizes with entrapped and attached algae. Small compact (e.g. spheroidal) particles attached to algae. A high coverage resulted in high ecotoxicity, while less toxic materials attached to a much lesser extent. No agglomeration of algae and particles was observed for particles with a µm size. Small toxic components of large hybrid materials did not affect ecotoxicity. For D. magna, despite uptake of all materials studied into the gut, the sole indication of toxicity was the release of toxic ions. This is in line with previous observations on nanomaterials. Based on the identified criteria, charts were developed to indicate the expected toxicity of advanced/innovative materials toward algae and daphnia. Conclusion Indicators for the toxicities of advanced materials differ for algae and daphnia. Thus, different materials give rise to concerns for the two aquatic organisms. For D. magna, only the toxic ion-releasing materials are relevant, but for R. subcapitata, more complex interactions between particular materials and cells must be considered. Graphical Abstract

Introduction Because of their unique physico-chemical properties, CNTs have attracted a great deal of research interest and have many promising industrial applications. However, this also increases the exposure potential for workers, raising the need to understand their hazard for an effective occupational health and safety management. CNTs can induce lung inflammation, granuloma formation, fibrosis and cancer in rodents; in particular, MWCNTs are known to induce in vitro markers of remodelling and fibrosis. CNTs greatly vary in length, thickness, rigidity, aspect ratio, surface defects and reactivity, with a remarkable contribution of synthesis methods and posttreatments. Thus, CNTs are not a single substance, but a heterogeneous family of materials that elicit different biological responses and, thus, are associated with different hazard levels not simply ascribable to the fibre paradigm. Methods Cell models representative of the airway barrier were challenged with MWCNT preparations endowed with different physico-chemical properties, evaluating endpoints such as viability, expression of pro-inflammatory markers, nitric oxide production, epithelial barrier competence, clonogenic activity, genotoxicity. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) was also assessed as an early event leading to fibrosis and, possibly, involved in neoplastic transformation. Results Only long MWCNTs promoted EMT and caused frustrated phagocytosis. On the other hand, MWCNT agglomeration led to contact-mediated focal epithelial damage and impaired barrier functionality in vitro. Functionalization with carboxyl or amino groups modified the quantity and type of proteins adsorbed and, hence, the interaction with cells. Discussion These findings may contribute to safe-by design manufacturing of MWCNT. Importantly, all the endpoints evaluated represent MIEs than can be combined to construct putative AOPs, associated with disease onset and progression. It is therefore concluded that the knowledge of the physicochemical properties associated to the MIEs of different adverse outcomes is a prerequisite for the toxicological profile of a MWCNT preparation.

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ZusammenfassungDie Verwendung von Asbest wurde, obwohl die gefährlichen Eigenschaften bereits vor mehr als 120 Jahren erkannt wurden, viel zu spät durch gesetzliche Regelungen eingeschränkt. Mit dem Toxikologischen Faserprinzip wurden die gesundheitlichen Auswirkungen auch wissenschaftlich plausibel und konnten auf Morphologie und Biobeständigkeit eingeatmeter Faserstäube zurückgeführt werden. Damit wurden nicht nur andere Fasermaterialien als potenzielle Kanzerogene identifiziert, sondern auch Ansatzpunkte für ein sicheres Design neuer Fasermaterialien abgeleitet. Die Risikoforschung zu Nanomaterialien hat diese Kenntnisse weiter vertieft und differenziert. Sie müssen nun Grundlage für eine Weiterentwicklung des europäischen Chemikalienrechts werden, um kein zweites Asbest auf dem Binnenmarkt zuzulassen.

Es wird eine Methode vorgestellt, um Sicherheitsaspekte von Prozessen zu untersuchen, mit denen metallische faserverstärkte Verbundwerkstoffe hergestellt und bearbeitet werden. Ziel ist, zu anwendungssicheren Prozessen zu gelangen, indem Gefahren gesundheitsgefährdender Stäube möglichst frühzeitig identifiziert und geeignete Schutzmaßnahmen ausgewählt werden. In der hier untersuchten Anwendung wurden Komposite aus Kupfer (Cu) mit Kohlenstoffnanoröhren (carbon nanotubes, CNTs) oder Kohlenstoffnanofasern (carbon nanofibers, CNFs) hergestellt und bearbeitet. Sie profitieren als elektrische Leiter und thermisch leitfähige Kontaktmaterialien von den Eigenschaften der zugesetzten Kohlenstoffmaterialien. Es kamen zum einen verknäulte CNTs mit Durchmessern von ca. 20 nm zum Einsatz, zum anderen rigide CNFs mit Durchmessern von ca. 100 nm. Für beide Fasertypen wurde zunächst im Labor die Staubungsneigung des trockenen Pulvers bestimmt, indem der Staub, der in einem Vibro-Fluidisierungsprozess entsteht, morphologisch charakterisiert, klassifiziert und quantifiziert wurde. Zur Bestimmung der Faserexposition von Beschäftigten erfolgte im Anschluss die Messung der luftgetragenen Faseranzahlkonzentrationen an den Arbeitsplätzen. Dabei kam ein neues Messverfahren für Aerosole aus nanoskaligen Fasern zur Anwendung, das derzeit durch ein Projekt der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung e. V. (DGUV) validiert wird.