Weiterentwicklung und Validierung von in-vitro Löslichkeitsuntersuchungen zur Abschätzung der Biopersistenz von anorganischen faserförmigen Partikeln aus Isoliermaterialien (künstliche Mineralfasern) mittels Rasterelektronenmikroskopie

Abstract

Lange Zeit galt Asbest als Mineral der tausend Möglichkeiten. Asbest ist persistent gegenüber der meisten Säuren und Laugen. Zusätzlich ist Asbest hitze- und kälteunempfindlich. Aus diesen Gründen fand der Stoff in vielen Bereichen Anwendung. Mit der Zeit wurde jedoch festgestellt, dass Asbest durch seine feinfaserige, lungengängige Struktur sehr gesundheitsschädlich ist. Im Jahr 1993 wurde Asbest in der Bundesrepublik Deutschland verboten. Im Jahr 2005 folgte schließlich das Verbot in der gesamten Europäischen Union. Als Substitutions-Stoffe für Asbest werden heutzutage z.B. sogenannte künstliche Mineralfasern (KMF) verwendet. KMF sind vielgestaltige Synthesefasern, welche aus der mineralischen Schmelze über Schleuder- oder Düsenverfahren gewonnen werden. KMF die nach 2000 eine Marktzulassung, als Dämmprodukte im Hochbau, erhalten haben, müssen biolöslich sein. Jedoch können KMF, welche vor 2000 eine Marktzulassung erhalten haben, eine Gesundheitsgefahr für den Menschen durch lungengängige Fasern darstellen. Daher muss jeder Stoff vor Marktzulassung Prüfverfahren absolvieren. Diese Prüfverfahren werden heutzutage im Wesentlichen in-vivo durchgeführt. Die in diesem Versuch untersuchten KMF sind der Kategorie der HTW (Hochtemperaturwolle) zuzuordnen. Referenzmaterial A gehört zur Gruppe der RCF/ASW (Keramikfaser/Aluminiumsilikatwolle) Fasern, Prüfmaterial B zur Gruppe der AES (Erdalkali-Silicat) Fasern. Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Weiterentwicklung und Validierung einer in-vitro Löslichkeitsuntersuchung zur Ermittlung der Biopersistenz von KMF. Untersucht wird die Abnahme der Faserzahl über einen Zeitraum von 42 Tagen. Der Test erfolgt in einer künstlich hergestellten interstitiellen Flüssigkeit, welcher die Fasern zugegeben werden. Die Suspensionen werden über die ganze Versuchslaufzeit auf einer Temperatur von 37 ± 1 °C gehalten. Zu Beginn des Versuchs und im Abstand von 14 Tagen werden der pH-Wert und die Leitfähigkeit der Suspensionen bestimmt. Ebenfalls wird aus jedem Glas eine aliquote Teilmenge filtriert. Die Filter werden anschließend rasterelektronenmikroskopisch hinsichtlich Faserzahl, Faserlänge und Faserdurchmesser ausgewertet. Bei Referenzmaterial A ist keine Abnahme der Faserzahl zu beobachten. Eine signifikante Steigerung der Faserlängen und Faserdurchmesser ist in Ansatz A2 und A3 zu beobachten. Eine Veränderung der Faserstruktur und Faseroberfläche ist nicht zu beobachten. Die pH- und Leitfähigkeitswerte erhöhen sich nur leicht. Bei Prüfmaterial B ist eine signifikante Abnahme der Faserzahlen festzustellen. Eine Zunahme kann bei den Faserlängen und Faserdurchmessern kann nur bei Prüfansatz B3 beobachtet werden. Die Fasern zeigen Rissbildungen und die Oberflächen vieler Fasern scheinen angegriffen. Der pH-Wert ist bei Überprüfungen stets deutlich im alkalischen Bereich und muss alle 14 Tage eingestellt werden. Die Leitfähigkeit ist von Beginn an sehr hoch und steigt über den Versuchszeitraum nur leicht an. Die Einstufung als potenziell karzinogen in die Kategorie 1B der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 scheint für Referenzmaterial A hinsichtlich der Versuchsergebnisse plausibel. Prüfmaterial B ist freigezeichnet nach Anmerkung Q der Verordnung (EG) Nr. 1272/2008. Dies scheint hinsichtlich der Versuchsergebnisse ebenfalls plausibel. Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen bestehen darin, zusätzlich zur Abnahme der Faserzahl, die Untersuchung auf weitere Parameter, wie z.B. Löslichkeitsprodukte der Fasern zu erweitern. Der im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Versuch hat gezeigt, dass durch in-vitro Versuche erste Aussagen bezüglich der Biopersistenz von KMF möglich sind.

For a long time, asbestos was regarded as the mineral of the thousand possibilities. Asbestos is persistent against most acids and alkalis. Asbestos is also insensitive to heat and cold. For these reasons the material was used in many applications. Over time, however, it was discovered that asbestos was very harmful to health due to its fine-grained, respirable structure. In 1993, asbestos at last was banned in the Federal Republic of Germany. In 2005 it was finally banned throughout the European Union. Nowadays, so-called „Man Made Mineral Fibers“ (MMMF) are used as substitutes for asbestos. MMMF are various synthetic fibers, which are obtained from the mineral melt by centrifugal or nozzle processes. MMMF, which have received market approval after 2000 must be bio soluble. However, MMMF, which received market approval before 2000, can pose a health hazard to humans due to respirable fibers. Therefore, every substance must undergo certain test procedures before it can be marketed. These test procedures are nowadays mainly carried out in-vivo, i.e. on live animals. The MMMF examined in this experiment belong to the HTW (High temperature wool) category. Reference material A belongs to the group of RCF/ASW (Refractory ceramic fibers/Alumina silicate wool) fibers. Test material B to the group of AES (Alkaline earth silicate) fibers. The aim of this bachelor thesis is the further development and validation of an in-vitro solubility test to determine the bio persistence of MMMF. The decrease of the number of fibers over a period of 42 days is investigated. The test is carried out in an artificially produced interstitial liquid to which the fibers are added. The suspensions are kept at a temperature of 37 ± 1 °C throughout the duration of the test. PH and conductivity are determined at the beginning of the test and every 14 days. An aliquot partial quantity is also taken from each glass and filtered. The filters are evaluated by scanning electron microscopy with regard to fiber number, fiber length and fiber diameter. For reference material A, no decrease in the number of fibers can be observed. A significant increase in fiber lengths and fiber diameters can be observed in batch A2 and A3. A change in the fiber structure and fiber surface is not observed. The pH and conductivity values increase only slightly. For test material B, a significant decrease in the number of fibers can be observed. An increase in fiber lengths and fiber diameters can only be observed with test batch B3. The fibers show crack formations along the transverse axis and the surfaces of many fibers appear to be attacked. The pH value during tests is always clearly allocated to an alkaline environment and must be adjusted every 14 days. The conductivity is very high right from the start and increases only slightly over the test period. The classification as potentially carcinogenic in category 1B of Regulation (EC) No 1272/2008 seems plausible for reference material A with regard to the test results. Test material B is signed free according to Note Q of Regulation (EC) No 1272/2008. This also seems plausible regarding the test results. Recommendations for further investigations consist in extending the investigation to further parameters such as solubility products of the fibers in addition to the decrease in the number of fibers. The carried-out test has shown that, first statements regarding the bio persistence of MMMF are possible through in-vitro experiments.