Pilot Blootstellingsregistratie Werken met Nanomaterialen. Literatuurstudie Process Generated Nanoparticles (PGNPs)

Transcriptie

1 Pilot Blootstellingsregistratie Werken met Nanomaterialen Literatuurstudie Process Generated Nanoparticles (PGNPs) R. Renirie 1, P. van Broekhuizen 1, H. Krop 1, K. Le Blansch 2 1 IVAM UvA 2 Bureau KLB Augustus 2015 Amsterdam, Den Haag

2 Colofon Document. nr o Versie Augustus 2015 Titel Literatuurstudie Process Generated Nanoparticles (PGNPs) Datum 24 augustus 2015 Auteur(s) IVAM UvA B.V., Rokus Renirie, Pieter van Broekhuizen, Hildo Krop. Bureau KLB, Kees Le Blansch. Het onderzoek is uitgevoerd in opdracht van Vakcentrale FNV, VNO-NCV met een financiële bijdrage van het Ministerie van Sociale Zaken en Werkgelegenheid. Voor meer informatie: Rokus Renirie, IVAM UvA bv via T: of E: Pieter van Broekhuizen, IVAM UvA bv via T: of E: Gegevens uit deze literatuurstudie mogen worden overgenomen, mits onder uitdrukkelijke bronvermelding. FNV en VNO-NCW aanvaarden geen aansprakelijkheid voor eventuele schade voortvloeiend uit het gebruik van de resultaten van dit onderzoek of de toepassing van de adviezen.

3 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Inhoudsopgave Afkortingen 4 Samenvatting 5 1. Introductie Process Generated Nanoparticles (PGNPs) 9 2. Introductie Nanotoxicologie in relatie tot PGNPs Overzicht PGNP-gerelateerde processen PGNPs: voorbeelden van vorming in processen Booglassen Plastic lassen / kitten Laser ablatie Plasma sprayen Diverse mechanische metaalbewerkingen Slijpen Schuren Extrusie Elektromotoren Verbrandingsmotoren Beton bewerkingen: menging, boren, snijden & recycling Bewerkingen tijdens de productie van TL-lampen Pottenbakkerij (oven, traditioneel en industrieel) Laser printen (kantoor) D-Printen Stofzuigen-redispersie Hoge energienniveau's als gemeenschappelijke noemer Discussie & Conclusies Referenties 59 3

4 Afkortingen ABS BGNP CNM DEP ECHA EEB ENM ENP FCAW FCNP FP GGBS GMAW GR GRP GTAW HDPE HEPA LEV MNM MWCNT n.d. nm NP NRV OECD OELs OEM PLA PNCs PFA PGNP RA RCS REACH RI&E RNS ROS SCENIHR SER SWCNT SMAW SNM TGG TIG UFP Acrylonitrile butadiene styrene BackGround Nanoparticles (ook bekend als Ambient Nanoparticles of UFP) Carbon Nanomaterials Diesel Exhaust Particulates European Chemicals Agency European Environmental Bureau Engineered Nanomaterials (=SNM = MNM) Engineered Nanoparticle (= SNP = MNM) Flux Cored Arc Welding Fraction of NanoParticles in Conventional Products Fine Particles Ground Granulated Blast Furnace Slag Gas Metal Arc Welding Gezondheidsraad Glass-Reinforced Polyester (=Fiberglass) Gas Tungsten Arc Welding High Density Polyethylene High Efficiency Particulate Arrestance (specifiek type luchtfilter) Local Exhaust Ventilation Manufactured Nano Material (= SNM = ENM) Multi Walled Carbon Nanotubes not determined Nanometer Nanoparticle Nano Reference Value Organization for Economic Cooperation and Development Occupational Exposure Limits Original Equipment Manufacturer Polylactic acid Particle Number Concentrations. Pulvered Fuel Ash. Process Generated Nanoparticle Risk Assessment Respirable Crystalline Silica Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals Risico Inventarisatie en Evaluatie Reactive Nitrogen Species Reactive Oxygen Species. Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks Sociaal Economische Raad Single Walled Carbon Nanotubes Shielded Metal Arc Welding Synthetisch Nanomateriaal (=MNM = ENM) Tijdgewogengemiddelde Tungsten Inert Gas welding Ultrafine Particle 4

5 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Samenvatting Naast synthetische nanomaterialen (SNMs) die doelbewust aan materialen worden toegevoegd om materiaaleigenschappen te beïnvloeden zijn er op de werkvloer ook nanodeeltjes aanwezig afkomstig uit andere bronnen. Allereerst is er een achtergrondconcentratie in het bedrijf die veroorzaakt wordt door uitwisseling met de buitenlucht, waardoor nanodeeltjes, die van nature gevormd worden bij erosie, bosbranden of vulkanisme, of die afkomstig zijn van menselijk handelen (bijv. wegverkeer, dieselmotoremissies), bijdragen aan concentratie nanodeeltjes in de binnenlucht in het bedrijf; in deze notitie aangeduid als BGNPs ( background nanoparticles ). Bij het milieubeleid worden deze veelal aangeduid als ultrafijnstofdeeltjes. Voorts zijn er nanodeeltjes die op de werkplek gevormd worden bij verhitting en verbrandingsprocessen en bij bewerking van materialen zoals schuren, laserbewerkingen en booglassen. Bovendien kunnen er op de werkplek ook nanodeeltjes vrijkomen vanuit de apparatuur zelf, door bijvoorbeeld het vonken van (elektro)motoren. Deze verschillende nanodeeltjes worden Process-Generated Nanoparticles (PGNPs) genoemd, soms ook aangeduid als incidental nanoparticles. Een andere bron van nanodeeltjes op de werkplek zijn poedervormige materialen (grondstoffen die vaak al van oudsher gebruikt worden, zoals vulmiddelen en kleurstoffen). Deze materialen bevatten soms een aanzienlijke fractie nanodeeltjes die vrij kan komen bij simpele processen als scheppen, wegen en vullen. Deze laatste groep wordt FCNPs genoemd (Fractie nanodeeltjes in Conventionele stoffen). De unieke eigenschappen van nanomaterialen hebben ook hun keerzijde. Er zijn aanwijzingen dat bepaalde nanomaterialen toxische eigenschappen hebben, die we nog niet volledig doorgronden. Het is daarom momenteel nog lastig om een gezondheidskundig onderbouwd risicobeleid voor het gebruik van nanomaterialen op te zetten, hetgeen aanleiding is om daar waar nodig voorzorg te operationaliseren. In dat verband wordt aan het begrip zorg zodanig inhoud gegeven dat het mogelijk wordt om met de bestaande lacunes in kennis nanomaterialen op een geaccepteerde (veilige) wijze te gebruiken. De zorg betreft vooral mogelijke nadelige gezondheidseffecten na inademing van bepaalde nanodeeltjes. Voorzorg waarmee effecten kunnen worden voorkomen richt zich op de minimalisering van de blootstelling aan bepaalde nanodeeltjes, waarbij nanoreferentiewaarden (NRVs) zijn ontwikkeld als tijdelijk handvat voor het risicomanagement zolang nog geen specifieke grenswaarden voor nanomaterialen zijn afgeleid. NRVs zijn geen gezondheidskundige grenswaarden, maar ze zijn gebaseerd op voorzorg. NRVs gebruiken persistentie, vorm en dichtheid van de nanodeeltjes als indicator voor hun potentiële toxiciteit (het is een deeltjes specifieke karakterisering onafhankelijk van de bron van de deeltjes). De gehanteerde eenheid voor de NRVs is de concentratie van aantallen nanodeeltjes per volume ingeademde lucht. Bij de risicoanalyse van nanodeeltjes op de werkvloer is de aandacht momenteel vooral gericht op de risico s van SNMs, de doelbewust in producten gebruikte nanomaterialen. Het blijkt echter dat de concentraties PGNPs en FCNPs op de werkvloer vaak tenminste in de zelfde orde van grootte zijn als die van SNMs en in een aantal gevallen zelfs hoger. Vaak is de blootstelling aan PGNPs ook langduriger van aard, zoals bekend is van sommige wel goed onderzochte bronnen van PGNPs zoals lasrook en dieselrookemissies. De laatsten staan overigens niet vanwege hun nanokarakter in de belangstelling, maar veeleer vanwege hun bekende toxische of carcinogene eigenschappen. Het nanokarakter van deze PGNPs draagt overigens wel bij aan de ernst van de betreffende risico s. In zijn algemeenheid kan men stellen dat de potentiële toxiciteit van PGNPs niet wezenlijk verschilt van die van SNMs (alhoewel de specifieke nanomaterialen onderling natuurlijk sterk in toxiciteit kunnen verschillen). De suggestie die zich hierbij opdringt is daarom dat het wenselijk is om de PGNPs en FCNPs standaard mee te nemen in de risicoanalyse van nanomaterialen op de werkvloer. 5

6 De (potentiële) blootstelling aan PGNPs en FCNPs interfereert met het onderzoek naar de haalbaarheid van blootstellingsregistratie van het werken met nanomaterialen; de pilot die wordt uitgevoerd door VNO-NCW en de FNV en wordt gefaciliteerd door het Ministerie van SZW. Een belangrijke vraag hierbij is derhalve of de PGNPs en FCNPs bij een eventuele blootstellingsregistratie meegenomen dienen te worden. In dit verband zijn in deze literatuurstudie de volgende vragen onderzocht: 1. Bij welke processen en activiteiten worden persistente PGNPs gevormd? 2. Wat zijn gangbare concentraties SNMs, PGNPs, FCNPs en BGNPs op verschillende werkplekken? 3. Wat zijn belangrijke mogelijke toxiciteitsmechanismen van veelvoorkomende groepen nanodeeltjes en gelden deze ook voor PGNPs en FCNPs? 4. Welke kenmerkende verschillen en overeenkomsten bestaan er tussen PGNPs/FCNPs en SNMs? 5. Zou voorzorg ook voor PGNPs en FCNPs geoperationaliseerd moeten worden? 6. Welke beheersmaatregelen zijn beschikbaar om de concentratie PGNPs en FCNPs efficiënt te beheersen en kunnen hiervoor de maatregelen zoals die ontworpen zijn voor SNMs ingezet worden? Belangrijke argumenten voor een verhoogde zorg voor (voldoende) persistente nanodeeltjes zijn vooral hun enorme oppervlak, hun gedrag in de lucht en soms ook hun bijzondere vorm. Nanodeeltjes kunnen gemakkelijk de diepste delen van de longen bereiken en hier minder makkelijk uit verwijderd worden (chronische ontstekingen kunnen hiervan het gevolg zijn). Via de longblaasjes kunnen ze opgenomen worden in het bloed en de lymfe, en via die weg ook andere organen en weefsels bereiken of ophopen in de bloedbaan zelf. Omdat ze bovendien in dezelfde orde van grootte zijn als tal van lichaamsstructuren kunnen ze hier ook mee interfereren (nano-interferentie). Ze interfereren dan met DNA, eiwitten, organellen e.d. waardoor ze al dan niet positief lichaamsprocessen beïnvloeden. Ook de veelal genoemde ROS-vorming (Reactive Oxygen Species) wordt voor een belangrijk deel veroorzaakt door nano-interferentie van het immuunsysteem. Hoewel er enkele generieke verschillen zijn aan te wijzen tussen PGNPs en SNMs, lijkt er in zijn algemeenheid geen reden om PGNPs met minder zorg te omgeven dan SNMs. Vooral van belang zijn de aantallen deeltjes in combinatie met hun aard (grootte, vorm, samenstelling, persistentie); ook bij PGNPs worden vergelijkbare zorgelijke structuren gevormd, die bij SNMs voor onrust zorgen, zoals bijvoorbeeld de nanobuisjes. Een treffend voorbeeld hiervan is laserablatie. Met deze techniek kunnen middels korte sterke laserpulsen oppervlakten zoals hout, leer en metaal worden schoongemaakt. Hierbij worden PGNPs gevormd, maar dezelfde techniek wordt gebruikt om doelbewust koolstofnanobuisjes en metallische nanodeeltjes te maken. Hierbij vindt het fabricageproces overigens plaats in een vloeistof, waardoor verspreiding van nanobuisjes in de lucht wordt voorkomen. Het verschil is dus soms uitsluitend de intentie waarmee deze deeltjes gemaakt worden, niet de stofeigenschappen. Een en ander pleit er voor om bij de risicobeoordeling de PGNPs en SNMs met gelijke maat te meten en op beide de nanoreferentiewaarden toe te passen. Bewustwording, een beter design van processen, keuze van machines (diesel- vs. verschillende typen elektromotoren), zorgvuldige keuze van materialen (bijvoorbeeld bij 3D printen kan dit veel verschil uitmaken) kunnen vorming van PGNPs en blootstelling voorkomen. Indien vorming van deeltjes niet voorkomen kan worden dan zijn bekende beheersmaatregelen zoals gerichte (punt)afzuiging (bijvoorbeeld bij extrusie processen) of nat werken (bij sterk stofvormende werkzaamheden zoals betonrecycling) veelal voldoende om een aanvaardbaar blootstellingsniveau te realiseren en onder de nanoreferentiewaarden te blijven. Het is evident dat met bewustwording en zorgvuldige beheersmaatregelen op eenvoudige wijze onnodige gezondheidsrisico's voorkomen kunnen worden. 6

7 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Het is van belang om types PGNP te onderscheiden in verschillende klassen, om hiermee een basis te leggen voor een aanvaardbaar voorzorg beleid Een heldere indicatie over de vorming van PGNPs in specifieke processen en bij specifieke handelingen kan een handvat zijn voor het risicomanagement. Systematische informatie over de mate waarin PGNPs al dan niet gevormd worden, en om welke chemische materialen het dan waarschijnlijk gaat is momenteel maar beperkt voorhanden. Wel is er enig zicht ontstaan op de concentraties PGNPs die bij diverse processen gevormd worden maar voor veel processen zijn de veelal complexe deeltjes nog niet exact gekarakteriseerd; veelal is echter wel duidelijk dat het qua zorg net als bij SNMs gaat om persistente deeltjes (bepaalde metalen, metaaloxides, polymeren, roet, e.d.). De aandacht ligt vooralsnog voornamelijk op de identificatie van bronnen en het vaststellen van concentraties in het milieu (de zogenaamde ultrafijnstofdeeltjes - UFPs). Het wegverkeer en industriële emissies staan hierbij vooral in de belangstelling. De PM 0.1 ( Particulate Matter kleiner dan 0.1 micrometer), zoals ze in het milieu vaak aangeduid worden, is feitelijk dezelfde groep als de nanomaterialen aangeduid met de Europese definitie. Het is wenselijk om de aandacht de komende jaren sterker op dit punt te richten en bij bestaande processen in de industrie, maar ook bij populaire innovaties zoals 3D-printen de aard en aantallen van de gevormde PGNPs te inventariseren. Ook zijn gezondheidseffecten slechts voor een beperkt aantal PGNPs in kaart gebracht (diesel uitstoot, booglassen, ijzergieterij); hierbij komen vooral longproblemen, verhoogde kans op hart- en vaatziekten (Donaldson 2013) en bepaalde tumoren naar voren. De in de onderhavige studie verzamelde beschikbare gegevens voor diverse persistente PGNPs overschrijden de nanoreferentiewaarden regelmatig met een factor

8 8

9 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' 1. Introductie Process Generated Nanoparticles (PGNPs) Kader & doel van deze notitie: Deze literatuurstudie is onderdeel van de Pilotstudie "Blootstellingsregistratie werken met Nanomaterialen" van FNV en VNO-NCW, die de haalbaarheid en eventuele vorm van een Blootstellingsregistratie van werken met nanomaterialen (NMs) onderzoekt ( ). De pilot wordt gefaciliteerd door het Ministerie van SZW. De wenselijkheid van een onderzoek naar blootstellingsregistratie bij werken met nanomaterialen is uitgesproken in het SER advies uit 2009 (SER 2009) en vervolgens verder onderbouwd door de Gezondheidsraad in 2012 (GR 2012). Vervolgens is aan IVAM UvA BV i.s.m. Bureau KLB opdracht verleend om de pilot inhoudelijk vorm te geven en de haalbaarheid van een blootstellingsregistratie te onderzoeken. De centrale vraagstelling bij de uitvoering van de pilot is de volgende: Kan het registreren van werknemers, die bij het uitvoeren van hun werkzaamheden potentieel worden blootgesteld aan nanomaterialen, een bijdrage leveren aan de medische diagnostiek indien zich jaren na de blootstelling nadelige gezondheidseffecten zouden ontwikkelen, die mogelijkerwijs te maken zouden kunnen hebben met de voormalige blootstelling aan de nanomaterialen? Als deelstudie van de genoemde pilot concentreert het onderhavige literatuuronderzoek zich op nanodeeltjes die vrijkomen bij diverse processen op de werkvloer, de Process-Generated Nanoparticles (PGNPs). De cruciale vraag is hoe PGNPs zich in omvang verhouden tot andere bronnen van nanodeeltjes op de werkplek; bij welke processen en activiteiten ze gevormd worden en in hoeverre ze bij het risicomanagement in de beschouwing meegenomen dienen te worden. Overeenkomsten en verschillen in toxische eigenschappen tussen PGNPs en SNMs, voor zover relevant voor het risicomanagement worden geïnventariseerd (hoofdstuk 2) en een overzicht van concentraties van PGNPs die kunnen ontstaan op gangbare werkplekken wordt gegeven (Hoofdstuk 3). Hoofdstuk 4 geeft een aantal illustratieve voorbeelden van de vorming van PGNPs en hoofdstuk 5 sluit af met een discussie, conclusies en aanbevelingen. Deze literatuurstudie beperkt zich voornamelijk tot opname/blootstelling via inademing als meest relevante blootstellingsroute voor nanodeeltjes op de werkplek. De opname via de huid (bijvoorbeeld door directe besmetting bij handelingen met droge poeders) lijkt over het algemeen beperkt maar kan niet worden uitgesloten. Andere wegen waarlangs blootstelling kan plaatsvinden (bijv. ogen, inslikken), die minder van belang zijn voor een beroepsmatige blootstelling zijn niet meegenomen in deze literatuurstudie. Als basis wordt het Europese voorstel voor een definitie van nanomaterialen (2011/696/EC) gehanteerd: Nanomateriaal wordt gedefinieerd als: een natuurlijk, incidenteel of geproduceerd materiaal dat uit deeltjes bestaat, hetzij in ongebonden toestand of als een aggregaat of agglomeraat en waarvan minstens 50% van de deeltjes in de gekwantificeerde grootteverdeling een of meer externe dimensies bezitten binnen het bereik van 1 nm tot 100 nm. In specifieke gevallen en waar nodig vanuit milieu-, gezondheids-, veiligheids- of mededingingsoogpunt kan de drempelwaarde van 50% voor de gekwantificeerde grootteverdeling worden vervangen door een drempel tussen 1 en 50%. Wanneer technisch haalbaar en vereist in specifieke wetgeving, kan de overeenstemming met de definitie van nanomateriaal worden bepaald op basis van de specifieke oppervlakte per volume. Een materiaal wordt geacht onder de definitie van nanomateriaal te vallen wanneer zijn specifieke oppervlakte per volume materiaal groter is dan 60 m 2 /cm 3. Een materiaal dat, op basis van zijn gekwantificeerde grootteverdeling, echter een nanomateriaal vormt, moet geacht worden te voldoen aan de definitie van nanomateriaal, zelfs wanneer het een specifieke oppervlakte heeft van minder dan 60 m 2 /cm 3. 9

10 Het gebruik van de termen nanomateriaal en nanodeeltje kan verwarrend zijn. In het algemeen kan men stellen dat een nanomateriaal bestaat uit nanodeeltjes. Men wordt blootgesteld aan nanodeeltjes die afkomstig zijn uit nanomateriaal (of andere materialen), dan wel aan nanodeeltjes die gevormd worden bij processen of gebruik van specifieke apparatuur. De term nanomateriaal gebruikt men overeenkomstig de definitie. Een zorgvuldige afbakening van de in de studie gebruikte bronnen voor de herkomst van nanodeeltjes en nanomaterialen op de werkplek is wenselijk, omdat dit tevens een handvat geeft voor het risicomanagement. Daarom worden de volgende vier groepen nanomaterialen onderscheiden, waarbij het onderscheid in eerste instantie ligt bij de bron (en niet noodzakelijkerwijs in de chemische karakteristiek) (zie Fig. 1): 1. SNMs - De synthetische nanomaterialen (in het Engels Manufactured Nanomaterials - MNMs, of Engineered Nanomaterials - ENMs) 2. FCNPs - De fractie van nanodeeltjes in conventionele componenten (terwijl de component als zodanig geen nanomateriaal, overeenkomstig de Europese definitie behoeft te zijn) 3. PGNPs - Proces gevormde nanomaterialen (in het Engels: Process-generated Nanoparticles ) 4. BGNPs - De achtergrondconcentratie (in het Engels: Background Nanoparticles ) Fig. 1: Verschillende bronnen van nanodeeltjes. De volgende definities met bijbehorende karakteristieken worden gebruikt: SNM: Synthetische nanomaterialen. Dit zijn commerciële nanomaterialen die op de markt worden gebracht om producten (of halffabricaten) te maken met specifieke nano-eigenschappen. SNMs voldoen aan de Europese definitie voor nanomaterialen: één of meerdere dimensies van de deeltjes is 1-100nm en >50% van het aantal deeltjes in het materiaal. Onder de SNMs vallen de nieuwe materialen zoals koolstofnanobuisjes ( carbon nanotubes, CNTs), bijvoorbeeld zilver-nanodeeltjes en nanotitaniumdioxide. In het Engels worden ze manufactured nanomaterials (MNMs) of engineered nanomaterials (ENMs) genoemd. Dit impliceert dat, als conventionele materialen (die soms al zeer lang in gebruik zijn) aan deze definitie voldoen (met andere woorden, als het aantal deeltjes in het materiaal voor meer dan 50% bestaat uit deeltjes met een grootte tussen nm), deze ook als synthetische nanomaterialen worden beschouwd. Voorzorgsmaatregelen die voor synthetische nanomaterialen in acht worden 10

11 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' genomen gelden dus in principe ook voor de conventionele materialen met een gehalte >50% aan nanodeeltjes (NB: aantal, niet massa). In dit verband verschilt nanomateriaal dus van nanodeeltjes. Nanomaterialen schaft men aan en worden in de regelgeving als zodanig gedefinieerd. Nanodeeltjes meet men met meetapparatuur. Het bepalende kenmerk voor de gemeten nanodeeltjes is de afmeting (tussen 1-100nm). Voor nanodeeltjes die in de lucht op de werkplek of in het milieu gemeten worden, is derhalve het gehalte dat in de Europese definitie wordt gedefinieerd (>50%) niet relevant. Een recent overzicht van type SNMs, aantallen en voorkomen op de werkvloer wordt gegeven door Pietroiusti et al. (2014). FCNP: Dit is de fractie van nanodeeltjes in een klassieke (conventionele) stof of component. ( Fraction of Nanoparticles in Conventional compounds ). Als deze stof (bijv. een kleurstof of een vulstof voor verf) voor <50% bestaat uit nanodeeltjes (1-100 nm), dan wil dat zeggen dat de stof niet als nanomateriaal wordt gedefinieerd. Maar het wil niet zeggen dat deze deeltjes niet vrijkomen bij gebruik. In tegendeel, de emissie kan groot zijn bij het gebruik en soms zelfs groter dan de emissie van SNMs. Ze kunnen bij eenvoudige processen als wegen, vullen en mengen vrij komen in de lucht. Voor alle duidelijkheid: als de conventionele component een gehalte nanodeeltjes >50% (aantal) bevat, dan is de component dus, per definitie, een nanomateriaal. Van belang is vast te stellen dat sommige conventionele (van oudsher gebruikte) materialen een significante hoeveelheid nanodeeltjes bevatten en daardoor óók onder de definitie van nanomaterialen kunnen vallen. Het verschil tussen conventionele en synthetische nanomaterialen is van operationele aard: synthetische nanomaterialen zijn als zodanig met nano-afmetingen geproduceerd om de producten die hiermee vervaardigd worden specifieke nano-eigenschappen te geven. Bij FCNPs is de nanofractie niet welbewust als nano geselecteerd of gefabriceerd, maar het conventionele materiaal ontleent zijn specifieke eigenschappen wel aan zijn deeltjesgrootteverdeling (of kan die hier aan ontlenen) en het feit dat er dus een significante hoeveelheid nanodeeltjes in het product zit. In dat opzicht verschilt dit materiaal dan ook weer niet van het synthetische nanomateriaal. PGNP: Process-generated nanoparticles. In de EU-definitie vallen de PGNPs onder de groep incidentele nanomaterialen. In principe vallen onder deze groep incidentele nanomaterialen ook nanodeeltjes gevormd in het wegverkeer, industriële en huishoudelijke emissies, en nanodeeltjes gevormd op werkplekken bij industriële procesvoering. PGNPs zijn dus een deelverzameling van de groep incidentele nanomaterialen. In deze studie worden PGNPs gedefinieerd als nanodeeltjes die gevormd worden bij activiteiten en processen op de werkplek. Dat kan zijn bij apparatuur en hoge(re)-energie processen (zoals verhitting en verbranding: onder meer bekende emissies gevormd bij lassen, dieselmotoren, elektromotoren, lasertoepassingen, 3D printen). PGNPs worden ook gevormd bij het mechanisch bewerken van materialen. Van belang bij dit laatste is vast te stellen dat als een uitgehard nanoproduct wordt bewerkt (schuren, boren, polijsten,..) er nanodeeltjes kunnen worden gegenereerd die niet identiek zijn aan de oorspronkelijke SNMs die in het materiaal werden gebruikt. Er komt inmiddels veel informatie beschikbaar dat het nanostof dat gevormd wordt bij deze handeling veelal bestaat uit conglomeraten waarin de nanodeeltjes (SNMs, kleurstoffen, vulstoffen,..) zitten opgesloten in clusters van bindmiddelen. M.a.w. we hebben hier niet per sé te maken met potentiële SNM blootstelling (dus geen blootstelling aan primaire SNMs). Het heeft daar een voorkeur om deze blootstelling ook PGNPs te noemen. NB: bij de mechanische bewerking van materialen waaraan geen SNMs zijn toegevoegd kunnen wel nanodeeltjes gevormd worden. Ook hier gaat het dan veelal om deeltjes met een afmeting tussen nm die veelal zijn bestaan uit een conglomeraat van het uitgangsmateriaal (bij het schuren van een coating zal het doorgaans gaan om een -uitgehard- 11

12 mengsel van bindmiddelen, additieven, vulstoffen en pigmenten, waarbij vanzelfsprekend ook grotere stofdeeltjes worden gevormd (>100 nm)). De samenstelling van PGNPs hangt sterk af van de bron. Bij verhittings- en verbrandingsprocessen van organische structuren ontstaan, zeker bij de onvolledige verbrandingsprocessen, verbrandingsproducten die samengevat kunnen worden onder de noemer roet. Roet bevat onder meer chemische structuren zoals PAKs (polycyclische aromatische koolwaterstoffen), geoxideerde PAKs, evt. nitropaks, maar ook tal van metaaloxiden die vrijkomen uit het verhitte oppervlak. Bij mechanische bewerking van oppervlakken ontstaan afbraakproducten van die substraten, en ook dat kan van alles zijn: bij het boren in polyester ontstaat bijvoorbeeld fijn polyesterstof en afbraakproducten hiervan. Het valt op dat de samenstelling en eigenschappen van de nanodeeltjes die ontstaan vaak niet wezenlijk anders zijn dan die van de synthetische nanodeeltjes. Uit metingen blijkt dat een significante fractie van de stofdeeltjes die hierbij gevormd worden afmetingen heeft die in het nanobereik kunnen liggen. In sommige gevallen, zoals bij processen waar plasma s gevormd worden heeft zelfs het grootste deel van de gevormde deeltjes afmetingen in het nano-gebied. PGNPs kunnen ook in belangrijke mate een persistent karakter hebben. Veelal bevatten de synthetische nanodeeltjes ook een coating op het oppervlak, bijvoorbeeld om agglomeratie tegen te gaan. In hoofdstuk 3 wordt een overzicht gegeven van processen waarbij PGNPs vrij kunnen komen. BGNP: Achtergrond nanodeeltjes (Background Nanoparticles). Dit betreft nanodeeltjes die van nature in het milieu voorkomen ten gevolge van allerlei natuurlijke processen, zoals vulkanisme, bosbranden, erosie, e.d. Bovendien worden in de onderhavige studie tevens de nanodeeltjes gerekend die door menselijke activiteiten in het milieu worden gebracht zoals nanodeeltjes gevormd bij verwarming van huizen, industriële activiteiten, het wegverkeer, e.d. Deze BGNPs, een deelverzameling van de incidentele nanomaterialen, worden via ventilatie uitgewisseld met de binnenhuislucht en dragen als zodanig bij aan de concentratie van nanodeeltjes op de werkvloer. Bij metingen van concentraties van nanodeeltjes in de lucht op de werkplek, uitgevoerd met meetapparatuur voor deeltjesaantallen meet men derhalve de som van alle verschillende bronnen (zie Fig. 2) SNM FCNP PGNP BGNP Bronnen van nanodeeltjes op de werkplek Toelichting: De getoonde concentraties zijn fictief, en verschillen op iedere werkplek. Duidelijk is dat SNMs veelal maar een deel uitmaken van de totale nanodeeltjesconcentratie op de werkplek. SNM = Synthetische nanomaterialen FCNP = Fractie nanodeeltjes in conventionele componenten (bijv. in additieven, kleurstoffen e.d.) PCNP = Nanodeeltjes gevormd in processen op de werkplek (Process-Generated Nano Particles) BGNP = Achtergrond concentratie nanodeeltjes (Background Nano Particles). De nanomaterialen in de achtergrond ten gevolge van het wegverkeer, industriële emissies en dergelijke Fig. 2: Voorbeeld van schematische opbouw van (mogelijke) nanodeeltjes in de werklucht. Voor zorgvuldige afwegingen inzake de te nemen beheersmaatregelen is het onderscheiden van de verschillende bronnen relevant. Een handvat voor een onderscheidende meetmethodiek wordt 12

13 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' uitgewerkt in de Handreiking veilig werken met nanomaterialen. Voor een oriëntatie op het risico en de vraag of beheersmaatregelen wenselijk zijn, is in eerste instantie de meting van het totaal aantal nanodeeltjes van belang. Op dat niveau speelt de relatieve bijdrage uit de verschillende bronnen nog niet en is een cumulatieve benadering aanvaardbaar omdat het dominante effect van de nanodeeltjes doorgaans de generieke ROS-vormende eigenschap van nanomaterialen (zie hoofdstuk 2). In dit opzicht is het van belang de wenselijkheid te benadrukken van een risicobeoordeling waarbij alle bronnen van nanodeeltjes op de werkplek worden meegenomen. Nanomaterialen, NRVs en Voorzorg Het staat vast dat nanomaterialen met hun bijzondere eigenschappen in principe ook nadelige gezondheidseffecten kunnen veroorzaken. De kennis over de toxiciteit van nanomaterialen bevat echter nog talrijke leemtes, waardoor de potentiële risico s nog onvoldoende gekwantificeerd kunnen worden. Daarom wordt als handvat voor een zorgvuldige risicobeoordeling voorzorg te geoperationaliseerd, zodat desondanks op een veilige wijze met nanomaterialen omgegaan kan worden. Dit behoeft een korte toelichting.: Onder het risico van een stof verstaat men de kans dat zich bij blootstelling een nadelig effect voordoet. Bij de gangbare risicobeoordeling baseert men zich op wat men weet van de toxische eigenschappen van de materialen. Op basis van deze kennis wordt berekend aan welke dosis men kan worden blootgesteld zonder dat er nadelige gezondheidseffecten optreden. Het gaat hierbij zowel om acute als om chronische effecten (respectievelijk effecten die direct na blootstelling optreden, en effecten die pas na lange tijd, tot vele jaren kunnen optreden). Met deze gegevens wordt een veilige grenswaarde afgeleid: de maximaal aanvaarde concentratie van de stoffen in de lucht in de werkruimte. Deze grenswaarde wordt ook door de Inspectie SZW gehanteerd om na te gaan of de werkplek voldoet aan de wettelijke verplichtingen. Schematisch wordt risico vaak als volgt weergegeven: Risico = Toxiciteit x Blootstelling Bij het gebruik van nanomaterialen (en bij blootstelling aan FCNPs, PGNPs en BGNPs) doet zich dus het praktische probleem voor dat de toxiciteit nog niet goed bepaald kan worden, maar dat men wel sterke aanwijzingen heeft dat er bij blootstelling schadelijke effecten op kunnen treden. Hier maakt men zich zorgen over. Omdat het risico nog niet kan worden gekwantificeerd heeft men er daarom voor gekozen om bij de risicobeoordeling in plaats van de bekende giftigheid het begrip zorg te gebruiken. Schematisch wordt dit wel als volgt weergegeven: Risico = Zorg x Blootstelling Het meer kwantitatieve begrip toxiciteit wordt bij de zorgbenadering derhalve vervangen door het meer kwalitatieve begrip zorg, hetgeen bij een zorgvuldige hantering van de begrippen een goed handvat kan bieden voor het risicomanagement. Een hulpmiddel bij het hanteerbaar maken van deze vorm van een op zorg gebaseerde risicobenadering zijn de nanoreferentiewaarden (NRVs) (Tabel 1) (Van Broekhuizen 2012c). Deze zijn ontwikkeld als alternatief voor de (nog niet beschikbare) grenswaarden. De NRVs zijn voorlopige advieswaarden aanbevolen als grenswaarde die op de werkplek bij voorkeur niet worden overschreden. Het zijn 8-uur tijd gewogen gemiddelde waarden, gecorrigeerd voor de achtergrondconcentratie aan nanodeeltjes (BGNPs). De waarden zijn niet gezondheidskundig onderbouwd, maar ze zijn wel op een niveau vastgesteld waarvan vermoed wordt dat als de blootstelling onder die waarde blijft, de gezondheid niet geschaad wordt. Bij een kans op overschrijding van de NRV wordt aanbevolen om blootstellingsbeperkende maatregelen te nemen. De Handreiking veilig werken met nanomaterialen geeft hiertoe een handvat (IVAM 2015). 13

14 Tabel 1: Nanoreferentiewaarden (NRVs) voor vier klassen van nanomaterialen Klasse Beschrijving NRV (8-hr TGG) 1 Rigide, biopersistente vezelvormige, onoplosbare NM waarvoor asbestachtige effecten niet zijn uitgesloten Voorbelden: SWCNT or MWCNT of metaaloxide nanobuisjes 2a 2b Niet-afbreekbare granulaire nanomaterialen in de range van 1 100nm en dichtheid > 6 kg/liter Ag, Au, CeO 2, CoO, CuO, Fe, Fe xo y, La, Pb, Sb 2O 5, SnO 2, Niet-afbreekbare granulaire nanomaterialen in de range van 1 100nm en dichtheid < 6 kg/liter Voorbelden: Al 2O 3, SiO 2, TiN, TiO 2, ZnO, nanoklei Carbon Black, C 60, dendrimeren, polystyreen Nanovezels waarvan asbestachtige effecten expliciet zijn uitgesloten 3 Afbreekbare/oplosbare granulaire nanomaterialen (oplosbaarheid groter dan 100 mg/l) Voorbelden: NaCl-, lipide-,meel-, sucrosedeeltjes 0.01 vezels/cm 3 20,000 deeltjes/cm³ 40,000 deeltjes/cm³ Bestaande grenswaarde NB: Kortdurende piekblootstelling: NRV 15min-TGG = 2 x NRV 8hr-TGG De NRVs worden door de Minister van Sociale Zaken aanbevolen om te gebruiken bij het beheersen van (onzekere) risico s van nanodeeltjes (Asscher 2012). Hij geeft aan dat indien sociale partners goede praktijken ontwikkelen NRVs als referentiekader voor de handhaving zullen worden gebruikt, waarbij aan de Inspectie SZW een actieve rol wordt toebedacht. Dit beleid is tevens gecommuniceerd met de Europese Commissie (Andor 2013). De NRVs zijn destijds overigens expliciet vastgesteld als voorlopige referentiewaarde voor synthetische nanomaterialen. Maar ook ten aanzien van PGNPs werd de noodzaak tot zorg expliciet vastgesteld. Over de suggestie om voor PGNPs een grenswaarde af te leiden, vond in 2012 en 2013 overleg plaats tussen het ministerie SZW en het RIVM met betrekking tot de volgende vragen (RIVM 2012, Bennink 2013): Is het wenselijk om grenswaarden voor PGNPs af te leiden? Is het mogelijk om één waarde voor alle PGNPs af te leiden? Hoe zou je dat aan kunnen vliegen? Wat zijn belangrijke aandachtspunten? Er werd vastgesteld dat het met de huidige kennis niet mogelijk lijkt om grenswaarden voor PGNPs af te leiden. Eén van de mogelijkheden om de zorg omtrent PGNP blootstelling te adresseren, zo werd gesteld, is om die processen te identificeren waarbij de grootste hoeveelheden PGNPs vrijkomen. Voor de processen waarvoor al een grenswaarde beschikbaar is of komt (zoals voor dieselmotoremissie en lasrook) zou deze voldoende bescherming moeten bieden tegen eventuele gezondheidsrisico s van PGNPs. Voor de processen waarvoor geen grenswaarde beschikbaar is (of komt) zou een vergelijkbare benadering gehanteerd kunnen worden als de nanoreferentiewaarden benadering voor synthetische nanodeeltjes. Hierbij worden geen gezondheidskundige grenswaarden afgeleid, maar wel voorlopige referentiewaarden vastgesteld waar de blootstelling in ieder geval onder zou moeten blijven. Geconcludeerd wordt dat er op basis van de huidige toxicologische kennis geen reden is om onderscheid tussen synthetische nanodeeltjes en PGNPs te maken, en het wordt aanbevolen om de blootstelling van synthetische nanodeeltjes en PGNPs gezamenlijk onder de referentiewaarde te laten vallen. Hierdoor is de kans aanwezig dat de nanoreferentiewaarde ook op werkplekken waar niet met synthetische nanodeeltjes wordt gewerkt, wordt overschreden. Tevens werd geconcludeerd dat om een beter beeld te krijgen van de omvang van de blootstelling aan PGNPs en de verhouding tussen de achtergrond blootstelling (buitenlucht) en werkplekblootstelling aan PGNPs en werkplekblootstelling aan synthetische nanodeeltjes (nader) onderzoek en blootstellingsmetingen nodig is. Het verdient aanbeveling om eerst in de wetenschappelijke literatuur na te gaan wat hierover al bekend is en dit wellicht uit te bereiden met 14

15 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' een inventariserend onderzoek onder producenten van apparatuur ( original equipment manufacturer, OEM) over hun kennis aangaande deze problematiek. Het is hierbij onder meer van belang inzicht te verwerven in de type apparatuur en processen waarbij nanodeeltjes gevormd kunnen worden, inzicht te krijgen in de karakteristiek van deze deeltjes (chemische samenstelling, grootte, vorm, etc.) en de omvang van de problematiek (tijdsduur, concentratie(s), aantal bedrijven). Gesteld kan worden dat de OEM een rol heeft in de communicatie over de potentiële vorming van nanodeeltjes bij gebruik van zijn apparatuur. Hij kan hiermee een bijdrage leveren aan de bewustwording van deze bron van nanodeeltjes op de werkplek. 15

16 16

17 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' 2. Introductie Nanotoxicologie in relatie tot PGNPs Algemene beschouwing nanotoxicologie Synthetische nanodeeltjes bezitten unieke eigenschappen die positief en negatief kunnen zijn. Dit geldt ook voor PGNPs. Dit hoofdstuk belicht een aantal markante eigenschappen van nanodeeltjes die nadelige gezondheidseffecten kunnen veroorzaken. De huidige kennis hieromtrent baseert zich vooral op dierproefonderzoek en celkweken, en vertaalt dit in potentiële effecten voor de mens. Langetermijneffecten kunnen echter niet worden uitgesloten. Dit geldt ook voor de PGNPs, waarvoor een aantal specifieke werk gerelateerde ziektes uitgebreid beschreven zijn die geassocieerd kunnen worden met de blootstelling aan PGNPs. Voorbeelden zijn aandoeningen ten gevolge van blootstelling aan lasrook en dieselmotoremissies. Inzicht in de risico's van het gebruik van nanomaterialen wordt mede verkregen door de inzichten in de essentiële structuren in het lichaam die tevens nano-afmetingen hebben (DNA, opgerold DNA, eiwitten RNA, cel onderdelen en diverse complexen). Deze "nanotechnologieën van het lichaam" kunnen positief beïnvloedt worden met nanomedicijnen, maar kunnen ook worden verstoord door persistente nanodeeltjes indien deze opgenomen worden in het lichaam en onvoldoende kunnen worden verwijderd. Een groot verschil tussen persistente nanodeeltjes en de nanostructuren in het lichaam is dat die van het lichaam meestal onderdeel zijn van een natuurlijke kringloop en continu gevormd en afgebroken worden. Een beeld dat in de literatuur wordt gebruikt is dat van nano-braille; het lichaam kent allerlei herkenningsprocessen gebaseerd op nanostructuren, die door interferentie van persistente nanodeeltjes "verkeerd" kunnen worden gelezen; dit is ook de basis van de unieke mogelijkheden van nano-correctie door nano-medicijnen. Sinds de toonaangevende artikelen van Oberdörster et al. (2005) en Nel et al. (2006) is er veel over dit onderwerp gepubliceerd; de belangrijkste aspecten die genoemd worden waarom nanodeeltjes een hoge toxiciteit kunnen hebben zijn: de oppervlaktevergroting, de afmetingen en het transport in de luchtwegen, ROS-vorming aan het oppervlak, het passen in biologische systemen en de coronavorming. 1. Extreme oppervlaktevergroting bij deeltjesgrootte kleiner dan 100 nm. Een afnemende diameter van de deeltjes resulteert in een exponentiële vergroting van het oppervlak van de deeltjes. Dit wordt geïllustreerd in Fig. 3 waarin wordt getoond dat als men een kubus van 1 cm 3 verdeelt in een kubusjes met een afmeting van 1 nm 3 (en daarbij dus de massa constant houdt), het totale oppervlak met een factor 10 7 toeneemt. Fig. 3: Het oppervlak van deeltjes ten opzichte van het volume. 17

18 Het is dus niet alleen het gewicht per volume dat van belang is (de standaard eenheid die in de toxicologie en de risicoanalyse gebruikt wordt), maar ook de grootte van het contactoppervlak. Dit contactoppervlak is bij nanodeeltjes extreem vergroot t.o.v. micro/macro deeltje. Het grote contactoppervlak bij nanodeeltjes betekent dat het grootste deel van de stof zich aan het oppervlak bevind, waardoor het beschikbaar is voor interactie. De stof "binnenin het deeltje" neemt in eerste instantie niet deel aan de interactie. 2. De afmetingen en het transport in de luchtwegen. Vanwege hun extreem kleine afmetingen passeren nanodeeltjes diverse natuurlijke barrières en bereiken daardoor de diepe gebieden van de longen. Nanodeeltjes tussen nm sedimenteren voornamelijk in de alveoli (zie Fig. 4, gele lijn). Fig. 4: Specifieke depositie van nanodeeltjes in de diepste regionen van de longen. 3. ROS-vorming Na opname van (voldoende persistente) nanodeeltjes in de diepste gebieden van de longen kan ROSvorming optreden ( Reactive Oxygen Species ). Dit is de vorming van reactieve zuurstofradicalen aan het oppervlak van nanodeeltjes. Deze ROS vorming vindt buiten het lichaam plaats o.i.v. UV-licht (TiO 2 ) maar treedt in het lichaam op bij verwijderingsprocessen van nanodeeltjes, waarbij het type materiaal minder belangrijk is. Met name persistente en dus chemisch nauwelijks reactieve deeltjes kunnen aanleiding geven tot ROS vorming. Opruimcellen zoals fagocyten en neutrofielen hebben tot doel het lichaamsvreemde materiaal af te breken en af te voeren middels ROS producerende enzymen. Maar door de vorm en persistentie van het nanomateriaal raakt dit gefrustreerd en ontstaat er een chronische ROS productie i.p.v. een korte natuurlijke reactie. Uiteraard speelt hierbij ook de dosis een rol. Nanodeeltjes zijn, afhankelijk van hun chemische samenstelling, meer of minder reactief, maar ook deeltjes die als inert worden beschouwd zoals polymeren, kunnen op deze manier in hun nanovorm aan hun oppervlak ROS vormen. ROS is een verzamelnaam van oxiderende stoffen die al dan niet een radicaal bevatten (o.a. superoxide anion (O 2 - ), hydroxyl radicaal (OH ), waterstof peroxide (H 2 O 2 ), singlet zuurstof ( 1 O 2 ), hypochlorietzuur (HOCl), stikstofmonoxide radicaal (NO ) en het zeer reactieve peroxynitriet (ONOO ). Deze laatste twee vallen ook onder de RNS ( Reactive Nitrogen Species ). In gecontroleerde mate en met gecontroleerde korte duur zijn ROS en RNS natuurlijke systemen, echter door te grote stimulans van buiten kan dit ontsporen. Manke et al. (2013) geven een overzicht van mechanismen waardoor nanodeeltjes sterke ROS productie en dus oxidatieve stress kunnen geven. In de longen wordt met name de activiteit van fagocyten geïnduceerd die via diverse enzymen tot een productie van bovengenoemde stoffen leidt; deze enzymen kunnen door adsorptie aan nanodeeltjes 18

19 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' onbedoeld gestabiliseerd worden of hun activiteit kan op deze wijze beïnvloed worden. Voorbeelden van enzymen die bij ROS/RNS productie betrokken zijn, zijn myeloperoxidase, NADPH oxidase en nitric oxide synthase. Enkele stoffen zoals het hydroxyl radicaal kunnen ook gevormd worden aan het oppervlak van metaal deeltjes of door langzaam vrijkomende metaal ionen (middels de zogenaamde Fenton reactie). Sommige nanodeeltjes bevatten reactieve groepen op het oppervlak van het deeltje, sommige katalytisch actieve groepen (metaaldeeltjes) en andere leiden tot interactie met celonderdelen. Bij voldoende persistentie en onvoldoend vermogen van het lichaam de nanodeeltjes te verwijderen kan door de ROS-vorming een chronische ontsteking optreden. Dit verschijnsel wordt oxidatieve stress genoemd. Het is waarschijnlijk dat aanhoudende hoge blootstelling aan persistente en lastig af te voeren nanodeeltjes oxidatieve stress reacties veroorzaakt waarbij aanhoudende ontstekingen bronchitis en astmaverschijnselen kunnen verergeren, hetgeen zelfs kan leiden tot longfibrose-achtige verschijnselen (zie ook paragraaf 4.1). Aanhoudende ontstekingen veroorzaakt door blootstelling aan deze nanodeeltjes bij voldoende hoge concentraties kunnen zelfs longkanker veroorzaken. Een secundair gevolg van deze opname in de longen manifesteert zich bij deeltjes kleiner dan circa 34 nm. Deeltjes met een kleinere hydrodynamische diameter worden snel vanuit de long opgenomen in de lymfe (Choi 2010). 4. Het al dan niet exact passen in biologische structuren. Met "passen" wordt bedoeld: exact passen zoals sleutel-slot, maar ook het kunnen passeren van bepaalde kanalen/barrières en in het algemeen het zich kunnen bevinden in structuren van het lichaam zoals cellen en cel-onderdelen. Dit "passen" is ook een belangrijke basis waarom nanodeeltjes unieke positieve eigenschappen kunnen hebben, en hier wordt gebruik van gemaakt bij nanomedicijnen. Fig. 5: Nano-interferentie. Ruimte vullende representatie van DNA (links) en in interactie met een koolstofnanobuis en koolstofnanobal (rechts) (Yanamala 2013). Een voorbeeld is het passen van nanobuisjes in holtes (de major groove ) van DNA (zie Fig. 5). De vergelijkbare of relatieve grootte van nanodeeltjes t.o.v. essentiële structuren in het menselijk lichaam (DNA, RNA, eiwitten, ribosomen, organellen, celmembranen, etc.) kan leiden tot unieke positieve en negatieve beïnvloeding van lichamelijke processen. Voor negatieve beïnvloeding lijkt voldoende persistentie van nanodeeltjes mede essentieel (Yanamala 2013). Bovenstaande deeltjes bevinden zich in het zeer lage nanobereik, maar bij de structuren die ontstaan als DNA zich verder opvouwt (nucleosomen, chromatine, etc.) kunnen ook grotere nanodeeltjes interfereren met deze structuren en tot epigenetische beïnvloeding leiden (Heijmans 2008, Tachibana 2015). Op vergelijkbare wijze kunnen nanodeeltjes interfereren met de diverse biologische processen (op nanoschaal) in het lichaam. Alle tienduizenden enzymen in het lichaam alsmede DNA, RNA, eiwitten van het immuunsysteem, enz. kunnen onbedoeld target zijn van nanodeeltjes als betreffende weefsel wordt blootgesteld. Bij de ontwikkeling van nanomedicijnen is dit bedoelde nano-interferentie. Mogelijke problemen kunnen ontstaan als onbedoelde nanodeeltjes bepaalde locaties/targets kunnen 19

20 bereiken, deze verstoren en onvoldoende door het lichaam verwerkt kunnen worden. Fig. 6. illustreert een aantal voorbeelden van interferentie van biologische systemen in het lichaam met (persistente) SNMs (Wu 2013). Fig. 6: Voorbeelden van mogelijke interferentie van nanodeeltjes met diverse nanotechnologieën van het lichaam; diverse membraan gerelateerde processen, cytoskelet/actine disruptie. Zie ook: Wu et al. (2013) en Ruenraroengsak et al. (2012) (polystyreen latex nanodeeltjes). Nel et al. (2009) geven een uitgebreide analyse van biofysiochemische interacties die tot interferentie aan de "nano-bio interface" kunnen leiden, en geven voor met name SNMs suggesties om mogelijke toxiciteit te vermijden (zie ook Fig. 7 hieronder), maar fundamenteel gaat het om interferentie omdat de natuurlijke nanotechnologieën van dezelfde ordegrootte zijn; verder moet per type SNM en PGNP bekeken worden welke factoren tot bijzondere interactie leiden al lijkt met name persistentie altijd tot zorg. Ook Yanamala et al. (2013) geven een uitgebreide analyse van nanodeeltjes met de nanomachinerie van cellen (zie ook Fig. 5). Asbest-achtige problemen kunnen ontstaan als persistente nanodeeltjes juist net niet passen in bijvoorbeeld opruimcellen (gefrustreerde fagocytose bij asbest-fibers) doordat alleen hoogte en breedte passen en de lengte niet (Fig. 7), zoals dat bijvoorbeeld het geval kan zijn bij lange, rigide koolstofnanobuisjes. Dit kunnen dus op zich chemisch inerte deeltjes zijn, zoals reeds besproken bij de opname van nanodeeltjes in de diepste gebieden van de longen. Bij gefrustreerde fagocytose ontstaat zoals boven besproken chronische productie van schadelijke ROS deeltjes. Fig. 7: Gefrustreerde fagocytose van asbest deeltjes en de vermoedelijke analogie met koolstofnanobuisjes (Donaldson 2010). Wanneer gesproken wordt van passen dan is een scala aan eigenschappen belangrijk voor daadwerkelijke interactie van het (persistente) deeltje met de biomatrix; grootte, vorm, vorm van het oppervlak van het deeltje, flexibiliteit, porositeit (gatenkaasstructuur). Flexibiliteit speelt o.a. een rol bij het verschil tussen single-walled NPs (SWNPs) en multi-walled NPs (MWNPs). Dit alles zou 20

21 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' kunnen worden samengevat onder de dynamische geometrie & "plakkracht" van de deeltjes. Een uitputtende lijst van mogelijke eigenschappen die hier aan bijdragen is gepubliceerd door de OECD (2010) (Organization for Economic Cooperation and Development). Er zijn m.a.w. diverse andere eigenschappen die bepalen of er daadwerkelijk docking plaatsvindt van de deeltjes met de nanotechnologie van het lichaam; aard van het materiaal (bijv. goud vs. zilver vs. composiet), lading, wateroplosbaarheid, etc. In bepaalde gevallen kan ook de kristalvorm van een deeltje van invloed zijn op de effecten; bij TiO 2 bepaalt de kristalvorm de mate waarin het met UV licht reageert (en radicalen produceert), hetgeen belangrijk zou kunnen zijn met TiO 2 deeltjes op de huid. Er kan ook oppervlakte modificatie zijn van de deeltjes. In Fig. 8 is een voorbeeld te zien van het bewust beïnvloeden/onderzoeken van het gedrag van koolstofnanobuisjes door de lading op het oppervlak te veranderen. Fig. 8: Lading van het oppervlak van koolstofnanobuisjes beïnvloedt cellulaire opname en daarmee vermoedelijke longtoxiciteit (Li 2013). Nanodeeltjes kunnen bij ophoping ook simpelweg voor ruimtelijke blokkades zorgen doordat ze ruimte in cellen innemen. Twee reviews met meer voorbeelden van nano-interferentie zijn geschreven door Shvedova et al. (2010) en Zoroddu et al. (2014). In Fig. 9 is een duidelijk voorbeeld te zien van het effect van grootte van deeltjes, in dit geval is het effect van 1000 nm en 78 nm polystyreen deeltjes (groen) met elkaar vergeleken. De 78 nm deeltjes worden (door endocytose) opgenomen in cellen, terwijl de 1000 nm deeltjes te groot zijn voor endocytose. Dit verschil in penetratie wordt bij drug delivery middels nanobolletjes benut. Virussen, die ook nano afmetingen hebben, maken hier ook gebruik van. Fig. 9: Deeltjesgrootte bepaalt het vermogen van deeltjes (groen) om in membranen en cellen te penetreren, zichtbaar via deeltjes van 1000 nm (links) en van 78 nm (rechts). (Mayer 2014). 21

22 5. Corona en andere life cycle aspecten. Coronavorming is het fenomeen dat er door adsorptie van materialen (zoals enzymen) door een nanodeeltje een mantel rond het nanodeeltje ontstaat (Fig. 10). Fig. 10: Enkele effecten die kunnen optreden als gevolg van corona vorming rond nanodeeltjes (Li 2014); deze effecten kunnen in nanomedicijnen positief gebruikt worden maar kunnen ook tot unieke verstoring van lichaamsprocessen leiden. Coronavorming gaat vaak hand in hand met het aspect passen ; een nanodeeltje kan door adsorptie een onnatuurlijke verzamelplaats/drager worden van al dan niet natuurlijke stoffen in een werkende cel, organel, etc. Elders kan juist depletie van noodzakelijke enzymen ontstaan en ook kan de activiteit en stabiliteit van enzymen beïnvloed worden (enzymen zijn katalysatoren van vrijwel alle chemische reacties in het menselijk lichaam). Een nanodeeltje op zich kan compleet inert zijn en toch via adsorptie van lichaamseigen deeltjes (bijv. enzymen) tot beïnvloeding van natuurlijke processen leiden (Fig. 11). Fig. 11: Corona vorming rond nanodeeltjes, in dit geval bij opname via de diepste luchtwegen, de alveoli (Monopoli 2012). 22

23 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' De oplossnelheid van nanodeeltjes is een ander relevant life cycle aspect. De oplossnelheid is vanzelfsprekend afhankelijk van omgeving: de zuurgraad in de long is bijvoorbeeld anders dan in de maag, (Fig. 12). Fig. 12: Verspreiding en ophoping van koolstof nanodeeltjes in bepaalde weefsels na opname via de longen en organen bepaald met radioactieve isotoop labelling (Czarny 2013). Een bijzondere vorm van coronavorming is de adsorptie van schadelijke stoffen aan nanodeeltjes (nanodeeltjes als vector ). Na opname van het nanodeeltje in het lichaam worden de schadelijke stoffen meegenomen, en kunnen op specifieke plaatsen in het lichaam dissociëren/vrijkomen (men noemt dit ook wel nano-hitchhiking ). Deze ongewenste adsorptie van xenobiotica (lichaamsvreemde stoffen) lijkt veel voor te komen bij nanodeeltjes die bij verbranding vrijkomen. Combinaties van bovengenoemde aspecten zijn mogelijk bij blootstelling aan één type deeltjes, maar er kan ook interactie optreden tussen verschillende type nanodeeltjes, al dan niet met synergistische effecten. Nanotoxicology en PGNPs Het is waarschijnlijk dat bovenstaande aspecten in principe voor alle nanodeeltjes gelden, ongeacht de bron. In dat opzicht maakt het dus niet uit of men te maken heeft met SNMs, PGNP, of FCNPs. Persistentie, vorm en afmeting van de deeltjes zijn cruciale eigenschappen. Voor de PGNPs wordt soms beargumenteerd dat, aangezien sommige van de processen waarbij deze deeltjes vrijkomen al lang bestaan, het blijkbaar wel meevalt met eventuele toxiciteit van die deeltjes. Voor niet-persistente deeltjes en acute (korte termijn) effecten kan deze theorie valide zijn. De lange termijn effecten van persistente deeltjes zijn echter vaak nog onduidelijk. Het kan zijn dat bepaalde effecten met multi-causale oorzaken in onvoldoende mate geassocieerd worden met blootstelling aan bepaalde PGNPs; een voorbeeld hiervan zijn hart - en vaatziekten die door meerdere factoren (al dan niet met synergie) kunnen worden veroorzaakt. Voor koolstofnanobuisjes is aangetoond dat deze in diermodellen tot ernstige vormen van trombose kunnen leiden (Gaffney 2015) en iets soortgelijks is eerder gesuggereerd voor "vrije" koolstofnanobuisjes die op bloedvaten geïmmobiliseerd raken. Onlangs is in een cohort studie van ruim 3000 werknemers in Zweedse ijzergieterijen vastgesteld dat er een verhoogde kans is op overlijden als gevolg van hart- en vaatziekten (Gunnarsson 2015). Opgemerkt dient ook te worden dat bij diverse nieuwe processen (bijv. 3D printen) zelfs relatief korte termijn effecten onbekend zijn en er zullen meerdere nieuwe processen ontwikkeld worden waarbij PGNPs ontstaan. Bij deze processen kunnen ook embedded SNMs gebruikt worden en dus ook vrijkomen, waarbij dus ook PGNP-SNM combinaties kunnen vrijkomen. De belangrijkste verschillen tussen SNMs, FCNPs en PGNPs zijn samengevat in Tabel 4: 23

24 Gebruik / intentie Tabel 4: Verschillen tussen synthetische nanomaterialen (SNMs), fractie nanodeeltjes conventionele materialen (FCNPs) en process generated nanodeeltjes (PGNPs). SNMs FCNPs PGNPs Samenstelling / complexiteit Aangeschaft door productfabrikant om het product een specifieke eigenschap te geven. Bewust toegevoegd. Veelal uniek van samenstelling. Veel SNMs zijn voorzien van een nanocoating op de deeltjes om bijvoorbeeld agglomeratie tegen te gaan. Complexiteit onder controle. Aangeschaft door productfabrikant om het product een specifieke eigenschap te geven. Bewust toegevoegd. Niet aangeschaft vanwege nano. Veelal uniek. Doorgaans niet voorzien van een coating. Gevormd in het proces of bij de bewerking. Vaak ongewild 1 gevormd (als zijproduct) Sterk afhankelijk van procescondities. Veelal geen uniforme samenstelling. Veelal mengsel van verbrandings- of afbraak- of omzettingsproducten. Veelal mengsel van organische verbindingen en metaaloxiden. Soms tamelijk uniform, bij high energy processen. Bij PGNP vorming bij mechanische bewerking van nano-enabled producten (kunststoffen, coatings) zijn de oorspronkelijke SNMs veelal opgenomen in de matrix van het bindmiddel Eventuele complexiteit veroorzaakt door dragermateriaal e.d 3. Grootte Vorm Blootstelling Toxiciteit Bekendheid Veelal redelijk nauwkeurig gedefinieerde deeltjesgrootteverdeling Meestal uniform. Vorm is veelal bekend bij aanschaf van de nanomaterialen Meestal toegepast in specifiek proces, onder geconditioneerde omstandigheden. Daardoor veelal kortdurend van aard. Oxidatieve stress, ontstekingen, genotoxische effecten, nanointerferentie. Veelal bekend bij gebruiker dat gewerkt wordt met SNMs In deeltjesgrootteverdeling is grootste deel van het materiaal >100nm. Wel een grote nanostaart. Meestal chemisch uniform. Grootteverdeling niet uniform. Meestal toegepast in specifiek proces, onder geconditioneerde omstandigheden. Daardoor veelal kortdurend van aard. Idem Veelal onbekend bij gebruiker dat er bij gebruik nanodeeltjes vrij kunnen komen Vaak minder uniforme deeltjesgrootteverdeling. Meestal niet uniform en daardoor gedeeltelijk binnen nanobereik (is per proces verschillend) 2. Ook nanobuisjes kunnen als PGNPs gevormd worden. Sommige PGNP-bronnen hebben een permanent karakter. Blootstelling kan derhalve langdurig van aard zijn. idem Vaak onbekend dat er er sprake kan zijn van blootstelling aan PGNPs. 1 Dit geeft geen fundamenteel verschil t.o.v. eventuele toxicologie, het maakt ongewild gegenereerde deeltjes in elk geval niet minder potentieel toxisch. 2 Voor de fractie die binnen het nanobereik ligt is onbekend of een mengsel van nanodeeltjes van verschillende grootte meer of minder toxisch zou kunnen zijn. Er is ons geen literatuur bekend die algemene uitspraken doet en/of onderbouwt op dit punt. Het is mogelijk dat slechts een fractie unieke nadelige eigenschappen bezit. 3 Met name de 2 e en 3 e generatie SNMs met oppervlakte modificaties e.d. zijn complex, juist om unieke nanoeigenschappen te versterken of te modificeren; bij PGNPs wordt eventuele complexiteit veroorzaakt door agglomeratie/aggregatie met dragermateralen en niet-uniforme grootte verdeling. 24

25 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Fig. 13 illustreert het verschil van het effect van blootstelling aan een stof in micro en nanovorm (en ion vorm). Zichtbaar is dat het effect van de zelfde hoeveelheid koper groter is indien het in de nanovorm wordt toegediend (Li 2014). Fig. 13: Vergelijking van het effect van dezelfde dosis koper in nano-, micro- en ionvorm op de maag van muizen na 24 uur (oraal, 72 mg/kg lichaamsgewicht) (Li 2014). Samenvattend: Er zijn een aantal kenmerkende eigenschappen van voldoende persistente nanodeeltjes die aanleiding kunnen geven tot een toxisch effect. Het meest prominent zijn de extreem kleine afmetingen van de nanodeeltjes, resulterend in een sterk vergroot gezamenlijk oppervlak en leidend tot een vergrote interactie/reactiviteit. Dit betreft onder andere ROS, de vorming van reactieve zuurstofradicalen die kunnen zorgen voor (landurige) irritatieverschijnselen (oxidatieve stress). Ook geeft de vorm van sommige deeltjes, zoals bijvoorbeeld nanobuisjes, aanleiding tot zorg vanwege de sterke overeenkomst met asbestachtige eigenschappen. De afmetingen en de vorm van de deeltjes kunnen overeenkomst vertonen met die van biologische systemen, zodat bij opname in het lichaam de nanodeeltjes biologische processen effectief kunnen verstoren. Voorts is coronavorming een voorbeeld van persistente deeltjes die nadelige effecten kunnen bewerkstelligen. De geïdentificeerde potentiële effecten van nanodeeltjes gelden in principe zowel voor SNMs als voor PGNPs en FCNPs (en ook voor de BGNPs). Het verdient dan ook sterke aanbeveling de verschillende groepen gezamenlijk te betrekken in het risicomanagement. 25

26 26

27 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' 3. Overzicht van bronnen van PGNPs Men onderscheidt een aantal verschillende processen waarin PGNPs gevormd kunnen worden (overeenkomstig de Handreiking Veilig werken met Nanomaterialen (IVAM 2015)): 1. Nanodeeltjes gevormd bij verhittings- en verbrandingsproducten Bij allerlei vormen van verhitting en verbranding worden nanodeeltjes gevormd. Bekend zijn de verbrandingsproducten die ontstaan bij de verbranding van brandstoffen diesel en benzine. Dieseluitlaatgas deeltjes (DEP, diesel exhaust particulates ) worden veel bestudeerd en inmiddels is aangetoond dat DEP carcinogeen is. Diesel zelf is en aardoliedestillaat en bevat paraffines, naftenen en aromaten. Bij verbranding ontstaat een rijk mengsel aan verschillende verbindingen, onder meer PAKs, maar ook koolstofnanobuisjes en fullerenen, alsmede, vanwege de verhitting van de motoronderdelen en sommige additieven, tal van metaaloxides (Hesterberg 2010). Een bron die vaak over het hoofd wordt gezien zijn elektromotoren. Sommige motoren maken gebruik van koolborstels, die over een koperen commutator glijden. Ook hierbij ontstaan nanodeeltjes, niet enkel door de mechanische activiteit van het glijden van koolborstels over het koper, maar ook door de vonkformatie, waardoor CuO nanodeeltjes afgesplitst worden (Szymczac 2007). Vonkformatie wordt dan ook doelbewust gebruikt om metaal-nanodeeltjes te produceren (Tabrizi 2010). Ook zijn er tal van andere verbrandings- en verhittingsprocessen waarbij nanodeeltjes gevormd kunnen worden: plasmasnijden, laswerkzaamheden, metaalslijpen, solderen, het roken van voedsel, laser-ablatie (bij deze toepassing werd ook de vorming van nanobuisjes aangetoond), ijzergieten, sealen met krimpfolie, enz. 2. Nanodeeltjes gevormd bij mechanische bewerkingen Bij tal van mechanische bewerkingen waarbij sprake is van het gebruik van hogere energieprocessen ontstaan nieuwgevormde nanodeeltjes. Ook hier is de samenstelling van de deeltjes sterk afhankelijk van het basismateriaal en van energie waarmee de bewerking wordt uitgevoerd. Hogere energie, of te wel schuren bij een hoger toerental en bijv. met een fijner schuurpapier veroorzaakt meer fijne nanodeeltjes dan schuren bij een laag toerental. Bij het bewerken van nanocoatings, waarin dus SNMs als grondstof zijn verwerkt, of bijvoorbeeld nanoenabled kunststoffen zouden in principe de oorspronkelijke SNMs weer vrij kunnen komen, maar uit onderzoek blijkt dat dit veelal niet geval is. De mechanische bewerkingen zijn bijvoorbeeld schuren, polijsten, slijpen, boren, frezen, malen e.d. 3. Overige bronnen Onderzoek toont aan dat bij het gebruik van bijvoorbeeld laserprinters nanodeeltjes ontstaan. Ook bij de moderne 3D-printers blijkt een forse hoeveelheid nanodeeltjes te worden gegenereerd. De Handreiking veilig werken met nanomaterialen hanteert dit onderscheid bij de identificatie van potentiële bronnen en gebruikt het volgende stappenschema. 27

28 Schema 1: Stappenschema proces-gegenereerde nanodeeltjes (genoemde bijlages zijn te vinden in de Handreiking veilig werken met Nanomaterialen (IVAM 2015). Worden oppervlakken / materialen (al dan niet met nanomaterialen) bewerkt d.m.v. schuren, boren, polijsten, slijpen, solderen, lassen, e.d.? NEE Vinden er verhittings- of verbrandingsprocessen plaats? Evt. ook dieselmotor/generator, andere verbrandingsmotor, etc. NEE JA JA *** Kans op vrijkomen van nanodeeltjes (PGNP s) ** ** ** Vul RI&E (bijlage deel 3) Worden er elektromotoren gebruikt? JA en blootstellings- NEE Gelijkstroommotor met borstel (met commutator en koolborstels) NEE JA registratie (bijlage deel 4) in Borstelloze elektromotor (Electronically commutated motor) *** JA Gebruikt u andere hoge(re)-energie apparatuur of processen, zoals laser, extrusie, of andere* JA NEE Waarschijnlijk komen er geen nanodeeltjes vrij (géén PGNP s). Er is geen noodzaak om de nano-ri&e of de blootstellingsregistratie in te vullen * overleg eventueel met de onderzoeksgroep of vrijkomen van PGNPs waarschijnlijk is, of dat oriënterende metingen gedaan moeten worden In Fig. 14 zijn een aantal veelgebruikte technieken weergegeven met een indicatie van aantallen PGNPs die hierbij gevormd worden #/cm 3 is ruwweg de maximum concentratie van nanodeeltjes die mogelijk is in de lucht vanwege optredende coagulatie (Kreyling 2010). Lassen Laser gravure Lekkende verhittingsoven rubber Rubber extrusie Schuren polyester zonder ventilatie HDPE extrusie Plasma snijden Solderen Plastic sealing (vlam) Slijpen van metaal 3D Printing Stofzuiger Laser printer Kantoor Fig. 14: Voorbeelden van gemeten aantallen PGNPs van veelvoorkomende processen (aantal deeltjes/cm 3 ). Tabel 5 geeft een indicatief overzicht van processen waarbij PGNPs vrijkomen, inclusief gerapporteerde waarden. Ook zijn een aantal processen opgenomen waarvan het sterke vermoeden 28

29 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' bestaat dat er PGNPs vrijkomen en waarnaar thans onderzoek plaatsvindt. Er is een onderverdeling gemaakt naar type proces. Een aantal trends lijken waarneembaar (bij hoog energetische processen worden vaak zeer kleine nanodeeltjes gemeten bijvoorbeeld). Soms is er bij verschillende processen een zekere overlap (hoge energie, hoge temperaturen), en is de indeling enigszins arbitrair. Bij een aantal processen wordt geen warmte toegevoegd maar komt wel veel warmte vrij (bijv. frezen), hierdoor is ook de vorming van relatief kleine PGNPs mogelijk. In een aantal gevallen kunnen PGNPs de SNMs op de werkplek domineren (van Broekhuizen 2012a), voorbeelden worden beschreven hoofdstuk 4. Over het algemeen kan geconstateerd worden dat systematisch onderzoek naar de vorming en het vrijkomen PGNPs nog niet plaatsvindt (2015). Tabel 5: Overzicht van processen waarbij PGNPs gerapporteerd zijn of waarvan het sterke vermoeden bestaat dat PGNPs vrijkomen[4]. Proces Concentratie PGNPs (#/cm 3, 8-uur TGG) Gemiddelde diameter (nm) Opmerkingen (materiaal, afzuiging, persistentie) Referentie(s) Lassen (Boog)lassen ("Welding) en zonder LEV, Young [8] Aluminium, Gas Metal Arc Welding Debia [8] Staal, Gas Metal Arc Welding [8] Aluminium, Flux Cored Arc Welding [8] Roestvrij staal, Gas Tungsten Arc Welding [8] Staal, Shielded Metal Arc Welding Plastic kitten/"lassen" (Welding) Laser (piekwaarde ) 235 nm (GMD [10] ) Staal, slechte algemene ventilatie, enkele vorkheftrucks dichtbij het meetpunt. waarden uit deze studie zijn gecorrigeerd voor deeltjes <100 nm 33, 100 nm Staal, goede algemene ventilatie, MIG (GMD [10] ) lassen in de buurt. Elihn 2009 [11] (piekwaarde ) > (piekwaarde) 53 nm [12] MIG Wake , 30, FCAW, TIG (juist LEV gebruik wordt Lehnert nm benadrukt) nm 70% ijzer, 20% Mn, 10% overig (Si, Cu, Zn, Isaxon 2013 Pb, Ca, K, Co) Wake 2002 (piekwaarde) 31 nm [12] Diverse methodes voor het kitten van thermoplasten (zie hfst 4), verschillen in PGNP vorming niet geheel bekend. Laser gravure nm [2] aluminium zonder afzuiging, Zilaout 2013 piekwaarden tot nm [2] aluminium met afzuiging (min. factor 35 verbetering) Laser ablatie (schoonmaken nm Keramische) tegels, zowel bij de emissiebron als in de 'breathing zone'. Fonseca 2014, 2015 oppervlakten papier, > nm Staal, laser vermogen > 0.5 W Barcikowski steen, metalen, leer). tot Brons 2009b n.d., >75% PM uitstoot in het nanobereik Zandsteen, gips Barcikowski 2004 Laser snijden ("cutting") nm (GMD [10] ) Staal, LEV, 8% 100nm. Deeltjesgrootte Elihn 2009 afhankelijk van het vermogen van de laser. Printen 3D Printen (piekwaarde) Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), Stephens 2013 hoog smeltpunt, depositie bij 80 C (piekwaarde) Polylactic acid (PLA), laag smeltpunt en depositie zonder extra verwarming. Printen (kantoor) , nm [3] Zeer hoge piekwaarden Koivisto 2010 > [7] Dit betreft piekwaarden, sterk afhankelijk van type printer. McGarry uur piekwaarden in een glove box. Sterk printer afhankelijk (zie hfst. 4). Ook SNMs aangetroffen. Pirela 2014,

30 Proces Concentratie PGNPs (#/cm 3, 8-uur TGG) Hoge temperatuur door toegevoegde warmte Verbranding ("combustion") Ovens (incl. pottenbakkerij) Gemiddelde diameter (nm) Opmerkingen (materiaal, afzuiging, persistentie) Referentie(s) Tot Reductie van het niet-verdampbare deel Young 2012 mogelijk met >99% m.b.v. Diesel Oxidation Catalyst (DOC) en Diesel Particulate Filter (DPF), met Bus terminal (overdekt), Diesel Chen 2002 piekwaarde Bus terminal (overdekt), Diesel Yang nm [2] Rubber Zilaout (piek, bakken), mean: nm [9], Traditionele pottenbakkerij. Voliotis (piek, mean: nm [9] Samenstelling gedomineerd door Al 2O 3, glazuren). SiO 2, significante gehaltes lood worden aangetroffen. Vooral nanodeeltjes bij temp >600 C nm Industriële pottenbakkerij. Klei, Fonseca 2014 porselein, al dan niet met glas ("frit") en glazuur, T=1400 C. Verhitting [2] Afsmelten van fluorescentie lampen, dominante component is roet. (zie ook hfst 4). Van Broekhuizen 2012b Sealen nm [2] Rubber in plastic bag Zilaout nm [2] Sealing cosmetics cream tubes (near field) [2] Sealing cosmetics cream tubes (far field) Spuitgieten ("Moulding") nm [2] High Density Polyethylene (HDPE), Zilaout 2013 diverse sites, zonder afzuiging Smelten, gieterij [13] Metaal Evans 2008, (Foundry) nm Metaal Cheng (piekwaarde 50 nm (GMD [10] ) Staal, spuitgieten in de buurt. Elihn ) (piekwaarde 38 nm (GMD [10] ) Roestvrij staal, LEV ), (piekwaarde ), 24 nm (GMD [10] ) Aluminium, slechte algemene ventilatie, spuitgieten in de buurt Aluminium. Thomassen 2006 > (piekwaarde) 46 nm [12] Staal Wake (piekwaarde ) 38 nm (GMD [10] ) Roestvrij staal, slechte algemene ventilatie Elihn 2009 Asfalt bewerkingen Extrusie (zie ook 3Dprinten, een vorm van micro-extrusie) Coating technieken (piekwaarde ) 31 nm (GMD [10] ) Zand/aluminium, slechte algemene ventilatie, smelten van ijzer in de buurt (piekwaarde ) <10, 30 nm (GMD [10] ) Zand/ijzer, slechte algemene ventilatie, smelten van aluminium in de buurt , frequente Asfalt bestaat uit bitumen met Elihn 2008 pieken van tot fijngemalen steen en gravel. Waarden zijn gecorrigeerd voor ultrafijnstof/nanodeeltjes afkomstig van verkeer nm [2] Rubber, site 1/2/3 Zilaout , 46 nm [2] Rubber, outlet extruder, zonder afzuiging , 35 nm [2] Rubber, inlet extruder, zonder afzuiging , piekwaarde nm [2] High Density Polyethylene, zonder afzuiging, Galvaniseren (piekwaarde) 64 nm [12] Zink/Zinkoxide Wake 2002 ( Electroplating ) (vernikkelen, verchromen) Plasma coating (piekwaarde) 41 nm [12] Metalen/metaaloxiden Wake 2002 Sprayen nm [2] Glasfibers, om plastic te modificeren. Zilaout 2013 zonder afzuiging Plasma Sprayen n.d. Metaal(oxiden) Fauchais 1997, Feng

31 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Proces Concentratie PGNPs (#/cm 3, 8-uur TGG) Mechanische bewerkingen zonder toegevoegde warmte Schuren/schaven ("sanding, Polijsten ("polishing, lapping") Knippen/snijden ("cutting") Slijpen / malen ("grinding"), (zie hoofdstuk 4) Gemiddelde diameter (nm) Opmerkingen (materiaal, afzuiging, persistentie) Referentie(s) nm [2] Fiberglas - Glass-Reinforced Polyester Zilaout 2013 (GRP), met vacuüm ventilatie Piekwaarde nm [2] Fiberglas - Glass-Reinforced Polyester (GRP), zonder vacuüm ventilatie nm [9] Nanocoated metaal, mengsel PGNPs/SNMs Shandilya nm metaal, met name ijzer, 15 min TGG Van nm metaal, 15 min TGG Broekhuizen 2012b nm [2] Glasfiber bevattend plastic. zonder Zilaout 2013 afzuiging en Metaal, hogesnelheid manuele Young 2013 polijstwielen, auto onderdelen + smoother finish, suboptimale LEV opstelling. Site 1 en site nm [2] Styrofoam Zilaout % in de nm Beton, droog Azarmi 2014 range, 83% in de 5-30 nm range [6] (piekwaarde 98 nm (GMD [10] ) Beton, LEV Elihn ) pieken bij 5.6, 11.5 Beton, droog, aantallen slaan op Kumar 2012 en 49 nm [5] nm range, 95% bevindt zich in de nm range. waarden zijn laag qua aantallen maar wel relatief kleine deeltjes (piekwaarde 98 nm (GMD [10] ) Beton, LEV Elihn ) (piekwaarde ) 70 nm (GMD [10] ) Roestvrij staal, goede algemene ventilatie Azarmi , (piekwaarde 37 nm (GMD [10] ) Aluminium, LEV ) IJzer Evans Metaal Schneider 2007 Slijpen ("grinding") (zie Staal (ultrafijnstand Dremel) Zimmer 2002a hoofdstuk 4) ~10 nm Aluminium (ultrafijnstand Dremel) ~10 nm Graniet (ultrafijnstand Dremel) ~10 nm PTFE (ultrafijnstand Dremel) ~60 nm Hardhout (ultrafijnstand Dremel) ~10 nm Keramiek (ultrafijnstand Dremel) Boren , 82% nm, Beton, droog. 60% 5-30 nm [6] (piekwaarde) nm Polymeer-Nanocomposiet (o.a. silica gebaseerde polyamide 6 nanocomposiet en glasfiber composiet). Nanofillers leiden tot hogere nanodeeltjes uitstoot bij boren van composiet Betonboor, vrij draaiende boor, zonder dat er geboord wordt. Krabben, gladmaken nm (GMD [10] ) Verwijderen van overtollig aluminium na ("Fettling") (piekwaarde ) gieten. Slechte algemene ventilatie. Frezen ("milling") Metaal, Met LEV 1 afzuigventilatie, koelvloeistof, kunststof meestal persluchtkoeling en Metaal, zonder LEV, auto onderdelen (aluminium legering) Gedurende het proces wordt het te bewerken metaal continu gesprayd met koel- en lubricatiemiddel. Sachse 2012a, b Cornelissen 2011 Elihn 2009 Zilaout 2013 Young

32 Proces Concentratie PGNPs (#/cm 3, 8-uur TGG) Gemiddelde diameter (nm) Opmerkingen (materiaal, afzuiging, persistentie) Hameren Beton, piekwaarden tijdens "demolition", 93% in nm. Type beton geeft verschillen. Andere processen Recycling pieken bij 40 en 200 nm, 73% in de nm range, 26% in de nm range [5] pieken bij 10, 30 en 200 nm. 90% in de nm range, 9% in de nm range [5]. Beton (droog), 17x de achtergrond waarde Beton (nat), 3x de achtergrond waarde, reductie van uitstoot m.b.v. eenvoudige maatregel als water sprayen tijdens werkzaamheden. Referentie(s) Kumar 2012 Kumar 2012, 2014 Kumar 2012 Stofzuigen (stofuitstoot) Re-dispersie nanosilica, ook bij gebruik Kim 2014 van een HEPA filter (HEPA-filter lek) verwaarloosbaar mogelijk wel afhankelijk van type stofzuiger Zakken leegschudden nm [2] TiO 2 in plastic bag, near field, zonder Zilaout 2013 (piek: ) afzuiging nm [2] TiO 2 in plastic bag, far field, zonder afzuiging [1] LEV= Local Exhaust Ventilation (=Puntafzuiging) [2] Nanotracer, Aerasense NP monitor (Philips, Eindhoven) (details: Van Broekhuizen 2012b), zie Box 1. [3] TSI model 3776 condensation particle counter (CPC) en Sequential Mobility Particle Sizer (SMPS), Grimm Series met een long differential mobility analyzer (DMA). [4] Afstand tot de bron is niet gestandaardiseerd in deze tabel maar in het algemeen realistisch in termen van 'breathing zone". [5] Combustion DMS50 mobility spectrometer. [6] GRIMM particle spectrometer, Fast response differential mobility spectrometer, DMS50. [7] Diverse typen TSI Condensation Particle Counters, TSI Optical Particle Counter & TSI DustTrack Particle Counter. Detectie limiet van gebruikte apparatuur is deeltjes cm -3. [8] P-Trak 8525 (TSI, Inc., Shoreview, Minn.). [9] Scanning Mobility Particle Sizer, Optical Particle Counter. [10] GMD = Geometric Mean Diameter [11] De meeste metingen uit deze studie zijn gedaan op 1-3 m van de PGNP bron, in sommige gevallen was op > 10 m ook een andere PGNP bron aanwezig zoals aangegeven in de tabel. Voor de verschillende instrumenten waarmee gemeten is zie de referentie. [12] Gemeten met P-Trak, Portacount of SMPS. [13] nm range. n.d.: not determined 32

33 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Processen en handelingen waarbij FCNPs vrijkomen: Tabel 6 geeft een overzicht van processen en handelingen waarbij FCNPs vrijkomen. Proces Tabel 6: Overzicht van processen waarbij FCNPs vrijkomen. Concentratie FCNPs (#/cm 3, 8-uur TGG), (gemiddelde diameter(s) tenzij anders vermeld Gemiddelde diameter (nm) Opmerkingen (materiaal, afzuiging, persistentie) Wegen + mengen nm [2] Microdiol (A325, non-nano) + Aropol (G156). Tronox (CR826, non-nano) + Cobalt (non-nano, 30% TiO2) + Aerosil (nanosized material). Sonificeren n.d. Kan leiden tot uiteenvallen van agglomeraten/aggregaten van NPs in losse NPs Wegen nm [2] Medium dusty poeder (Lowlite) zonder afzuiging nm [2] High dusty poeder (Acrisint 400) zonder afzuiging nm [2] High dusty poeder (UCARE Polymer) zonder afzuiging nm [2] Rubber met LEV afzuiging Inpakken / vullen / verplaatsen ("Bagging") Powdery fillers, cosmetics (piekwaarde), 44 nm [12] Carbon black (vulmiddel rubberen banden) (piekwaarde), 23 nm [12] Nikkelpoeder Zeven 9.000, (piekwaarde , ) 26, 42, 70 nm (GMD [10] ) Zuiveren ("refining") [12] Referentie(s) Zilaout 2013 Huang 2012 Zilaout 2013 Wake 2002 Roestvrij staal, algemene ventilatie Elihn 2009 Zink Wake 2002 (piekwaarde) Mengen nm [2] Rubber met LEV afzuiging Zilaout nm [2] TiO 2 storten zonder afzuiging [2] 52 nm CaCO 3 (intensief mengen met bovenroerders, piekconcentratie). Van Broekhuizen 2012b [2] 38 nm Talk (intensief mengen met bovenroerders, piekconcentratie). Vullen [2] Powdery fillers, cosmetics Zilaout 2013 [x] Zie Tabel 5. Indicatie van de nanodeeltjes in het milieu - BGNPs Een indicatie van achtergrondconcentraties (BGNPs) die in het milieu in de lucht gemeten worden wordt gegeven in Fig. 15. Vliegveld > Ernstig verontreinigde lucht Snelweg verkeer Licht verontreinigde lucht in stad Schone lucht in stad Zuivere lucht bergen > > > < Fig. 15: Indicatie van achtergrond concentraties ultrafijnstof deeltjes op diverse plekken (deeltjes/cm 3 ) (van Broekhuizen, SENN 2015). 33

34 Monitoring Een interessante denkrichting om bronnen van en blootstelling aan SNMs, FCNPs en PGNPs in kaart te brengen is de combinatie van persoonlijke monitoring middels kleine apparatuur in de breathing zone van een werknemer gekoppeld aan een GPS systeem. Møller et al. (2014) hebben dit principe laten zien bij het volgen van verschillende type werknemers op verschillende locaties in de luchthaven van Kopenhagen (Fig. 16). Op deze wijze worden op verschillende locaties waarden tussen 5000 en > #/cm 3 gemeten en wordt duidelijk welk type werknemer de grootste blootstelling ondervindt. Op deze wijze kan beleid worden ontwikkeld (bijvoorbeeld maximale shifts voor bepaald personeel, in dit geval zij die betrokken zijn bij in- en uitladen van bagage). In een indoor situatie in bedrijven is een hogere resolutie gewenst van de GPS dan gebruikt in de studie van Møller et al. (2014). Op termijn is niet ondenkbaar dat dit m.b.v. smartphones mogelijk is. Fig. 16: PGNP waarden op het vliegveld van Kopenhagen, gemeten m.b.v. de Nanotracer gekoppeld aan een GPS systeem (Møller 2014). Box 1: Apparatuur om NPs te meten. Er zijn diverse apparaten op de markt om aantallen NPs te meten. Ondanks diverse verschillende technieken en fabrikanten lijken er geen grote verschillen op te treden qua ordegrootte (Asbach 2012) maar dit is wel iets dat in het achterhoofd gehouden dient te worden en bij een eventuele analyse dan wel blootstellingsmetingen dient goed te worden beschreven welke apparatuur hiervoor gebruikt wordt. Een belangrijke praktische overweging is de draagbaarheid van apparatuur, ook om metingen in de "breathing zone" van een werknemer te kunnen doen. Dit geeft de meest realistische blootstellingsmeting. Belangrijk is ook de afstand tot de bron van NPs aan te geven aangezien de concentratie deeltjes sterk afneemt bij grotere afstand t.o.v. de bron. Bij twijfelgevallen zou men metingen met twee verschillende apparaten van verschillende fabrikanten kunnen uitvoeren. Soms is het mogelijk dat de meting zelf bijvoorbeeld de agglomeratiestaat beïnvloedt (Kumar 2010), beïnvloeding van het gemetene door de meter/meting is een fundamentele issue voor elk type meting in welke discipline dan ook. Asbach et al. (2012) laten zien dan 5 verschillende typen draagbare NP-meters vergelijkbare resultaten geven met een max. afwijking van 30%; bij sommige meters geldt wel een bovengrens qua meetbereik. Een diepgaande karakterisatie (vorm, agglomeratietoestand e.d.) vindt vaak plaats in laboratoria; is deze karakterisatie bekend dan is een meting van aantallen met een "handheld" apparaat voldoende. Een goed recent overzicht over dit onderwerp en de relatie met het vaststellen van Occupational Exposure Limits (OELs) is te vinden in de publicatie van SC Gordon et al. (2014). Een interessante vraag is bijvoorbeeld of deeltjes met slechts 2 dimensies in het nanobereik (nanofibers) wel opgemerkt worden door alle meters die NPs meten. 34

35 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' 4. PGNPs: voorbeelden van vorming in processen Een aantal voorbeelden van processen waarin PGNPs gevormd worden, worden beschreven. Hiermee wordt inzicht verworven in een aantal algemene principes die ten grondslag liggen aan de vorming PGNPs, hetgeen een handvat kan bieden voor de identificatie van PGNP-bronnen, het kiezen van alternatieven en het nemen van eenvoudige maatregelen ter voorkoming van blootstelling. 4.1 Booglassen. De meest gebruikte lastechniek is Gas-Metaal Booglassen (Gas-Metal Arc Welding, GMAW, Fig. 17). Hoge temperaturen ontstaan door de gebruikte elektrische plasmaboog; om reactie van de metalen (staal, aluminium) met zuurstof en stikstof uit de lucht te voorkomen gebeurt dit onder toevoer van inert gas (zoals Argon, Helium) of het goedkopere semi-inerte koolstofdioxide. Ruwweg wordt gesproken van Metal Inert Gas (MIG) en Metal Active Gas (MAG), waarbij er ook mengvormen bestaan, o.a. met waterstofgas, afhankelijk van het substraat. Alle mengvormen hebben hun voor- en nadelen qua lasresultaat en kosten. Deze vorm van lassen gebeurt meestal binnen i.v.m. verstoring van het proces door wind. Fig. 17: Schematische weergave van het booglasproces. Lassen is een van de belangrijkste bronnen van Fine Particles (FPs, <2.5 m) en UFPs (<100 nm) en dus PGNPs wereldwijd. In de VS werken mensen fulltime als lasser en naar schatting 1-2 miljoen parttime (Jenkins 2003). In Europa zijn deze getallen respectievelijk en 1 miljoen (Isaxon 2013). De geschatte uitstoot van lasrook is 5000 ton/jaar wereldwijd (Redding 2002). Verscheidene mg/m 3 zijn niet ongebruikelijk als persoonlijke blootstelling per werkdag. Bovendien zijn deeltjes aanwezig in lasrook verrijkt met metaaloxides, welke potentieel toxisch zijn. Bohgard liet in 1979 al zien dat conglomeraten van lasrookdeeltjes uiteen kunnen vallen na contact met water, waarbij vrije metaal-bevattende nanodeeltjes ontstaan. Dit is een belangrijke constatering bij de benadering van clusters van deeltjes die op het eerste gezicht wellicht buiten de NP-definitie lijken te vallen; contact met waterig milieu is uiteraard een relevante parameter voor blootstelling. Bij GMAW ontstaan nanodeeltjes en aggregaten van nanodeeltjes (Isaxon 2013, Tabrizi 2010). Isaxon et al. (2013) karakteriseerde nanosized en nanostructured deeltjes die aanwezig zijn in MAGlasrook. Dit type deeltjes kent een hoge persistentie en kan bij onvoldoende afscherming ingeademd worden. In de MAG-damp werd een gemiddelde diameter van 160 nm waargenomen en elektronenmicroscopie liet aggregaten zien met een duidelijk nanosized structuur. De nanodeeltjes lijken voornamelijk afkomstig van de gebruikte electrode en niet van het te lassen materiaal (Antonini 2006). Het te lassen materiaal lijkt de samenstelling in de lasrook vooral te beïnvloeden indien er olie, verf e.d. aanwezig zijn (Quimby 1999). Isaxon et al. (2013) gebruikten bij de analyse van lasrook 35

36 realistische afstanden tot de bron om aantallen deeltjes, deeltjesgrootte verdelingen en agglomeratie van deeltjes te bepalen in zowel een werkplaats als laboratorium setting. Tabel 7 laat enkele voorbeelden zien van gemeten concentraties PGNPs bij diverse vormen van booglassen met verschillende materialen. Tabel 7: Enkele voorbeelden van concentraties PGNPs zoals gemeten bij diverse vormen van booglassen met verschillende materialen (Debia 2014). Voor booglassen gelden al bijzondere maatregelen t.o.v. een klassieke risicobenadering, vanwege diverse medische klachten die bij booglassers geobserveerd zijn, inclusief longweefsel veranderingen. Vooralsnog is het niet gebruikelijk de blootstelling te beoordelen op basis van concentraties nanodeeltjes, en hierbij nanoreferentiewaarden te gebruiken. Recent onderzoek (Andujar 2014) laat zien dat metaaloxide PGNPs afkomstig uit lasrook tenminste gedeeltelijk verantwoordelijk zijn voor histopathologische veranderingen in longweefsel van lassers die geassocieerd zijn met (chronische) ontstekingen en permanente schadelijke veranderingen van longweefsel. Hoewel een groot aantal studies op 'diermodellen' reeds wijst in de richting van chronische ontstekingen na inademing van bepaalde type PGNPs is het onderzoek van Andujar (2014) het eerste directe bewijs van een verband tussen humane blootstelling aan PGNPs en lange termijn effecten op de longen (Fig. 18). Fig. 18: Een recent bewijs voor chronische longproblemen bij lassers als gevolg van blootstelling aan lasrook- PGNPs. De rechter foto toont typisch longweefsel van een lasser met gemiddeld 27 jaar blootstelling aan lasrook en links is vergelijkbaar weefsel van een niet-lasser met verder vergelijkbare levensstijl te zien (Andujar 2014). Groen = zwavel, Blauw = ijzer, Rood = mangaan. Young et al. (2013) rapporteren ook zeer hoge PGNP waarden voor lasrook: en PGNPs/cm 3 ; in de door hen aangetroffen situatie waren geen LEVs geïnstalleerd, alleen algemene centrale ventilatie en een aantal statiefventilatoren bedoeld voor seizoenswarmte-stress; personeel droeg wel actieve koolmaskers. Cena et al. (2002) hebben uitstoot van PGNPs van zware metalen bij het lassen van roestvrij staal gemeten m.b.v. persoonlijke sampling. Significante hoeveelheden Mn, Ni, Cr en Cr(VI) werden aangetroffen en het belang van goede ventilatie werd bevestigd. Lehnert et al. (2012) beschrijven een zeer uitgebreide studie van lasrook uitstoot op 33 werkplekken in Duitsland met 241 lassers (project WELDOX). FCAW wordt als een high-emitting vorm van lassen 36

37 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' geïdentificeerd en TIG (Tungsten Inert Gas) geeft het grootste percentage in het lage nano-bereik. Waarden tot #/cm3 worden gerapporteerd en opnieuw wordt het belang van juiste LEV benadrukt. Het IARC (The International Agency for Research on Cancer) heeft lasrook geclassificeerd als mogelijk kankerverwekkend (Groep 2B) (IARC 1990). Ook OSHA (The US Occupational Safety and Health Administration) beschouwt lasrook als potentieel carcinogeen en adviseert een zo laag mogelijke blootstelling (OSHA 1997, OSHA 2013). In Duitsland is een OEL ingesteld van inhaleerbaar (10 mg/m- 3 ) en respirabel (3 mg/m 3 ) PM, hetgeen ook voor lasrook geldt. In Nederland is voor lasrook een grenswaarde overeengekomen van 1 mg/m 3 als 8 uur tijdgewogengemiddelde. In de booglasindustrie wordt gezocht naar oplossingen voor de PGNPs die vrijkomen als gevolg van de hete plasma's van vooral het donor materiaal; een interessant voorbeeld hiervan is geïllustreerd in Fig. 19 (Wang 2014). Fig. 19: Poging tot het voorkomen van PGNP blootstelling door design: inkapselen van metaal PGNPs bij booglassen m.b.v. amorfe silica (Wang 2014). Deze studie gaat ervan uit dat de resulterende grotere deeltjes minder schadelijke potentie hebben dan de PGNPs die ontstaan zonder gebruik van amorfe silica. Wang et al. rapporteren dat 31-76% van de PGNPs met Cr, Ni en Mn compleet worden ingekapseld en suggereren verdere ontwikkeling van deze apparatuur. Wang et al. (2014) geven naast deze eventuele oplossing by design ook een uitstekend overzicht van de huidige stand van zaken rond PGNP vorming bij booglassen en geven ook andere voorbeelden van mogelijke oplossingen by design. 37

38 4.2 Plastic lassen/kitten m.b.v. thermoplasten Er zijn diverse methodes om m.b.v. thermoplasten te kitten/lassen, zoals geïllustreerd in Fig. 20: Fig. 20: Diverse methodes voor het "lassen" m.b.v. thermoplasten; emi-finished_polymeric_materials.jpg Exacte gegevens omtrent PGNP-vorming bij plastic lassen zijn schaars. Wake et al. (2002) rapporteren zeer hoge piekwaarden en de diverse strategieën uit Fig. 20 zullen op dit punt ongetwijfeld verschillen laten zien. Extrusion welding is waarschijnlijk vergelijkbaar met de extrusie processen zoals weergegeven in Tabel 5, inclusief 3D laser printen. Materiaalkeuze en LEV maatregelen kunnen hoge PGNP uitstoot aanzienlijk verminderen en wellicht zullen er grote verschillen te zien zijn tussen thermische, mechanische en elektromagnetische varianten van plastic lassen. 4.3 Laser ablatie Laser ablatie wordt gebruikt om oppervlakten schoon te maken waarbij PGNPs kunnen ontstaan, maar wordt ook juist gebruikt om SNMs te maken (bijvoorbeeld koolstof nanobuisjes en diverse metalen en metaal legeringen) (Barcikowski 2007a, 2013). Laser ablatie wordt meer en meer ingezet als techniek om nanodeeltjes te maken in plaats van chemische methoden (Fig. 21) Fig. 21: Sterke toename van het aantal artikelen en citaties m.b.t. het genereren van SNMs middels laser ablatie in vloeistoffen. 38

39 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Aard en grootte van SNMs die d.m.v. laser ablatie worden gemaakt, worden sterk beïnvloed door de omgeving waarin ze vrijkomen (in de gasfase (Seto 2003) en in de vloeistoffase (Menendez-Manjon 2009, 2010, Guisbiers 2015)). Het 'opvangen' van SNMs die doelbewust met laser ablatie gemaakt worden, is wellicht indicatief voor de mogelijkheid om blootstelling aan PGNPs te reduceren, als deze vrijkomen bij het gebruik van laser ablatie als schoonmaaktechniek. Door nat te werken kunnen gevormde PGNPs worden afgevangen (Barcikowski 2007b). Met laserablatie worden ook NPs van legeringen gemaakt (Jakobi 2010). Ook worden op deze wijze koolstofnanobuisjes gemaakt. Een recent review over toepassingen van laser ablatie voor de fabrikage van SNMs is van Barcikowski et al. (2013). Dezelfde auteur waarschuwt voor PGNPs die vrijkomen bij het schoonmaken middels laser ablatie van materialen als gips, zandsteen, metalen en legeringen zoals brons (Barcikowski 2004, 2009a,b). Blootstellingsniveaus tot #/cm 3 worden gemeten; de auteurs laten zien dat de concentraties PGNPs die vrijkomen duidelijk afhangen van het vermogen van de gebruikte laser; vanaf 0.5 W worden waarden > #/cm 3 gemeten bij het schoonmaken van staal. De diameter van een groot percentage van de vrijkomende deeltjes bij schoonmaken van brons, staal en zirkonium oxide middels laser ablatie liggen in het nanobereik. Fig. 22 toont een snapshot uit een korte Youtube film over laser ablatie apparatuur gebruikt voor het schoonmaken van metaal (roest). Tevens worden links naar laser ablatie van rubber, marmer en brons vermeld. 'Hand-held' laser ablatie wordt ook gebruikt voor het verwijderen van oude coatings, en dit zal in de toekomst ook gebeuren met coatings die SNMs bevatten, hetgeen tot een complexe analyse van de vrijkomende PGNPs zal leiden. Fig. 22: Laser Ablatie met een High Power Short Pulse Laser, in dit geval een metaal oppervlak: Andere voorbeelden zijn te vinden in de volgende links: Rubber: Marmer: Brons (aanslag): De getoonde laser gebruikt voor metaal ablatie kent een laser vermogen 750 Watt met een korte puls van 30 nanosecondes, vergelijkbaar met lasers die gebruikt worden voor het maken van SNMs. Het is derhalve waarschijnlijk dat hierbij PGNPs gevormd worden. Bij de laser-ablatie van marmer wordt geclaimd dat er geen stof vrijkomt door de korte afstand tot het object in combinatie met een ingebouwde stofzuiger. Laser ablatie wordt reeds vaak in afgesloten ruimtes door robots gedaan. In het geval van handmatige apparaten lijkt zorgvuldige beoordeling van de emissie en instructie inzake potentiële PGNP-vorming nodig om onnodige blootstelling te voorkomen. Gerichte stofafzuiging, bij voorkeur geïntegreerd in het handmatige laserablatie apparaat zelf lijkt de meest voor de hand liggende oplossing. Dit wordt geclaimd door de fabrikant van het apparaat voor marmer. Bij het 39

40 getoonde rubber en metaal is de afstand tussen apparaat en te bewerken oppervlak groter en is stofvorming zichtbaar. Laser gravure is in essentie dezelfde techniek als laser ablatie en middels deze techniek worden structuren aangebracht in diverse materialen zoals de metalen als koper en aluminium (Fig. 23). Fig. 23: Laser gravure is in essentie hetzelfde als laser ablatie en leidt ook tot PGNP productie, in dit geval koper en aluminium PGNPs. (Bron: Laser bewerkingen van metalen worden meer en meer toegepast als alternatief voor frezen, chemisch etsen, snijden en het assembleren van verschillende onderdelen; bij deze laserbewerkingen lijkt bewustzijn van de mogelijkheid dat PGNPs gevormd worden op zijn plaats. Er is een aanzienlijke hoeveelheid literatuur die het verband suggereert tussen (repro) toxiciteit en inademing van metaal nanodeeltjes. 4.4 Plasma sprayen. Plasma sprayen ( Thermal spray, Fig. 24) heeft als voordeel dat het materialen met zeer hoge smeltpunten kan sprayen (zoals overgangsmetalen zoals wolfraam) en keramische materialen zoals zirkonium oxide, resulterend in een zeer dichte en schone structuur van coatings. Plasma spray coating is de belangrijkste thermische spray coating techniek en is zeer veelzijdig. Ook wordt plasma sprayen met poeders met daarin SNMs veelvuldig toegepast. Fig. 24: Plasma sprayen leidt zeer waarschijnlijk tot hoge PGNP concentraties (Fauchais 1997). Er is geen literatuur bekend die zowel aantallen, identiteit en grootte-verdeling van PGNPs gevormd door plasma sprayen beschrijft, maar in z'n algemeenheid valt op dat bij alle bewerkingen waarbij plasma's gevormd worden hoge aantallen zeer kleine PGNPs worden gevormd, dus ook plasma sprayen verdient aandacht op dit punt. In feite is de bedoeling van plasma sprayen om ultrafine particles te maken om zo tot bijzonder hoge kwaliteit coatings te komen. In de literatuur worden diverse parameters bewust gevarieerd om de UFPs zo goed mogelijk gekarakteriseerd te krijgen. 40

41 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Aangezien het doel niet de fabricage van UFPs op zich is, maar de resulterende coating die ontstaat na snelle afkoeling en interactie met het te bewerken oppervlak kan men hier dus spreken van PGNPs. Ook worden vaak reeds nanomaterialen toegevoegd aan keramische poeders die verhit worden (Feng 2007). Dit wordt bevestigd door het feit dat plasma sprayen inmiddels een techniek is waarmee op uitgebreide schaal doelbewust SNMs, zoals single-walled nanobuisjes, geproduceerd worden (Kim 2014). De reden die aangegeven wordt voor de potentie van plasma sprayen voor productie van nanobuisjes is de hoge temperatuur, > C, de sublimatietemperatuur van koolstof. Bij bewuste productie van SNM-nanobuisjes middels plasma sprayen worden vaak inerte gassen gebruikt voor een homogeen product; bij PGNP vorming middels plasma sprayen zal door interactie met o.a. zuurstof een minder homogene populatie nanobuisjes ontstaan zoals bij de goedkope productie van nanobuisjes middels verbranding (Height 2004). Voor de vorming van metaal PGNPs middels plasma sprayen gelden de zelfde argumenten wat betreft potentie en homogeniteit. Aan de poeders die gesprayd worden, worden ook regelmatig SNMs toegevoegd, welke dan dus ook in de spray met nanodeeltjes aanwezig zullen zijn. 4.5 Diverse mechanische metaalbewerkingen Een veel gebruikte metaal bewerking is polijsten. Young et al. (2013) beschrijven polijsten van auto onderdelen m.b.v. hogesnelheid manuele polijstwielen waarna een smoother finish wordt aangebracht; op twee verschillende locaties in de fabriek werden deeltjesaantalconcentraties van en PGNPs/cm 3 vastgesteld (gemeten in de inademingslucht van het personeel), waarden ver boven de NRVs. De auteurs geven aan dat de aangetroffen LEVs (puntafzuiging) niet optimaal geïnstalleerd waren. Young et al. (2013) beschrijven ook het frezen van auto-onderdelen (aluminium legeringen) en rapporteren zeer hoge PGNP daggemiddelden: en PGNPs/cm 3. Gedurende het proces werd het te bewerken metaal continu gesprayd met koel- en smeermiddelen en er werd geen LEV gebruikt. Bij de beschreven situaties van Young et al. (2013) van zowel polijsten en frezen kan waarschijnlijk een enorme reductie van de concentraties PGNPs geboekt worden door juiste ventilatie en afzuigingstechniek toe te passen. Bij het frezen is door het toevoegen van koel- en smeermiddelen niet geheel duidelijk wat de identiteit van de PGNPs is. Een voorbeeld van een hoogenergetische mechanische bewerking van metalen is het slijpen met een Dremel. Bij hoge draaisnelheid worden concentraties van PGNP ver boven de NRVs gemeten terwijl bij lage snelheid de gegenereerde hoeveelheid nanodeeltjes onder de NRV blijft (Zimmer 2002). De hoge draaisnelheid van de Dremel wordt dan ook wel (onbedoeld toepasselijk) de ultrafine mode genoemd (Fig. 25). Bij sommige processen treedt een aanzienlijke vorming van PGNPs op, gegenereerd door de apparatuur zelf (remschijven, elektromotoren, in het algemeen processen waar hoge wrijving ontstaat); veelal zijn hier, vanwege de slijtage die hierbij optreedt alternatieve systemen voor ontwikkeld. 41

42 4.6 Slijpen Fig. 25 laat zien dat het slijpen van verschillende materialen (graniet, staal, aluminium, polytetrafluorethyleen (PTFE), hardhout en keramische klei) met een Dremel tot verschillende maar zeer aanzienlijke PGNP concentraties kan leiden ( #/cm 3, voor details zie Tabel 5), veelal boven de NRVs aangezien dit materialen met aanzienlijke persistentie zijn. Een deel van de gemeten PGNPs blijkt afkomstig van de slijpmachine, echter het grootste deel is afkomstig van de bewerkte materialen. De piekdiameter ligt bij de meeste materialen bij 10 nm terwijl dit voor hardhout hoger is (80 nm). Fig. 25: PGNP concentraties gemeten bij het slijpen van verschillende materialen in de ultrafine mode van het apparaat. Ook zonder materialen is een significante PGNP productie afkomstig van de gebruikte Dremel TM (Zimmer 2002). Bij hoge draaisnelheid worden concentraties van PGNP ver boven de NRVs gemeten terwijl bij lage snelheid de gegenereerde hoeveelheid nanodeeltjes onder de NRV blijft (Zimmer 2002). De hoge draaisnelheid van de Dremel wordt dan ook wel (onbedoeld toepasselijk) de ultrafine mode genoemd. Bij lagere energieprocessen lijken SNMs ingebed in het bindmiddel vooral vrij te komen ingebed in het drager materiaal in grove vorm(grotere deeltjes). Komen zij vrij als nanodeeltje, maar gehecht aan drager materiaal (SNM-PGNP deeltjes) dan valt het feitelijke onderscheid tussen SNMs en PGNPs weg en moet het conglomeraat met eenzelfde zorg beoordeeld worden. De piekconcentratieniveaus van PGNPs en SNMs die aangetroffen worden bij dit soort mechanische handelingen zijn in dezelfde orde van grootte. 4.7 Schuren Tabel 5 laat zien dat bij schuren met hoog vermogen hoge PGNP concentraties (> #/cm 3 ) kunnen worden bereikt. Göhler et al. (2015) laten zien dat bij schuren van dezelfde coating met verschillende additieven (ZnO vs. Al 2 O 3 ) tot verschillen leidt wat betreft PGNP uitstoot; bij toegevoegd ZnO is het percentage PGNPs in het fijnstof veel hoger. Van Broekhuizen et al. (2012b) meldt waarden in de ordegrootte #/cm 3 bij het schuren van metaalcoating (al dan niet met nanotoevoegingen). Het schuren van glas-versterkt polyester laat zien dat afzuiging duidelijke reductie geeft, maar onvoldoende kan zijn om waarden onder de NRVs voor SNMs te realiseren. In dit geval is het gebruik van juiste stofmaskers aan te bevelen. 42

43 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' 4.8 Extrusie Warmte in combinatie met hoge druk leidt tot bijzonder hoge aantallen PGNPs. Zilaout et al. (2012) laten zien dat diverse vormen van extrusie een bron van hoge concentraties PGNPs kunnen zijn ( #/cm 3 ), hetgeen nog grotendeels onbekend is in de literatuur en in de industrie. Zilaout et al. (2012) laten ook zien dat relatief eenvoudige maatregelen als LEV kunnen een enorme reductie van deze PGNP niveaus geven tot onder de NRVs. De weinige andere literatuur die wij konden vinden betreft o.a. 3D-printen (zie onder), hetgeen in essentie ook een vorm van extrusie is (Stephens 2013). Interessant is ook de productie en recycling van nano-versterkte plastics, waar opnieuw de scheiding tussen PGNPs en SNMs vervaagt. Sánchez et al. (2014) onderzochten de extrusie van polymeer matrices of polyethylene (PE), Polypropyleen (PP) en Polyethyleneterephtalaat (PET) met daaraan toegevoegd silicaat gemodificeerd nanoklei, Calcium Carbonaat (CaCO 3 ), Zilver (Ag) en Zinkoxide (ZnO), maar onderzochten niet de PGNP uitstoot. Uit de waarnemingen van Zilaout et al. (2012) en Stephens et al. (2013) valt te verwachten dat bij extrusie en recycling van deze SNMs-bevattende plastics zowel PGNPs als de primaire SNMs zullen vrijkomen in concentraties boven de NRVs. 4.9 Elektromotoren Universeelmotoren produceren PGNPs met een hoog kopergehalte; koolborstels glijden over de commutator, PGNPs ontstaan vervolgens door mechanische wrijving en vonken tussen elektrodes (Scymczak 2007). Waarden tot #/cm 3 worden gerapporteerd. Keuze van elektromotor lijkt dus een interessante optie om onnodige PGNP blootstelling te voorkomen. Het laten vonken tussen twee elektrodes wordt ook gebruikt om doelbewust SNMs te produceren (koolstof, metaal en metaaloxides). Bij borstelloze electromotoren lijkt geen PGNP-vorming op te treden Verbrandingsmotoren Over dieselmotoremissies is met name in de discussie over de carcinogeniteit en in relatie tot het ultrafijnstofbeleid (in het milieu)al veel gepubliceerd. Daarom zal dit in deze notitie slechts kort besproken worden. Het uitgebreid review van Donaldson uit 2005 is nog steeds aanbevelenswaardig (Donaldson 2005). Het is in elk geval duidelijk dat als er bij activiteitenbinnenshuis, en in veel gevallen ook bij buitenactiviteiten serieus zaak gemaakt worden van het voorkomen van de blootstelling. Diesel nanodeeltjes zijn een voorbeeld van het feit dat identificatie van PGNPs simpelweg niet genegeerd kan worden bij een risicobeoordeling van de werkplaats; dieselmotoremissie (in het Engels diesel exhaust particulates (DEP)) is een geregistreerd carcinogeen mengsel (SDU 2011). Diesel is een zeer complex mengsel dat deeltjes van diverse afmetingen bevalt waaronder veel nanodeeltjes en gasdeeltjes die ook toxicologisch relevant zijn. Het dominante koolstof-gebaseerde deel van diesel roetdeeltjes heeft sterke gelijkenissen met diverse belangrijke klassen SNPs (fullerenen, nanobuisjes) (Hesterberg 2010). Kumar (2010a) vergelijkt SNMs met Atmospherische Nanodeeltjes, waaronder nanodeeltjes afkomstig van dieselverbrandingsproducten) en vraagt zich af tot op welke hoogte het mogelijk is algemene uitspraken te doen over fundamentele verschillen tussen beide klassen deeltjes. Dit is beperkt en meestal op maat, echter over diesel-nanodeeltjes wordt opgemerkt dat CNT-achtige structuren gevormd worden met lengte-doorsnede ratio's die lijken op "lung-retained asbestos" (Evelyn 2003). Ook korte termijn effecten zoals luchtweg irritatie en luchtweg- en bloed-biomarkers bij gezonde vrijwilligers zijn beschreven (Xu 2013). Cheng et al. (2002) rapporteren PGNP waarden van #/cm 3 met pieken tot #/cm 3 in een bus-terminal. Deze ordegrootte wordt bevestigd door Wang et al. (2015) ( #/cm 3 ). Young et al. (2012) rapporteren waarden tot #/cm 3 voor diesel uitstoot, waarvan het niet-verdampbare deel met >99% kan worden gereduceerd middels een combinatie van Diesel Oxidation Catalyst (DOC) en Diesel Particulate 43

44 Filter (DPF). Echter, DEP bestaat ook uit een semi-verdampbaar gedeelte met complexe chemische en condensatie reacties in de lucht dus is het probleem nog niet geheel opgelost. De DOC + DFP lijkt wel een goede bijdrage te leveren aan het reduceren van DEP uitstoot. Young et al. (2012) laten ook zien dat motor belasting en percentage biodiesel een effect hebben op DEP uitstoot Beton bewerkingen: menging, boren, snijden & recycling. Beton bewerkingen zijn een bijzonder voorbeeld van PGNP vorming aangezien dit een van de weinige buitenactiviteiten op de werkplek waarvan PGNP vorming uitgebreid is beschreven (asfalt is een ander voorbeeld). Over het algemeen is er bij betonbewerkingen binnen een straal van enkele meters rond de primaire bron een hoge concentratie PGNPs te meten, vooral onder droge condities. Tijdens menging, boren, snijden en recycling van beton komen PGNPs vrij, ook als er geen SNMs aan het beton zijn toegevoegd, dit laatste gebeurt nu meer en meer, hetgeen de analyse van beton-pgnps ingewikkelder maakt. Tot nu toe is wat betreft zorg voor nanomaterialen vooral aandacht geweest voor de SNMs die aan beton worden toegevoegd. Deze toevoegingen van SNMs aan beton lijken de onvermijdelijkheid van PGNP analyse te illustreren in dit geval bij bewerkingen van beton. Azarmi et al. (2014) hebben het aantal nanodeeltjes dat vrijkomt gemeten en berekend hoe groot hun aandeel is in het totale aantal deeltjes dat vrijkomt (Fig. 26). Qua massa ligt het percentage NPs beneden de 50%, echter qua aantallen deeltjes ligt dit op 78% voor menging (gemiddelde van twee type materialen), 95% voor boren en 97% voor snijden/breken. Fig. 26: Klassieke eenvoudige betonbewerkingen die PGNP productie geven, waarbij met name het boren en snijden van beton tot waarden boven de nanoreferentiewaarden leidt (Azarmi 2014). Het aandeel zeer kleine PGNPs is bij beton snijden ook opvallend hoog. Bij de steeds vaker toegepaste recycling van beton worden ook hoge PGNP waarden gemeten (zie onder). GGBS: Ground Granulated Blast Furnace Slag, PFA: Pulvered Fuel Ash. Bij de snij-, boor- en mengbronnen worden hoge concentraties PGNPs gemeten, met name bij snijden is dit hoog ( #/cm 3 ), het aandeel van zeer kleine PGNPs (5-30 nm) is hier hoog (83%). Andere beton bewerkingen zoals het afbraak en recycling van beton laten ook hoge PGNP waarden zien ver boven de NRVs voor SNMs. Recycling van beton zal om meerdere redenen een steeds belangrijker worden; ondanks diverse voordelen geven de recycling processen van beton veel hogere PGNP productie dan bij het maken van vers beton (Kumar 2014). Het uitgangsmateriaal dient eerst verpulverd te worden en hierbij ontstaan PGNP niveaus van rond de #/cm 3 (Tabel 5). Fig. 27 laat de afhankelijkheid van de gemeten PGNP niveaus ten opzichte van de afstand tot de bron zien; zoals verwacht is er een sterke afname van de gemeten PGNP waarden, maar hoe kleiner de deeltjes hoe meer deze zich als gas gedragen en dus minder snel neerdalen. 44

45 Literatuurstudie 'Process Generated Nanoparticles' Fig. 27: Afhankelijkheid van PGNP waarden van de afstand tot de bron bij beton recycling. Het betreft genormaliseerde waarden t.o.v. de kortste afstand waarop PGNPs gemeten zijn (1.2 m van de bron, een realistische benadering van de 'breathing zone'). PNCs = Particle Number Concentrations. Kumar et al. (2014) laten ook zien dat stofkappen die gangbaar zijn voor dit type werk (EU specificaties: PPE directive EN149:2001 en Medical directive EN14683:2005) maar beperkt effectief zijn voor PGNPs, ze zijn met name effectief bij deeltjes boven de 80 nm (Fig. 28). Er kan dus eenvoudig winst geboekt worden door het type stofkappen dat thans gebruikt wordt te wijzigen door het besef van de grote aantallen PGNPs die vrijkomen en waar de gangbare stofkappen niet voor zijn ontworpen. Voor een discussie over de aard van de PGNPs wordt de lezer verwezen naar Kumar et al. (2014). Fig. 28: Afhankelijkheid van PGNP waarden bij beton recycling met en zonder stofkap. Gangbare stofkappen voor dit type werk houden geen rekening met grote aantallen deeltjes in het nanobereik; dit biedt de mogelijkheid tot een eenvoudige verbetering van de huidige praktijk door andere stofkappen voor te schrijven. Kumar et al. (2012a) laten ook zien dat natte recycling een enorme reductie van het aantal PGNPs geeft t.o.v. droge recycling; dit geldt voor alle betonbewerkingen en wordt in de praktijk al regelmatig toegepast. Het is ook een bekend feit dat concentraties ultrafijnstof in de buitenlucht sterk gereduceerd worden na een regenbui. Een eenvoudige maatregel als nat werken is wellicht toepasbaar op meerdere technieken waarbij PGNPs vrijkomen (zie ook laser ablatie). 45

46 Kumar et al. (2012a) laten ook zien dat in de tijd verschillende stadia zijn van deeltjes agglomeratie; verse "nuclei" (< 10 nm), nucleation (10-30 nm) en conglomeraten ( nm). Hier is opnieuw de vraag wat er met de conglomeraten gebeurt indien ze ingeademd worden en ze in contact komen met een waterige omgeving; dit hangt af van de krachten die de samenklontering van de primaire nanodeeltjes veroorzaken (lading vs. hydrofobiciteit). In hoofdstuk 2 is dit in algemene zin aangestipt als 'life cycle' argument. Kumar et al. (2012) laten ook goed het belang van achtergrondcorrectie zien. De samenstelling van beton-pgnps kan bestaan uit cement bestanddelen zoals kalksteen en klei aggregaten (Fennell 2007). Combinaties van calcinaten (CaO), silicaten (SiO 2 ), hydraten en andere elementen zullen hoofdbestanddelen zijn (Kumar 2014, 2012a). De situatie bij betonbewerkingen kan gecompliceerd worden doordat hier inmiddels regelmatig ook SNMs (zoals koolstofnanobuisjes, nano silica, nano-fe 2 O 3, SiO 2, TiO 2 ) aan toegevoegd worden om bijvoorbeeld werkbaarheid, poriën structuur, sterkte, warmte gedrag en plasticiteit van het beton te modificeren (Kumar 2012a). Bij bewerkingen en recycling van beton kunnen dus mengsels en agglomeraten van PGNPs en SNMs vrijkomen. Voor een meer gedetailleerde beschrijving van deze ontwikkeling wordt de lezer verwezen naar Kumar et al. (2012b). Bij metingen aan dit type mengsels en agglomeraten ontkomt men in feite niet aan een analyse van relatieve verhoudingen van PGNPs en SNMs en hun samenstelling. Voor SNMs en PGNPs die vrijkomen bij bouwactiviteiten geldt op dit moment geen speciale voorzorgsmaatregelen (eenuitzondering hier op is asbest, dat feitelijk ook een nanomateriaal is) Bewerkingen tijdens de productie van TL-lampen Van Broekhuizen et al. (2012b) onderzochten NM emissie bij de productie van fluorescentielampen waaraan aan de binnenkant een coating met nano-al 2 O 3 wordt toegevoegd. De nano-al 2 O 3 geeft geen hoge SNM emissie, echter bij sealen, polijsten, smelt processen e.d. werden zeer hoge PGNP waarden gemeten, hoogstwaarschijnlijk roetdeeltjes (Fig. 29). Dit illustreert dat identificatie van type nanodeeltje dat gemeten wordt cruciaal is voor een verstandige risicobeoordeling. Fig. 29: Gemiddelde PGNP concentraties afkomstig van diverse bewerkingen op fluorescentielampen, hoofdzakelijk bestaande uit roetdeeltjes. 46