NANOKEM Risikovurdering af nanopartikler i farve-lak industrien Frank Fotel 2,5, Anders Permin 2, Karl-Heinz Cohr 2, Henrik Rye Lam 2, Anne Thoustrup Saber 1, Keld Alstrup Jensen 1, Karin Sørig Hougaard 1, Ismo Koponen 1, Søren Thor Larsen 1, Nicklas Raun Jacobsen 1, Renie Birkedal 1,, Martin Roursgaard 1,3, Lone Mikkelsen 3, Peter Møller 3, Steffen Loft 3, Håkan Wallin 1,3 and Ulla Vogel 1,4 1 The National Research Centre for the Working Environment, Denmark 2 DHI group, Denmark 3 Department of Environmental Health, University of Copenhagen, Denmark 4 Institute for Science, Systems, and Models, University of Roskilde, Denmark 5 Presenting author
Hvad er DHI? En uafhængig, international konsulent og forskningsvirksomhed GTS Institut (godkendt teknologisk service institut) Godkendt af Ministeriet for videnskab, Teknologi og Udvikling Not-for-profit company selvejende institution GTS-institutter er uafhængige af politiske og finansielle interesser Eventuel overskud investeres i forskning og udvikling GTS institutter samarbejder med forskningsinstitutioner, virksomheder og myndigheder for at evaluere, udvikle og afprøve nye tekniske muligheder Hvert år servicerer DHI omtrent 20.000 virksomheder og myndigheder
NANOKEM Arbejdspakker; 1 Fysisk-kemisk karakterisering af nanopartikler og støv Risiko for eksponering; Dustiness index 2 Genotoksiske effekter; (Intratracheal installation, Mouse BAL, neutrophils, Comet assay, mrna expr; Inflammatory markers, (Mip-2, Mcp-1 and HO-1)) 3 Kardiovasculære effekter 4 Udviklings toksicitet 5 Allergene effekter 6 Model for risikovurdering
Den klassiske risikovurdering Identifikation og karakteristik af problem Formål med risikovurdering Fare Identifikation Risikovurdering Fare karakterisering (dosis-respons) Risikohåndtering Eksponeringsvurdering Risiko kommunikation Risiko karakterisering
Fysisk-kemisk karakterisering af Nanopartikler RDI-S UV-Titan TiO2 ASP-G90 Bindzil Axilat Flammruss Printex 90 Product name L181 W2730X 30CC LS5000 101 Code FineTiO 2 NanoTiO 2 PhotTiO 2 Kaolin NanoSiO 2 Axilate FineCB NanoCB Product form powder powder suspension powder suspension suspension powder powder Phases 99.5% Ru 0.5% An 100% Ru 7.8% Ru 92.2% An 100% kaolinite SiO x SiO 2 - acrylate carbon carbon Coating Al, Zr, polyol Si, Al, Zr polyalchol None observed None observed None observed None observed None observed None observed Average crystallite size (nm) 288 (Ru) - (An) 20.6 (Ru) 19 (Ru) 12 An 30 x 75* amorphous amorphous NA NA Primary Particle Size # (nm) 220 17 < 100-7 <50 95 14 Specific surface area (m 2 /g) OH-radical formation nmol OH/mg Dustiness index * Single-drop (mg/kg) Rotating drum (mg/kg) 21 107.7 NA 23.1 NA NA 23.8 295-338 0.3±0.8 (R 2 = 0.86) 84±40 97±23-0.1±1.0 (R 2 = 0.28) 6115±723 6728±354 NA NA -0.0±0.4 (R 2 = 0.01) 183±51 185±17 NA NA NA NA -0.0±0.25 (R 2 = 0.55) 484±60 401±26-0.1±0.4 (R 2 = 0.7) - - *Schneider, T. and Jensen, K. A., Combined single-drop and rotating drum dustiness test of fine to nanosize powders using a small drum (2008) Ann.Occup.Hyg., 52. 23-34.PM:18056087
NANOKEM Paints Reference paint/lacquer Nanoparticle containing paint Polyvinyl acetate-based wall paint Wall paint with finetio 2 (10%) Same Wall paint with photocatalytic TiO 2 (10%) Same Wall paint with kaolinite (15%) Binder Binder with Axilate (acryl copolymer) Paint for metal and wood, indoor: 100% acryl-binder Paint with nanotio 2 (10%) Same Paint with fine CB (2.5%) Woodpaint for outdoors, 100 % acrylbinder Paint with nano SiO 2 (10%) UV-hardcoat lacquer Lacquer with silicasol (28 %)
Fare identifikation En litteratursøgning blev foretaget i PubMed og TOXNET For de partikler hvor tox data var tilgængelig, var de generelt dårligt karakteriseret Det blev derfor besluttet kun at bruge litteratur data for Printex 90 Da toksiske egenskaber kan være relateret til ukendte karakteristika For inspiration; Warheit,D.B., (2008)Toxicological Highlight How Meaningful are the results of Nanotoxicity Studies in the Absence of Adequate Material Characterization?, Toxicological Sciences, 101(2),pp. 183-185.
Fare identifikation for partiklerne Alle nanopartikler blev testet for inflammatorisk potentiale i Mus BAL En dose, 54 µg installeret signifikant forøget antal neutrofile blev observet for NanoTiO 2 (17 nm), Phot TiO 2, Kaolin, Axilate and nanocb (printex 90), Men ikke for silicasol, Fine TiO 2 (220 nm) or Carbon black Flamruss 101. For DNA skade, målt i et comet assay, kun NanoTiO 2 (17 nm) og TiO 2 (220 nm), gav signifikant forøget hale længde, som indikation for DNA skade.
Fare karakterisering af partiklerne I et forsøg på at karakterisere den identificerede risiko på tværs af in vivo og in vitro data Udviklede vi et scoringssystem Endpoint effect no study/ no effect Comet assay 10 0 DNA damage neutrophils 5 0 Inflammatory marker mrna expr Mip-2 2 0 Inflammatory marker Mcp-1 2 0 Inflammatory marker HO-1 2 0 Inflammatory marker ICAM-1 2 0 Inflammatory marker VCAM-1 2 0 Inflammatory marker ROS generation General alert Acellular 1 0 In HUVECS 2 0 FineTiO 2 NanoTiO 2 PhotTiO 2 Kaolin NanoSiO 2 Axilate FineCB NanoCB Particle Score 10 17 5 5 0 5 0 21
Risikovurdering med lille eksperimentiel datamængde -Controlbanding Flere forskere peger på controlbanding som værktøj f. eks. Paik et al Et sæt af fysisk kemiske data specifikt for nanoformen Et sæt af eksperimentielle data for nano formen Et sæt af data for bulk formen Ukendte endpoints rankes højt, typisk 75% Paik,S.Y.; Zalk,D.M.; Swuste,P.Application of a pilot control banding tool for risk level assessment and control of nanoparticle exposures Ann.Occup.Hyg, 52, vol 6
Control banding
Fare karakterisering af partiklerne Med inspiration fra Paik et al. 2008* Blev partiklernes risikoniveau karakteriseret med baggrund I de tre datasæt FineTiO 2 NanoTiO 2 PhotTiO 2 Kaolin NanoSiO 2 Axilate FineCB NanoCB Partikel Paik score 45 58,75 41,875 45 39,375 40 34,375 56,875 Paik score Dustiness included 51,25 83,75 48,125 51,25 45,625 46,25 46,875 69,375 Most are scored medium to high in severity, except NanoTiO 2 and NanoCB * Paik,S.Y.;Zalk,D.M.;Swuste,P.Application of a Pilot Control Banding Tool for Risk Level Assessment and Control of Nanoparticle Exposures. Ann. Occup. Hyg., Vol 52, No. 6,pp.419-428.2008
Fare karakterisering af partiklerne 90 80 70 60 50 40 Risk level including dustiness Risk level (Paik) Nanokem 30 20 10 0 FineTiO2 NanoTiO2 PhotTiO2 Kaoline NanoSiO2 Axilate FineCB NanoCB
PMN counts Dosis-respons relationer Dosis-respons relationer blev identificeret for NanoTiO 2 og NanoCB Intratracheal installation 2.50E+05 2.00E+05 1.50E+05 NanoTiO 2 0 ug 18 ug 54 ug 162 ug 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 ** 1 3 28
PMN counts Dosis-respons relationer 2.50E+05 2.00E+05 NanoCB 0 ug 18 ug 54 ug 162 ug 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 3 28
PMN counts Fare identifikation Støv Støv prøver blev testet i flere setup In vivo og in vitro Dosis-respons relationer blev identificeret Ingen effekt kunne relates til indholdet af nanopartikler 7.00E+04 Eksempel fra Intratracheal installation i mus 6.00E+04 5.00E+04 4.00E+04 3.00E+04 0 18 ug TiO2 162 ug referencestøv 162 ug TiO2 holdig støv 2.00E+04 1.00E+04 0.00E+00 1 3 28 Days post-instillation
Risikovurdering af støv Støv prøver blev analyseret for kemisk sammensætning I forskellige partikelstørrelser Ingen frigivelse af frie nanopartikler blev observeret Slibemaskinen var den vigtigste kilde til partikler mindre end 50 nm* Den observerede toksicitet af malingsstøv kan ikke korreleres til indholdet af nanopartikler *Koponen, I. K., Jensen, K. A., and Schneider, T., Sanding dust from nanoparticle-containing paints: physical characterisation (2009) Journal of Physics: Conference Series, 151. 1-9.
Afledning af DNEL NOAEL og LOAEL værdier blev udledt fra in vivo studierne DNEL blev forsøgt afledt ved at følge REACH Guidance dokumentet; How to derive DNEL, according to REACH Guidance document; Chapter R.8: Characterisation of dose [concentration]-response for human health In vitro studies; Currently there are no validated in vitro methods for acute toxicity, although several cytotoxicity assays are undergoing a validation process and may be useful for range-finding and prioritisation purposes. These in vitro assays are not suitable for quantitative purposes on their own, but they could provide supplementary information, useful in the interpretation of in vivo studies.
Afledning af DNEL DNEL Cummulated AF Assessment factors Interspec ies Intraspecies mg/m 3 air Workers mg/m 3 Workers workers workers Duration of exposure Acute - chronic Doseresponse quality of data NanoTiO2 NOAEL intrac 18 1.67 0.048 35 1 5 1 7 1 1 NanoTiO2 LOAEL intrac 54 5 0.048 105 1 5 1 7 3 1 NanoCB LOAEL intrac 18 1.67 0.016 105 1 5 1 7 3 1 NanoTiO2 LOAEL Inhal 42 0.050 840 1 5 8 7 3 1 Paint dust LOAEL 162 15.03 0.143 105 1 5 1 7 3 1 Nano doped LOAEL paint dust 162 15.03 0.143 105 1 5 1 7 3 1 Den afledte DNEL for NanoTiO2, er næsten en faktor 100 lavere end gældende grænseværdi for titandioxid (6 mg/m 3 ), men omtrent lig med DNEL afledt af Kuembel et al 2006. (estimates of the working lifetime airborne concentrations associated with 0.1% excess risk of lung cancer) Inhalation Toxicology, 18:717 724, 2006
Opsummering og konklusion In-vitro studier kan anvendes til fare identifikation, men er vanskelige at anvende i risikovurdering At udføre troværdige risikovurderinger kræver langtids, sub-kroniske eller kroniske eksponeringsstudier Med den relevante eksponeringsvej
Opsummering og konklusion Control-banding princippet kan anvendes til at udpege partikler der giver anledning til mest bekymring Toksiciteten af nanopartikler er ikke kun afhængig af partikel størrelsen andre faktorer spiller ind I malinger er toksiciteten af nanopartikler skjult af polymer matrixen, - toksiciteten af nanopartikel holdige malinger er relateret til toksiciteten af polymeren ikke med nanopartiklerne
NANOKEM Risikovurdering af nanopartikler i farve-lak industrien Tak for opmærksomheden