Nano i arbetsmiljön - En revolutionerande teknikutveckling och nya risker? Mats Bohgard, Maria Hedmer, Christina Isaxon Lund, 27 januari 2016

Transkript

1 Nano i arbetsmiljön - En revolutionerande teknikutveckling och nya risker? Mats Bohgard, Maria Hedmer, Christina Isaxon Lund, 27 januari

2 2 Nano i naturen: skimrande färger

3 Vad är nanoteknologi? Nano betyder miljarddel och nanoteknik handlar om strukturer som mäts i nanometer Vetenskapligt definieras normalt nanopartiklar som materieanhopningar som har minst en dimension som är mindre än 100 nm 3

4 Globen ( 100 m) knappnålshuvud ( 1 nm)

5 Jordklotet km x Fotboll 0,2264 m 1/ Nanopartikel 10 nm

6 Små partiklar får andra egenskaper än motsvarande bulkmaterial Nanoteknologin utnyttjar att ämnen får andra mekaniska, kemiska, elektriska och magnetiska egenskaper när de förekommer i nanostrukturer. Också de toxiska egenskaperna förändras när vi går ner i storlek. Det räcker inte att i riskuppskattningen enbart ta hänsyn till det kemiska ämnets giftighet. Storlek och form/struktur är viktiga egenskaper. 6

7 Nanoteknologin är inte något enhetligt teknikområde Eftersom nano idag till stor del associeras med högteknologi används ordet nano i marknadsföring av sådana produkter som i strikt mening inte borde kallas nanoteknologi. Gammal partikelteknologi kallas idag nano Svårt att överblicka området Snabb utveckling av innovativa produkter 7

8 Begreppsförvirring: Vad är nano? allt som är mindre än några hundra nm när speciella effekter kommer genom storleken - kvantiseringseffekter (c:a 20 nm) - yteffekter Nano är inte bara nanopartiklar 8

9 Nanoprodukter finns redan Det finns en hel del exempel på nanoteknik inom dagens industri. Nanopartiklar finns slitstarka däck, i målarfärg och cement, som UV-filter i solkrämer eller i färgat glas. Nanostrukturerade ytor som inte kan repas finns i stekpannor och nanodesignade trådar vävs in i kläder. 9

10 10 Finns redan i naturen: Lotuseffekt

11 11 Lotuseffekt

12 Rena ytor 12 Kyrka "Dives in Minericordia" i Rom, Architekt Richard Meier, 2003

13 Som färg 13

14 14 Som takpapp

15 Nanoteknik - Användning: Nya material Bättre ström-/värmeledare Ny konstruktionsmaterial Speciella ytor 15

16 Nanoteknikanvändning: kosmetik Oorganiska partiklar Organiska partiklar 16

17 NANOTRÅDAR Olika material kan från ångfas förmås att kondensera till tunna och långa trådar

18 Elektroniktillämpningar med strömsnåla kretsar Begränsa elektroners rörelseutrymme ger Snabbare datorer Strömsnåla mobiltelefoner Effektivare solceller Effektivare lysdioder (t ex bättre bildskärmar)

19 Kvantiserade "färgar" hos CdSe-Nanopartikel nanopartiklar Storlek 19

20 Nanoteknik - Användning: Medicin Målsökande leverans av medicin Bättre diagnos kontrastmedel in vitro diagnostik Bekämpning av mikrober Bättre verktyg skalpell, nålar kateter batterier för implantat Au partiklar för vävnadssvetsning Implantat 20

21 Andra användningar - livsmedel Separation och fraktionering (även allergen) Vattenrening Förpackningar längre hållbarhet sensorer elektronik Nanoemulsions (food colloid science) Functional food - Nutraceuticals 21

22 Exempel på exponering TiO 2 i färgindustrin Carbon Black- produktion (kimrök) Metallurgi Forskning och utveckling

23 Många branscher Mikroelektronik (nanoelektronik) Materialteknik/Metallurgi Byggnadsindustri Mekanisk industri Kemisk industri Bioteknik Medicinsk teknik Läkemedelsindustri Livsmedelsindustri 23

24 Nanopartiklar: många olika

25 n Partiklar i naturen

26 Exponering för Telecor partiklar - Traditionellt en av de största riskerna för ohälsa i arbetet.

27 Exempel på sjukdomar relaterade till partikelexponering Silikos Asbestos Sideros Byssinos I I I Cancers Hjärt-kärlsjukdomar Allergi, astma, överkänslighet 27

28

29 Nanopartiklar har alltid funnits i vår miljö Naturliga partiklar (natural) Miljöföroreningar (incidential) Tillverkade (manufactured or engineered) 29

30 Nanopartikelgenerator 1 miljon nanopartikel/min. 100 miljarder nanopartikel/min. 30

31 Different scenarios Svetsning med belagd elektrod

32 svetsning Polyuretanskumtillverkning production Termisk sprutning slipning 32

33 Svetsrökspartikel före och efter tvättning 33

34 Exempel på partikelstruktur Transmissionselektronmikroskopi Från fotogenlampa Från slitage däck mot vägbana 34

35 Industriella arbetsmiljöer Allmänna inomhusmiljöer Utomhus Högst koncentrationer Vi tillbringar mest tid i vanliga inomhusmiljöer Bakgrund till alla miljöer, globala effekter, folkhälsa

36 Examples of potential indoor sources 36

37 Forskning en stor mängd nationella och internationella forskningsprojekt 1. Molekylnivå 2. Cellnivå 3. Djurförsök 4. Människor (upptag/passage genom vävnadsbarriärer) 5. Ekosystem

38 Kontrollerade kammarstudier med människor

39 39

40 40

41 41

42 Olika sätt att mäta sådant som kan ha betydelse Masskoncentrationer Ytkoncentrationer Antalskoncentrationer Partikelstorleksfördelningar Kemisk sammansättning Biologiskt innehåll Radioaktivitet Löslighet och hygroskopicitet Form och struktur

43 Hur kan vi få i oss partiklar? Mage/ Hud / Lungor 1 m 2 2 m m 2 Mängden luft per andetag: 0,5 l Andningsfrekvens: 12 gånger/ min Inandad volym: 10 m 3 / dag Antag partiklar/cm miljarder inandade partiklar dagligen

44 Andningssystemet Övre luftvägarna Tracheobronchiala regionen Alveolära regionen

45

46 Lungdeposition

47 Evolutionen har försett oss med bra försvar mot partiklar som hamnar i lungan - varför oroar vi oss?

48 Det finns tydliga samband mellan luftburna partiklar och ohälsa/sjukdom. 1. Koncentration Masskoncentration (µg/m 3 ) - traditionellt PM10 Antalskoncentration (#/cm 3 ) synliggör nanopartiklarna Ytareakoncentration (µm 2 /cm 3 ) 1 partikel, 60 µm 1 miljon partiklar 600 nm WHO EU 1 miljard partiklar 60 nm

49 Det finns tydliga samband mellan luftburna partiklar och ohälsa/sjukdom. 2. Fysiska egenskaper Form Storlek 30 nm: 5 % av atomerna är på ytan 3 nm: 50 % alla atomerna är på ytan Translokering Biol. Inst. LU

50 Det finns tydliga samband mellan luftburna partiklar och ohälsa/sjukdom. 3. Kemiska egenskaper Sammansättning (ändras ofta med tiden) Hygroskopicitet Löslighet Inhalation Proteinkorona 99,5 % RH Salt

51 Partikelstorlekar

52 Exempel på nanomaterial av kol Grafen Lånad från

53 Nano är inte en sak! Nanomaterial Typer: Strukturer i fasta material Ytstrukturer, ytfilmer Partiklar: På yta I lösning/fasta material Luftburna Ytbundna Bulkmaterial Ordnade ytor Partiklar I vätskor I fasta material Luftburna

54 Exponering - luftburna partiklar Foto: IFA Foto: M. Hedmer

55 Exponering - luftburna partiklar

56 Exponering - vätskeaerosol Foto: M Hedmer

57 Potentiell livscykel för nanomaterial

58 Att mäta exponering Traditionell yrkeshygien Att mäta aerosolens masskoncentration (t ex mg/m 3 ) Inte lämpligt för att mäta exponering för nanomaterial, eftersom Masskoncentration är troligtvis inte det rätta exponeringsmåttet (små partiklar bidrar inte till massan) Mer relevanta mått kan vara: Partiklarnas antalskoncentration Ytareakoncentration Partiklarnas storleksfördelning och form/morfologi Massa (i olika storleksfraktioner)..? För tillverkade nanopartiklar finns inte en lämplig mätteknik

59 Mätstrategi Använder flera exponeringsmått vid filterprovtagning Antalskoncentration (elektronmikroskopianalys) Kemisk sammansättning Elementärt kol för kolinnehållande nanopartiklar Metallinnehåll för metallnanopartiklar) (Masskoncentration)

60 Nanosäkerhetsforskning på Lunds universitet Tillverkade nanopartiklar Nanofiber Kolinnehållande nanopartiklar Metallnanopartiklar Arbetsplatsmätningar Flera relevanta exponeringsmått Luftburen exponering Personburna mätningar Emissionsmätningar Bakgrundsmätning Provtagning på ytor

61 Instrumentering Aerosolmasspektometer CPC / P-Trak Nanotracer Sidepak

62 Provtagning av arbetsplatsytor Tejpprovtagning Standard ASTM E1216 Frekvent städade ytor Sällanstädade ytor Kvalitativ analys med svepeletronmikroskop Hedmer et al. Ann Occup Hyg 2015

63 Analys med elektronmikroskop Filter- och tejpprover analyserades med svepelektronmikroskopi Information om: Morfologi Geometriska mått Former (sfär, fiber, agglomerat) Antalskonc./storleksfördelning Fördelning mellan partikeltyper Kemisk sammansättning (EDX analys)

64 Kolnanorör!

65 Åtråvärda och unika egenskaper Mekanisk styrka - 10 gånger starkare än stål Elektriska egenskaper (halvledare eller ledare) Ett brett framtida användningsområde! Används idag som armering i: Plaster, gummi, kompositmaterial, tyger, betong Bottenfärg till båtar Litiumjonbatterier till mobiltelefoner & bärbara datorer

66 Risker med kolnanorör? Fysisk likhet med asbestfiber Asbest Kolnanorör 1-3 nm nm ca µm Kan ge liknande skadliga effekter som asbest? Ökad användning av kolnanorör ökad yrkesmässig exponering

67 Kolnanorör kan gå över till lungsäcken Kolnanorör kan ge inflammation och fibros i lungor och lungsäck, samt lungcancer

68 L. Ludvigsson, FTF, LU Arbetsplats med tillverkning av kolnanorör I 56 % (N= 7/16) av filterproverna kvantifierades kolnanorör AZ: upptill 2,0 #/cm 3 ; EZ: upptill 11 #/cm 3 Högst emission från siktning, vägning, paketering Exempel på luftburna kolnanorör 37 % 22 % 41 % Skalsträcket motsvarar 3 µm Hedmer et al. Ann Occup Hyg, 2014;58:355; Ludvigsson et al. Ann Occup Hyg 2016

69 Resultat exponeringsmätningar Föreslagna gränsvärden: Rekommenderat gränsvärde för EC: 1 µg C/m 3 (NIOSH, 2013) Föreslaget gränsvärde för fibrösa nanomaterial: 0,01 fiber/ml (BSI 2007; IFA 2009) Hedmer et al. Ann Occup Hyg 2014

70

71

72 Ytkontamination vid kolnanorörsproduktion I 50 % (N= 9/18) av tejpproverna detekterades kolnanorör I 16 % (N=3/18) av tejpproverna detekterades kolnanodiscar Hedmer et al. Ann Occup Hyg 2015

73 Luftburna kolnanodiscar - resuspension Personburen Sioutas Cascade impaktor L. Ludvigsson, FTF, LU Hedmer et al. Ann Occup Hyg 2015

74

75 Nanokompositer Kompositmaterial som innehåller en eller flera komponenter som är <100 nm i storlek i någon dimension t ex kolnanorör Ökad hållfasthet Kemisk tålighet Lätt och starka material Använd t ex i flyg-, fordon, och fartygsindustrin

76 Metallnanopartiklar Användningsområde: Katalysatorer för avgasrening och inom industrin Som tillväxtkärnor för att tillverka nanotrådar Sfäriska nanopartiklar av t ex guld, silver, platina 35 nm i diameter Tillverkas i slutna system Gnisturladdningsgenerator (SDG) + ugn (HT) Foto från Nilsson et al., J Nanopart Res 2013 Underhållsarbete av utrustningen Manuell rengöring Syftet var att identifiera och karaktärisera partikelemissioner vid rengöring av utrustningen

77 Arbetsplats med tillverkning av metallnanopartiklar

78 Emitterade vs. primärt tillverkade metallnanopartiklar Emissioner främst i form av större aggregat: 100 ggr större diameter än tillverkade partiklarna, består av tals primärpartiklar Deponeringssannolikheten i alveolerna är hög Ytarean är mkt stor, frigörs nanopartiklarna i lungvätska? I toxstudier används idag fria process/modellpartiklar Nilsson, Isaxon et al. J. Nanopart. Res. 2013

79

80 Foto från Halvledarmaterial - Nanotrådar Nanotrådar är stavliknade, kristallina strukturer Diametern är i storleksordningen av 10-talet nm Längden är vanligen ett par µm Nanotrådar kan tillverkas i en mängd olika material t ex halvledarmaterial t ex galliumarsenid, indiumfosfid Framtida tillämpningar Solceller Batterier Lysdioder Foto från Caroff et al Nature Nanotechnology

81 Tillverkning av nanotrådar Tillverkas i slutna reaktorsystem Växer på tillväxtkärnor av t ex guld

82 Arbetsplats med tillverkning av halvledarnanotrådar I 22 % (N= 2/9) av filterproverna kvantifierades GaAs nanotrådar AZ: upptill 0,025 #/cm 3 ; EZ: upptill 98 #/cm 3 Rengöring av reaktor Isaxon et al. manuskript

83 Tillverkade vs. emitterade nanotrådar Nanotrådar som emitteras vid rengöring av systemen är ofta mycket längre (>10 m) än de som tillverkas i processen ( 1 m) Risk att de toxikologiska egenskaperna underskattas när tillverkat material används i tox.studier!

84 Ytkontamination vid nanotrådsproduktion Nanotrådar detekterades endast i ett av tejpproverna 10 µm

85 Målarfärg, som exempel Nanopartiklar tillsätts i en del kommersiella målarfärger för att t ex öka vattenavstötningen, göra den målade ytan tåligare mot repor eller för vissa antibakteriella och luftrenande egenskaper.

86 Målarindustrin kan vara på väg att bli en av de största nanopartikelanvändande industrierna. Det finns stor osäkerhet angående om, och i så fall hur, nanopartiklar i målarfärg kan vara toxiska. Det finns studier som visat att vissa nanopartiklar med låg löslighet (t ex TiO 2, carbon black och latexpartiklar) är mer toxiska än samma partiklar i större storlekar.

87 Är de nanopartiklar som används i färg toxiska? Man testade sju partikeltyper på möss: Fine TiO % Rutil Täckt med Al 2 O 3 Absorberar UV och skyddar trä 288 nm, men många mindre strukturer NanoTiO % Rutil Täckt med oxider av Si, Al, Na, Zr Absorberar UV och skyddar trä 21 nm, bildar 100 nm och längre raka kedjor PhotocatTiO 2 92% Anatas 8% Rutil Självrengöring, antiimma, antibakteriell 38 nm samt 91 nm Kaolin Gör produkten högglänsande Flagor 30 nm höga, 75 nm breda NanoSiO 2 Gör produkten reptålig och skyddar mot rost nm Axilat Kisel-akrylat Gör produkten reptålig och skyddar mot rost (?) Ca 40 nm Carbon Black 100% C Vanligaste svarta pigmentet 95 nm, men stor variation 24 h efter exponering av mössen studerade man inflammation i lungan, oxidativ stress och DNA-skada.

88 Hur gick det för mössen? Carbon Black och NanoSiO 2 gav varken inflammation eller DNA-skada. Carbon Black gav ökad oxidativ stress. NanoTiO 2 och FineTiO 2 orsakade DNA-skada. NanoTiO 2 gav även inflammation i lungan. PhotocatTiO 2, Kaolin och Axilat gav ingen DNA-skada, men inflammation i lungan. Man kunde inte påvisa något samband mellan inflammation och DNA-skada. Man såg mer effekt av det nanomaterial som hade coating (NanoTiO 2 ) både vad gäller inflammation och DNA-skada, än någon annan av nanopartiklarna. Det finns fler forskningsresultat än dessa som indikerar att det finns en ökad risk då nanopartiklarna är modifierade, alltså belagda med olika material.

89 Slipning på färg med och utan nanopartiklar 13 olika färger, lack och spackel med och utan nanopartiklar De absolut minsta partiklarna kom från slipmaskinen! Ju hårdare färg/lack desto mer emissioner. Det var ingen stor skillnad generellt mellan färg som hade och som inte hade nanopartiklar. Undantag: färgen med TiO 2 -partiklar hade mer än fyra gånger högre partikelemissioner jämfört med precis samma färg utan TiO 2. Inget samband mellan tillsatta nanopartiklar och partikelkoncentrationer eller partikelstorlekar vid slipning. En senare studie visade att det inte fanns några fria nanopartiklar i slipdammet, utan bara nanopariklar som var inbäddade i större matrispartiklar.

90 Är dammet giftigt? Det finns nästan ingen data alls på toxiska effekter av slipdamm från ytor målade med nanopartikelinnehållande färg och lack. Förhållandevis hög dos för att få effekt. Färg med och utan nanopartiklar. Man såg ingen skillnad I inflammation eller DNA-skada mellan färgerna Man såg dock en del DNA-skada av tre lack, varav en innehöll nanopartiklar och två inte. Dessa lack innehöll akrylat och metaakrylater. Färgmatrisen i sig kan skapa damm som är toxiskt, tillsats av nanopartiklar spelar ingen roll. Man gjorde också en speciell studie på NanoTiO 2, som bekräftade att toxiciteten av dessa partiklar minskar när de blandas i färg och sedan slipas på jämfört med fria nanostora TiO 2 -partiklar

91 Nanosäkerhet Nanoteknologin är redan etablerad i vårt samhälle, och användningen av nanomaterial kommer att öka stort framöver! Yrkemässig exponering för tillverkade nanopartiklar förekommer idag Proaktivt agerande! inte invänta negativa effekter i arbetsmiljön Hur ska man då rent praktiskt göra på arbetsplatser om man misstänker att man använder nanomaterial?

92 Praktiska råd och riktlinjer för arbete med nanomaterial Försiktighetsprincipen bör råda tills man har mer kunskap om toxicitet satt hygieniska gränsvärden Om användning inte kan undvikas, bör en hög grad av skyddsåtgärder användas för att reducera den yrkesmässiga exponeringen till lägsta möjliga nivå Tekniskt arbetarskydd Personlig skyddsutrustning

93 Tekniskt arbetarskydd Undvika emissoner av nanopartiklar till luften genom användning av t ex slutna system, inneslutningar, inkapslingar, ventilerade skåp, dragskåp, dragbänkar, processventilation, punktutsug mfl.

94 Personlig skyddsutrustning kan behöva användas Andningsskydd (skyddsfaktor 40) Halvmask med partikelfilter (P3-filter) Fläktassiterat andningsskydd med partikelfilter (P3-filter) Används tillsammans med tekniskt arbetarskydd

95 Personlig skyddsutrustning kan behöva användas Skyddsklädsel Skyddshandskar Engångshandskar av nitril Skyddskläder & skoskydd Membranmaterial förhindrar bäst hudexponering Används tillsammans med tekniskt arbetarskydd

96 Försiktighetsprincipen Om en process där nanopartiklar används inte kan inneslutas, måste punktutsug tillsammans med omfattande personlig skyddsutrustning användas (andningsskydd, skyddshandskar, skyddsklädsel, skoskydd)

97 Riskanalys/Riskhanering Prevention/Proaktivitet Det är rimligt att tillverkare och utvecklare gör riskanalys parallellt med utvecklingsarbetet Särskild försiktighet för sådana material som kommer att användas i stor omfattning. Till exempel konsumentprodukter som byggnadsmaterial, tvättmedel, däck där risken är stor att partiklar sprids till stora populationer. Det är rimligt att anta att de högsta exponeringsnivåerna först uppträder i industriella miljöer vid tillverkning och hantering Kunskaper om gamla och nya teknologiers betydelse för arbetsmiljöer borde ingå i ingenjörs- och ekonomutbildningar 97

98 Frågor?