Nanotechnologie verspricht vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und große Chancen nicht nur in technologischer und industrieller Hinsicht, sondern auch für Umwelt, Klimaschutz und Gesundheit.
So werden Materialien hergestellt, die leichter und fester sind als die bisherigen, wodurch sich Ressourcen einsparen lassen und sich z. B. der Kraftstoffverbrauch verringern lässt. Im Energiesektor können Nanomaterialien beispielsweise zur Senkung von Treibhausgas-Emissionen beitragen und damit einen wertvollen Beitrag zum Klimaschutz leisten. In Medizin und Pharmazie werden Medikamente entwickelt, in denen Wirkstoffe in Nanopartikeln verkapselt sind und die diese im Körper direkt dorthin transportieren, wo diese Wirkstoffe benötigt werden.
Die Chancen der Nanotechnologie in der Umwelt liegen in vielen Bereichen.
Beispiele für die Verbesserung der Reinigungsleistung von Filtern durch Einsatz der Nanotechnologie:
Nanotechnologische Produkte können gefährliche Stoffe ersetzen oder ihre Verwendung vermindern. Beispiele sind der Ersatz von organischen Bioziden durch biozide Nanoprodukte oder der Ersatz von Chrom im Korrosionsschutz.
Aufgrund der Miniaturisierung können Rohstoffe eingespart werden.
Beispiele für die Energieeinsparung mittels Nanotechnologie sind
Viele dieser Anwendungen von Produkten der Nanotechnologie sind noch im Stadium der Entwicklung und Erprobung.
Nanomaterialien erlauben grundlegend neue Lösungsansätze und effizientere Methoden, um den Klimaschutz voranzutreiben. Die Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten hat im Rahmen eines vom StMUV finanzierten Vorhabens die Broschüre „Umweltverträgliche Nanotechnologie für den Klimaschutz“ erstellt. Die Übersichtsarbeit bietet interessante Informationen zum Thema Nanotechnologie und stellt innovative Anwendungen im Bereich des Klimaschutzes vor.
Die Nanotechnologie ermöglicht technische Innovationen und kann daher neuartige Lösungsansätze zur Senkung von Treibhausgas-Emissionen liefern. Kohlendioxid ist ein relevantes Treibhausgas, das vorrangig bei der energetischen Nutzung fossiler Rohstoffe entsteht. Durch Anpassungen im Energiesektor (z. B. bei der Gewinnung, Wandlung, Verteilung, Speicherung und Nutzung von Energie) besteht ein großes Potenzial zur Einsparung von Kohlendioxid. Vielfach kann die Nanotechnologie dabei helfen, diese Einsparpotenziale zu realisieren.
Die meisten Einsatzmöglichkeiten nanotechnologischer Innovationen gibt es im Energiesektor. In jeder Stufe der Wertschöpfungskette finden sich Anwendungen, die entweder bestehende Technologien effizienter machen oder neue, emissionsarme Technologien einführen.
Beispiele potenzieller Anwendungen der Nanotechnologie im Energiesektor mit dem Ziel des Klimaschutzes (Quelle: Dr. Schober, Dr. In-Iam, LGL)
Die meisten Einsatzmöglichkeiten nanotechnologischer Innovationen gibt es im Energiesektor. In jeder Stufe der Wertschöpfungskette finden sich Anwendungen, die entweder bestehende Technologien effizienter machen oder neue, emissionsarme Technologien einführen.
Im Bereich der Energiegewinnung werden beispielsweise Nanomaterialien (z. B. Perowskite, organische Halbleiter) und Nanobeschichtungen für leistungsfähigere Photovoltaikanlagen, nanostrukturierte Halbleitermaterialien für effizientere thermoelektrische Stromerzeugung und nanoporöse Schäume und Gele zur Isolierung verwendet.
Die effiziente Fassadendämmung auf Basis von Nanomaterialien leistet einen wichtigen Beitrag zur Reduzierung klimaschädlicher Treibhausgase im Gebäudesektor, indem sie Wärmeverluste minimieren und dadurch den Energieverbrauch senken.
In der medizinischen und pharmakologischen Forschung werden Nanopartikel und Nanostrukturen bereits seit den 70er Jahren entwickelt, erprobt und eingesetzt. Einige Verfahren wie Verkapselung von Wirkstoffen sind bereits etabliert und die Produkte seit langem auf dem Markt. Viele neuartige Medikamente und Methoden werden derzeit in Tierversuchen oder klinischen Studien intensiv erforscht.
Unter dem sogenannten „Drug Targeting“, dem ältesten nanotechnologischen Verfahren in der Pharmazie, ist der gezielte Transport von Wirkstoffen zu bestimmten Orten, z. B. Krebszellen, zu verstehen. Dafür werden die Wirkstoffe in Nanopartikeln auf Eiweiß-, Fett- oder Zuckerbasis, z. B. in Emulsionen oder Polymerhüllen, verkapselt. Seit einiger Zeit gibt es auch Versuche, Fullerene als Wirkstoffträger einzusetzen. Auch eine kontrollierte Abgabe der Wirkstoffe über längere Zeit wird dadurch ermöglicht.
Einige Medikamente werden auf Nanogröße verkleinert, um die Bioverfügbarkeit und Löslichkeit zu erhöhen. Bei Wirkstoffen, die durch die Haut aufgenommen werden, z. B. über Pflaster oder Salben, wird eine verbesserte Aufnahme (Resorption) erreicht.
Medizinische Produkte, wie z. B. Katheter und Wundverbände, können mit nanoskaligem Silber beschichtet werden und versprechen dadurch eine biozide und antibakterielle Wirkung. In Knochenimplantaten können Nanobeschichtungen eingesetzt werden, um die Lebensdauer der Implantate zu verlängern und das Anwachsen zu beschleunigen.
Auch in der Diagnose z. B. von Tumoren könnten in Zukunft Nanopartikel eingesetzt werden. Quantenpunkte, die definierte Oberflächenstrukturen besitzen, können in bestimmte Zellen eindringen, in denen sie zu leuchten beginnen und damit Tumorzellen markieren. Ein weiteres vielversprechendes System sind Nanopartikel aus Eisen, die in Tumoren injiziert werden, wo sie in die Tumorzellen eindringen und dann mittels eines Magnetfeldes so stark in Schwingung versetzt werden, dass sie sich auf über 40 °C erhitzen und den Tumor schwächen oder sogar absterben lassen. Diese Verfahren werden bereits an Patienten klinisch getestet.
In der Nanomedizin werden Lipidnanopartikel (LNP) schon seit Langem als Vehikel für den zielgerichteten Transport von biologisch wirksamen Molekülen eingesetzt (z. B. in der Krebstherapie). LNP spielen auch bei der Immunisierung mit mRNA-basierten Impfstoffen gegen COVID-19 eine zentrale Rolle. mRNA-Impfstoffe enthalten keine Virenbestandteile, sondern einen Ausschnitt des Bauplans für ein spezifisches Eiweiß auf der Oberfläche (das sogenannte Spike-Protein) von SARS-CoV-2, dem Erreger von COVID-19, in Form sogenannter Messenger-RNA (mRNA, Boten-RNA). Dieser erregerspezifische Bauplan wird in LNP verpackt und als Impfstoff gespritzt.
LNP ermöglichen den Transport der mRNA in die Körperzellen und schützen diese vor einem schnellen Abbau. Aufgrund ihrer geringen Größe und ionisierbaren Eigenschaften werden LNP durch Endozytose leicht über die Membran in die Körperzellen aufgenommen. Zur Unterstützung der Zellbindung können LNP zusätzlich auch funktionalisierte Lipide an der Oberfläche tragen (siehe Abbildung). Diese sogenannten Helfer-Lipide (z. B. Polyethylenglykol (PEG)-Lipid) fördern den Kontakt der LNP mit den Körperzellen, indem sie die Kontaktpunkte zwischen den LNP und der Membran vergrößern. Sobald die LNP in die Zellen gelangt sind, wird die verkapselte mRNA freigesetzt und das Virusoberflächenprotein produziert, das als fremd und somit als Antigen vom menschlichen Immunsystem erkannt wird. Dies führt zu einer spezifischen Immunreaktion und zur Produktion neutralisierender Antikörper [1, 2].
Die hohe Geschwindigkeit, mit der mRNA-basierte Impfstoffe derzeit entwickelt werden, ist u. a. auf die Tatsache zurückzuführen, dass LNP in der Nanomedizin seit Jahrzehnten als sicheres und anerkanntes Werkzeug eingesetzt werden. An der Optimierung des Verfahrens (z. B. Menge an ionisierbarem Lipid, Größe und Oberflächenladung) wird auch weiterhin intensiv geforscht.
[1] Schoenmaker L, Witzigmann D, Kulkarni JA, Verbeke R, Kersten G, Jiskoot W, Crommelin DJA, mRNA-lipid nanoparticle COVID-19 vaccines: Structure and stability, Int. J. Pharm., Vol. 601, 2021: 120586.
[2] Reichmuth AM, Oberli MA, Jaklenec A, Langer R, Blankschtein D: mRNA vaccine delivery using lipid nanoparticles. Ther. Deliv., Vol. 7(5), 2016: 319-334.
