Nanoselluloosan vaaranarvio – fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien merkitys

Tiivistelmä

Puukuituperäisellä nanoselluloosalla on erityisominaisuuksiensa ansiosta runsaasti potentiaalisia teollisia sovelluksia. Nanoselluloosan tuotanto on Suomessa tällä hetkellä pilotti- ja esikaupallisessa vaiheessa, mikä mahdollistaa materiaalien ja prosessien turvallisuuskysymysten huomioon ottamisen ennen kaupallistamista.

Nanoselluloosista on vain vähän toksisuustietoa. Nanofibrillaarinen selluloosa muodostuu pitkistä, biopysyvistä kuiduista, joilla kuituparadigman mukaan saattaa hengitettyinä olla samanlaisia haittavaikutuksia kuin asbestilla. Aiemmissa tutkimuksissamme nanofibrillaarinen selluloosa ei ollut perimämyrkyllinen epiteelisolujen viljelmissä mutta aiheutti hiirten keuhkoissa akuutin tulehduksen ja DNA-vaurioita. Hieman lyhempi ja ohuempi, biosidiä sisältävä nanoselluloosa ei kuitenkaan ollut hiirillä perimämyrkyllinen.

Hankkeessa selvitämme, voivatko fysikaalis-kemialliset ominaisuudet tai endotoksiinikontaminaatio selittää erot nanoselluloosien perimämyrkyllisyydessä. Tutkimme myös, johtuuko solu- ja koe-eläintulosten välinen ristiriita tulehdukseen ja oksidatiiviseen stressiin liittyvästä sekundäärisestä perimämyrkyllisyydestä. Selvitämme 10-15 nanoselluloosamateriaalin toksisuutta soluviljelmissä ja hiirten hengitystiealtistuksessa. Toksisuuteen vaikuttavien tekijöiden tunnistaminen on keskeistä nanoselluloosan vaaran- ja riskinarvioinnissa sekä turvallisten nanoselluloosamateriaalien kehittämisessä safe-by-design-periaatteen mukaisesti.

Hankkeen vastuuhenkilö

Julia Catalan Rodriguez

Tiedote

Nanoselluloosan vaaranarvio – fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien merkitys

Tiivistelmä

Nanofibrilloitu selluloosa (NFC) on lupaava, uusiutuva materiaali. Tässä hankkeessa selvitimme NFC-kuidun koon, pintakäsittelyn, endotoksiinikontaminaation, oksidatiivisen stressin ja tulehduksen merkitystä NFC:n genotoksisuudessa. 12 NFC-näytettä (4 pintakäsittelyä, 3 kokoluokkaa) ja 5 muuta NFC:tä (eri pintakäsittelyillä) testattiin ihmisen keuhkosoluilla. Materiaalien solutoksisuus oli alhainen, mutta useimmat lisäsivät happiradikaalien tuotantoa. Kahdella NFC-fraktiolla oli genotoksisia vaikutuksia. Kun 3 NFC:n toksisuutta tutkittiin hiirellä, havaittiin akuutti keuhkotulehdus. Kaksi NFC:tä aiheutti DNA-vaurioita 3 kk käsittelyn jälkeen, mikä kuvasti joko primaarista tai sekundaarista (tulehdukseen liittyvää) genotoksista vaikutusta.

Lähtökohdat

Nanofibrilloitu selluloosa (NFC) on uusiutuva materiaali, jolla on runsaasti teollisia sovelluksia. Eräillä nanoselluloosilla on aiemmin havaittu genotoksisia vaikutuksia, joiden on arveltu syntyneen sekundaarisesti joko NFC-materiaalin itsensä tai endotoksiinikontaminaation aiheuttaman tulehduksen seurauksena. Tässä hankkeessa selvitettiin, vaikuttavatko kuitujen fysikaalis-kemialliset ominaisuudet, endotoksiinikontaminaatio, oksidatiivinen stressi ja tulehdus NFC:n genotoksisuuteen.

Aineisto

Aalto yliopisto syntetisoi 12 NFC-näytettä 4 erilaisella pintakäsittelyllä – TEMPO-oksidaatio (2,2,6,6-tetramethyyli-piperidin-1-oxyyli; T-NFC), karboksimetylaatio (C-NFC), EPTMAC-kvaternisaatio (epoksiypropyylitrimetyyliammoniumkloridi; E-NFC) sekä ilman pintakäsittelyä (U-NFC) – joista jokaisesta valmistettiin kolme kokofraktiota (hieno, keskikokoinen ja karkea). Lisäksi toiselta toimittajalta saatiin viisi hieman erilaisella dispersiomenetelmällä valmistettua, fraktioimatonta NFC-materiaalia.

Menetelmät

NFC-näytteiden solutoksisuutta, happiradikaalituotantoa soluissa ja genotoksisuutta (DNA-vaurioiden ja mikrotumien syntyminen) tutkittiin ihmisen BEAS-2B-solulinjalla (bronkiaaliset epiteelisolut) kolmella käsittelyajalla. Lisäksi hiiriä käsiteltiin (faryngaalinen aspiraatio) kolmella fraktioimattomalla NFC-materiaalilla (U-NFC, T-NFC ja C-NFC) ja vaikutuksia tutkittiin 1, 28 ja 90 päivää myöhemmin. Hiiriä käsiteltiin myös T-NFC:llä, johon oli lisätty eri määriä endotoksiinia.

Tulokset ja johtopäätökset

NFC-materiaalien solutoksisuus oli alhainen. Aalto yliopiston NFC:t (paitsi U-NFC) ja 2 muualta saatua NFC:tä (entsyymiesikäsitelty ja karboksimetyloitu) kohottivat happiradikaalitasoa. Karkea E-NFC ja hieno C-NFC olivat genotoksisia soluille. Hiirillä testatut NFC:t aiheuttivat akuutin keuhkotulehduksen, joka väistyi ajan myötä. 90 päivän näytteissä DNA-vauriot olivat lisääntyneet T-NFC-hiirten keuhkohuuhtelun soluissa ja C-NFC-hiirten maksassa. Endotoksiinin lisäyksellä ei ollut vaikutusta.

Uutuusarvo ja sovellettavuus

Eräät anioniset tai kationiset NFC:t (karkea E-NFC ja hieno C-NFC-NFC) näyttävät olevan primäärisesti genotoksisia. NFC:t aiheuttavat keuhkotulehduksen, jonka väistyttyä 3 kk käsittelyn jälkeen joillakin materiaaleilla (T-NFC ja C-NFC) ilmenee myöhäistä genotoksista vaikutusta liittyen mahdollisesti tulehdukseen (T-NFC ja C-NFC; sekundaarinen genotoksisuus) tai primaariseen genotoksisuuteen (C-NFC). Jos kysymys on sekundaarisesta mekanismista, NFC-altistumiselle voidaan ehkä määrittää raja-arvo.

Aineisto

Julia Catalán, Kukka Aimonen, Monireh Imani, Satu Suhonen, Mira Hartikainen, Kirsi Siivola, Gerard Vales, Hanna Saarelainen, Esa Vanhala, Sauli Savukoski, Henrik Wolff, Orlando Rojas and Hannu Norppa. Hazard assessment of nanocellulose – the role of physico-chemical properties. Final report of project number 117146. Finnish Institute of Occupational Health. Helsinki. 2021.

ISBN 978-952-261-972-3 (print)
ISBN 978-952-261-973-0 (PDF) Avaa

Role of Surface Chemistry in the In Vitro Lung Response to Nanofibrillated Cellulose
https://doi.org/10.3390/nano11020389