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Gruppenarbeit Einsatz von Nanomaterialien für den

Wirkstofftransport in Kosmetika -

Vergleich von Nano-

Transportsystemen mit Mikro-

Transportsystemen

Arbeitsunterlagen (Handout) für Lernende

Januar 2014

Autoren: Helmut Elbert, Christoph Meili

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen

Unterstützt durch die UBS Stiftung für Soziales und Ausbildung


Kontakt: Die Innovationsgesellschaft, St Gallen Lerchenfeldstrasse 5, CH-9014 St. Gallen Tel. +41 (0) 71 278 02 04

E-Mail: [email protected] www.swissnanocube.ch Version: Januar 2014 Dieses Modul wurde von der Innovationsgesellschaft St. Gallen im Rahmen des Projektes Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Helmut Elbert, Christoph Meili


Einsatz von Nanomaterialien für den Wirkstofftransport in Kosmetika

Vergleich von Nano-Transportsystemen mit MikroTransportsystemen

Sozialform: Gruppenarbeit

Zeitbudget: 90 Minuten

Ausgangslage

In diesem Zusatzarbeitsblatt wird zunächst über Nano- und Mikro-Transportsysteme informiert. Im

ersten Kapitel wird das Einsatzgebiet beschrieben, eine Nutzen-Risiko-Analyse durchgeführt und die

Herstellung erklärt. Mit diesen Informationen können die Aufgaben gelöst werden.

Auftrag

Anschliessend gibt es einige Aufgabenstellungen für die Lernenden, die die Schülerinnen und Schüler

in einer Gruppe bearbeiten und diskutieren können. Abschliessend präsentiert jede Gruppe kurz ihre

Resultate.


Inhaltsverzeichnis

1. Informationen zu Mikro- und Nano-Transportsystemen ...................................................................... 5

1.1. Einleitung ...................................................................................................................................... 5

1.2. Was sind Nano-Transportsysteme? (Drug Delivery Systeme) .................................................... 5

1.3. Wie werden Nano-Transportsysteme in Kosmetika eingesetzt ................................................... 6

1.4 Abbaubare Mikro und Nano-Transporter –Nutzen-Risiko-Analyse ............................................... 7

1.5. Herstellung der Transport-Systeme ............................................................................................. 7

2. Aufgabenstellung / Gruppenarbeit ....................................................................................................... 8

3. Hinweise zum Ablauf der Gruppenarbeit und Ergebnispräsentation ................................................ 10

4. Nützliche Links .................................................................................................................................. 10


1. Informationen zu Mikro- und Nano-Transportsystemen

1.1. Einleitung

Im folgenden Text werden zuerst die Begriffe „Nano-“ und „Mikro-Transportsysteme“ erklärt und über

die Anwendungsmöglichkeiten dieser sog. „Drug Delivery Systeme“ in der Pharma- und Kosmetik-

Industrie informiert. Dabei werden Grösse und Funktionsweise der beiden Systeme näher

beschrieben. Anschliessend folgen Angaben zur Verwendung der beiden Transportsysteme in

Hautpflegeprodukten. Abschliessend wird beschrieben, welche Geräte und Materialien für die

Herstellung von Mikro- und Nano-Transportsysteme erforderlich sind.

1.2. Was sind Nano-Transportsysteme? (Drug Delivery Systeme)

Nano-Transportsystem („Nanotope®“)

Bestimmte Nanomaterialien werden in der Kosmetik- und Pharma-Industrie zum Transport von

Wirkstoffen eingesetzt (sogenannte Drug Delivery Systeme). Dabei umschliessen die Nanomaterialien

den Wirkstoff mit einer Hülle, welche die Wirksubstanz schützt, so dass sie gezielt zum definierten

Einsatzort transportiert werden kann. Je nach Aufbau können Nano-Transportsysteme dabei

biologische Barrieren - wie z.B. Zellwände – durchdringen.

Je nach Zielsetzung und gewünschtem Einsatzort erfüllen die Nano-Transporter unterschiedliche

Aufgaben. Sie umhüllen z.B. schlecht wasserlösliche oder fettlösliche Vitamine und Wirkstoffe und

machen sie so für den Körper leichter verfügbar. Andere erlauben, die Freisetzung der Wirkstoffe

zeitlich gezielt vorzunehmen oder Substanzen, welche im Körper zu schnell zersetzt würden, erst am

Einsatzort oder über einen sehr langen Zeitraum gleichmäßig verteilt freizusetzen.

Es gibt eine ganze Reihe von Verkapselungssystemen z.B. für Kosmetika, für neue pharmazeutische

Produkte oder für Kontrastmittel. Viele Systeme verwenden natürliche Materialien, die sich gut vom

Körper abbauen lassen, aber durch ihre Nanoform stabiler werden oder vom Körper leichter

aufgenommen werden. Hierzu gehören u.a. kleinste Fetttröpfchen (Nano-Lipidstrukturen).

Zur Gruppe der nicht abbaubaren Nanotransportsystemen gehören beispielsweise Fullerene und

Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Sowohl für Fullerene als auch für Kohlenstoff-Nanoröhrchen stellen

biologischen Barrieren nach derzeitigem Kenntnisstand keine großen Hindernisse dar. So wurde im

Tierversuch nachgewiesen, dass Fullerene rasch und über neuartige Wege in den Körper

aufgenommen werden und darüber hinaus sogar die Blut-Hirn-Schranke überwinden können.

Die Zahl der Nano-Anwendungen steigt ständig; das nachfolgende Diagramm zeigt, dass der

Wirkstofftransport mit 54 Prozent an erster Stelle der medizinischen Nano-Applikationen steht.


Quelle: VDI Technologiezentrum GmbH

1.3. Wie werden Nano-Transportsysteme in Kosmetika eingesetzt

Im Marktsegment „Kosmetische Pflegeprodukte“ spielen Gesichtspflegemittel eine wichtige Rolle.

2008 lag der Umsatz in Deutschland bei ca. 450 Mio € (Quelle: statista®).

Bei kosmetischen Mitteln liegen abbaubare Transportsysteme meist als Nano-Emulsionen vor, d.h. die

Zubereitungen enthalten Öl- und Wassertröpfchen. Diese werden auf nanometrische Abmessungen

reduziert, um den Gehalt an pflegenden Wirkstoffen zu erhöhen.

Gleichzeitig werden empfindliche Wirkstoffe, wie Vitamine, in Bläschen (Vesikeln) mit einer Größe im

Nanometerbereich vor Luft geschützt. Die Transportsysteme verteilen sich sehr gleichmässig auf der

Hautoberfläche und setzen den Inhaltsstoff erst beim Kontakt mit der Haut frei.

Abbaubare Nano-Transportsysteme durchdringen nicht die Hautbarriere, sondern dringen in die

tieferen Hautschichten ein wohingegen Mikro-Transporter zum grössten Teil in den oberen

Hautschichten verbleiben. Gesundheitsbehörden bestätigen weltweit, dass die in Kosmetika

eingesetzten Mikro- und Nano-Drug Delivery Systeme sicher sind.

Leichtbau

Reifenfüllstoffe

Automobillacke

Antireflex- und Antibeschlagschichten

Verschleiß- und Korrosionsschutz

Energiespeicher für elektrische und Hybridantriebe

Kraftstoffzusätze

Mikro-

Transporter

Nano-

Transporter

Mikro- Transporter:

- kleiner Hautbereich

- geringe Eindringtiefe

Nano- Transporter:

- grosse Hautbereich

- grosse Eindringtiefe

menschliche Haut

Nano-Transporter dringen sehr viel tiefer in

die Haut ein als Mikro-Transportsysteme

Mikro- und Nano-Transportsysteme


1.4 Abbaubare Mikro und Nano-Transporter –Nutzen-Risiko-Analyse

In einer Nutzen-Risiko-Analyse ist 2008 untersucht worden, ob durch den Einsatz von abbaubaren

Nano-Transportsystemen für hochkonzentrierte Vitamine in Hautpflegemitteln neue, spezifische

Risiken entstehen, die für den gut dokumentierten Mikro-Delivery-Bereich nicht bekannt sind.

Hierzu wurden spaltbare und damit abbaubare sowie nicht-abbaubare Nano-Delivery-Produkte und

konventionelle Mikro-Delivery Systeme (kugelförmige Liposome) verglichen und bewertet. Die

untersuchten Produkttypen lagen als kosmetische Emulsionen vor, deren Anlieferung zum

Kosmetikhersteller in stabilen Kunststoffgebinden erfolgt, so dass keine Exposition resultiert.

Liposome NANOTOPES®

20 - 40 nm

Als kosmetischer Wirkstoff in den jeweiligen Kosmetika (Gesichtspflegeprodukte wie z.B.

Gesichtscremes, Anti-Falten-Masken, Reinigungsspots) werden – wie bereits beschrieben - u.a.

Vitamine verwendet. So wirkt Vitamin E beruhigend auf die Haut und reduziert Hautreizungen und –

rötungen, Vitamin A verringert die Faltenbildung sowie Altersflecken, Vitamin B5 wirkt als Antioxidans

(„Fänger“ freier Radikale), bewirkt eine weichere Hautoberfläche und schützt vor frühzeitiger

Hautalterung.

1.5. Herstellung der Transport-Systeme

Gegenüber vielen anderen in Kosmetika verwendeten Produkten ist die Herstellung der o.g.

Transportsysteme relativ einfach; die erforderlichen Geräte und Chemikalien sind anschliessend

aufgeführt:

Geräte für die Produktherstellung: Chemikalien für die Produktherstellung:

- Rührkessel - Wasser

- Rührer - Chemikalien

- Heizeinrichtung - Formulierungsmittel

- Pumpe

Die nachfolgende Abbildung zeigt eine Produktionsanlage für Drug Delivery Systeme.

Für den Arbeitsschutz im Umgang mit Mikro und Nano-Delivery-Systemen gelten ähnliche

anlagenbezogene und persönliche Schutz- und Hygienemassnahmen - die Produktfertigung erfolgt in

geschlossenen Systemen.


Produktionskessel / Mikro- u. Nano-Transportsysteme

Kessel

Rührer

Herstellung von Mikro- und Nano-Transportsystemen

2. Aufgabenstellung / Gruppenarbeit

Diskutieren Sie unter Verwendung der unter Ziffer 1 enthaltenen Informationen und der unter Ziffer 4

genannten Links die Verwendung von abbaubaren und nicht abbaubaren Nano-Transportsystemen in

Kosmetikprodukten und beantworten Sie folgende Fragen:

Frage 1:

Welche Vorteile / Nachteile haben Nano-Transporter resp. Mikro-Transportsysteme beim Einsatz in

Hautpflegeprodukten bzgl.

a) Wirksamkeit

b) Einfluss auf die Umwelt?

Begründen Sie die Antworten.

Frage 2:

Wie unterscheiden sich die Herstellungsverfahren für Nano-Transportsysteme von denen für Mikro-

Transporter bzgl.

a) Stoffeinsatz (Rohstoffe, Formulierungsstoffe etc.)

b) Energieeinsatz

Begründen Sie die Antworten.

Frage 3:

Auf welche Kosten eines Hautpflegemittels wirkt sich die Produktumstellung von einem Mikro-

Transportsystem auf ein Nano-Transportsystem aus. Orientieren Sie sich dabei an die in der

nachfolgenden Abbildung dargestellten Herstellungs- und Logistikschritte, bis das Pflegemittel im

Verkaufsregal des Detailhandels steht?


Auf welchen Prozentsatz schätzen Sie den „Vorteil“ (z.B. Kosten für Chemikalien, Energien,

Verpackungsmaterialien sowie Auswirkungen auf die Umwelt, den ein Hautpflegeprodukt mit

Nanotransportern gegenüber einem Produkt mit Mikro-Transportsystemen hat? zwischen Nano- und

Mikro-Transportsystem?

Produktion StandardisierungKonfektionierung /

AbpackungTransport

Detail-

handel

Produktionskette Drug Delivery Systeme

Rohstoff 1

Rohstoff 2

Rohstoff 3

Energien

Zusatz-

stoff 1

Zusatz-

stoff 2

Formulierungsstoffe

Hinweis:

Sämtliche Fragen können ohne Detail-Kenntnisse des jeweiligen Produktionsprozesses sowie die

relevanten Input-/Outputströme an Materialien, Stoffen, Energie, Produkten und Emissionen

beantwortet werden!

Die Antworten lassen sich an Hand der in dieser Lerneinheit vermittelten Informationen sowie dem

bisher erlernten Biologie-, Chemie- und Physik-Wissen beantworten.

Gleichfalls werden unter Ziffer 4 verschiedene Internet-Links angegeben, welche bei der

Beantwortung der Fragen nützlich sein können.

Als Anlage zu diesem Handout befindet sich zu jeder der drei Fragen eine leere Antwort-Tabelle, in welche Sie für Ihre Antworten eintragen können; diese Tabellen können auch zu Ihrer Kurz-präsentation benutzt werden.


3. Hinweise zum Ablauf der Gruppenarbeit und Ergebnispräsentation

Für die Gruppenarbeit steht insgesamt ein Zeitrahmen von 90 Minuten zur Verfügung

Arbeitsschritt Zeitrahmen

Vorbereitung:

Organisation und Arbeitsteilung innerhalb der Gruppen festlegen; dabei

einen Gruppensprecher bestimmen.

ca. 5 Minuten

Beantwortung der Fragen:

Versuchen, die unter Punkt 2 gestellten Fragen zu beantworten. Sie

können bei Bedarf auf die unter Ziffer 4 genannten Internet-Links

zurückgreifen und Internet-Recherchen durchführen.

ca. 30 Minuten

Dokumentation:

Die in der Diskussion / Internet-Recherche erhaltenen Infos und

Ergebnisse zu den Fragestellungen zusammentragen, bewerten und auf

eine Folie schreiben.

ca. 10 Minuten

Eine Kurzpräsentation vorbereiten (Präsentation maximal 5 Minuten). ca. 10 Minuten

Gesamtzeit für Gruppenarbeit : ca. 55 Minuten

Präsentation der Ergebnisse durch den Gruppensprecher

(gegebenenfalls Ergänzungen / Unterstützung durch die Gruppe).

Im Plenum

ca. 35 Minuten

4. Nützliche Links

Quelle 1 - Nicht abbaubare Nano-Transportsysteme mit Risiko behaftet Link: http://www.innovations-report.de/html/berichte/umwelt_naturschutz/bericht-101040.html Quelle 2 - Folder „Nanotechnologie und kosmetische Mittel“, Herausgeber Industrieverband Körperpflege und Waschmittel e.V (IKW)., FrankfurtWaschmittel e. V. (IKW) Link: http://www.ikw.org/fileadmin/content/downloads/Sch%C3%B6nheitspflege/SP_IKW_Nano.pdf Quelle 3 – Nanomaterialien: Dialogprojekt CONANO Link: http://www.gen-ethisches-netzwerk.de/gid/187/nanomaterialien-dialogprojekt-conano Quelle 4 – CONANO Dialog: Nutzen und Risiko vonNano-Delivery-Produkten undMikro-Delivery-Produkten im Vergleich Link: http://www.ecology.at/conano_dialog.htm Quelle 5 - Firmen-Internetseite „MJR Link www.mjr-pharmjet.de/index.php?id=65 Quelle 6 - Vortrag “Nano-Transporter“ (H. Elbert) Link https://www.vci.de/Downloads/121616-Nano-Transporter_Vortrag%20Elbert.pdf

Quelle 7 - Wirkstoffe: Liposomen, Nanopartikel & Co Link http://www.dermaviduals.de/deutsch/publikationen/spezielle-wirkstoffe/wirkstoffe-liposomen-nanopartikel-und-co.html

http://www.innovations-report.de/html/berichte/umwelt_naturschutz/bericht-101040.html

http://www.ikw.org/fileadmin/content/downloads/Sch%C3%B6nheitspflege/SP_IKW_Nano.pdf

http://www.gen-ethisches-netzwerk.de/gid/187/nanomaterialien-dialogprojekt-conano

http://www.ecology.at/conano_dialog.htm

http://www.mjr-pharmjet.de/index.php?id=65

http://www.dermaviduals.de/deutsch/publikationen/spezielle-wirkstoffe/wirkstoffe-liposomen-nanopartikel-und-co.html

http://www.dermaviduals.de/deutsch/publikationen/spezielle-wirkstoffe/wirkstoffe-liposomen-nanopartikel-und-co.html


Anlage: Antworttabellen

Antwort auf Frage 1: Vergleich - Vorteile / Nachteile von Nano-

und Mikro-Transportsystemen bei Anwendung in Körperpflegemittel

Parameter Nano-Transportsystem Mikro-Transportsystem

Wirksamkeit als

Körperpflegemittel:

Einfluss auf die

Umwelt:

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Gruppe:


Antworten auf Frage 2: Unterschiede in den Herstellungs-

verfahren


Stoffeinsatz

Energieeinsatz


Gruppe:


Antwort auf Frage 3: Herstellungskosten für Hautpflegemittel

unter Verwendung von Nano- resp. Mikro-Transportsystemen


Stoffeinsatz:(Rohstoffe, Formulierungs-

mittel)

Sonstige Kosten:(Strom, Wasser, Verpackung,

Lagerung, Transport)

"Vorteil" / Nano-

gegenüber Mikro-

Transportsystem in % (Schätzfrage):


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