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Manufacture and characterization of model micro- and nanoplastics
Markus Falkenstätter
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Pharmazie
Betreuer*in
Lea Ann Dailey
DOI
10.25365/thesis.74097
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30162.57085.934459-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Bereits seit einiger Zeit wurde die globale Plastikverschmutzung als globales Problem anerkannt. Zuletzt hat sich der Fokus jedoch auf die Verschmutzung durch Mikro- und Nanoplastik (MNP) verschoben. Diese kleinen Partikel werden entweder gezielt hergestellt oder sind (häufiger) das Ergebnis eines Zerkleinerungsprozesses durch verschiedene Umwelteinflüsse. Diese Partikel sind mittlerweile in jedem Teil der Erde zu finden und stellen möglicherweise ein großes Risiko für die menschliche Gesundheit dar. Das Wissen über die genauen Auswirkungen, ist jedoch aufgrund eines Mangels an standardisierten Testmaterialien sehr begrenzt. Dies gilt insbesondere für die am häufigsten im Menschen gefundenen Polymertypen wie Polypropylen (PP). Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden zwei Ansätze zur Herstellung von PP-Partikeln in drei verschiedenen Größenklassen untersucht. Der Hauptteil der Arbeit lag in der Optimierung und Untersuchung der Reproduzierbarkeit eines Nassmahlverfahrens zu Herstellung von PP-Partikeln im Bereich von 1-10 μm (M-Fraktion) und 10-38 μm (L-Fraktion). Dieser Prozess bestand aus einem anfänglichen Mahlverfahren, gefolgt von drei verschiedenen Schritten zur Größenunterteilung. Dazu gehörten das Sieben des Materials, das Filtrieren und ein Zentrifugationsschritt. Abschließend wurde ein Austausch des Suspensionsmediums vollzogen. Die Reproduzierbarkeit des Verfahrens wurde getestet, indem der ganze Prozess insgesamt fünfmal durchgeführt wurde. Darüber hinaus kam eine Methode namens „non-solvent induced phase separation“ (NIPS) für die Produktion von Nanopartikeln in der Größenordnung 0,1 – 1 μm zum Einsatz. Die Partikelgrößenverteilungen und Perzentile dieser Verteilungen wurden mithilfe von Laser-Diffraktion gemessen. Die Ausbeute der Produkte wurde mittels gravimetrischer Messung und durch händische Partikelauszählung mittels eines Lichtmikroskops bestimmt. Die Optimierung des Mahlprozesses zeigte, dass Partikel in den gewünschten Größenklassen (L- und M-Fraktion) hergestellt werden können. Die anschließende Prüfung auf Reproduzierbarkeit ergab ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit für die L-Fraktion (Mittlere Perzentile der finalen L-Fraktion: D90: 58,78 μm ± 6,33 %; D50: 27,76 μm ± 4,91 %; D10: 9,35 μm ± 4,22 %). Im Gegensatz dazu, wies der Prozess zur Herstellung der M-Fraktion eine unzureichende Reproduzierbarkeit auf (Mittlere Perzentile der finalen M-Fraktion: D90: 45,36 μm ± 19,12 %; D50: 12,29 μm ± 10,74 %; D10: 4,01 μm ± 9,81 %). Die finale Ausbeute beider Fraktionen war äußerst gering und zeigte keine ausreichende Reproduzierbarkeit (L-Fraktion: 3,32 mg ± 26,99 %; M-Fraktion: 0,91 mg ± 33,59 %). Die NIPS-Methode zeigte, dass die Herstellung von PP-NPs, in ausreichenden Mengen möglich ist (Mittlere Perzentile: D90: 43,42 μm ± 52,66%; D50: 2,62 μm ± 63,45%; D10: 0,312 μm ± 15,49%). Im Gegensatz zum Mahlverfahren waren bei dieser Methode die Ausbeuten einheitlicher und die relative Ausbeute von 89,85% ± 2,42 % (245,74 mg) wesentlich höher. Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, PP-MNPs in den gewünschten Größenordnungen mit einem gewissen Grad an Reproduzierbarkeit herzustellen.
Abstract
(Englisch)
For some time now, global plastic pollution has been a recognized problem. More recently, the focus has shifted to micro- and nanoplastic (MNP) pollution. These small particles are either intentionally produced or, more often, the result of a degradation process that occurs when larger plastic debris breaks down in the environment. These particles can now be found in every corner of the world and are potentially a major threat to human health. However, the knowledge of human health effects is still very limited, in part due to a lack of standardized testing materials, especially for the plastics most commonly found in humans, such as polypropylene (PP). Within the scope of this master thesis, two approaches were investigated to produce PP particles in three different size ranges. The main part of the work was dedicated to the optimization and investigation of the reproducibility of a wet grinding process to produce particles in the size range of 1-10 μm (M-fraction) and 10-38 μm (L-fraction). This process consisted of a milling step followed by three different size separation steps including sieving, filtration, and centrifugation. The last step of the process consisted of the exchange of the suspension medium to enable the use of the suspension for cell culture experiments. Reproducibility was tested by performing the whole production procedure 5 times. In addition, a method called “non-solvent induced phase separation (NIPS) was employed to investigate the possibility to produce PP nanoparticles in the size range of 0.1 – 1 μm. The particle size distributions and percentiles were measured via laser diffraction and the yield was determined gravimetrically and via particle counting using an optical microscope. Through optimization of the milling process, it was possible to produce particles in the desired size ranges for the L- as well as the M-fraction. The study revealed a high degree of reproducibility throughout the whole process of the L-fraction production in terms of particle size (Mean percentiles of the final L-fraction: D90: 58.78 μm ± 6.33%; D50: 27.76 μm ± 4.91%; D10: 9.35 μm ± 4.22%). In contrast, the M-fraction process was not found to be adequately reproducible (Mean percentiles of the final M-fraction: D90: 45.36 μm ± 19.12%; D50: 12.29 μm ± 10.74%; D10: 4.01 μm ± 9.81%). Concerning the final yield, the study showed a low reproducibility for both fractions (L-fraction: 3.32 ± 0.90 mg (26.99% RSD); M-fraction: 0.91 ± 0.31 mg (33.59% RSD). Furthermore, it could be demonstrated that producing PP-NPs with the NIPS method was possible (Mean percentiles: D90: 43.42 μm ± 52.66%; D50: 2.62 μm ± 63.45%; D10: 0.312 μm ± 15.49%). The yield data of the NIPS method showed more consistency, and the relative yield was greatly increased - compared to milling - with a mean yield of 89.85% ± 2.42% (245.74mg). This study provides evidence that PP-MNP can be produced in the desired size ranges but reproducibility of size and yields vary between methods.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikroplastik Nanoplastik
Schlagwörter
(Englisch)
Mikroplastics Nanoplastics
Autor*innen
Markus Falkenstätter
Haupttitel (Englisch)
Manufacture and characterization of model micro- and nanoplastics
Paralleltitel (Deutsch)
Herstellung und Charakterisierung von Mikro- und Nanoplastik-Modellpartikeln
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
VIII, 61 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Lea Ann Dailey
AC Nummer
AC16924253
Utheses ID
67926
Studienkennzahl
UA | 066 | 605 | |