NO301322B1 - Anvendelse av glass for fremstilling av glassfibre med forhöyet biologisk godtagbarhet - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår anvendelse av et glass for fremstilling av glassfibre med forhøyet biologisk godtagbarhet.

Siden slutten av 50-årene er den kreftfremkallende virkning av asbest påvist. I den senere tid har ytterligere forsk-ningsaktiviteter ført til den erkjennelse at den cancerogene virkning ikke bare er begrenset til asbest, men også at prinsippielt fiberformig støv som foreligger i form av langstrakte partikler, kan sette i gang kreftfremkallende virkningsmekanismer som, ifølge dagens tekniske stand, skiller seg klart fra cancerogenesen til andre kjemiske stoffer eller ioniserende stråling.

På grunn av sunnhets- og arbeidsbeskyttelsen i omgangen med fiberlignende støv finnes det helt siden 60-årene en vitenskapelig anerkjent definisjon på en inhalerbar fiber som kan være toksikologisk virksom. Denne definisjon henviser til en under lysmikroskop erkjennbar fiber med en geometrisk diameter på mindre enn 3 pm, en lengde på over 5 pm og et forhold lengde:diameter på mer enn 3:1. Grunnlaget for denne definisjon er kjennskapet til den kreftfremkallende virkning av asbest.

Kunstige mineralfibre som glassfibre, basaltfibre, slaggfibre og keramikkfibre som blant annet fremstilles i form av kortfibre, kan likeledes falle inn under denne definisjon. Ved mange tekniske anvendelser anvendes det fortrinnsvis slike kunstige mineralfibre, KMF, hvis geometriske diameter er ennu tydelig mindre enn 3 pm, det vil si såkalt mikroglassfibre av C- og E-glass som har fiberdiametre på mellom 0,1 og 5 um. Også KMF for isolasjonsformål og som fremstilles i henhold til kjente metoder som sentrifugekurvmetod-en, sentrifugehjulmetoden eller blåsemetoden, oppviser andeler av fibre med en finhet på mindre enn 3 pm, delvis mindre enn 1 pm. De her nevnte fibre er for eksempel beskrevet i [1]. Slike fibre er av stor teknisk og vitenskapelig interesse for de forskjelligste formål.

I omgang med og ved fremstilling av kunstige mineralfibre kan fibre i omgivelsesluften i gjennomsnitt være kortere og tynnere enn i de ferdige produkter. I [2] vises det tran-sportmekanismer, fordelingsform og transformasjon av KMF støv. Her gis det utsagn over eksponeringen av lungevanlige fibre ved fremstilling og bearbeiding av KMF. Ytterligere informasjoner kan hentes fra [3]. Tilsammen foreligger det i dag, basert på mangfoldige og verdensomspennende vitenskap-elige undersøkelser over den kreftfremkallende virkning av KMF, detaljerte erkjennelser. I betraktning kommer blant annet dyreeksperimentelle undersøkelser som inhaleringsprøv-er, intratrakiale og intraperitoneale forsøk samt celle-biologiske og andre in vitro studier. I sammenfattet form diskuteres slike resultater i [4]. Den kreftfremkallende virkning bestemmes her ved samvirkningen av de to følgende faktorer: 1. Den foreliggende fiberform, for eksempel tilsvarende den ovenfor gitte definisjon;

2. Persistensen (oppholdstiden) i lungen.

De tyngstveiende resultater i sammenligning mellom naturlige og kunstige mineralfibre finner man ved dyreforsøk med intraperitoneal eller intrapleural administrering av støvene da det her kan induseres spontantumorer. I henhold til [5] og [6] foretas det av IARC en inndeling av kunstige mineralfibre i kreftfremkallende henholdsvis ikke-kreftfremkallende . fibre. I henhold til dette kan ved siden av mange asbest-typer også kunstige mineralfibre som tynne glassfibre, stenfibre eller keramikkfibre, være kreftfremkallende. Ikke-kreftfremkallende er tykke glassfibre og ubestandige glassfibre. Bestandigheten av KMF er i det vesentlige avhengig av den kjemiske sammensetning. Oppholdstiden i lungen, persistensen, avhenger av sammensetningen og størrelsen av det fiberformige støv.

Persistensen vil være større jo høyere den kjemiske bestandighet og jo større den geometriske diameter for fibren er.

I [4] vises det resultater av nyere intraperitonealforsøk der den kreftfremkallende virkning til forskjellige KMF, som basaltfibre og spesielle mikroglassfibre, påvises klart og tydelig. Overraskende er også glassfibre hvis midlere fiberdiameter er meget mindre enn 1 um, meget cancerogene. Kjent er det at slike fibre på grunn av sin glassammensetning har en meget høy kjemisk bestandighet. Viktige holdepunkter med henblikk på oppløseligheten av KMF in vivo og in vitro fremgår videre av [7]. Betydningen av den kjemiske sammensetning for kreftfremkal1 ingen undersøkes i [8] der det sies at fibre som forbehandles intensivt med en syre, ikke lenger hadde noen tumorfremkallende virkning sammenlignet med ikke-behandlede fibre.

Det er vitenskapelig begrunnet at den kreftfremkallende virkning av KMF i høy grad avhenger av evnen til transport bort fra lungen. Denne evne kalles nedenfor "lunge-clearance". Denne fastslås ved dyreforsøk. Denne lunge-clearance bestemmes av to faktorer, nemlig: 1. den såkalte translokasjon, for eksempel på grunn av makrofager; og

2. fibrens oppløselighet.

Ved inhaleringsforsøk kommer det i tillegg muligens en alveolær clearance. Clearence-undersøkelser på rottelunger efter intratraceal instillering av fibre beskrives i [9] . For dette formål angis også halveringstiden for den viste lunge-clearance for forskjellige mineralfibre, spesielt glassf ibre.

Foreliggende oppfinnelse går ut fra denne kunnskap. Målet for oppfinnelsen er utvikling av toksikologisk ubetenkelige glassfibre, det vil si glassfibre som ikke viser noe cancerogent potensiale.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved anvendelsen av et glass bestående i det vesentlige av de følgende, i mol-% angitte forbindelser:

for fremstilling av glassfibre med høy biologisk godtagbarhet og en diameter < 8um hvorved mer enn 1056 av glassfibrene oppviser en diameter på < 3pm.

Spesielt foretrukket anvendes det et glass med de følgende molare andeler for AI2O3, B2O3, CaO og NagO:

for fremstilling av fibre med midlere fiberdiameter på

< 2 jjm.

Glassfibre med denne sammensetning viser en fremragende fysiologisk oppløselighet. Det er funnet at den fysiologiske oppløsning går sammen med en god kjemisk oppløselighet i syrer og "baser.

Slike glassfiber oppviser, sammenlignet med asbest og glassfibre med en fra oppfinnelsens lære avvikende sammensetning, intet cancerogent potensiale.

Ved glassfibre ifølge krav 2 ble det funnet at det efter en intratraceal instillering i rottelunger, skjedde en reduksjon av fibertallet til halvparten av det opprinnelige tall i løpet av mindre enn 115 dager og at det efter en intraperitoneal installering i rottelunger, i løpet av 2 år forelå en tumorgrad på mindre enn 10$. Ved glassfibrene med sammensetningen ifølge krav 3 utgjorde halveringstiden kun 42 dager og den efter 2 år målte tumorgrad under 5$. Slike glassfibre kan derfor ikke angis som cancerogene.

Utførelseseksempler

Eksempel 1

For undersøkelse av den fysiologiske godtagbarhet in vivo (biobestandighet), ble det fremstilt glassfibre A og B med den i fig. 1 viste utgangsdiameter-fordeling. For fremstilling anvendte man den i EP-A 279 286 beskrevne trekkdyseme-tode. Diameterfordelingen ble målt ved hjelp av et rasterel-ektronmikroskop. De to fibertyper A og B skiller seg fra hverandre kun ved den midlere diameter. Den kjemiske sammensetning for glassene var i begge tilfelle den samme: Si02 = 60,756; B203 = 3,356; Na20 = 15,456;

Jernoksyder = 0 , 256; K20 = 0,756; CaO = 16 , 556 ;

MgO = 3,256 (alle angivelser i vektprosent).

Som utgangsmateriale for glassfremstillingen benyttet man vanligvis kvartssand, borsyre, dolomitt, kalk, soda, potteaske og eventuelt andre vanlige råstoffer som kryolitt, titandioksyd og natriumfluorid.

Ved hjelp av en knivmølle eller en kulemølle ble fiberprøvene så finoppdelt, og man benyttet 1 mg prøver suspendert i vann, oppsuget på et filter og undersøkt i et rasterelektronmikro-skop ved 500 til 1500 gangers forstørrelse. En lengde- og tykkelsesbestemmelse av enkeltfibrene skjedde halvautomatisk ved hjelp av rasterelektronmikroskopiske bilder REM ved hjelp av grafikktavler og data-assi stert bearbeiding. Fra lengde-og tykkelsesfordelingen bestemte man fibervolumina og fibertall pr. vektenhet. Spesiell oppmerksomhet viet man derved fiberandelen med en lengde over 5 um, en diameter mindre enn 3 yim og et forhold lengde: diameter på over 3 som biologisk virksomme fibre. Undersøkelsesresultatene er gitt i Tabell I.

Enkeltmåleverdiene for fiberlengde og -tykkelse ligger ved logaritmisk oppføring tilnærmet på en rett linje (fig. 2, 3); det vil si de underligger en normalfordeling.

I tabell II angis for en bestemt fiberklasse det beregnede antall av de biologiske kritiske fibre pr. ng.

Fiberprøvene A og B ble begge i en mengde av 2 mg fiber-materiale suspendert i 0,4 ml fysiologisk koksaltoppløsning og instillert intratracealt i 35 Vistar hunnrotter. Efter 1 dag og 1, 6, 12 og 24 måneder, ble hver gang 6 dyr pr. fibergruppe avlivet, lungene ble preparert ut, tørket og plasmaforasket ved 300°C. For separering av fibrene fra sal t "bestanddel ene ble hver gang en del av lungeasken suspendert i IN saltsyre og derefter behandlet noen minutter ved ultralyd. Fibrene ble derefter isolert på et filter. De således preparerte fibre ble undersøkt på samme måte som utgangsfiberprøvene ved hjelp av REM.

I tillegg beregnet man ved hjelp av antallet utmålte fibre og de bedømte bilder samt fibervekten, fiberantallet pr. lunge. Fibervekten ble derefter bestemt ved hjelp av det midlere fibervolum og tettheten. Resultatene er vist i Tabell III. Ut fra disse undersøkelser er det klart at både antallet og mengden av fibrene raskt brytes ned (god lunge-clearance). Med en som utgangspunkt for beregningen kinetikk av første orden, oppnår man for denne lunge-clearance såkalte halveringstider innenfor hvilke enten antallet eller massen av fibrene har falt til halvparten av den opprinnelige verdi. De således beregnede halveringstider i dager er oppført i Tabell IV hvorved det, til høyre og til venstre for middelverdien, er anført den 95#-ige statistiske pålitelighet, "95#-ig statistisk pålitelighet" betyr derved at de til høyre eller venstre stående verdier opptrer med den sannsynlighet på 5$.

En sammenligning med den ifølge den kjente teknikk i [9] angitte halveringstider for KMF av andre kjemiske sammenset-ninger er angitt i Tabell V. Da halveringstiden teoretisk må bli mindre med redusert fiberdiameter, er en absolutt sammenligning av lunge-clearance kun mulig under hensyntagen til den midlere fiberdiameter. Dette skjer ved den i tabellen V angitte verdi - målt halveringstid beregnet på midlere verdi av diameteren. Den store forskjell mellom fiberprøvene A og B i forhold til de i [9] angitte verdier er åpenbar.

Fra [4] og [10] kan man finne de virkelig induerte tumorgrader efter intraper i tonealinj eksj on.

Disse resultater viser klart at kunstige og naturlige mineralfibre med høy halveringstid for lungeclearance og ved høy fasthet (høy verdi av halveringst id/dj^g), har et høyt cancerogenpotensiale. Det cancerogene potensiale er derved om så større jo større den relative, på diameteren beregnede halveringstid er.

Eksempel 2 [sammenligning]

En fiberprøve c) hvis diameterfordeling er vist i figur 1, ble også fremstilt i henhold til blåsedysemetoden ifølge EP-Å-279.286 og hadde følgende kjemiske sammensetning: Si02 = 58,5 S6; B203 = 11,0 % ; Na20 = 9,8 % ; A1203 = 5,8 % ; jernoksyder = 0,1 % ; BaO = 5,0 #; ZnO = 3,9 %>;

K20 = 2,90 % ; CaO = 3,0 %.

Efter oppmaling oppnådde man analogt eksempel 1 de i tabell VII angitte fibermåleverdier:

I den efterfølgende tabell VIII vises for en bestemt fiberklasse, det beregnede antall av de biologisk kritiske f ibre:

Derefter ble også disse fibre innstillert i 35 Wistar-hunnrotter ad intratrachealvei. På samme måte som i eksempel 1 ble fiberprøvene isolert efter en dag, og 1, 6, 12 og 24 måneder og derefter undersøkt med henblikk på lungeclearence. Undersøkelsesresultatene er angitt i tabell IX.

I sammenligning med eksempel 1 ble fibrene brutt ned betydelig langsommere hva angår antall og masse. Spesielt er reduksjonen mellom 12 og 24 måneder meget liten, noe som vel er å føre tilbake på en høy bestandighet for disse fibre på grunn av den kjemiske sammensetning.

De fra de i tabell X gitte data beregnede halveringstider er som følger:

Måling av tumorgraden.

Ved fibrene ifølge utførelseseksemplene 1 og 2 ble tumor-gradene undersøkt systematisk. For dette formål ble de i utførelseseksemplene 1 og 2 beskrevne fiberprøver A, B og C, injisert intraperitonealt til Wistar-rotter og tumorgraden undersøkt efter et tidsrom på 2 år. Prøveforberedelsene skjedde ved oppmaling av utgangsfiberprøvene ved hjelp av kniv- og kulemølle. Størrelsesfordelingen av de således oppnådde fiberprøver er angitt i tabell XI.

Fiberprøvene ble injisert intraperitonealt i form av en suspensjon i 2 ml NaCl-oppløsning i forskjellige doser, hvorved man tilstrebet et høyest mulig antall av kritiske fibre med en lengde større enn 5 um for å forsterke den tumorfremkallende virkning. De efter to målte undersøkelses-resultater er gitt i tabell XII.

På tross av det relativt lave antall av kritiske fibre (L >5 pm), viser det seg at fiber C er meget cancerogen mens det ved prøvene A og B ikke kunne fastslås noen cancerogenitet. Det gav seg at de i eksemplene 1 og 2 gitte resultater for lungeclearence korrelerer entydig med cancerogenitetsresul-tatene.

Måling av syrebestandighetene.

For å undersøke den kjemiske bestandighet ble glassfibre med sammensetning ifølge eksempel 1 med en elektronmikroskopisk (REM-måling) bestemt midlere fiberdiameter på 0,5 pm, behandlet i 37 #-ig svovelsyre ved romtemperatur henholdsvis 60°C i henhold til følgende prosedyre: Først ble glassfibrene som skulle undersøkes, tørket i et sirkulasjonsluftskap ved 120°C til konstant vekt. Efter avkjøling og kondisjonering i en eksikator, ble det veiet av nøyaktig 2,0 g glassfibre, disse ble satt til en 200 ml teflon Erlenmeyerkolbe og derefter ble det tilsatt 100 ganger vekten av 37 %- ig svovelsyre. Derefter ble prøven som skulle undersøkes, oppvarmet til den fastsatte prøvetemperatur og holdt ved denne temperatur med et avvik på ± 1°C i den fastsatte behandlingstid.

Efter denne oppvarmingstid ble glassfibrene fjernet fra svovelsyreoppløsningen, satt til en på forhånd nøyaktig veiet glassfritt med porøsitet nr. 4 og derefter vasket med 5 liter fullavsaltet vann til nøytral tilstand i det avløpende filtrat. Derefter ble glassfiberprøven tørket i 4 timer ved 110°C, og efter avkjøling og kondisjonering i en eksikator, veiet ut nøyaktig. I tabellene Xllla) og b) er vekttapet angitt i vekt-$.

Xllla) Behandling i 37 %- ig svovelsyre ved romtemperatur Vekttap efter en oppholdstid i timer: b) Behandling med 37 %- ig H2S04 ved 60°C

Måling av basebestandigheten.

Glassfibrene med samme sammensetning som i eksempel 1 og med en midlere elektronmikroskopisk fastlagt fiberdiameter på 2,0 um, ble behandlet analogt prøven på syrebestandigheten som beskrevet ovenfor med en vandig 0,1 NaOH-oppløsning ved romtemperatur henholdsvis 60°C. Vekttapet efter de forskjellige behandlingstider, er gitt i tabell XIV a) og b) :

XI Va) Behandling med 0,1 N NaOH-oppløsning ved rom temperatur b ) Behandling med 0,1 N NaOH-oppløsning ved 60°C.

Litteraturfortegnelse:

1) Poeschel, E. og A. Kohling: "Asbestersatzstoffkatalog" Bd. 1, "Faser- und Fullstoffe," Berlin:

Bundesumweltamt 1985

2) WHO, "International Programme of chemical safety draft environement health criteria for man made mineral fibers",

Nov. 1986

3) "International Symposium of Man-made Mineral Fibres in the

Working Environement WHO, Okt. 1986

4) Pott, F.: "Die krebserzeugende Wirkung anorganischer Fasern im Tierexperiment" - "Daten und Bewertung";

"Umwelthygiene", Bd. 20, Institut fur Umwelthygiene

Dusseldorf, Jahresbericht 1987/88

5) WHO, "Asbestos andother natural mineral fibres; Environe-mental health criteria" 53 - Geneva: WHO 1986 6) IARC-Monographs: "Man made mineral fibres andradon," Vol. 43 - Lyon, "International Agency of Research on Cancer",

1988

7) Leinweber, J.P.: "Solubility of fibres in vitro und in vivo; Biological effeets of man-made mineral fibres,"

Copenhagen, 1982

8) Davis, J.M.G.: "A review of experimental evidence for the carcinogenicity of man-made vitreous fibres", "Scand. J.

Work Environ. Health" 12, Suppl. 1 (1986) 12-17

9) Bellmann, B., H. Muhle et al.: "Persistance of man made mineral fibresand Asbestos in rat lungs","Am. Occup. Hyg."

Vol. 31, 1987 10) Pott, F. et al.: "Carcinogenicity studies on fibres, metal compounds and some other dusts in rats", "Exp. Pathol." 32, 129-152, 1987.

Claims (3)

1. Anvendelse av et glass bestående i det vesentlige av de følgende, i mol-# angitte forbindelser: for fremstilling av glassfibre med høy biologisk godtagbarhet og en diameter < 8pm hvorved mer enn 10% av glassfibrene oppviser en diameter på < 3jjm.

2. Anvendelse ifølge krav 1 for fremstilling av fibre med midlere fiberdiameter på < 2,0 um, hvorved følgende be-tingelser gjelder for de molare andeler for AI2O3, B2O3, CaO og Na20:

3. Anvendelse ifølge krav 2, med andeler av Ti02, BaO, ZnO, SrO og Zr02 ^ 1 mol-# for fremstilling av glassfibre med høy biologisk godtagbarhet og en midlere diameter < 1,0 um.