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Trendbericht Festkörperchemie

Außergewöhnliche Anionen, große Gerüste, leitendes Lithium, Nützliches in Nano; das alles und noch vieles mehr macht die Faszination Festkörper aus – zusammengestellt von Ingo Hartenbach, Nathalie Kunkel, Christopher Benndorf und Huayna Terraschke. Von Elementen …Florian Kraus und Mitarbeiter wid...

Die Hersteller vermarkten elektrische Zigaretten als harmlose Alternative zum Tabak. Forscher warnen hingegen vor den noch nicht untersuchten Gefahren des Suchttrends. Mehr Normen und Regelungen könnten das Risiko verringern.
Im Durchschnitt sterben Männer, die über zehn Zigaretten am Tag rauchen, 9,4 Jahre früher als Nichtraucher.1) Ihr Risiko für Lungenkrebs ist bis zu 27-mal, für einen plötzlichen Herztod 3-mal so hoch.2,3) Dass wir das so genau wissen, liegt daran, dass Forscher genug Zeit hatten, neben den Kurzzeit- auch die Langzeitfolgen der Tabaksucht unter die Lupe zu nehmen.Anders bei elektrischen Zigaretten. Das Konzept dafür ließ sich Herbert Gilbert, ein Altmetallhändler aus dem US-amerikanischen Beaver Falls in Pennsylvania, zwar schon im Jahr 1963 patentieren. Aber erst im Jahr 2007 kamen E-Zigaretten in den USA auf den Markt, in Deutschland wenig später.4,5) Im Jahr 2018 erzielte das Dampfen in Deutschland einen Umsatz von 400 Mio. Euro, weltweit sind es 11,3 Mrd. US-Dollar – Tendenz jeweils steigend.6,7)Die E-Zigarette basiert auf der Technik von Nebelmaschinen. Eine elektrisch betriebene Heizspirale bringt eine Lösung aus Glycerin, Propylenglykol, Nikotin und Aromen zum Verdampfen. Der Konsument inhaliert oder pafft das dabei entstehende Aerosol. Eine Verbrennung findet nicht statt.<h2>Viele Varianten</h2>Anfangs ahmten E-Zigaretten vom Aussehen her echte Zigaretten nach, inzwischen setzen sie sich deutlich von diesen ab. „Gleichzeitig sehen wir eine rasante Entwicklung und Produktdifferenzierung“, sagt Biochemiker Frank Henkler-Stephani, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) in Berlin. „Wir haben es immer schwerer, Aussagen zu treffen, die für alle Produkte gleichermaßen gelten.“ Kurzum: Es gebe nicht mehr „die“ E-Zigarette (Abbildung S. 46).<figure><img src="https://media.graphcms.com/1DQxW21dQuiw7tq2mrb2"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Es gibt mehrere Systeme, alle unterscheiden sich – das erschwert, sie zu vergleichen. Foto: manovankohr/<a href="https://stock.adobe.com" target="_blank">stock.adobe.com</a></figcaption></figure>
Bei den neueren Sub-Ohm-Geräten beträgt der Widerstand der Heizspule weniger als ein Ohm; wegen des geringen Widerstands fließt mehr Strom durch die Verdampferspulen, die dadurch leistungsfähiger werden. Die Folge: mehr Dampf. Dasselbe passiert bei Hochenergiegeräten, die mit über zehn Watt betrieben werden. „Früher sind E-Zigarettenraucher kaum aufgefallen: Die haben unauffällig kleine Wölkchen in die Luft geblasen“, sagt Henkler-Stephani. „Heute kann man mit Sub-Ohm-Geräten mehrere hundert Milliliter einatmen. Solche Dampfer können ganze Bahnsteige einnebeln.“Das US-Unternehmen Juul eroberte den US-Markt mit stylisch aussehenden Geräten, in die sich nur die Kapseln des Herstellers selbst einsetzen lassen. Seit Anfang 2019 sind Juul-Produkte auch in Deutschland erhältlich. Darüber hinaus gibt es viele offene E-Zigarettensysteme, an denen Nutzer selbst basteln und Parameter einstellen können (Abbildung S. 47). Wollen sie mehr Nikotin im Dampf haben, regeln sie den Verdampfer höher.<figure><img src="https://media.graphcms.com/7cXb0WTHRrifGNmjFGDq"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Ideal für Individualisten: Der Verbraucher kann selber zusammenstellen, was er inhalieren möchte. Foto: kurgu128/<a href="https://stock.adobe.com" target="_blank">stock.adobe.com</a></figcaption></figure>
<h2>EU strenger als die USA</h2>Seine erste Stellungnahme zu E-Zigaretten veröffentlichte das BfR im Januar 2008. Es riet darin zur „Vorsicht im Umgang“ mit diesen Produkten, die damals bereits im Internet erhältlich waren.8) Inzwischen meint Henkler-Stephani, dass E-Zigaretten auch nützlich sein können – im Sinne der Risikominimierung: „Sie sind deutlich weniger gefährlich als Tabakzigaretten.“E-Zigaretten und nikotinhaltige Liquids sind über die Tabakerzeugnisverordnung reguliert, die auf der europäischen Tabakproduktrichtlinie basiert.9,10) In der EU darf ein Liquid maximal 20 mg · mL–1 Nikotin enthalten. Außerdem sind bestimmte Zusatzstoffe verboten, darunter Aromen mit toxischen, karzinogenen, mutagenen oder reproduktionstoxischen Eigenschaften, etwa Cumarin, Diacetyl (2,3-Butandion), Bittermandelöl oder Poleiminze. Das nach Butter riechende Diacetyl steht im Verdacht, eine Entzündung der Bronchiolen auszulösen, eine als „Popcorn Worker‘s Lung“ bezeichnete Erkrankung. Nicht erlaubt sind außerdem stimulierende Substanzen wie Koffein und Taurin sowie Stoffe, die einen gesundheitlichen Nutzen suggerieren, etwa Vitamine.Damit gelten in der EU strengere Regeln als in den USA, wo auch Liquids mit 50 mg · mL–1 Nikotin auf dem Markt sind. Wie viel süchtig machendes Nikotin aber vom Liquid ins Aerosol übergeht, hängt auch vom Gerät und dessen Betriebsparametern ab. „Man müsste mit Abrauchmaschinen ein genormtes Aerosol herstellen und das dann untersuchen“, erläutert Henkler-Stephani. Für den Rauch einer Tabakzigarette gilt ein gesetzlicher Grenzwert von 1 Milligramm Nikotin. Wollte man für E-Zigaretten einen ähnlichen Wert festlegen, beispielsweise bezogen auf acht bis zehn Züge, bräuchte es Normen für die Geräte inklusive Verdampfer – und die sind noch in der Entwicklung.Zudem mischen viele E-Zigarettenraucher ihr eigenes Liquid: Sie kaufen nikotinfreie Aromalösungen, die nicht der Tabakerzeugnisverordnung unterliegen, und mischen Nikotin aus einer separaten Lösung hinzu.<h2>E-Chemie</h2>Verglichen mit dem Speichel von Rauchern enthält der von Dampfern weniger N-Nitrosamine und flüchtige organische Verbindungen (volatile organic compounds, VOCs).11) Da in der E-Zigarette nichts verbrennt, entsteht kein krebserregendes Benzpyren.Allerdings können auch in der E-Zigarette chemische Reaktionen ablaufen – ob und welche, hängt unter anderem von der Temperatur des Verdampfers ab. „Es ist durchaus möglich, dass bei Betriebsleistungen um die 100 Watt Pyrolysereaktionen stattfinden, sich zum Beispiel Nikotinbenzoat in Benzol umwandelt“, sagt Henkler-Stephani vom BfR.Bei einer Metaanalyse im Jahr 2013 erstellte Tianrong Cheng von der US-Behörde für Lebens- und Arzneimittel (Food and Drug Administration, FDA) eine lange Liste von Substanzen, die Wissenschaftler in den Liquids, Aerosolen und Emissionen von E-Zigaretten nachgewiesen hatten: von Aldehyden über N-Nitrosamine und Alkaloide zu Metallen.12) Was und wie viel jeweils vorlag, variierte beträchtlich.Im Jahr 2016 untersuchten US-Chemiker, welche chemischen Verbindungen im Aerosol von E-Zigaretten nachweisbar sind, wenn diese unter milden „paffenden“ Bedingungen reine Glycerin- oder Propylenglykollösungen verdampften.13) Mit steigender Akkuleistung stieg auch die Menge an Glycerin und Propylenglykol; außerdem fanden sie im 1H-NMR weitere 15 – teils giftige oder krebserregende – Verbindungen, darunter Dihydroxyaceton, Glycolaldehyd, Ameisensäure, Glycidol, Acetaldehyd und Acrolein.Aromen, etwa in Form von Vanillin, Citral und Zimtaldehyd, können beim Erhitzen mit Propylenglykol zu Acetalen reagieren, wie Forscher der Universität Yale gaschromatographisch nachwiesen.14) Nach Angaben der Forscher wirken diese Substanzen reizend und können Entzündungsreaktionen im Körper auslösen.<h2>Chrom im Dampf</h2>Beim Erhitzen können Metalle von der Heizspirale in die Flüssigkeit und ins Aerosol übergehen, fanden Forscher in den USA und Österreich.15) Über Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) wiesen sie unter anderem Aluminium, Chrom, Nickel, Blei, Mangan und Zink nach. „In einer Probe lag Zinn in so hohen Konzentrationen vor, dass es unsere Analytik störte und wir die darauf folgenden 300 Proben wegen der Verschleppung quasi umsonst gemessen haben“, erzählt Walter Gössler vom Institut für Chemie der Universität Graz. Aerosole enthielten durchschnittlich 515 µg · kg–1 Zink und 8,4 µg · kg–1 Chrom. Alle untersuchten Produkte stammten vom US-Markt.Eine toxikologische Bewertung hätten sie in Graz nicht durchgeführt, sagt Gössler, „aber dass E-Zigaretten nicht gesund sind, ist wohl unbestritten. Schließlich gelangen bei den hohen Temperaturen Metalle in den Dampf, die man direkt inhaliert – neben vielen anderen organischen Zersetzungsprodukten.“Eine Metallfreisetzung ließe sich mit den richtigen Heizdrahtmaterialien allerdings verhindern, sagt Frank Henkler-Stephani. Ebenso ließen sich Gesundheitsgefahren minimieren, wenn sowohl die Betriebstemperatur als auch die Menge an Liquid beschränkt würde, die pro Zug in den Dampf übergeht.<h2>Todesfälle in den USA</h2>Aufsehen erregt seit Juli 2019 eine neue mysteriöse Lungenerkrankung in den USA, die vor allem bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen auftritt, die dampfen. Betroffene berichten von heftigem Husten, Herzrasen und Atemnot. Bis zum 15. November waren laut US-Gesundheitsbehörde (Centers for Disease Control and Prevention, CDC) bereits um die 2000 Menschen betroffen, 39 waren gestorben.16)Die Ursache ist unbekannt. Die meisten Patienten hatten E-Zigarettenprodukte mit Tetrahydrocannabinol benutzt, daher vermutet die US-Gesundheitsbehörde einen Zusammenhang. Wie Frank Henkler-Stephani vom BfR betont, seien derartige Lungenerkrankungen bisher nur in den USA aufgetreten. „Wir nehmen nicht an, dass in Deutschland akute Gefahr besteht, solange man Liquids benutzt, die den deutschen und europäischen Vorgaben entsprechen“, sagt er. „Risiken sind natürlich niemals auszuschließen, gerade für Produkte unbekannter Zusammensetzung oder Herkunft.“Nach einer Veröffentlichung in Science im November 2019 könnte Vitamin-E-Acetat Verursacher der mysteriösen Lungenkrankheit in den USA sein. Die Substanz kommt in fast allen Liquids vor, da sie als Verdicker dient.16)<h2>Sicher nicht gesund</h2>Welche Gefahren konkret von der E-Zigarette ausgehen, ist noch nicht vollständig geklärt. Langzeitstudien fehlen. Die große Variabilität an Geräten, Liquids und deren Benutzung macht eine Bewertung Henkler-Stephani zufolge zusätzlich schwierig.Keine gesundheitlichen Beeinträchtigungen durch das Dampfen fand eine US-italienische Forschergruppe. Sie untersuchte in den Jahren 2013 bis 2017 neun E-Zigarettennutzer und zwölf Nichtdampfer regelmäßig hinsichtlich Blutdruck sowie Herz- und Lungenfunktion.17)Die Liste an Studien, die Gesundheitsgefahren unterschiedlicher Art finden, ist hingegen lang. Laut Medizinern an der University of Kansas haben Dampfer ein höheres Risiko für Herzinfarkt, koronare Herzkrankheit und Depression.18) Mäuse, die dem Dampf nikotinhaltiger E-Zigaretten ausgesetzt waren, entwickelten vermehrt Lungen- und Blasenkrebs, berichteten Mediziner von der New York University School of Medicine.19) Toxikologin Ilona Jaspers von der Universität North Carolina wiederum fand Hinweise darauf, dass das Dampfen das Immunsystem beeinträchtigt.20)<h2>Passivdampfen</h2>Im Jahr 2013 untersuchte das Team um Tunga Salthammer, Fachbereichsleiter Materialanalytik und Innenluftchemie am Fraunhofer-WKI in Braunschweig, die Innenraumbelastung durch E-Zigaretten.21) „Die E-Zigarette ist deutlich emissionsärmer als eine Tabakzigarette“, sagt Salthammer. „Aber das rechtfertigt nicht ihren unlimitierten Gebrauch in Innenräumen.“ Auch laut Innenraumhygienekommission des Umweltbundesamts kann Passivdampfen die Gesundheit Dritter gefährden.Die entstehenden Aerosole können Atemwegsbeschwerden verursachen. „Der Dampfer pustet ziemlich viel Propylenglykol und Glycerin in die Welt, außerdem Nikotin und andere Substanzen.“ Der Ausschuss für Innenraumrichtwerte des Umweltbundesamts setzte im Jahr 2017 für Propylenglykol einen Vorsorgewert von 0,06 mg pro Kubikmeter Raumluft fest und einen Gefahrenwert von 0,6 mg.22) Bei einem einzigen drei Sekunden langen Paffen einer E-Zigarette wurden in Salthammers Studie bis zu 5,5 mg der Verbindung frei.Im Gegensatz zur Tabakzigarette gibt es bei der E-Variante keinen Nebenstromrauch, also keine Emissionen, die direkt aus der Zigarette austreten. Substanzen entweichen immer nur dann in die Raumluft, wenn der Dampfer ausatmet. Es entstehen keine festen Partikel wie beim Tabakrauch, sondern ultrafeine nebelartige Tröpfchen.<h2>Einstiegs- statt Ausstiegsdroge</h2>Bleibt die Frage: Wer benutzt E-Zigaretten? Sind es starke Ex-Raucher, dann ist dagegen wenig zu sagen: „Ein vollständiger Umstieg vom Rauchen auf E-Zigaretten kann wahrscheinlich das Gesundheitsrisiko senken“, schreibt die Stabsstelle Krebsprävention am Deutschen Krebsforschungszentrum. Ein anerkanntes Hilfsmittel zum Rauchstopp seien die Dampfgeräte allerdings nicht, da die bisherigen Studien dazu widersprüchlich seien.23)Gerade in den USA zeigt sich Alarmierendes: Viele Jugendliche, die vorher nicht geraucht haben, beginnen mit dem Dampfen, weil es als trendy gilt. Zwischen 2017 und 2018 stieg der Anteil an Schülern, die dampfen, von 11,7 auf 20,8 Prozent.24) 3,6 Millionen Minderjährige dampfen in den USA inzwischen, beliebt sind vor allem E-Zigaretten mit Aroma. Nach Meinung von Experten greifen viele Dampfer im späteren Leben auch zur richtigen Zigarette; die E-Zigarette fungiert als Einstiegsdroge statt als Abgewöhnungsmittel.Das wahre Problem an E-Zigaretten ist daher vielleicht gar nicht das Chemikaliengemisch, das beim Dampfen frei wird – dessen Zusammensetzung ließe sich durch kontrollierte Temperaturen, normierte Geräte und klare Richtlinien bezüglich der Liquids verbessern. Die Vermarktung der E-Zigarette als Lifestyle-Produkt allerdings könnte das Rauchen selbst wieder normalisieren und mehr Menschen vom Glimmstengel abhängig machen. In Anbetracht der Tatsache, dass Rauchen die Lebenserwartung um knapp zehn Jahre senkt, keine gute Prognose.<figure><img src="https://media.graphcms.com/wLGNW86FQzubxnIx2N0a"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Voll im Trend: E-Zigaretten. Foto: Grispb/<a href="https://stock.adobe.com" target="_blank">stock.adobe.com</a></figcaption></figure>
<h2>Die Autorin</h2>Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath arbeitet als Wissenschaftsredakteurin am Paul-Scherrer-Institut in Villingen, Schweiz, und als freie Wissenschaftsjournalistin nicht nur in Deutschland. <a href="https://www.writingscience.de" target="_blank">www.writingscience.de</a><div><img src="https://media.graphcms.com/ldKExmiTSSUA3tMqqC1l">

</div><h2>AUF EINEN BLICK</h2>E-Zigaretten und nikotinhaltige Liquids sind über die Tabakerzeugnisverordnung reguliert.Die Aerosole und Emissionen enthalten Substanzen wie Aldehyde, N-Nitrosamine, Alkaloide und Metalle; viele der Substanzen wirken reizend und lösen Entzündungen aus.Welche Gefahren von E-Zigaretten ausgehen, ist noch nicht ganz klar, da es an der Vergleichbarkeit der Systeme und Langzeitstudien mangelt.
<ul><li>
1 K. Li, A. Hüsing, R. Kaaks, BMC Medicine 2014, 12, 59</li><li>
2 L. Jayes, P.L. Haslam, C.G. Gratziou et al, Chest 2016, 150, 164</li><li>
3 D. Aune, S. Schlesinger, T. Norat, E. Riboli, Eur. J. Epidemiol. 2018, 33, 509</li><li>
4 Patent US3200819A, <a href="https://patents.google.com/patent/US3200819" target="_blank">https://patents.google.com/patent/US3200819</a></li><li>
5 D. P. Giovenco, D. Hammond, C.G. Corey, B. K. Ambrose, C. D. Delnevo, Nicotine Tob. Res. 2015, 17, 1279</li><li>
6 <a href="https://gdch.link/2o" target="_blank">https://gdch.link/2o</a></li><li>
7 Mordor Intelligence, E-cigarette Market – Growth, Trends and Forecast (2019 – 2024), 2018: <a href="https://gdch.link/2p" target="_blank">https://gdch.link/2p</a></li><li>
8 Stellungnahme Nr. 013/2008 des BfR, 5. Januar 2008: <a href="https://gdch.link/2q" target="_blank">https://gdch.link/2q</a></li><li>
9 <a href="https://gdch.link/2r" target="_blank">https://gdch.link/2r</a></li><li>
10 <a href="https://gdch.link/2s" target="_blank">https://gdch.link/2s</a></li><li>
11 L. Shahab, M. L. Goniewicz, B. C. Blount et al., Annals of Internal Medicine 2017, 166, 390</li><li>
12 T. Cheng, Tob. Control 2014, 23, 11</li><li>
13 R. P. Jensen, R. M. Strongin, D. H. Peyton, Sci. Rep. 2017, 7, 42549</li><li>
14 H. C. Erythropel, S. V. Jabba, T. M. DeWinter et al., Nicotine &amp; Tobacco Research 2019, 21, 1248</li><li>
15 P. Olmedo, W. Goessler, S. Tanda et al., Environmental Health Perspectives 2018, 126, 2</li><li>
16 Science 2019, 366 (6467), 780</li><li>
17 R. Polosa, F. Cibella, P. Caponnetto et al., Sci. Rep. 2017, 7, 13825</li><li>
18 M. Vindhyal, Impact on Cardiovascular Outcomes among E-Cigarette Users: A review from National Health Interview Surveys, American College of Cardiology’s 68th Annual Scientific Session, März 2019; <a href="https://gdch.link/2u" target="_blank">https://gdch.link/2u</a></li><li>
19 Moon-shong Tang, Xue-Ru Wu, Hyun-Wook Lee et al., PNAS 2019, doi: <ext-link ext-link-type="doi">10.1073/pnas.1911321116</ext-link></li><li>
20 I. Jaspers, Pulmonary Effects of Exposure to Tobacco Smoke and New Tobacco Products, AAAS Meeting, Februar 2016. <a href="https://gdch.link/2v" target="_blank">https://gdch.link/2v</a></li><li>
21 T. Schripp, D. Markewitz, E. Uhde, T. Salthammer, Indoor Air 2013, 23, 25</li><li>
22 a) Ausschuss für Innenraumrichtwerte, 2017. Richtwert für Propan-1,2-diol (Propylenglykol) in der Innenraumluft. Bundesgesundheitsblatt 60, 1298; b) Innenraumlufthygienekommission, 2016. Stellungnahme der Innenraumhygienekommission (IRK) zu elektronischen Zigaretten (E-Zigaretten). Bundesgesundheitsblatt 59, 1660</li><li>
23 Stellungnahme zur Diskussion um E-Zigaretten, Stabsstelle Krebsprävention am dkfz, Juni 2014. <a href="https://gdch.link/2w" target="_blank">https://gdch.link/2w</a></li><li>
24 2018 National Youth Tobacco Survey (NYTS) <a href="https://gdch.link/2x" target="_blank">https://gdch.link/2x</a></li></ul>

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