Nanoparticule

Unenanoparticuleest selon la normeISO80004-1 unnano-objetdont lestrois dimensionsexternes sont à l'échellenanométrique, c'est-à-dire une particule dont le diamètre nominal est inférieur à 100nmenviron. D'autres définitions évoquent un assemblage d'atomesdont au moins une des dimensions se situe à l'échelle nanométrique (ce qui correspond au « nano-objet » tel que défini par la norme ISO précitée) ou insistent sur leurs propriétés nouvelles (dues auconfinement quantiqueet à leursurface spécifique) qui n'apparaissent que pour des tailles de moins d'une centaine de nanomètres.
Des nanoparticules (naturelles ou artificielles) circulent dans l'environnement, notamment via l'airet l'eau (eaux uséesnotamment). Certaines peuvent causer des problèmesinflammatoirespulmonaires plus vifs que lesPM10et lesPM2.5et sont fortement suspectées d'avoir des effets négatifs sur l'environnementet sur lasantéquand elles sont inhalées ou qu'elles pénètrent le corps via la peau, l'eau ou l'alimentation ;« Les études toxicologiques démontrent clairement que la très petite taille des nanoparticules est un élément-clé au niveau de la toxicité, surtout au niveau des particules non ou peu solubles […] les propriétés de surface, la capacité à induire desradicaux libresou à libérer certainsionspeuvent également influer substantiellement sur la toxicité. Plusieurs effets pulmonaires ont été documentés dont la capacité de certaines nanoparticules à induire desgranulomespulmonaires. Les données actuellement disponibles semblent indiquer par ailleurs que l’absorption cutanée serait relativement limitée »(source : Ostiguyet al.,février 2006).
Pour les aspects «pollution de l'air» de ce sujet, voir l'article sur les PMO.1 intituléParticule ultrafine.
Une nanoparticule a« undiamètresuffisamment petit pour que les propriétés physiques et chimiques diffèrent de façon mesurable de celles des matériaux en vrac ».
Pour laRoyal Academy of Engineering(2004),« lananoscienceest l’étude des phénomènes et la manipulation de matériaux aux échelles atomique, moléculaire et macromoléculaire où les propriétés diffèrent significativement de celles à plus grande échelle ».
On peut également classer les nanoparticules/nano-objets selon leur taille dans chacune des trois dimensions :
Du point de vue dimensionnel, les nanoparticules/nano-objets se situent entre la matière ditemacroscopiqueet l'échelle atomique ou moléculaire. Leur taille est donc bien inférieure à celle d'une cellule humaine.
La diffusion rapide et la commercialisation des nanoparticules soulèvent de grands espoirs économiques et techniques, mais aussi des questions nouvelles sur les risques émergeant pour la sécurité, la santé et l'environnement, dans un contexte de connaissances scientifiques encore très lacunaires.
En tant qu'altéragènesphysiques ou chimiques, ce sont despolluantspotentiels de tous les milieux (airet eau, mais aussisoletréseau trophique, via labioaccumulation), que ce soit seuls, en groupe ou ensynergieavec d'autres polluants. Elles sont souvent beaucoup plustoxiquesetécotoxiquesque leurs homologues de taille supérieure. Et elles pénètrent facilement les organismes microbiens, fongiques, végétaux et animaux. Certaines nanoparticules, en contact avec l'air, sont en outre une source de risques d’incendieou d'explosion.
En raison de caractéristiques nouvelles (caractères physico-chimie-chimique liés à leur taille,surface spécifique,surface d'échange, point de charge nulle, potentiel zeta,etc.), les modèles utilisés pour les particules etmicroparticulesne fonctionnent plus.
Or, en 2009, selon leNanoTech Project, 1 015 produits de consommation courante contenaient déjà des nanoparticules, contre 54 en 2005 (+ 1 000 % en quatre ans), avec une production mondiale de plusieurs millions de tonnes de nanoparticules, et une écotoxicité encore presque inconnue. On les trouve déjà dans les eaux usées.
L'utilisation de nanoparticules (ex. :d'oxyde de cérium) chez l'homme ou l'animal comme moyen de limiter la perméabilité de l'intestin à certainsradionucléides, ou la «nanoremédiation»elle-même, qui se développe en Amérique du Nord, utilise de fortes doses de NP pour dépolluer les sols.
Dans certains cas, elles sont volontairement introduites dans l'organisme humain (produit de contraste, avec par l'exemple de l'oxyde de fernanoparticulaire (Ultrasmall superparamagnetic iron oxide), approuvé par la FDA).
La recherche commence à aborder ces questions.
Lesnanoparticules de protéinesouPNPs(pourProtein nanoparticles), jouent déjà un rôle de longue date dans certaines applications alimentaires et industrielles. On sait construire chimiquement des nanoparticules utilisant des protéines comme principaux éléments constitutifs, ce qui a conduit à explorer et exploiter leur potentiel ennanomédecineoù certains prédisent des percées majeures dans l'utilisation de cesPNPsen tant que vecteurs d'administration de médicaments, de thérapies à base de particules ou dethérapie géniquenon virale.
Des effets d'association par adsorption et de dissociation entre protéines et nanoparticules métalliques sont démontrés, mais encore mal compris. Ces associations forment des complexesnanoparticule-protéinequi deviennent des entités biologiquement active nouvelles. Ce sont les propriétés de ces complexes qui expliqueraient une grande partie des effets biologiques des nanoparticules (y compris la réponse inflammatoire), ainsi que la manière dont ces effets sont médiés par les protéines adsorbées sur les nanoparticules. Il semble que dans un fluide biologique, certaines protéines subissent des changements conformationnels et s'associent spontanément et systématiquement aux nanoparticules, d'une manière liée à la taille, la forme et aux caractéristiques surfaciques de ces nanoparticules.Selon Lynch et ses collègues (2007), ce seraient« la quantité et la présentation des protéines à la surface plutôt que les particules elles-mêmes qui seraient à l'origine de nombreuses réponses biologiques. C'est cette couche externe de protéines qui est vue par les cellules biologiques et qui conduit à leurs réponses ».
Comprendre ces interactions nécessite des techniques d'observation et de mesure inhabituelles, et des modèles explicatifs nouveaux, propres aux nanoéchelles. Ici, les forces en jeu sont liées aux motifs conformationnels des protéines tels que leshélices alpha, lesfeuillets bêtaet lestours conformationnelsdes chaînes d'acides aminés, mais aussi aux interactions intramoléculaires et atomiques à plus longue portée impliquant par exemple desponts disulfure, desliaisons hydrogèneou desinteractions de Van der Waals,hydrophobesetélectrostatiques, et des interactions intermoléculaires mieux expliquées par laphysique quantiqueet lachimie quantiqueque classiques, ce qui explique que des changements, même infimes, dans la composition d'une protéine peuvent avoir un impact biologique important, ce qui pose de nouvelles questions en termes denanotoxicologie.
Depuis le début desannées 2000, des universitaires ont entrepris de comprendre et cartographier lesépitopesde la couronne protéique qui entoure les nanoparticules dans les solutions biologiques. Autour de nanoparticules colloïdales, cette couronne protéique est une couche d'adsorption qui joue un rôle important dans leur interaction avec la matière vivante.En2014, une revue d'étude montre que ce rôle a été démontré par de nombreuses expériences, mais que les mécanismes explicatifs (dissociation à l'équilibre, coefficients cinétiques...) restent incompris.
Sans surprise, des molécules toxiques et génotoxiques à doses « macro » peuvent se montrer également génotoxiques sous forme nanomoléculaire (ex. :chrome(VI)), mais lagénotoxicitéde la plupart des nanoparticules doit être spécifiquement réétudiée.
Elle est testéein vitroou sur le modèle animal (rat…), et aussi chez des planteset parfois chez l'homme, mais difficile à évaluer avec les tests classiques, et des résultats contradictoires sont donnés pour les courtes expositions.
Certaines nanoparticules (Au, ou TiO2par exemple) sont suspectées de pouvoir endommager l'ADN, sans que l'on sache encore si cet effet est dû à un stress oxydant ou à d'autres causes. La localisation nucléaire de nanoparticules d'or a été démontrée aumicroscope électronique en transmission; des liens avec certains cancers seraient possibles.
La question des effets synergiques commence aussi à être explorée, par exemple pour une exposition simultanée au DDT et à du titane nanoparticulaire, ou une exposition à des UV simultanément à des nanoparticules présentes dans l'eau.
Pour les aspects pollution de l'air, voir l'articleParticule ultrafine(PM0.1).
En recherche fondamentale et/ou appliquée, l'intérêt pour les échelles nanométriques est ancien (comme le montre le questionnement sur la taille minimale des objets des grecs anciens qui a conduit au mot moderne d'atome). C'est auXXsiècle et surtout depuis lesannées 1990que les physiciens et chimistes ont concrètement découvert, synthétisé et étudié les nanoparticules, en cherchant à comprendre et maîtriser leurs structures et leurs propriétés.
Lesbiologistesoubiochimistesles utilisent comme marqueurs cellulaires, particulesvaccinales, support pour marqueursfluorescents,etc.
Laspectroscopie de masse à plasma à couplage inductif de particules individuelles (SP ICP-MS)est une méthode en développement pour caractériser les nanoparticules : on l’utilise pour la détection et la quantification des nanoparticles dans des échantillons environnementaux, pour évaluer leur migration dans un matériau, pour évaluer la grosseur des nanoparticules ainsi que leur distribution dans un milieu et pour déterminer leur stabilité dans un milieu.
La SP ICP-MS est une option viable étant donné qu’elle offre unelimite de détectiontrès basse, permettant la détection de particules de l’ordre dung/L, d’une masse de l’ordre d’une dizaine d’attogrammeset d’une grosseur de 2nm. Cette méthode nécessite d'être couplée avec une caractérisation physico-chimique.
Les propriétés particulières des nanoparticules intéressent l'industrie (nanotechnologies) qui les ont déjà incluses dans la composition de divers produits de santé et de beauté (crèmes solaires,cosmétiques), dans l'industrie du bâtiment (enduits extérieurs, peintures et vernis d’ameublement) et de nombreux autres secteurs (ex : catalyseurs de carburant, pellicules et films pour l'image, l’électronique et l’informatique, l'agriculture ,etc.).
Les nanoparticules sont aussi utilisées en médecine, dans le cadre de la vaccination (adjuvants immunologique).
Il est possible d'associer plusieurs molécules aux propriétés différentes pour produire une nanoparticule polyfonctionnelle, ayant par exemple des propriétés :
Les propriétés de la matière changent fortement quand la taille des objets se rapproche du nanomètre. Ceci est dû en partie au fait que la surface d'un matériau joue un rôle de plus en plus grand dans ses propriétés physiques lorsque sa taille décroît, alors que le nombre d'atomes appartenant à la surface est négligeable dans le cas d'un matériau macroscopique. Par contre, pour un objet nanométrique, la fraction des atomes appartenant à la surface est loin d'être négligeable. Entre autres, on peut noter que :
Les impacts sanitaires (toxicologiquesetécotoxicologiques) des nanoparticules, qu'elles soient d'origine naturelle ou anthropique, sont encore très mal connus, néanmoins ils sont supposés importants, car si ces particules ont une masse extrêmement faible, leur surface de réaction est proportionnellement la plus grande (par unité de poids). Leur impact varie probablement selon leur taille, leur caractèrehygrophile,lipophile, leurionisationoucharge électrique, leur tendance à s'agglutiner ou non qui peuvent favoriser (ou non) leur passage des barrières biologiques (cellulaire,peau,muqueuses,poumon,intestin,barrière hématoencéphalique,placentaire,etc.). Par exemple, chez l'homme expérimentalement exposé à dutechnétiumradioactif (facile à suivre), on a retrouvé ce technétium rapidement dispersé dans lesang, letissu cardiaqueet lefoie, avec une élimination rénale rapide, mais les résultats diffèrent selon les études, et ce domaine reste très mal exploré.
Des expériences animales, et d'expositionin vitrode cultures de cellules humaines, ont montré que les nanoparticules étaient facilementphagocytéespar des cellules (bronchiquesnotamment). Pour échapper aux biais dumodèle animal, des études ont même été faites sur l'homme, y compris en exposant des personnes en chambre fermée à desfuméesdediesel(États-Unis, Royaume-Uni, Suède). Les données sont encore limitées et ne permettent pas encore de suiviépidémiologiqueouécoépidémiologiquefin.
Des nanoparticules phagocytées par une cellule peuvent interagir avec les membranes plasmiques et les organites cellulaires, d'autant que certaines de ces particules sont descatalyseurs. Elles peuvent amorcer la production d'espèces réactives de l'oxygène (associé à unstress oxydantimpliquant desradicaux libreset leurs «effets en cascade»).
Diverses études ont montré des effets à court-terme (ex. :asthmeet réponses inflammatoires pulmonaires, éventuellement chronique) des PUF, mais on soupçonne fortement aussi des effets à long terme.
L'être humain et d'autres espèces vivantes sont notamment exposés à des nanoparticules ayant comme source des phénomènes d'usure mécanique (systèmes defreinageet usure despneuspar exemple), et decombustion(combustions domestiques,incinération,pots d'échappementy comprispots catalytiques,centrales thermiques, certaines productions industrielles,etc.).
Des études ont mis en évidence (dont chez l'être humain) qu'une importante part des nanoparticules inhalées atteignaient directement les alvéoles pulmonaires, d'où elles peuvent passer dans les cellules ou dans le sang. Lapilositénasale, lemucuset le transport mucociliaire n'éliminent que les grossesparticules. Les PUF (particules ultrafines) ne sont éliminées que par desmacrophagesalvéolaires.
En particulier, des particules ultrafines associées« à une hausse de la mortalité due à leur dépôt dans les poumons, cerveau et système circulatoire »sont produites par la combustion duboisou autres combustibles et carburants (fioul,essence,moteurs Diesel),etc., et même par la combustion dugaz naturel(si ce dernier ne produit pas desuiesde 10 et 100nm, une étudede l’universitéFederico IIde Naples (Italie), unbrûleurdechauffe-eauau gaz ou degazinièreproduit des particules de 1 à 10 nanomètres (nm) de diamètre se forment). Dans unechaudière à condensation, leur taux est faible (0,1 milligramme parnormo mètre cubeou mg/Nm) à la suite de leur oxydation optimisée dans la zone de la flamme, mais un brûleur de gazinière engendre des taux particulaires bien plus élevés (5mg/Nm) ainsi d'ailleurs qu'une « quantité significative » d’hydrocarbures aromatiques polycycliquesqui pourraient peut-être interagir avec ces nanoparticules.
La plupart des pays n'ont pas pris le temps d'éditer de normes en matière d'exposition aux nanoparticules, bien que leur production industrielle soit déjà lancée (et que lapollution automobileen reste une source importante).
En Europe,En 2009, les États se limitent généralement — au mieux — au suivi desPM2,5 (dont en Europe conformément auxrecommandations d'une directive), alors que lesPM1 sont celles qui sont susceptibles d'être le mieux absorbées par les organismes vivants.
Mi-2008, à la suite d'une première évaluation duPlan d'action européen en matière d'environnement et de santé 2004-2010— le Parlement européen a déploré que les nanoparticules échappent aurèglement européen Reach(car ce dernier a inclus des seuils de tonnages annuels de production que n'atteignent pas les laboratoires et industries produisant des nanoparticules) et que la commission européenne ait trop tardé à évaluer les risques et réglementer le marché des nanoparticules. Dans une résolution le parlement se dit« préoccupé par l'absence de dispositions juridiques spécifiques pour garantir la sécurité des produits de consommation contenant des nanoparticules et l'attitude désinvolte de la Commission face à la nécessité de revoir le cadre réglementaire relatif à l'utilisation des nanoparticules dans les produits de consommation, eu égard au nombre croissant de produits de consommation contenant des nanoparticules qui sont mis sur le marché ».
Une définition européenne harmonisée a été produite enoctobre 2011. Elle définit comme nanoparticule« un matériau naturel, formé accidentellement ou manufacturé contenant des particules libres, sous forme d'agrégat ou sous forme d'agglomérat, dont au moins 50 % des particules, dans la répartition numérique par taille, présentent une ou plusieurs dimensions externes se situant entre 1 et 100nm», définition qui sera réviséed'ici décembre 2014selon lesretours d'expérienceet nouvelles données scientifiques. Le règlement Reach est un premier cadre, très insuffisant car prenant mal en compte les faibles tonnages, mais ses annexes devraient être corrigées pour intégrer les « nano », et l'Agence européenne des produits chimiques(Echa) pourrait imposer de nouvelles obligations d'enregistrements après 2013.
En 2008,En France, leseuil préjudiciableest de 40 µg/mpour lesPM-10. Unedirective européennedevrait le faire passer à 25 µg/m. Le groupe santé duGrenelle de l'environnementa demandé en 2007 qu'il soit aligné sur la recommandation de l'OMS qui est de 10 µg/m.
À la suite de laloi Grenelle 2, deux décrets et un arrêté imposent depuis le1janvier 2013, aux fabricants, importateurs et distributeurs opérant en France de déclarer annuellement les quantités et usages qui les concernent à l'Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail(Anses), et en retenant la définition européenne des nanoparticules. Les donnéesidentitéetusagesseront publiques dans les six mois suivant la date butoir de déclaration (1mai 2013). Toutefois, lesecret industrielet une définition restrictive (au-dessus de 100nm, l'Europe ne parle plus de nanoparticules) pourraient freiner cette volonté de transparence. De plus, le Comité scientifique des risques sanitaires émergents (européen) souhaitait un seuil très inférieur à celui adopté : selon lui, la déclaration devrait porter sur les matériaux contenant à partir de 0,15 % de nanoparticules (de 1 à 100nm) et non 50 %.
Les nanoparticules de synthèse sont actuellement produites par des méthodes diverses(en agglutinant des atomes (bottum-up) ou en dégradant des matériaux), dont :
Synthèse chimique:
Synthèse par des méthodes physico-chimiques :
Synthèse par méthodes mécaniques :
Synthèse par méthodes biologiques :
Au milieu des années 1990, Ostiguy et ses collègues ont conclu« que ces produits puissent être toxiques et que les moyens actuels de protection puissent ne pas être aussi efficaces qu’on le croit »(source : page 8/90 de laversion PDF de l'étudeLes nanoparticules : connaissances actuelles sur les risques et les mesures de prévention en santé et en sécurité du travailde Ostiguyet al.,Les nanoparticules : connaissances actuelles sur les risques et les mesures de prévention en santé et en sécurité du travail, déjà citée(publication IRSST / Québec) (consulté le1décembre 2010)).