Etude in vitro de la toxicité de nanoparticules de boehmite

Les nanoparticules sont considérées comme des facteurs de risques potentiels pour la santé au travail. Bien que le risque sanitaire induit par les nanoparticules soit encore assez mal caractérisé, les nano-aérosols présents dans les ambiances industrielles correspondent déjà à de forts enjeux de prévention après les effets dévastateurs de l’exposition à l’amiante. En effet, les particules inhalées peuvent être responsables de pathologies pulmonaires : asbestose, cancer broncho-pulmonaire, mésothéliome de la plèvre ou digestives (Salmeron 2008) comme l’illustre le cas de l’amiante au siècle dernier. Depuis les nanotechnologies n’ont pas cessé d’être développées, cet essor entraine de nombreuses inquiétudes dues au manque d’information sur leurs toxicités.

En effet lors des différentes étapes du procédé de synthèse des nanoparticules et du cycle de vie des produits (Figure 1), un risque d’inhalation de nanoparticules aérosolisées existe (Ostiguy 2006; G. Oberdorster et al. 2007). Les particules fines (diamètre inférieur à 2,5µm) et ultrafines (diamètre inférieur à 0,1µm) vont pouvoir ainsi pénétrer puis se déposer dans les différentes parties du tractus respiratoire. Les macrophages alvéolaires, présents au sein de l’appareil respiratoire, participent à la barrière défensive de l’organisme. Ces cellules ont une activité de phagocytose qui leur permet d’internaliser les nanoparticules étrangères afin de tenter de les éliminer notamment à l’aide de l’appareil mucociliaire et de la déglutition via le carrefour aéro digestif. Au cours de ce processus biologique, les particules inhalées peuvent se révéler toxiques. Elles peuvent en effet engendrer des symptômes respiratoires, provoqués par une inflammation et pouvant conduire à un risque oncogène notamment lors d’exposition chronique (Günter Oberdörster 2002; Buzea et al. 2007; Warheit et al. 2008).

En raison des risques potentiels encourus dans le cadre d’une exposition professionnelle, il est indispensable d’évaluer la toxicité des particules fines inhalées. Des études préliminaires montrent que les paramètres physico-chimiques des nanoparticules (composition chimique et structurale, propriétés de surface, caractéristiques morphologiques…) ont une grande influence sur l’activité biologique mesurée (Günter Oberdörster 2002; Buzea et al. 2007; Warheit et al. 2008).L’évaluation du risque a pour objectif de permettre de meilleures conditions d’hygiène et de sécurité dans les ambiances professionnelles et ainsi de limiter les impacts nocifs sur l’organisme.

En milieu professionnel, le risque est défini comme la probabilité qu’une personne subisse un préjudice ou des effets nocifs pour sa santé en cas d’exposition a un danger. Les risques sont exprimés sous forme d’éventualité ou de probabilité d’une maladie ou d’une blessure. L’évaluation du risque suppose donc une bonne connaissance de l’identité du danger et de la toxicité des produits (relation dose réponse), des niveaux d’exposition et de la caractérisation des dangers aux divers postes de travail. L’intégration de l’ensemble de ces informations et la comparaison des propriétés dangereuses et de la dose effective estimée à partir des niveaux d’exposition permet une évaluation du niveau de risque. En l’absence de données toxicologiques adéquates sur les nanoparticules, il demeure possible de documenter les risques connus pour la même substance de taille supérieure.

Le monde des nanotechnologies

Définition et sources d’émission des nanoparticules

Les nanoparticules sont des objets rencontrés de plus en plus couramment, employés dans des secteurs divers. Ces produits sont classés selon leurs différentes origines :
– Origine naturelle : provenant principalement des phénomènes de nucléation, des condensations de vapeurs dans l’atmosphère, des volcans (cendres) et des combustions de forêts.
– Origine anthropogéniques non-intentionnelle ou appelée aussi accidentelles issues des procédés chauds tels que le soudage des métaux ou encore la combustion des moteurs.
– Origine anthropogéniques intentionnelles qui sont directement manufacturés par l’homme sous forme de nanomatériaux.

Modification des propriétés des solides divisés à l’échelle nanométrique

Il a été montré dans de précédentes études toxicologiques expérimentales in vivo et in vitro sur des particules fibreuses et sphériques de taille micrométrique que les particules fibreuses naturelles, comme l’amiante, sont associées à des effets cytotoxiques et génotoxiques qui entraînent dans le cadre d’une exposition prolongée un risque accru de pathologies inflammatoires et cancéreuses comme des fibroses pulmonaires et de cancers bronchopulmonaires (Stanton et al. 1977). Dans le cas des nanoparticules, leur très petite taille leur confère des propriétés remarquables avec notamment une surface spécifique très importante.

Une microparticule cubique d’un micromètre de côté possède une surface de 6µm², si on estime que cette microparticule est composée de nanoparticules de 1nm de côté alors elle aura un volume de 10⁹ nm3 et une surface cumulée de toutes les nanoparticules de 6.10⁹ µm². Donc à volume égal, la surface spécifique des nanoparticules est 10³ fois plus grande que celle d’une microparticule (Figure 6). Avec cette gamme de taille, la principale caractéristique conférée aux nanoparticules est un rapport surface / volume très élevé.

Les nanoparticules possèdent un réel intérêt industriel et économique au vu des nombreuses propriétés remarquables qu’elles présentent :

– Les premières suspensions de nanoparticules étudiées scientifiquement sont attribuées à Faraday (1847). Il établit le lien entre les couleurs (doré, bleu, noir ou encore rouge vif) de solutions de particules d’or (appelées « sols » d’or) et leur taille. Cette propriété était depuis longtemps exploitée pour donner leurs couleurs vives aux vitraux.
– Optiques : Certaines nanoparticules d’oxydes métalliques ont la capacité d’adsorber dans les UV comme par exemple l’oxyde de zinc (ZnO) et le dioxyde de titane (TiO2)qui sont utilisées dans les produits cosmétiques (crèmes solaires) car elles représentent une bonne protection contre les UV tout en ayant l’avantage d’être transparents dans le visible.
– Electriques : L’ajout de nanotubes de carbone (NtC) à des matrices composites comme Al2O3, (Zhan et al. 2003) augmente par exemple très significativement la conductivité du matériau. Ces propriétés électriques, dues à la proximité de leurs niveaux d’énergie occupés et vacants (confinement quantique), font des nanoparticules des candidates idéales pour la photocatalyse(Kamat 2002). C’est par exemple le cas pour les nanoparticules de TiO2, elles sont incorporées à des surfaces pour leur donner des qualités «autonettoyantes». Des industries très variées les emploient à ces fins aussi bien dans le bâtiment que le textile (Qi et al. 2006; Vigneshwaran et al. 2006; Chattopadhyay & Patel 2011). Les NtC possèdent des propriétés électriques très intéressantes: selon leur hélicité, les NtC peuvent être conducteurs ou semiconducteurs. Ils sont aussi capables d’émettre des électrons lorsqu’on les soumet à un champ électrique, et cet effet est d’autant plus important que le NtC est long et fin (A. K. Jain et al. 2007).
– Mécaniques : Les propriétés s’étendent de la superplasticité (ex : matériau constitué de cuivre nanocristallin, (L. Lu et al. 2000) à des résistances décuplées (ex: renforcement de matrices par des nanotubes de carbone). En effet, la dureté de NtC multiparois peut atteindre celle du diamant.
– Biologique : La petite taille des nanoparticules leur permet d’interagir de façon particulière avec les systèmes biologiques (protéines, membranes, cellules). L’utilisation des nanoparticules à des fins thérapeutiques a été envisagée il y a déjà une vingtaine d’années et continue de susciter des recherches actives dans ce domaine notamment dans la libération contrôlée de médicaments (Couvreur & Puisieux 1993; Moghimi et al. 2005) ou l’amélioration des techniques d’imagerie médicale. On parle alors de nanomédecine. Cependant, une utilisation courante des nanoparticules pour des applications de diagnostic, d’imagerie, voire curatives ne sera envisageable qu’une fois que la toxicité des nanoparticules aura été vérifiée en amont.

Les domaines d’applications des nanotechnologies

Le marché des nanotechnologies ne cesse de grandir depuis les années 90. Les nanoparticules possèdent de nombreuses propriétés qui peuvent donc conduire à un large domaine d’applications industrielles. En 2010, l’impact économique et industriel des nanotechnologies se répartit sur trois grands secteurs: électronique, pharmaceutique etles nanomatériaux .

De nombreux secteurs voient les nanomatériaux se développer (Afsset 2006) :
– Electronique et communication :mémoires à haute densité et processeursminiaturisés, nouvelles cellules solaires, batteries et cellules à combustion, descomposantes digitales logiques, des écrans plats à éclairement brillant, un couplagesilice/substances organiques.
– Pharmaceutique: développement d’agentsantimicrobiens, de marqueurs biologiques pour la recherche et le diagnostic, de procédés deséparation biomagnétiques, des vecteurs d’administration de médicaments, des milieux decontraste pour l’imagerie par résonance magnétique, des dispositifs orthopédiques et des écrans de protection solaire, délivrance des médicaments sur-mesure uniquement à des organes précis.En ce qui concerne les soins de santé, les nanomatériaux permettront de réaliser des moyens de diagnostic miniaturisés implantés afin d’obtenir des diagnostics précoces, en chirurgie, d’améliorer l’ingénierie tissulaire et les implants avec des revêtements améliorant la biocompatibilité et la bioactivité, l’analyse d’ADN, la construction d’appareils d’ultraprécision, des systèmes d’analyse et de positionnement, de meilleurs systèmes optiques, des biopuces à haute densité, la biodétection de pathogènes, la détection de protéines…
– Chimie et matériaux :développement de nanocomposites à matrice polymère, élargissement des domaines d’application des polymères et amélioration de certaines propriétés (allègement et renforcement des structures, amélioration des propriétés optiques, augmentation de la durabilité, mais également résistance au feu, aux températures élevées et aux chocs thermiques). Le but est d’obtenir des céramiques, pigments, poudres et catalyseurs multifonctionnels et plus efficaces, des technologies de collage sans colle, de nouvelles technologies de soudage, des couches fonctionnelles (anti-adhésif, antistatique, etc.), des peintures, vitres et vêtements photo-actifs et autonettoyants, etc.
– Transport: réduire le poids des véhicules,augmenter la résistance des pièces automobiles (rayures), augmenter la tenue à la température de certaines pièces, diminuer la consommationd’énergie, limiter les émissions de gaz à effet de serre et augmenter la sécurité et leconfort des passagers. Aéronautique et spatial : améliorer la performance et diminuer le poids des matériaux,augmenter la durée de vie, diminuer la consommation et améliorer la performance desmoteurs.

– Autres :
• Environnement : utilisation des nanomatériaux pour la réduction des émissions de polluants, le traitement des effluents (photocatalyse et purification des gaz), la production d’eau ultrapure à partir d’eau de mer…
• Energie : amélioration des performances des systèmes énergétiques, développement d’énergie propres, économies d’énergie, développement de matériaux pour le stockage de l’hydrogène, cellules photovoltaïques, éclairage plus économique, matériaux isolants plus efficaces…
• Cosmétiques : améliorer les propriétés des produits cosmétiques telles quela tenue, la transparence, la brillance et les propriétés optiques (filtration des rayonnements ultraviolets, tenue des crèmes solaires à l’eau, adaptation à l’environnement par effet photochromique, nouveaux effets visuels, anti-vieillissement de la peau.
• Alimentaire : revêtement imperméable, membranes pour le traitement des liquides alimentaires, marquage pour la traçabilité .

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Table des matières

Introduction
Chapitre I. Etude bibliographique
I.1. Contexte de l’étude
I.1.1. Le monde des nanotechnologies
I.1.2. Devenir des nanoparticules dans l’organisme
I.1.3. Nanotoxicologie
I.1.4. Etat de l’art sur la biotoxicité de la boehmite
I.1.5. Activité biologique
I.2. Nanoparticules étudiées : la boehmite
I.2.1. Boehmite
I.2.2. Procédés de synthèse
I.2.3. Solubilité de la boehmite
I.3. Objectif de l’étude
Chapitre II. Matériels et méthodes
II.1. Caractérisation physico chimique des nanoparticules
II.1.1. Présentation des poudres étudiées
II.1.2. Techniques analytiques
II.2. Modèle biologique et tests de cyto-génotoxicité
II.2.1. Culture in vitro de macrophages de souris
II.2.2. Techniques d’évaluation de l’activité biologique
II.2.3. Toxicologie génétique
Chapitre III. Données Physicochimiques des particules de boehmite
III.1. Les poudres industrielles
III.1.1. Forme et granulométrie
III.1.2. Potentiel zêta et point isoélectrique
III.1.3. Evaluation de l’agrégation
III.1.4. Fraction aérosolisée
III.1.5. Surface spécifique
III.1.6. Structure cristalline
III.1.7. Analyse chimique et de surface des nanopoudres de boehmite
III.1.8. Solubilité
III.1.9. Résonance Paramagnétique Electronique
III.1.10. Conclusion intermédiaire
III.2. Posts-Traitements appliqués aux particules industrielles
III.2.1. Récupération de la fraction fine
III.2.2. Broyage
III.2.3. Données physico-chimiques des particules après traitements
III.2.4. Conclusion intermédiaire
III.3. Nanoparticules réalisées par synthèse hydrothermale à l’échelle du laboratoire
III.3.1. Forme et granulométrie
III.3.2. Potentiel zêta et point isoélectrique
III.3.3. Surface spécifique
III.3.4. Structure cristalline
III.3.5. Analyse chimique des poudres de boehmite
III.3.6. Conclusion intermédiaire
III.4. Conclusion
Chapitre IV. Evaluation de la toxicité biologique des poudres de boehmite
IV.1. Poudres industrielles
IV.1.1. Poudres industrielles brutes et traitées
IV.1.2. Evolution globale de l’activité biologique
IV.1.3. Génotoxicité
IV.1.4. Conclusion intermédiaire
IV.2. Activité biologique des particules élaborées par synthèse hydrothermale
IV.2.1. Activité biologique des particules avant dispersion
IV.2.2. Activité biologique des particules après dispersion
IV.2.3. Evolution globale de l’activité biologique
IV.2.4. Conclusion
IV.3. Conclusion générale
Chapitre V. Interactions protéines – nanoparticules
V.1. Introduction
V.2. Etude du phénomène artéfactuel
V.2.1. Dégradation du TNF-α
V.2.2. Adsorption sur la paroi des puits
V.2.3. Adsorption sur les nanoparticules
V.3. Cinétique d’adsorption
V.4. Loi de correction
V.5. Conclusion
Conclusion

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