Caractéristiques physico-chimiques et toxicité des nanomatériaux
« Caractéristiques physico-chimiques » et toxicité des nanomatériaux
Par l’équipe AVICENN – Dernier ajout juin 2022
A l’échelle nano, on ne peut plus considérer que « c’est la dose qui fait le poison », cette phrase du médecin et alchimiste Paracelse qui avait fondé la toxicologie et est très souvent invoquée pour évaluer les risques liés aux substances chimiques de synthèse. Scientifiquement, elle est désormais remise en question, notamment par le cas spécifique de la toxicité des nanomatériaux sur laquelle influent fortement les caractéristiques physico-chimiques des nanomatériaux considérés.
Chacun des paramètres mentionnés ci-dessous influe sur la toxicité des nanomatériaux. Et chacun d’entre eux est lui-même sujet à variation au cours du cycle de vie des nanomatériaux. D’où la complexité, pour les chercheurs, à statuer sur la toxicité des nanomatériaux.
– Leur composition chimique:
- Il s’agit de l’identité de la substance, par exemple « argent » ou « dioxyde de titane »
- On peut extrapoler les connaissances que l’on a sur la substance à l’état macro, dont les propriétés (et parfois la toxicité) connues peuvent être décuplées du fait de la réactivité de surface.
- De nouvelles propriétés (ou une toxicité nouvelle) peuvent également apparaître spécifiquement à l’échelle nanométrique ; elles sont nettement plus difficiles à prévoir, et on en sait encore souvent trop peu.
- Attention toutefois, les nanomatériaux d’une même famille ne peuvent pas être considérés comme une « monosubstance » : au sein de la même famille, différentes substances peuvent présenter une toxicité et une génotoxicité différentes1Résultats du programme européen Nanogenotox sur la génotoxicité des nanomatériaux, présentés en français à l’ANSES, lors de la Restitution du programme national de recherche environnement santé travail : Substances chimiques et nanoparticules : modèles pour l’étude des expositions et des effets sanitaires : Dossier du participant et Diaporama, novembre 2013. Et « L’évaluation toxicologique des nanomatériaux doit évoluer, selon un projet européen de recherche », APM International, 14 novembre 2013. Sur la génotoxicité des nanomatériaux, voir également : Genotoxicity of Manufactured Nanomaterials : Report of the OECD expert meeting, OCDE, décembre 2014.
– Leur dimension (taille et distribution de tailles) :
Leur taille nanométrique permet aux nanomatériaux de pénétrer la cellule et y entraîner des effets néfastes2Voir par exemple Size determines how nanoparticles affect biological membranes, Dunning, H., Imperial College London, 17 septembre 2020 (communiqué) et Size dependency of gold nanoparticles interacting with model membranes, Contini, C et al., Nature Communications Chemistry, 130, 2020, mais la taille des nanomatériaux n’est pas le seul qui rentre en ligne de compte ; la liste qui suit est également déterminante.
– Leur forme (ou morphologie) :
Il existe une grande diversité de formes de nanoparticules : des nanotubes, des nanofils, des nanofeuillets, des nanocubes, etc. il semble que les structures en tubes, fibreuses ou à multiples facettes présentent une toxicité plus importante que les structures lisses (comme les sphères), en lien avec la réactivité de surface3Voir par exemple : The influence of surface coatings of silver nanoparticles on the bioavailability and toxicity to elliptio complanata mussels, Auclair J et al., Journal of Nanomaterials, 2019 : Les nanoparticules d’argent nuisent aux moules : les teneurs élevées en argent chez les moules d’eau douce sont liées à un temps réduit de survie dans l’air, à une perte de poids durant l’exposition à l’air et à des dommages à l’ADN. ; l’action toxique peut également se révéler plus importante sur l’une des facettes, par exemple pour les nanomatériaux de forme et nature complexes (mais là encore, cela dépendra du type de nanomatériau).
– Leur surface spécifique :
Il s’agit de la surface d’une particule ou d’un matériau rapportée à son volume ; elle a un rôle important pour expliquer certaines modifications du comportement d’un même matériau (par exemple du sucre en poudre va fondre plus rapidement dans un thé chaud qu’un gros morceau de sucre)
– Leur réactivité de surface / chimie de surface (et le cas échéant, leur revêtement : enrobage ou encapsulation)
– Leur état de charge
– Leurs degrés d’agglomération / agrégation :
- A noter : Des recherches menées en Belgique publiées en 2020 montrent que les agrégats de taille supérieure à 100 nm ne doivent pas être considérés comme nécessairement moins toxiques que leurs homologues nanométriques, qu’il s’agisse de nanoparticules de silice4Cf. Assessing the Toxicological Relevance of Nanomaterial Agglomerates and Aggregates Using Realistic Exposure In Vitro, Murugadoss S et al, Nanomaterials, 11, 1793, 2021 et Is aggregated synthetic amorphous silica toxicologically relevant?, Murugadoss S et al., Particle and Fibre Toxicology, 17(1), 2020 ou de nanoparticules de dioxyde de titane5Cf. Agglomeration of titanium dioxide nanoparticles increases toxicological responses in vitro and in vivo, Murugadoss S et al., Particle and Fibre Toxicology, 17(10), 2020.
– Leur solubilité (dans l’eau, les fluides biologiques, …)
– Leur cristallinité
– Leur pulvérulence
– En français :
-
La surface particulaire retenue suite à une inhalation aiguë, subaiguë et subchronique de nanomatériaux gouverne la réponse inflammatoire pulmonaire chez le rat, INRS, Particle and Fibre Toxicology, 18(29), août 2021
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Cahier de la recherche n°17 : « Microplastiques et nanomatériaux »- Comprendre où en est la recherche, ANSES, mai 2021
- De l’importance de la taille des protéines dans les interactions protéines-nanoparticules, INC, CNRS, janvier 2021
- Impact des caractéristiques physicochimiques sur l’effet inflammatoire et pro-allergisant respiratoires des nanoparticules manufacturées, Françoise Pons, Université de Strasbourg, présentation aux Rencontres scientifiques de l’Anses & de l’ADEME sur la qualité de l’air, 17 octobre 2019
- Dossier « Caractériser les nanomatériaux », LNE, septembre 2017
- Bien caractériser l’infiniment petit pour contribuer à un développement responsable des nanotechnologies, Nicolas Feltin, Les Echos, 19 septembre 2017
- Opportunités et risques des nanomatériaux – Résultats, conclusions et perspectives – brochure finale, Programme national de recherche PNR 64, Fonds national suisse de la recherche scientifique, mars 2017
- Évaluation toxicologique des nanomatériaux d’oxydes métalliques : quelle place actuelle pour la modélisation « structure-activité » ?, Environnement, Risques & Santé, 15(6), novembre-décembre 2016
- Francelyne Marano, Faut-il avoir peur des nanos ?, Buchet Chastel, avril 2016
- Existe-t-il un lien entre caractéristiques physico-chimiques des nanomatériaux et leur écotoxicité ?, Camille Larue, Bulletin de Veille scientifique de l’ANSES, juillet 2014
- Evaluation des risques liés aux nanomatériaux – Enjeux et mise à jour des connaissances, ANSES, avril 2014 (mis en ligne le 15 mai 2014)
- Nanomatériaux : une revue des définitions, des applications, des effets sanitaires et des moyens à mettre en oeuvre pour un développement sécurisé, Eric Gaffet, Comptes Rendus Physique, Volume 12, numéro 7, pages 648-658, septembre 2011
- Influence des caractéristiques physico-chimiques des nanomatériaux sur leur toxicité, Marie CARRIÈRE et Mary-Line JUGAN, Bulletin de Veille Scientifique, 10 ANSES, 2010
- Comment caractériser les nanomatériaux, CSRSEN, 2009
En anglais :
- Influence of Critical Parameters on Cytotoxicity Induced by Mesoporous Silica Nanoparticles, Ahmadi A et al., Nanomaterials, 12(12), 2022
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Retained particle surface area dose drives inflammation in rat lungs following acute, subacute, and subchronic inhalation of nanomaterials, Cosnier, F et al., Particle and Fibre Toxicology, 18(29), août 2021
-
Nanomaterials shape and form influences their ability to cross the blood brain barrier, University of Birmingham, juillet 2021 (communiqué de presse) ; Biotransformation modulates the penetration of metallic nanomaterials across an artificial blood–brain barrier model, Guo Z et al., PNAS, 118 (28), juillet 2021
- Impact of the Physicochemical Features of TiO2 Nanoparticles on Their In Vitro Toxicity, Kose O et al., Chemical Research in Toxicology, 33 (9), 2324-2337, 2020
- Identification of the physical-chemical properties that modulate the nanoparticles aggregation in blood, Soddu L et al., Beilstein J. Nanotechnol., 11, 550–567, 2020
- ENANOMAPPER Une approche intégrée sur la sécurité des nanotechnologies, Cordis, janvier 2018
- Reproducibility, sharing and progress in nanomaterial databases, Nature Nanotechnology, 12(12) : 1111-1114, décembre 2017
- Physical-chemical parameters: Measurements and methods relevant for the regulation of nanomaterials, OCDE, janvier 2016
- Dissolution and biodurability: Important parameters needed for risk assessment of nanomaterials, Utembe W et al., Particle and Fibre Toxicology, 12:11, 2015
- Toxicity Risks of Engineered Nanomaterials, CIEL, ECOS et Öko Institut, janvier 2015
- Genotoxicity of Manufactured Nanomaterials : Report of the OECD expert meeting, OCDE, décembre 2014
- The dialogue continues, Nature Nanotechnology, 8, 69, février 2013 : The nanotoxicology community has numerous ideas and initiatives for improving the quality of published papers.
- Join the dialogue, Nature Nanotechnology, 7, 545, août 2012 : The nanotoxicology community should implement guidelines on the types of information that are required in their research articles to improve the quality and relevance of the published papers.
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- Ecole thématique du Groupement de recherche NaMasTE (Nanomatériaux Manufacturés, Toxicologie, Écotoxicologie et Risques : vers un développement maitrisé)
- Public : ingénieurs, chercheurs (contractuels et permanents), doctorants, industriels et membres d’associations travaillant sur les nanomatériaux
- Au programme : physico-chimie, biologie, et sciences environnementales nécessaires pour appréhender les aspects clefs liés au développement maitrisé des nanomatériaux.
→ approches de Safer-by-design, qui intègrent l’analyse de la production, la caractérisation des propriétés, le devenir, et les impacts (bénéfiques ou néfastes) des nanomatériaux et des produits qui les contiennent tout au long de leur cycle de vie - Dates : 5 au 10 octobre 2025
- Organisateur : CNRS
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- Formation destinée aux médecins du travail, intervenants en prévention des risques professionnels (IPRP), préventeurs d’entreprise, agents des services prévention des Carsat, Cramif et CGSS, préventeurs institutionnels (Dreets, Dreal, MSA…)
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- Site internet : www.inrs.fr/…/formation/…JA1030_2025
- 15h – Conférence d’Irène Frachon sur son combat pour révéler les dangers du médiator, les difficultés rencontrées par les lanceurs d’alerte face aux pressions institutionnelles et industrielles, mais aussi l’importance de leur rôle dans la défense de la santé publique.
- 16h – Table ronde sur la manipulation de l’information scientifique et la défense des lanceurs d’alerte animée par Raphaël Lévy (professeur de physique à l’université Sorbonne Paris Nord, spécialiste des nanoparticules et de leurs utilisations en biologie, coordinateur du projet ERC NanoBubbles dédié à la recherche sur les mécanismes de correction de la science), avec :
- Maud Bernisson, post-doctorante au LISIS (CNRS), membre du projet ERC NanoBubbles, sur les mécanismes d’influence des entreprises pharmaceutiques dans le champ scientifique
- Marc Samama, professeur, anesthésiste-réanimateur, co-président de la Commission des blocs et plateaux techniques de la CME de l’AP-HP, past Editor-in-Chief de l’European Journal of Anaesthesiology, directeur de l’Office de l’Intégrité Scientifique de l’AP-HP
- Solène Lellinger, maîtresse de conférences en Histoire et philosophie de la santé à l’université Paris Cité, spécialisée sur la socio-histoire du médicament et son intersection avec les pratiques médicales, et en particulier les modes de production des connaissances et informations concernant le médicament.
- Cécile Barrois de Sarigny, adjointe à la Défenseure des Droits, chargée de la protection des lanceurs d’alerte.
- Avec le soutien du projet ERC Synergy NanoBubbles
- Site internet : https://u-paris.fr/sante/irene-frachon-a-paris-une-conference-et-une-table-ronde-sur-lintegrite-scientifique
Fiche créée en novembre 2013
Notes and references
- 1Résultats du programme européen Nanogenotox sur la génotoxicité des nanomatériaux, présentés en français à l’ANSES, lors de la Restitution du programme national de recherche environnement santé travail : Substances chimiques et nanoparticules : modèles pour l’étude des expositions et des effets sanitaires : Dossier du participant et Diaporama, novembre 2013. Et « L’évaluation toxicologique des nanomatériaux doit évoluer, selon un projet européen de recherche », APM International, 14 novembre 2013. Sur la génotoxicité des nanomatériaux, voir également : Genotoxicity of Manufactured Nanomaterials : Report of the OECD expert meeting, OCDE, décembre 2014
- 2Voir par exemple Size determines how nanoparticles affect biological membranes, Dunning, H., Imperial College London, 17 septembre 2020 (communiqué) et Size dependency of gold nanoparticles interacting with model membranes, Contini, C et al., Nature Communications Chemistry, 130, 2020
- 3Voir par exemple : The influence of surface coatings of silver nanoparticles on the bioavailability and toxicity to elliptio complanata mussels, Auclair J et al., Journal of Nanomaterials, 2019 : Les nanoparticules d’argent nuisent aux moules : les teneurs élevées en argent chez les moules d’eau douce sont liées à un temps réduit de survie dans l’air, à une perte de poids durant l’exposition à l’air et à des dommages à l’ADN.
- 4Cf. Assessing the Toxicological Relevance of Nanomaterial Agglomerates and Aggregates Using Realistic Exposure In Vitro, Murugadoss S et al, Nanomaterials, 11, 1793, 2021 et Is aggregated synthetic amorphous silica toxicologically relevant?, Murugadoss S et al., Particle and Fibre Toxicology, 17(1), 2020
- 5Cf. Agglomeration of titanium dioxide nanoparticles increases toxicological responses in vitro and in vivo, Murugadoss S et al., Particle and Fibre Toxicology, 17(10), 2020