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