Particules ultrafines

Une nanoparticule est un assemblage de quelques centaines à quelques milliers d'atomes, conduisant à un objet dont au moins l'une de ses dimensions est de taille nanométrique (1 à 100 nm).

Sommaire 1 Enjeux économiques, éthiques et risques sanitaires et environnementaux 2 Échelles de taille 3 Utilisations 4 Propriétés nouvelles 5 Toxicologie, écotoxicologie 6 Seuils et législation 7 Modes de production 8 Bonnes pratiques, plateforme interactive... 9 Références 10 Articles connexes 10.1 Bibliographie 11 Liens externes

Enjeux économiques, éthiques et risques sanitaires et environnementaux

La diffusion rapide et la commercialisation de nanoparticules soulèvent de grands espoirs économiques et techniques, mais aussi des questions nouvelles sur les risques nouveaux pour la sécurité, la santé et l'environnement, dans un contexte de connaissances scientifiques encore très lacunaires ^[1].
Les nanoparticules (NP) sont en effet souvent plus toxiques et écotoxiques que leurs homologues de taille supérieure et pénètrent facilement les organismes fongiques, animaux, végétaux ou microbiens. Certaines nanoparticules, en contact avec l'air, sont en outre source de risques d’incendie ou explosion.

En tant qu'altéragènes physiques ou chimiques, ce sont des polluants potentiels de tous les milieux (eau, air sol) ; seuls, en groupe ou en synergie avec d'autres polluants.

Échelles de taille

Du point de vue dimensionnel, les nanoparticules se situent entre la matière dite macroscopique et l'échelle atomique ou moléculaire.

Utilisations

Les nanoparticules ont un intérêt en matière de recherche fondamentale et/ou appliqué. Intéressant l'Industrie en développement des nanotechnologies, elles sont de plus en plus étudiées, surtout depuis les années 1990.
Des physiciens et chimistes les synthétisent. D'autres physiciens les étudient afin de comprendre la physique de ces objets nanométriques.
Des biologistes ou biochimistes les utilisent comme marqueurs cellulaires.

Propriétés nouvelles

Les propriétés de la matière changent fortement quand la taille de objets se rapproche du nanomètre ^{[2] [1]}. 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 :

• la température de fusion d'un corps pur de taille macroscopique est identique à sa température de solidification (0°C pour l'eau par exemple). Pour une nanoparticule, cela n'est plus vrai et le matériau présente une hystérésis centrée autour de la température de transition de phase du corps pur macroscopique, cette hystérésis dépend de la taille de la nanoparticule^[3] ;
• la dureté et durabilité d'un matériau macroscopique n'est pas la même que celle du matériau nanométrique. Elle est généralement bien plus élevée.
• la dynamique de l'interaction entre les électrons d'une nanoparticule et les modes de vibration de son réseau cristallin (phonons) dépend drastiquement de la taille de la nanoparticule^[4].

Toxicologie, écotoxicologie

Les impacts sanitaires (toxicologiques et écotoxicologiques) nanoparticules, qu'elles soient d'origine naturelle ou anthropique sont encore très mal connus.
Ils sont supposés importants car si ces particules n'ont presque pas de masse, leur surface de réaction est proportionnellement la plus grande (par unité de poids). Leur impact varie probablement selon leur taille, leur caractère hygrophile, lipophile.. leur charge 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.)^[1]. Par exemple, chez l'homme expérimentalement exposé à du technicium radioactif (facile à suivre), on a retrouvé ce technicium rapidement dispersé dans le sang, le tissu cardiaque et le foie, avec une élimination rénale rapide.^[5], mais les résultats diffèrent selon les études, et ce domaine reste très mal exploré.

Des expériences animales, et d'exposition in vitro de cultures de cellules humaines, ont montré que les nanoparticules étaient facilement phagocytées par des cellules (bronchiques notamment). Pour échapper aux biais du modèle animal, des études ont même été faites sur l'homme, y compris en exposant des personnes en chambre fermée à des fumées de diesel (USA, Royaume-Uni, Suède)^[6]. Les données sont encore limitées et ne permettent pas encore de suivi épidémiologique ou écoépidémiologique fin.
Des nanoparticules phagocytées par une cellule peuvent interagir avec les membranes plasmiques et les organites cellulaires, d'autant que certaines de ces particules sont des catalyseurs. Elles peuvent initier des la production d'espèces réactives de l'oxygène (= > stress oxydant impliquant des radicaux libres et leurs « effets en cascade »).

Diverses études ont montré des effets à court-terme (ex : asthme et réponses inflammatoires pulmonaires, éventuellement chronique) des PUF, mais on soupçonne fortement aussi des effets à long terme.

L'Homme et d'autres espèces vivantes sont notamment exposés à des nanoparticules ayant comme source des phénomènes d'usure mécanique (freins et pneux par exemple), et de combustion (incinération, pots d'échappement y compris pots catalytiques, centrales thermiques, certaines productions industrielles...).
Des études, y compris chez l'Homme, ont mis en évidence qu'une importante part des nanoparticules inhalées atteignaient directement les alvéoles pulmonaires, d'où elles peuvent passer dans les cellules ou dans le sang. La pilosité nasale, le mucus et le transport mucociliaire n'éliminent que les grosses particules, les PUF (particules ultrafines) ne pouvant être éliminées que par des macrophages alvéolaires.
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 du fuel, de l'essence et même du gaz naturel (Si ce dernier ne produit pas de suies de 10 et 100 nm, une étude ^[7] de l’université Federico II de Naples (Italie) un brûleur de chauffe-eau au gaz ou de gazinière produit des particules de 1 à 10 nanomètres (nm) de diamètre se forment. Dans une chaudière à condensation leur taux est bas (0,1 milligramme par normo-mètre cube ou mg/Nm3) suite à leur oxydation optimisée dans la zone de la flamme, mais un brûleur de gazinière engendre des taux particulaires bien plus élevés (5 mg/Nm3) ainsi d'ailleurs qu'une «quantité significative» d’hydrocarbures aromatiques polycycliques qui pourraient peut-être interagir avec ces nanoparticules.

Seuils et législation

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 la pollution automobile en reste une source importante).
En 2009, les États se limitent généralement - au mieux - au suivi des PM 2,5 (dont en Europe conformément aux recommandations d'une directive), alors que les PM1 sont celles qui sont susceptibles d'être le mieux absorbées par les organismes vivants.
Mi-2008, suite à une première évaluation du Plan d'action européen en matière d'environnement et de santé 2004-2010 - le parlement européen a déploré que les nanoparticules échappent au règlement 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 » ^[8]

En France, le seuil préjudiciable est actuellement (2008) de 40 µg/m³ pour les PM 10. Une directive européenne devrait le faire passer à 25 µg/m³. Le groupe santé du Grenelle de l'environnement a demandé en 2007 qu'il soit aligné sur la recommandation de l'OMS qui est de 10 µg/m³.

Modes de production

Les nanoparticules de synthèses sont actuellement produites par des méthodes diverses ^[1] (en agglutinant des atomes (bottum-up) ou en dégradant des matériaux), dont :

Synthèse chimique :

• en phase vapeur (carbures, nitrures, oxydes, alliages métalliques, etc.).
• en phase liquide (la plupart des métaux et oxydes)
• en milieu solide (la plupart des métaux et oxydes)
• en milieu mixte (sol-gel, pour la plupart des oxydes)
• dans un fluide supercritique, mais sans réaction chimique (matériaux destinés à vectoriser des principes actifs)
• réaction chimique dans un fluide supercritique avec (pour la plupart des métaux, des oxydes et quelques nitrures)
• réaction de co-précipitation chimique
• hydrolyse

Synthèse par des méthodes physico-chimiques

• par évaporation/condensation (sous pression partielle inerte ou réactive) pour Fe, Ni, Co, Cu, Al, Pd, Pt, oxydes)
• par pyrolyse laser (Si, SiC, SiCN, SiCO, Si3N4, TiC, TiO2, fullerènes, suies carbonées, etc.)
• par flammes de combustion, les particules étant récupérées dans les vapeurs et fumées
• sous micro-ondes (Ni, Ag)
• par irradiation (ionique ou électronique), par exemple pour produire des nanopores dans un matériau de dimensions macroscopiques ou pour produire une nanostructure intégrée dans une matrice)
• par recuit à basse température (alliages métalliques et intermétalliques complexes avec trois à cinq éléments à base de Al, Zr, Fe.)
• en plasma thermique (pour les nanopoudres céramiques tels que poudre de carbures (TiC, TaC, SiC), siliciures (MoSi2), oxydes dopés (TiO2) ou complexes (pérovskites))
• Le dépôt physique en phase vapeur (des dépôts de TiN, CrN, (Ti, Al)N, notamment)

Synthèse par méthodes mécaniques

• mécanosynthèse et activation mécanique dans le domaine de la métallurgie des poudres (ex : broyage à haute énergie pour tout type de matériaux (métalliques, céramiques, polymères, semi-conducteurs))
• consolidation et densification
• déformation par torsion, laminage ou friction

Synthèse par méthodes biologiques

• production expérimentale de molécules organiques par des OGM (organismes génétiquement modifiés),

Bonnes pratiques, plateforme interactive...

Les promoteurs de ces technologies estiment que les connaissances actuelles permettent de gérer ces risques, malgré dans un contexte d’incertitudes^[1].

• Des guides de bonnes pratiques sont apparus, fondés sur les connaissances scientifiques (au fur et à mesure de leur disponibilité, une grande partie de la recherche restant confidentielle) et l’identification des dangers et ainsi que sur une évaluation et des propositions de gestion des risques (spécifiques ou non aux NP).

L'un de ces guides , québecquois, reconnait le besoin de trouver « un équilibre entre la recherche d’opportunité de gains et l’atténuation des pertes ». Il promeut une gestion du risque comme procédé itératif à effectuer dans une certaine séquence logique et qui permet des améliorations continues dans la prise de décisions tout en facilitant l’accroissement constant de la performance :
1. Évaluation du risque - est le procédé par lequel on estime ou on calcule le risque. Dans des conditions idéales, cela suppose une bonne connaissance de l’identité du danger et des niveaux d’exposition ou d’empoussièrement aux divers postes de travail, par exemple.
1.1 Analyse du risques relatifs aux NP nécessite de documenter le type de NP manipulées et leur toxicité, les niveaux potentiels d’exposition ainsi que des risques pour la sécurité aux différents postes de travail et pour toutes les tâches. Une démarche structurée est proposée dans un guide de bonnes pratiques favorisant la gestion des risques reliés aux nanoparticules de synthèse publié par l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail

• Une plateforme interactive sur les nanotechnologies, nommée GoodNanoGuide, est également proposée aux chercheurs et aux travailleurs et employeurs du secteur. Alimenté par des experts son contenu est disponible sur l’Internet, à l’adresse : GoodNanoGuide

Références

Articles connexes

Bibliographie

• Ostiguy C, G Lapointe, L Ménard, Y Cloutier, M Trottier, M Boutin, M Antoun, C Normand, 2006. « Les nanoparticules : connaissances actuelles sur les risques et les mesures de prévention en santé et sécurité du travail », Études et recherches IRSST, R-455, mars 2006, 77 pages

Liens externes

• (fr) Nanotechnologies et Santé, dossier Sagascience du CNRS
• (fr) Évaluer les risques induits par les nanoparticules résumé du rapport du SCENIHR de la Commission européenne (2006)
• (fr) Les effets à la santé reliés aux nanoparticulesInstitut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST)
• (fr) Connaissances actuelles sur les risques et les mesures de prévention en santé et en sécurité du travailInstitut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST)
• (fr) Les effets à la santé reliés aux nanoparticules 2e édition
• (fr) Guide de bonnes pratiques favorisant la gestion des risques reliés aux nanoparticules de synthèse

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