Soutenance mémoire
Dans l’ensemble des pays industrialisés, on assiste à un essor considérable des nanosciences et nanotechnologies. Elles consistent à construire, comprendre et contrôler la fonctionnalité d’objets de tailles comprises entre 1 et 100 nm. L’intérêt scientifique et commercial que représente les nanomatériaux aujourd’hui illustrent l’énorme défi lancé en 1959 par le prix Nobel de physique Richard Feynman : « il y a plein de place en bas de l’échelle… lorsque nous aurons quelques contrôles sur l’arrangement des atomes à une petite échelle, nous découvrirons que la matière possède des propriétés énormément plus étendue et qu’avec nous pourrons réaliser beaucoup plus de choses » (Feynman, 1959). C’est en 1985, avec la découverte des nanoparticules de carbone que le terme « nanoparticules » est né. Avant cette date, les nanoparticules existaient déjà mais elles portaient le nom de colloïdes ou de polycations (Krueger, 1979 ; Tronc et al., 1982 ; Jolivet et al., 1985). Historiquement les fullerènes (C60) sont donc les premières à avoir été synthétisées (fullerènes, C60) par H. Kroto (Université de Sussex), R. Curl et R. Smalley (Université de Rice, Houston), ce qui leur valût le prix Nobel de chimie en 1996 (Liu et al., 1986 ; Smalley et al., 1998). Depuis, les nanoparticules manufacturées envahissent notre quotidien. En plus des applications pour l’électronique, l’informatique et les télécommunications (Kruis et al., 1998 ; Kwok et al., 2002), les nanotechnologies se retrouvent dans des domaines aussi variés que la médecine et les cosmétiques (Gupta et al., 2005 ; Emerich et al., 2006), l’environnement et l’énergie (Wei-xian et al., 2003 ; Bottero et al., 2006), l’agroalimentaire ou les transports (Pereira et al., 2007). Il est prévu que la production mondiale de nanoparticules manufacturées progressera de manière fulgurante ces prochaines années. Le marché mondial des produits finis liés aux nanotechnologies devrait atteindre 950 milliards de dollars en 2010 (Affset, 2006). Certains considèrent même l’avènement des nanotechnologies comme la « révolution industrielle » du XXI éme siècle (Rocco et al., 2001).
L’enthousiasme pour cette nouvelle percée technologique génère une course scientifique et commerciale à l’échelle mondiale. Mais se pose alors la question de l’impact environnemental et toxicologique : les nanotechnologies émergent-elles comme un développement durable au service de l’environnement ou comme une nouvelle source de toxicité ? (Wiesner et al., 2006) En effet, les nanoparticules manufacturées sont porteuses d’espoirs et d’attentes et notamment dans le domaine environnemental (Bottero et al., 2006). Elles sont utilisées sous forme de membranes de filtration nano-poreuses (Bailey et al., 2000 ; Jones et al., 2001 ; Cortalezzi et al., 2002), de catalyseurs (Rostovshchikova et al., 2005 ; Wang et al., 2006 ; Maiti et al., 2007) ou de nano-adsorbants (Hu et al., 2005 ; Banerjee et al., 2007) pour le contrôle de la pollution de l’eau et de la qualité de l’air, la dépollution des eaux souterraines ou encore le traitement de l’eau potable. Mais les nanoparticules manufacturées sont également porteuses de polémiques et de craintes. En effet, si elles sont disséminées par un usage normal ou accidentel dans l’environnement, des questions se posent sur leur l’impact vis-à-vis de l’Homme et des Ecosystèmes (Wiesner et al., 2006 ; Moore, 2006). Des analogies entre les nanoparticules manufacturées et les particules atmosphériques ultrafines (Agius et al., 1995) ou les particules naturelles comme l’amiante (Manning et al., 2002), font que ces risques ne sont pas seulement hypothétiques mais qu’ils demandent à être étudiés, ne serait-ce que par simple principe de précaution. Actuellement, nos connaissances sur la toxicité des nanoparticules manufacturées demeurent assez limitées du fait du manque de recul que l’on a sur cette technologie naissante, du faible nombre d’études toxicologiques et des résultats souvent contradictoires qu’elles exposent. C’est pourquoi, il est indispensable d’étudier, en parallèle avec les recherches fondamentales et appliquées portant sur les propriétés et les applications des nanotechnologies, l’impact éventuel de ces nouveaux objets.
Enjeux des nanotechnologies en Recherche & Développement
Le marché des nanotechnologies
Les nanosciences et les nanotechnologies constituent un champ de recherche et de développement pluridisciplinaire en pleine croissance sur l’ensemble des continents. De nombreuses études sur le développement des nanotechnologies estiment que le taux moyen de croissance annuel entre 2005 et 2010 sera de 2,7% en termes de tonnage et de 9,5% en valeur (Affset, 2006). Deux grandes familles de nanomatériaux co-existent : les nanoparticules utilisées sous forme dispersée (ex : fluide magnétique) et les nanomatériaux au sens strict c’est-à-dire des matériaux denses ou poreux incorporant des nanoparticules dans leur structure (ex : membranes nanostructurées). En 2010, la consommation globale de nanomatériaux devrait représenter 10 millions de tonnes dont 50% de matériaux organiques non polymères, 15% de nanomatériaux métalliques et 15% de nano-oxydes (Affset, 2006). Même si actuellement peu de types de nanomatériaux sont en phase de production industrielle, il est prévu que dès 2010-2014 les nanotechnologies fassent partie du quotidien. La table suivante récapitule de façon non exhaustive les applications utilisant des nanomatériaux et donne des informations sur le niveau de production et les perspectives d’évolution .
Parmi tous les types de nanomatériaux disponibles, notre étude s’est restreinte à quatre nanoparticules à savoir des nano-oxydes (Fe3O4, γ-Fe2O3, CeO2) et des nanoparticules métalliques (Fe°) pour leur importance dans le développement actuel des nanotechnologies. Alors que les nanooxydes de cérium sont principalement utilisés pour la catalyse chimique et l’électronique (Flitzani et al., 2001), les nano oxydes de fer sont eux associés à des applications biomédicales et environnementales (Gupta at al., 2005 ; Ngomsik et al., 2005). Enfin, les nanoparticules métalliques de fer sont étudiées et commencent à être employées pour la dépollution des eaux souterraines et des sols contaminés (Wei-Xian et al., 2003).
Les nanoparticules et la santé
Opérant à des échelles identiques, il est naturel que les nanotechnologies rencontrent les sciences du vivant pour former ce que l’on appelle les « nanobiotechnologies ». Les principaux champs d’investigation concernent la recherche pharmaceutique et médicale : vectorisation des médicaments par des nanoparticules magnétiques (Sahoo et al., 2003), activation à volonté de nanomédicaments par un champ magnétique (Kreuter et al., 2001), destruction de tumeurs par chauffage de nanoparticules (Brannon-Peppas et al, 2004), création d’agent de contraste pour l’imagerie par résonance magnétique (Fahlvik et al., 1993 ; Corot et al., 2006). Les nanoparticules les plus utilisées dans ce domaine sont les nanoparticules magnétiques d’oxyde de fer (magnétite, maghémite) (Gupta et al., 2005 ; Halbreich et al., 1998).
Dans ces applications biomédicales, la taille et les propriétés physico-chimiques des nanooxydes de fer sont importantes car cela peut fortement affecter le temps de résidences des nanoparticules dans le sang et leur biodisponibilité (Gupta et al., 2005). Par exemple, les nanoparticules de taille comprise entre 10 et 100 nm auront un temps de résidence optimal dans la circulation sanguine alors que les particules de 200 nm ou inférieures à 10 nm seront retenues par la rate ou le système rénal respectivement (Oberdorster et al., 2005). D’autre part, une fois dans l’organisme, des protéines contenues dans le sang vont s’adsorber à la surface des nanoparticules. Cette adsorption est à l’origine de retrait des nanoparticules de la circulation sanguine par le système réticuloendothélial (Gupta et al., 2005). Généralement, afin de limiter l’adsorption de protéines et de prolonger le temps de résidence des particules dans les organismes, les nano-oxydes de fer sont enrobées de molécules organiques (polyéthylène glycol, poloxamines, dextran, transferrine…) (Kim et al., 2001 ; Goetze et al., 2002 ; Lacava et al., 2002 ; Chunfu et al., 2004 ; Xu et al., 2005). Cet enrobage a pour but de fonctionnaliser les nano-oxydes afin de les rendre reconnaissables par les cellules cibles uniquement (Figure I.1). Ainsi, il a été démontré sur des rats, que des nanoparticules magnétiques étaient capables de délivrer des substances médicamenteuses directement dans des tumeurs cérébrales (Kreuter et al., 2005).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I. INTRODUCTION – ENJEUX ET RISQUES DES NANOPARTICULES MANUFACTUREES
Préambule
1. Enjeux des nanotechnologies en Recherche & Développement
1.1 Le marché des nanotechnologies
1.2 Les nanoparticules et la santé
1.3 Les nanotechnologies environnementales
2. Risques pour l’Homme et l’Environnement
2.1 Voies de relargage dans l’environnement et d’entrée dans l’organisme
2.2 Comportement unique vis-à-vis du vivant
2.3 Premières études contradictoires
2.4 Notre approche de l’étude des effets biologiques des nanoparticules d’oxydes métalliques
3. Toutes les nanoparticules manufacturées sont-elles uniques ?
3.1 Un rapport surface /volume élevé
3.2 Minimisation de l’énergie de surface
4. Bilan du chapite I
5. Références bibliographiques
CHAPITRE II. MATERIELS ET METHODES
Introduction
1. Caractérisation des nanoparticules manufacturées
1.1 Voies de synthèse
1.1.1 Les nano-magnétites et les nano-maghémites
1.1.2 Les nanoparticules de Fe° (nZVI)
1.1.3 Les nano-CeO2
1.2 Forme, dimension et cristallinité
1.3 Stabilité colloïdale des suspensions de nanoparticules
1.4 Stabilisation des nano-maghémites à pH neutre et force ionique elevée
1.5 Bilan des principales cararctéristiques des nanoparticules étudiées
2. Les modèles biologiques et tests de cyto- génotoxicité
2.1 Escherichia coli
2.1.1 Culture bactériene
2.1.2 Test de survie bactérienne en présence de nanoparticules
2.2 Fibroblastes dermiques humains
2.2.1 Culture cellulaire
2.2.2 Test de viabilité cellulaire en présence de nanoparticules
2.3 Toxicologie génétique
2.3.1 Rappel sur les altérations possibles du patrimoine génétique
2.3.2 Le test d’Ames (ou Mutatest)
2.3.3 Le test des micronoyaux (ou Cytokinesis-blocked micronucleus)
2.3.4 Le test des Comètes (ou Single cell gel electrophoresis)
3. Techniques de caractérisation physico-chimique
3.1 Mesures granulométriques en solution
3.2 Microscopie électronique à transmission (MET)
3.3 Diffraction des rayons X (DRX)
3.4 Analyse chimique en solution (ICP-AES)
3.5 Spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS)
3.5.1 Principe
3.5.2 Formalisme EXAFS
3.5.3 Analyse des données XAS
3.5.4 Mise en œuvre expérimentale
4. Bilan des échantillons et des analyses effectuées
5. Bilan du chapitre II
6. Références bibliographiques
CHAPITRE III. REACTIVITE DE SURFACE DES NANOPARTICULES ULTRAFINES – L’EFFET ‘NANO‘
Résumé étendu de l‘article
1. Enhanced adsorption of arsenic onto maghemites : As
III as a probe of the surface structure and heterogeneity
1.1 Introduction
1.2 Experimental section
1.2.1 Maghemite nanoparticles
1.2.2 Sorption experiments
1.2.3 Powder X-ray Diffraction
1.2.4 X-ray absorption experiments
1.3 Results and discussion
1.3.1 Adsorption of As
III onto Nmag
1.3.2 Arsenite adsorption sites as function of the surface coverage
1.3.3 Specificity of the arsenite adsorption mechanisms on ultrafine nanomaghemite
1.4 Conclusion
2. Bilan du chapitre III
3. Références bibliographiques
CHAPITRE IV. INTERACTIONS ENTRE DES NANOPARTICULES MANUFACTUREES ET DES MODELES BIOLOGIQUES
INTRODUCTION
1.1 Problématique
1.2 Synthèse bibliographique
1.2.1 Les nano-CeO2 : ont-elles un rôle protecteur ou un effet toxique pour les cellules ?
1.2.2 Les nanoparticules à base de fer : dans qu’elle mesure leur toxicité est-elle avérée ?
CONCLUSION
