Caractérisation des nanoparticules manufacturées

L’étude de l’impact biologique des nanoparticules manufacturées a été menée en condition in vitro. Cette approche toxicologique in vitro est la plus adpatée à la détermination des mécanismes moléculaires et cellulaires. Cela a permis de définir au mieux l’environnement des cellules cibles, d’examiner leurs modifications après incubation avec les nanoparticules et de déterminer le devenir des nanoparticules après leur mise en contact. Deux modèles biologiques ont été choisis. Le premier est Escherichia Coli, une bactérie environnementale qui se retrouve dans toutes les étapes de la chaîne alimentaire. Elle est donc susceptible d’interagir directement avec des nanoparticules disséminées dans l’environnement et d’être une voie d’entrée de ces dernières dans les organismes vivants. Le deuxième modèle biologique est une lignée de cellules humaines, les fibroblastes dermiques. Dans ce cas, un accent a été mis sur l’étude de la génotoxicité potentielle des nanoparticules. Cette approche s’est révélée essentielle puisque la détermination des facteurs pouvant interagir avec le patrimoine génétique des cellules est nécessaire dans la prévention des risques à long terme pour l’homme comme le vieillissement cellulaire et/ou tissulaire prématuré et les cancers. Les primo cultures de fibroblastes sont donc des cellules de choix puisque la plupart des tests de toxicologie génétique ont été validés sur ce modèle non-transformé.

La première partie de ce chapitre a pour objet de donner une description détaillée des nanoparticules choisies pour cette étude (origine, dimension, stabilité en suspension…). Dans la deuxième partie seront présentés les deux types cellulaires selectionnés, ainsi que les tests de cytotoxicité et de génotoxicité mis en œuvre. Enfin, nous ferons une rapide description des techniques de caractérisation physico-chimique utilisées. Une attention toute particulière sera portée sur la spectroscopie d’absorption des rayons X qui est une sonde chimique à l’échelle atomique basée sur le rayonnement synchrotron.

Voies de synthèse

La synthèse des nanoparticules manufacturées de taille, de forme et de cristallinité contrôlées a longtemps été un challenge scientifique et technologique. Les voies de synthèse physique classiques ne permettant pas de contrôler la taille des particules d’oxydes dans une gamme nanométrique, les voies chimiques en milieu aqueux se sont révélées les plus efficaces (Costa, 2001). En contrôlant le type de sels utilisés (chlorures, sulfates, nitrates…), le pH et la force ionique (FI) du milieu, il est possible d’obtenir des nanoparticules de taille, de forme et de cristallinité contrôlées. Dans le langage des nanotechnologies, cette approche est qualifiée de « top down » (de la macroparticule vers la nanoparticule) par opposition à l’approche « bottom up » (de l’atome vers la nanoparticule). Les voies de synthèse utilisées pour la fabrication des nanoparticules étudiées sont explicitées ci-dessous.

noter que la lente oxydation des nano-magnétites en milieu acide ne modifie pas la taille des particules (Jolivet et al., 2003). De plus, contrairement aux nano-magnétites, les nano-maghémites possèdent une grande stabilité chimique en solution. Cette stabilité couplée à la structure spinelle, leurs confèrent une symétrie importante qui facilite l’étude de certains phénomènes structuraux (cf. chapitre III). Les nZVI (zero valent iron nanoparticle) étudiées ont été fournies par l’université de New South Wales (Australie). Elles sont synthétisées par précipitation réductive de 0.1M de FeCl3 avec 0.16M de NaBH4. L’équation de la réaction est la suivante (Joo et al., 2004 ; 2005 ; Wang et al., 1997) : obtient ainsi des nano-cristallites de cerianite ayant une structure cristalline cubique (Figure II.2) et pour formule chimique : CeO2(HNO3)0.5(H2O)4 Comme les nano-maghémites, les nano-CeO2 sont stockées à pH acide et seront chimiquement stables en solution.

Forme, dimension et cristallinité

Les nano-magnétites et les nano-maghémites. Elles sont de forme sphérique avec un diamètre moyen entre 5 et 6 nm (Figure II.3). La diffraction des rayons X a permis de confirmer leur nature cristalline, la position des 3 principaux pics de diffraction étant respectivement similaire à celle d’une magnétite et d’une maghémite de référence (Figure II.4). La surface spécifique des nano-maghémites a mère (pH=2,1) est monomodale (centrée sur un seul pic) avec une taille moyenne de 10-20 nm. En revanche, la distribution des DH dans la suspension initiale des nano-magnétites (pH=2,4) est bimodale (Figure II.5). En nombre de particules, une importante fraction des nano-magnétites a un DH centré sur 20 nm, mais des agrégats de 150 nm environ sont également présents. La présence de particules unitaires de 150 nm est à exclure car elles n’apparraissent pas au MET.