3. Les nanosciences, des sciences durables ?
p. 49-59
Texte intégral
Une myriade de possibilités scientifiques et techniques
1L’étude et le développement de très nombreuses technologies utilisent les nanomatériaux dans des domaines variés, tels que les biotechnologies (marquage in vitro, capteurs sélectifs d’ions ou de protéines dans les cellules), le traitement de l’eau (membranes de filtration, détection de polluants, décontamination), les technologies de l’information (stockage d’information, ordinateurs quantiques) ou l’énergie (transformation de la biomasse, photovoltaïque), pour n’en citer que quelques-uns.
2Les nanoparticules sont aussi utilisées à des fins thérapeutiques : marquage in vivo, ciblage, délivrance localisée de médicaments, agent de contraste pour l’IRM, etc. Par exemple, dans un traitement par hyperthermie, des nanoparticules magnétiques (magnétite Fe3O4) sont introduites au voisinage de cellules tumorales et produisent un échauffement local (température inférieure à 42 °C) sous l’action d’un champ magnétique oscillant. Comme les cellules tumorales sont plus sensibles aux élévations de température que les autres cellules, on peut les éliminer sélectivement et in situ. La faisabilité du procédé a été démontrée chez l’homme1
3Une élévation plus grande de la température permet un traitement par thermolyse de cellules cancéreuses. Dans ce cas, on peut utiliser l’absorption dans l’infrarouge (longueur d’onde de 35-55 nm) de nanoparticules mixtes or/sulfure d’or. Le rayonnement infrarouge est apporté par un laser, qui permet de cibler une petite zone : ce seul rayonnement ne suffit pas à endommager les cellules (sinon les cellules saines seraient également détruites), mais il permet de chauffer les nanoparticules qui ont été déposées au voisinage de la tumeur2 Le traitement sélectionne ainsi les cellules malignes.
4On conjugue ensuite différentes propriétés pour fabriquer des vecteurs thérapeutiques multifonctionnels. Les nanoparticules composites Fe3O4-Au possèdent à la fois des propriétés magnétiques et optiques, ce qui permet de détecter, cibler, séparer et éliminer des bactéries avec le même vecteur thérapeutique (fig. 9). Afin de mieux adhérer aux bactéries, les particules sont préalablement recouvertes d’anticorps.
Figure 9 – Vecteurs thérapeutiques multifonctionnels.

Les bactéries pathogènes sont reconnues par les anticorps greffés aux nanoparticules, puis sont séparées des autres bactéries grâce aux particules de Fe3O4 magnétiques et détruites sous illumination laser grâce aux particules d’or. (Source : C. Wang et J. Irudayaraj, « Multifunctional magnetic-optical nanoparticle probes for simultaneous detection, separation and thermal ablation of multiple pathogens ».)
5Dans le domaine du traitement de l’eau, les nanoparticules d’or peuvent également être utilisées comme capteurs. Par exemple, si leur surface est décorée avec des molécules, comme le glutathion, possédant une bonne affinité pour les ions de l’arsenic, les nanoparticules s’agrégeront même en présence d’une très faible quantité de ces ions, provoquant un changement de couleur remarquable. On peut ainsi détecter sélectivement des quantités très faibles d’ions arsenic en solution (de l’ordre de 1 ppb, soit 1 pour 1 milliard)3 Ce capteur n’est pas sensible aux autres cations (Fe2+, Zn2+, Pb2+, etc.) et peut donc être utilisé directement dans les eaux fluviales, où la limite fixée par l’OMS pour la potabilité de l’eau est de 10 ppb.
6Dans un souci de cohérence, nous avons choisi d’illustrer quelques applications des nanoparticules d’or. Ce ne sont pas les seules applications existantes, loin s’en faut. Avec le secteur biomédical, celui de l’énergie est l’un des moteurs du développement de ces nanomatériaux « sur mesure », et il n’est pas question ici de recenser toutes les pistes de travail. Mentionnons simplement l’utilisation de matériaux abondants et peu coûteux pour la réalisation de cellules photovoltaïques (TiO2 nanostructuré, nanoparticules de silicium), d’accumulateurs (LiFePO4 comme cathode de batterie Li-ion), de piles à combustible (oxydes mixtes et nanocomposites) ou de supercondensateurs (carbone nanoporeux). Développer ces technologies semble nécessaire pour répondre à la demande croissante en ressources et en énergie.
Environnement et toxicologie : les outils de la vigilance
7Doit-on demander aux nanotechnologies de répondre aux défis que provoquent la croissance et la consommation dans nos sociétés ? Une telle stratégie ne sera « durable » que si tous les aspects sont pris en compte : l’abondance des ressources utilisées et leur accessibilité, les conditions d’usage et les conditions de traitement en fin de vie. En ce sens, la toxicité potentielle de certains types de nanoparticules et de nanomatériaux n’est qu’un problème parmi d’autres dans la balance bénéfice/risque qui devrait orienter nos choix. Cette question nécessite un traitement différent lorsqu’il s’agit d’utiliser les nanoparticules en thérapeutique ou bien lors d’une exposition prolongée en environnement « contaminé ».
8Dans le contexte professionnel, certaines sources d’exposition aux nanoparticules sont connues depuis des années : on parlait alors de « particules ultrafines », c’est-à-dire de taille inférieure à 1 µm. L’introduction de nouvelles sources ne remet pas en cause la pertinence des moyens de détection et de prévention existants. Dans son rapport de 2009 sur les nanomatériaux, l’INRS préconisait de recourir aux mêmes méthodes de prévention que pour les particules ultrafines (selon l’ancienne terminologie) : limiter leur usage au strict nécessaire et installer des dispositifs collectifs et individuels de protection et de mesure, dans l’attente d’informations spécifiques sur chaque type de nanomatériau.
9La présence de nanoparticules dans les lieux de vie n’est ni nouvelle, ni nécessairement dangereuse. En effet, le premier pollueur domestique est l’habitant lui-même : le corps est une source très importante de particules de toutes tailles, provenant du renouvellement de l’épiderme. Un humain émet 100 000 particules ultrafines par minute au repos, 5 millions en marchant, 30 millions s’il s’agite4 Après lente sédimentation, on nomme ces particules « poussière » : heureusement, passer l’aspirateur suffit à décontaminer !
10Les fumées et les moteurs sont aussi des sources importantes de nanoparticules. Nous vivons donc entourés par elles et nous en absorbons de grandes quantités, notamment par voie aérienne. De ce fait, leur détection et leur quantification dans l’environnement ne se limitent pas à un simple décompte. La taille seule n’est pas un critère de dangerosité. La composition chimique, l’état d’agrégation, la surface, les voies de dégradation et un grand nombre d’autres paramètres sont à considérer. Il faut donc formuler la question de la toxicité des nanoparticules (naturelles ou synthétiques) non pas comme un a priori, mais plutôt en cherchant les cas qui font exception, ceux dont la toxicité est exacerbée pour une raison ou pour une autre et auxquels nous ne pouvons être exposés de manière « standard » (fig. 10).
Figure 10 – Dépôt total et régional de nanoparticules chez l’homme, en fonction de la taille des particules inhalées.

Source : © INRS, « Les nanomatériaux », ED6050.
11Chez le rat, une étude récente a ainsi montré que la toxicité par inhalation de nanoparticules dispersées dans l’air (aérosol) à des concentrations relativement élevées (de l’ordre de 1 mg/m3) et sur de longues périodes (de l’ordre de trois mois) dépend de leur composition5 Dans les conditions d’expérience adoptées, des nanoparticules de silice et de zircone (ZrO2) n’ont pas déclenché de réaction alors que des particules d’oxyde de zinc (ZnO) ou des nanotubes de carbone ont provoqué une inflammation des poumons. Cependant, la comparaison de ces résultats avec ceux d’autres études montre que le type d’exposition et les caractéristiques exactes des nanoparticules employées ont une influence prépondérante6 Les auteurs préconisent donc de réaliser a minima certaines caractérisations comme la composition chimique et la pureté, la morphologie ou la solubilité dans l’eau afin d’identifier les sources des désaccords. Ils proposent aussi une liste de caractérisations avancées, dont la quantification des radicaux engendrés autour des particules, pour comprendre les mécanismes générateurs de dégâts.
12Un nombre croissant de programmes académiques et industriels vise à identifier les nanomatériaux à fort potentiel de dangerosité. Ceux-ci s’appuient sur des réseaux pluridisciplinaires de laboratoires et étudient la toxicité sanitaire et environnementale de divers échantillons sur des cellules, des plantes ou de petits animaux. Les difficultés rencontrées sont liées à la diversité et à la complexité des échantillons testés et au défaut de protocole commun aux différents laboratoires. Deux lots de nanoparticules de TiO2 n’auront pas du tout le même impact si les molécules présentes à leur surface, leur morphologie, etc., ne sont pas rigoureusement les mêmes7
13Les comparaisons de résultats d’une étude à l’autre sont difficiles car les modes d’exposition et les modèles choisis diffèrent. De plus, à l’heure actuelle, nous n’avons que peu de recul, à la fois dans le temps et dans l’espace, pour évaluer l’impact réel des nanoparticules en fonction des conditions environnementales (climats ou modes de vie) et sur des périodes suffisamment longues (une génération) : l’opinion publique demande des réponses immédiates, auxquelles des études de toxicité aiguë répondent partiellement, mais les conséquences d’une exposition à de faibles doses (plus proches des doses réelles que des tests de laboratoire) sont encore floues.
14Les études toxicologiques nécessitent le développement de sondes adaptées, comme des nanoparticules à fort rendement de luminescence. Récemment, la rétention de nanoparticules dans les organismes vivants a été analysée grâce à de telles nanoparticules. Il faut en effet connaître leur devenir dans l’organisme pour évaluer leur toxicité potentielle, mais aussi pour développer leurs applications en thérapeutique. Une étude menée chez la souris a montré qu’une simple modification de la charge de surface de nanoparticules inorganiques (de formule Ca0.2Zn0.9Mg0.9Si2O6) modifie complètement leur devenir8 Pour analyser le parcours des nanoparticules, on les enrichit préalablement avec des terres rares (on introduit un faible pourcentage d’europium et de dysprosium), qui les rendent luminescentes. Les nanoparticules sont injectées dans le système sanguin de la souris à des doses très faibles (intoxication ponctuelle) et suivies grâce à une caméra adaptée. En fonction de la charge greffée à la surface des particules, celles-ci sont captées par les tissus des poumons, s’accumulent dans le foie ou bien circulent librement pendant plusieurs dizaines de minutes dans l’organisme (fig. 11).
Figure 11 – Répartition de nanoparticules luminescentes dans le système vasculaire de la souris observée trente minutes après l’injection.

Les particules sont rapidement captées par les tissus de certains organes comme le poumon (1, particules de charges positives) et le foie (2, particules de charges négatives). Les particules décorées par du polyéthylène glycol (PEG), polymère de composition proche des molécules endogènes, circulent beaucoup plus longtemps dans l’organisme (3) et explorent tous les organes. Lorsque le système immunitaire passif est saturé par des liposomes (4), cette circulation est encore accentuée. (Source : National Academy of Sciences, 2007.)
Environnement et toxicologie : les acteurs
15Des évaluations adéquates des risques nanotechnologiques sont financées par les institutions nationales et internationales. Des programmes de recherche comme Nanosafe (Commission européenne, CEA) ou Nanogenotox (treize États européens, piloté par l’Agence nationale de sécurité sanitaire) favorisent ainsi les collaborations interdisciplinaires et internationales.
16Les grands groupes industriels participent aussi aux recherches toxicologiques et au développement des nanomatériaux. La norme ISO/TS 27687 a été rédigée par l’Organisation internationale de la normalisation dans le but de faciliter les échanges entre l’industrie et les institutions : elle définit un ensemble de termes et de notions liées aux nanotechnologies9 Que ce soit dans le volet international (ISO) ou le volet français rédigé par l’Afnor, l’objectif est de « produire des documents favorisant le développement des nanotechnologies dans un contexte de développement durable ». Concrètement, ces normes devraient permettre de garantir la conformité des produits à fort tonnage et donc de limiter le nombre d’études toxicologiques à mener.
17Les institutions ont également un rôle normatif. Elles émettent des recommandations à l’attention des professionnels impliqués et définissent des axes prioritaires de recherche. Ainsi, tout en reconnaissant les « nombreux bénéfices potentiels de l’usage des nanomatériaux », l’OCDE a établi une liste temporaire de nanomatériaux manufacturés dont la toxicité potentielle doit être évaluée de façon prioritaire et anticipée. Cette liste tient compte des informations disponibles et du volume de production des différents nanomatériaux en circulation ou sur le point de l’être10 Elle comprend les fullerènes, les nanotubes de carbone et le noir de charbon, les nanoparticules d’argent et de fer, le dioxyde de titane, l’alumine et la silice, les oxydes de zinc et de cerium, le polystyrène, les dendrimères et les nano-argiles. Les données à acquérir en priorité sont le devenir, l’écotoxicité et la toxicité chez les mammifères.
18Les institutions font appel aux citoyens pour la rédaction des recommandations. En France, c’est notamment suite aux polémiques concernant l’amiante et les OGM que le gouvernement a choisi de porter dans la sphère publique la question de la dissémination des nanoparticules dans l’espace collectif, en organisant un débat citoyen national (2009-2010)11 Dans un contexte parfois difficile, marqué par l’opposition radicale de certains groupes, ce débat a permis de recenser les demandes et les inquiétudes des participants, lesquels attendent désormais des mesures concrètes.
19En 2006, le « comité scientifique sur les risques sanitaires émergents et récemment identifiés » de la Commission européenne (en anglais, SCENIHR) a publié un rapport très complet, après consultation des opinions publiques, sur la capacité des méthodes actuelles à évaluer les risques associés aux nanotechnologies fabriquées à dessein et fortuitement12 Après une présentation détaillée de la nature de ces objets et des nombreuses technologies qui les emploient, ce rapport décrit les différents modes d’évaluation des risques de façon assez théorique et formalisée. Il fait appel à un grand nombre de schémas fonctionnels. Nous avons traduit « l’algorithme d’évaluation de l’exposition » à titre d’exemple (fig. 12). Celui-ci permet, en théorie, de limiter les études poussées aux nanomatériaux présentant des risques majeurs, à des fins d’efficacité. Ce mode de raisonnement rend possible le traitement de nombreux cas particuliers dans une trame générale, ce qui est satisfaisant et rassurant. Cependant, de tels schémas sont difficiles d’emploi car ils présupposent des réponses tranchées à chaque question, ce qui est rarement possible en pratique.
Figure 12 – Algorithme d’évaluation de l’exposition proposé par le SCENIHR (Commission européenne).

Notes de bas de page
1M. Johannsen et alii, « Clinical hyperthermia of prostate cancer using magnetic nanoparticles : presentation of a new interstitial technique ».
2A. M. Gobin et alii, « Near-infrared-resonant gold/gold nanoparticles as a photothermal cancer therapeutic agent ».
3J. R. Kalluri et alii, « Use of gold nanoparticles in a simple colorimetric and ultrasensitive dynamic light scattering assay : selective detection of arsenic in groundwater ».
4Voir le guide de l’Aspec, Salles microbiologiquement maîtrisées appliquées aux plats cuisinés et produits équivalents.
5H. Yang et alii, « Comparative study of cytotoxicity, oxidative stress and genotoxicity induced by four typical nanomaterials : the role of particle size, shape and composition ».
6R. Landsiedel et alii, « Testing metal-oxide nanomaterials for human safety ».
7A. Verma et F. Stellacci, « Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions ».
8Q. Le Masne de Chermont et alii, « Nanoprobes with near-infrared persistent luminscence for in vivo imaging ».
9International organization for standardization : http://www.iso.org/iso/fr ; Afnor : norme nanotechnologies Afnor/X457.
10Series on the safety of manufactured nanomaterials, number 6, List of manufactured nanomaterials and list of endpoints for phase one of the OECD testing programme. Réf : ENV/JM/MONO(2008)13, 2008.
11Débat public sur les nanotechnologies consultable à l’adresse suivante : http://www.debatpublic-nano.org/
12Document publié par la Commission européenne en 2006.
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