Chapitre I : Introduction bibliographique
I.6. Mise en suspension de nanotubes de carbone
Intrinsèquement, les NTC bruts de synthèse sont hydrophobes, s’agglomèrent et sédimentent rapidement dans l’eau et la plupart des solvants. Bien souvent, il est nécessaire de
disposer de suspensions de NTC. Cette mise en suspension est généralement réalisée par l’ajout d’un tensioactif (qui peut être un polymère). Selon l’utilisation des NTC, en biologie ou dans des composites par exemple, un grand nombre de tensioactifs peuvent être envisagés. Toutes les molécules employées pour tenter de mettre en suspension les NTC ne vont pas interagir de la même manière avec les NTC. Certains tensioactifs vont permettre de dissocier les faisceaux en désolidarisant les NTC qui les composent ; d’autres vont permettre la mise en suspension d’agglomérats de NTC. Il va falloir donc différencier la séparation des NTC (séparation de faisceaux pour obtenir des NTC individuels) et la mise en suspension d’agglomérats (Figure I.8).
Tensioactif B ► ► ► ► ► ► Tensioactif A ● ● ●● ● ● ● (a) (b) Tensioactif B ► ► ► ► ► ► Tensioactif B ► ► ► ► ► ► Tensioactif A ● ● ●● ● ● ● Tensioactif A ● ●● ●●●● ●● ●● ●● (a) (b)
Figure I.8 : Schéma de mise en suspension (a) de NTC individuels et (b) d’agglomérats de NTC.
Dans le contexte de l’étude de l’écotoxicité des NTC, le fait de disposer de suspensions stables et homogènes permet l’amélioration des conditions d’exposition et la reproductibilité des expériences. Ceci permet aussi de décrire les suspensions en termes de concentration en NTC. Surtout, nous supposons que nous pourrions ainsi avoir accès aux effets biologiques spécifiques dus à la dimension nanométrique de l’objet évalué.
Dans le cas de la mise en suspension de NTC hors applications biologiques, le Sodium Dodécyl Sulfate (SDS), le Sodium Dodecylbenzène Sulfonate (SDBS) [109], sont les tensioactifs les plus employés. Cependant ils présentent une toxicité non négligeable [109], et ne peuvent donc pas être envisagés dans le cas d’études de toxicité ou d’écotoxicité. De même
pour des NTC, qui une fois modifiés, sont stables dans des solvants (possédant une toxicité non négligeable) tels que le Diméthyl Sulfoxyde (DMSO) ou Diméthyl Formamide (DMF) [108, 109]. En effet, il serait alors complexe de séparer l’effet du tensioactif ou du solvant de celui des NTC (dans le cas où les NTC présenteraient une certaine toxicité).
Afin d’étudier les effets toxiques et écotoxiques potentiels des NTC il est donc indispensable de travailler avec des tensioactifs non toxiques, ou du moins sans effet toxique à la concentration à laquelle il est nécessaire de les mettre en œuvre pour stabiliser les suspensions de NTC. Dans le cas particulier des études écotoxicologiques, nous nous attacherons tout particulièrement à utiliser, le cas échéant, des tensioactifs naturels ou tout au moins susceptibles d’être présents dans les milieux naturels, de façon à prendre en compte le comportement des NTC en présence de ces molécules. De plus, les NTC agglomérés et les NTC dispersés ne devraient pas avoir le même comportement vis-à-vis du vivant et donc a priori pas la même réponse en termes de toxicité et d’écotoxicité [112].
Des essais de stabilisation à partir de matières organiques naturelles (acides humiques (AH) et acides fulviques (AF)) ont été entrepris par Huyng et al. [113] sur des MWNT commerciaux (MER Corporation) ayant une pureté de 90 % environ et un diamètre moyen de 140 nm. L’eau utilisée provient de la rivière Suwannee (Etats-Unis, Figure I.9 (f)). La présence de matière organique dans cette eau ne permet pas de maintenir la totalité des NTC en suspension : la concentration en NTC mesurée est seulement de 0,6 à 6,9 mg/L pour des concentrations cibles allant de 50 à 500 mg/L (valeurs déterminées par mesure d’absorbance par spectroscopie UV-Vis). Une eau reconstituée de composition proche de celle de l’eau de rivière permet la suspension de MWNT en quantité similaire à celle de l’eau de rivière. Dans ces deux cas, la quantité de MWNT maintenu en suspension est supérieure à celle obtenue en présence de SDS (solution à 1 %m.) ou d’une eau sans matières organiques (Figure I.9 (a) et (b)). Ceci illustre bien le fait que la présence de tensioactifs artificiels n’est pas forcément
nécessaire pour permettre à des eaux naturelles de disperser plus ou moins efficacement les NTC qui pourraient s’y retrouver accidentellement ou plus généralement par contamination de l’environnement.
Figure I.9 : Comparaison des différentes conditions étudiées par Hyung et al., pour une concentration théorique de 500 mg/L de MWNT (a) dans une eau sans matière organique, (b) dans une solution de SDS à1%m, (c) dans de l’eau reconstituée, (d) eau reconstituée seule, (e) dans de l’eau de rivière, (f) eau de la rivière sans NTC, [111].
De nombreux tensioactifs utilisés pour les tests de toxicité sont décrits dans la littérature tels que des polymères (Pluronic® F127, F108, L61, L92), le Tween® 20, 60 et 80 [114], des peptides [115], des protéines [116], de l’albumine (notamment bovine (BSA, [115])), des tensioactifs cationiques (chlorures) [118], de l’ADN, des dérivés de la chitine [119]. Pour ce qui nous concerne, nous avons sélectionné quatre tensioactifs : la gomme arabique (GA), les acides humiques (AH), la carboxyméthylcellulose (CMC) et le Tween® 20 (TW20), dont les principales caractéristiques sont présentées ci-dessous. Nous avons ainsi pu comparer des tensioactifs naturels ou non ainsi que l’influence de la longueur des chaînes (longues dans le cas de la GA et de la CMC, courtes dans le cas du TW20) sur la mise en suspension des NTC.
- La gomme arabique (GA) est produite par l’exsudation des tiges d’acacia. C’est un polysaccharide fortement ramifié, de poids moléculaire d’environ 250 000 kDa. Bien connue pour le collage des étiquettes, des enveloppes ou des timbres, la GA a aujourd’hui bien d’autres utilisations. Dans le domaine alimentaire, la GA sert d’émulsifiant (stabilisant) et de
support pour les arômes (E414). On s’en sert aussi en confiserie comme base dans la fabrication des guimauves et de la pâte à mâcher. En œnologie, elle est utilisée comme stabilisant des matières colorantes introduites dans la fabrication des vins rouges.
Des études ont été réalisées sur l’effet de la GA chez des rats essentiellement [120-122]. Il en ressort que la GA n’est pas réellement toxique, mais comme il s’agit d’un sucre, une trop grande quantité peut être néfaste pour les organismes.
Bandyopadhyaya et al. [123] ont comparé l’efficacité de la GA et d’autres tensioactifs tels que le SDS. Après dissolution de la GA dans l’eau (0,5 à 1,5 % en masse), les NTC sont ajoutés et l’ensemble est dispersé aux ultrasons (50W, 43kHz) pendant 15 à 20 minutes. La suspension est ensuite séchée à l’air à température ambiante. Le produit séché est dispersé à nouveau afin de préparer des suspensions de concentration en NTC de 0,5 à 15 % massiques. La suspension ainsi obtenue est stable plusieurs mois, ainsi qu’après centrifugation (4500 tpm, pendant 30 minutes). La GA est plus efficace que le SDS. Les observations de la mise en suspension sont effectuées grâce à un cryo-MET qui permet de mettre en évidence des NTC individualisés uniquement dans le cas de la GA.
Dror et al. [124] stabilisent des SWNT par la GA et un copolymère à base de styrène et de maléate de sodium. Une solution de GA (5 % massique) et une suspension de NTC (0,2 %m.) sont mélangées aux US (cuve à 43 kHz) pendant 1 heure. Ils décrivent la suspension comme stable pendant plusieurs mois, avec seulement une légère sédimentation. Afin d’éliminer les particules catalytiques et le carbone amorphe, ils centrifugent leur suspension à 15000 tpm pendant 30 minutes. Ils perdent, lors de cette étape, 50 % en masse de l’échantillon. Les suspensions sont observées au cryo-MET, et les SWNT apparaissent individualisés.
- Les acides humiques (AH) constituent une des fractions les plus importantes de l’humus provenant de la décomposition de la matière organique fraîche comme des débris de végétaux ou d’animaux (Figure I.10).
Figure I.10 : Schéma simplifié montrant les grandes étapes de la formation de l’humus (www.espace-sciences.org).
L’humus, constituant essentiel des sols, se retrouve souvent dans les eaux de surface. Les AH sont constitués par des familles d’acides polymérisés à noyau aromatique. La figure I.11 montre un exemple de modèle de structure d’acide humique.
Figure I.11 : Modèle de structure d’un acide humique par Stevenson (source http://www.satyajitchemicals.com/Agri2.html).
Liu et al. [125] rapportent la stabilisation de SWNT par des tensioactifs naturels : lignosulfate de sodium, acides humiques, fulviques et tanniques. Les suspensions sont préparées en mélangeant 2 mg de SWNT à 20 mL d’une solution contenant l’un des tensioactifs, dans un premier temps avec un bain à US (40 kHz 20 W) pendant 10 heures, puis par une sonde à US (6 W) pendant 3 heures. Les suspensions sont centrifugées (environ 14700 g, 30 minutes) puis 60% du surnageant sont récupérés. Cette étape est répétée une deuxième fois. Les suspensions sont stables (pas de sédimentation au bout de 6 mois). Le MET permet d’apprécier l’effet des tensioactifs, les NTC sont en faisceaux avant le traitement et individualisés ou en très petits faisceaux après. Aucun rendement de la méthode n’est donné. Les concentrations stabilisées sont mesurées par spectroscopie d’absorption en vis-proche IR à 500 nm, et sont de l’ordre de 60 mg/L.
- La carboxyméthylcellulose (CMC) (E466) est un polymère dérivé de la cellulose naturelle. Contrairement à la cellulose, la CMC est très soluble dans l’eau. Elle est utilisée dans certains détergents lessiviels en faible concentration. La formule de la CMC utilisée dans les tests présentés au chapitre III est C28H30Na8O27 (982,4 g/mol).
Figure I.12 : Représentation schématique de la carboxyméthylcellulose.
Takahashi et al. sont parvenus à stabiliser 250 mg/L de SWNT dans de l’eau à l’aide de CMC à 1 g/L [126].
- Le Tween® 20 (TW20 ou polysorbate 20) est utilisé comme détergent et émulsifiant dans de nombreuses applications domestiques (agent nettoyant), scientifiques (stabilisant de protéines), pharmacologiques (stabilisant pour émulsions ou suspensions) ou alimentaires. Le TW20 a une masse molaire de 1227,54 g/mol.
Figure I.13 : Représentation schématique de la molécule de Tween® 20 (TW20).
Monteiro-Riviere et al. [114] ont testé l’effet de suspensions de MWNT préparées à l’aide de différents tensioactifs dont le TW20 sur des cellules humaines. La cytotoxicité intrinsèque du TW20 a été mise en évidence (viabilité cellulaire inférieure à 10%) dès 0,1 %m. par volume.
Il est intéressant de noter qu’il est possible que les suspensions de NTC soient déstabilisées en présence des cellules ou des animaux utilisés pour les tests de toxicité et d’écotoxicité [127]. Cette idée suggère des stratégies d’études différentes en fonction du type
de travaux à réaliser. Dans le cas où les études portent sur les aspects liés aux mécanismes cellulaires de la toxicité, l’intérêt des travaux résidera dans la mise en évidence des effets liés à la dimension strictement nanométrique des matériaux étudiés. Il sera alors nécessaire de disperser les NTC au maximum dans le milieu d’étude. Il en découle de nombreux travaux en présence de dispersants (introduits en partie précédemment). Dans les autres cas où les intérêts sont plutôt portés sur les aspects réellement écotoxicologiques, c'est-à-dire en prenant en compte la ou les forme(s) les plus probables que prendront ces matériaux dans l’environnement (agglomérats, en faisceaux, adsorbés, associés à d’autres éléments de l’environnement…), les travaux en présence de dispersants normalement absents ou non représentatifs de situations réalistes du point de vue environnemental sont moins justifiables.