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Détection et quantification de nanoparticules de dioxyde de titane dans les fluides biologiques par Simple Particule ICP-MS

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Academic year: 2021

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(1)

Détection et quantification de nanoparticules de dioxyde

de titane dans les fluides biologiques par Simple

Particule ICP-MS

Thèse

Samantha Eva Salou

Doctorat en chimie

Philosophiæ doctor (Ph. D.)

(2)

Détection et quantification de nanoparticules de

dioxyde de titane dans les fluides biologiques par

Simple Particule ICP-MS

Thèse en codirection

Doctorat de chimie

Samantha Salou

Sous la direction de :

Dominic Larivière, directeur de recherche

Ciprian Mihai Cirtiu, codirecteur de recherche

(3)

Résumé

L’utilisation de nanoparticules a permis de révolutionner divers secteurs industriels, notamment la cosmétique, l’alimentaire ou encore la pharmaceutique. Leur omniprésence dans les produits de consommation génère une forte inquiétude vis-à-vis de la santé des utilisateurs.

Le dioxyde de titane est largement utilisé en tant qu’additif alimentaire, agent blanchissant ou filtre UV. Son utilisation importante expose l’être humain à un potentiel risque de toxicité. De nombreuses études épidémiologiques menées sur des animaux ont mis en lumière les effets néfastes d’expositions chroniques. Les méthodes existantes pour caractériser et quantifier les nanoparticules dans les fluides biologiques ne sont pas adaptées. Le sang et l’urine étant des matrices complexes, les outils d’analyse couramment utilisés manquent de sensibilité, de spécificité et de sélectivité. Afin de pallier ces limitations, il est indispensable de développer des méthodes rapides, simples, précises et robustes, basées sur des approches novatrices, afin de pouvoir détecter et quantifier les nanoparticules de dioxyde de titane dans ces matrices biologiques.

Ce projet s’inscrit dans une démarche globale de statuer quant à l’exposition humaine aux nanoparticules de dioxyde de titane. Ainsi, l’objectif et l’innovation de cette thèse résident dans le développement de méthodes rapides, simples, précises et robustes, pouvant être utilisées sur une base routinière afin de détecter et quantifier les nanoparticules de dioxyde de titane dans divers fluides biologiques tels que l’urine et le sang. Un premier effort fut réalisé au niveau de la préparation d’échantillon, la majorité des techniques d’analyse nécessitant un échantillon en suspension. Le dioxyde de titane présente une forte tendance à l’agglomération et à l’agrégation, il doit au préalable être mis en suspension et stabilisé afin de garantir une mesure fiable de la taille, de la distribution des tailles et de la concentration. Le développement des méthodes analytiques repose sur l’utilisation de la Simple Particule ICP-MS, connue pour sa préparation d’échantillon minimale, sa rapidité et son applicabilité en routine. L’urine et le sang sont enrichis en nanoparticules de dioxyde de titane afin d’optimiser les différents paramètres d’analyse. Afin de garantir la fiabilité des méthodes et de pouvoir les utiliser en routine, une validation selon la norme ISO/CEI 17025:2017 est indispensable.

Ainsi, cette thèse propose une méthodologie complète pour l’analyse des nanoparticules de dioxyde de titane dans l’urine et le sang.

Pour accompagner le lecteur, une partie théorique sera consacrée aux propriétés physiques et chimiques de l’élément d’intérêt. De même, l’ensemble des stratégies permettant leur quantification sera détaillé afin de comprendre tous les tenants et aboutissants de cette thèse.

(4)

Abstract

The use of nanoparticles has revolutionized many industrial sectors, including cosmetics, food and even pharmaceuticals. Their omnipresence in consumer products is raising major concerns about users’ health.

Titanium dioxide is widely used as a food additive, whitening agent or UV filter. Its extensive use exposes humans to potential risk of toxicity. Many epidemiological studies on animals have highlighted the harmful effects of chronic exposure on various organs, sometimes leading to numerous diseases. In the case of the analysis of biological fluids, the existing methods of quantification are not suitable. Blood and urine being complex matrices, commonly used analytical tools suffer from a lack of sensitivity, specificity and selectivity. In order to overcome these limitations, it is essential to develop faster, simpler, more precise and robust methods based on innovative approaches to be able to detect and quantify titanium dioxide nanoparticles in these biological matrices.

This project is part of a global vision to understand and assess human exposure to titanium dioxide nanoparticles. The aim of this thesis is to develop unique innovative methods that can be employed on a routine basis to detect and quantify those nanoparticles in various biological fluids such as urine and blood. Particular attention should be paid to the sample preparation, as most analytical techniques require particle suspension. Titanium dioxide having a strong tendency to agglomerate or aggregate, an approach to stabilize suspensions had to be optimized to ensure reliable size and concentration determination.

Analytical methods were developed using an innovative technique, Simple Particle-ICP-MS, dedicated to monitoring individual nanoparticles. This specialized technique is a fast, robust, sensitive metrological tool requiring limited sample preparation. Urine and blood samples are spiked with titanium dioxide nanoparticles to optimize the detection parameters. To ensure the reliability of those methods and use them in a routine mode, validation according the ISO/CEI 17025:2017 guidelines is essential.

Thus, this thesis presents a complete methodology for the analysis of titanium dioxide nanoparticles in urine and blood samples.

To guide the reader, a theoretical part dealing with the physico-chemical properties of the element of interest will be provided. In addition, overall strategies on their quantification will also be detailed in order to demonstrate the novelty of this work.

(5)

Table des matières

Résumé ... ii

Abstract ... iii

Table des matières ... iv

Liste des Figures ... viii

Liste des tableaux ... xi

Liste des abréviations ... xii

Liste des sigles ... xiv

Liste des unités ... xiv

Remerciements ... xvi

Avant-propos ... xix

Introduction ... 1

Chapitre 1 État de l’art ... 7

Émergence des nanomatériaux ... 7

Définition ... 7

Usages et applications des nanoparticules ... 9

Toxicité et risques sanitaires ... 12

Exposition humaine ... 12

Propriétés physico-chimiques ... 13

Les nanoparticules de dioxyde de titane ... 15

Propriétés du dioxyde de titane ... 16

1.3.1.1 Propriétés structurales ... 16

1.3.1.2 Propriétés photocatalytiques ... 17

1.3.1.3 Propriétés optiques ... 19

1.3.1.3.1 Absorption et atténuation des rayons UV ... 19

1.3.1.4 Usages et applications du dioxyde de titane ... 21

Risques sanitaires ... 24 1.3.2.1 Études de toxicité ... 24 1.3.2.1.1 Pénétration cutanée ... 24 1.3.2.1.2 Ingestion ... 26 1.3.2.1.3 Inhalation ... 26 Conclusion ... 28

Chapitre 2 Stratégies analytiques pour la mesure de NPs dans les matrices biologiques 30 Interaction des nanoparticules de dioxyde de titane avec leur milieu ... 31

(6)

Milieux aqueux ... 31

2.1.1.1 Forces attractives ... 31

2.1.1.2 Forces répulsives ... 32

2.1.1.3 Théorie DLVO ... 34

Milieux biologiques... 36

2.1.2.1 Effet de la présence de sels ... 37

2.1.2.1.1 Force ionique ... 37

2.1.2.1.2 Influence du pH ... 39

2.1.2.2 Protéines ... 40

2.1.2.3 Stratégies de stabilisation ... 43

Techniques de caractérisation ... 44

Notions de mesure de taille et distributions en taille des nanoparticules ... 45

2.2.1.1 Taille ... 45 2.2.1.2 Distribution en taille ... 46 Analyse qualitative ... 47 2.2.2.1 Microscopie électronique ... 47 2.2.2.2 Diffusion de la lumière ... 51 Analyse quantitative ... 53 2.2.3.1 NTA ... 53 2.2.3.2 ICP-MS ... 55 2.2.3.3 FFF-ICP-MS ... 57 2.2.3.4 HDC-ICP-MS ... 59 2.2.3.5 SP-ICP-MS ... 62 2.2.3.5.1 Paramètres d’acquisition ... 64 2.2.3.5.2 Dilution ... 66 2.2.3.5.3 Efficacité de transport ... 67 2.2.3.5.4 Étalonnage ... 71

2.2.3.5.5 Traitement des données ... 73

2.2.3.5.6 Application de la SP-ICP-MS aux nanoparticules de dioxyde de titane 77 Conclusion ... 78

Chapitre 3 Assessment of strategies for the formation of stable suspensions of titanium dioxide nanoparticles in aqueous media suitable for the analysis of biological fluids ... 80

Résumé ... 80

Abstract ... 81

(7)

Materials and method ... 85

Chemical and standards ... 85

Instrumentation... 85

Sample preparation ... 86

SP-ICP-MS method ... 87

3.4.4.1 Instrumental parameters ... 87

3.4.4.2 Assessment of transport efficiency ... 88

3.4.4.3 Calibration and quantification ... 89

Results and discussion ... 90

Optimization of the stability conditions of TiO2 NPs in aqueous suspension ... 90

Stability analysis ... 96

Applicability to biological media ... 101

Conclusion ... 105

Acknowledgement ... 105

Compliance with ethical standards ... 106

Chapitre 4 Quantification of titanium dioxide nanoparticles in human urine by single-particle ICP-MS ………...107

Résumé ... 107

Abstract ... 108

Introduction ... 109

Materials and Methods ... 111

Standards, chemicals and reagents ... 111

Instrumentation... 111

Proposed method for the quantification of titanium dioxide nanoparticles ... 112

4.4.3.1 Samples and sample processing ... 112

4.4.3.2 SP-ICP-MS analysis of urine samples ... 113

4.4.3.3 Data processing and calculations for SP-ICP-MS measurements ... 114

Validation approach ... 114

4.4.4.1 Limits of detection and quantification ... 115

4.4.4.2 Linearity ... 117

4.4.4.3 Fidelity ... 118

4.4.4.4 Robustness and recovery ... 118

Results and discussion ... 120

Calibration ... 120

(8)

Limit of Linearity for the quantification of nanoparticles... 126

Fidelity ... 127

Robustness and recovery ... 128

Conclusion ... 131

Acknowledgements ... 132

Compliance with ethical standards ... 132

Chapitre 5 Détection et quantification des nanoparticules de dioxyde de titane dans le sang humain …….………..133 Introduction ... 133 Matériel et méthode ... 135 Standards et réactifs ... 135 Instrumentation... 135 Préparation d’échantillon ... 135 Méthode SP-ICP-MS ... 136 5.2.4.1 Paramètres instrumentaux ... 136

5.2.4.2 Détermination de l’efficacité de transport ... 137

5.2.4.3 Calibration et quantification ... 137

Résultats et discussion ... 138

Ordre d’ajout des nanoparticules... 138

Choix du diluant ... 140 Facteur de dilution ... 143 Conclusion ... 145 Conclusion ... 147 Perspectives ... 149 Bibliographie ... 152

(9)

Liste des Figures

Figure 1 : Applications des nanoparticules de dioxyde de titane selon divers secteurs

industriels. ... 1

Figure 2 : Voies de pénétration et distribution des nanoparticules dans l'organisme ... 2

Figure 3 : Principaux paramètres physico-chimiques des NPs régissant la toxicité ... 3

Figure 4 : Schématisation du « nanomonde » ... 7

Figure 5 : Classification des nanomatériaux selon leurs sources d'émission ... 9

Figure 6 : 5 domaines d'application majeurs de nanoparticules ... 10

Figure 7 : Déclarations de substances à l'état nanoparticulaire recensées en 2018 selon 5 principaux secteurs d'activité ... 10

Figure 8 : Voies d'exposition, de distribution et d'excrétion des nanoparticules dans le corps humain ... 12

Figure 9 : Importance relative de l'usage de NPs TiO2 dans divers produits selon les secteurs d'application ... 15

Figure 10 : Structures cristallines des trois phases de dioxyde de titane : anatase (a et d), rutile (b et e) et brookite (c et f)... 16

Figure 11 : Schéma du processus de photocatalyse sur une particule de TiO2 rutile ... 18

Figure 12 : Influence de la taille des nanoparticules de TiO2 sur l’atténuation des rayons UV (cyan : 20 nm, vert 60 nm et rouge : 100 nm) ... 20

Figure 13 : Aspects des crèmes solaires sur la peau selon diverses tailles de NPs TiO2 ... 20

Figure 14 : Principe de fonctionnement d'un filtre UV inorganique ... 21

Figure 15 : Nombre de produits recensés contenant des nanoparticules de dioxyde de titane selon les secteurs industriels ... 22

Figure 16 : Voies de pénétration des nanoparticules à travers la peau ... 25

Figure 17 : Distribution des nanoparticules dans l'organisme chez les animaux après inhalation ... 27

Figure 18 : Formation d'agglomérats et d'agrégats à partir de nanoparticules dispersées .... 31

Figure 19 : Schéma d'une distribution électronique sur une surface chargée négativement et évolution du potentiel électrique de surface ... 33

Figure 20 : Influence du pH sur la mesure du potentiel zêta et de la taille de NPs TiO2 en suspension en milieu aqueux ... 34

Figure 21 : Variation du potentiel d'interaction total en fonction de la distance interparticulaire selon la théorie DLVO ... 35

Figure 22 : Potentiel d'interaction total en fonction de la force ionique selon la théorie DLVO ... 38

Figure 23 : Influence de la force ionique sur a) le diamètre hydrodynamique et le potentiel zêta et b) la distribution en taille de nanoparticules de TiO2 en suspension dans l’eau ... 39

Figure 24 : Impact des différents agents dispersants sur le potentiel zêta de l’anatase et du rutile en fonction du pH ... 40

(10)

Figure 25 : Représentation schématique de la formation d'une couronne protéique

composée de deux couches distinctes ... 41

Figure 26 : Fraction massique d'agglomérats de NPs TiO2 SRM 1898 dans du BSA, selon diverses conditions de préparation ... 42

Figure 27 : Influence de la puissance et du temps de sonication sur la mesure en taille des NPs TiO2 ... 43

Figure 28 : Impact du poids moléculaire et de la concentration en PVP pour la stabilisation de nanoparticules ... 44

Figure 29 : Différentes expressions de sphères équivalentes pour l'approximation d'une nanoparticule irrégulière ... 45

Figure 30 : Distributions en nombre, volume et intensité d'un mélange bimodal de NPs de 5 nm et 50 nm ... 46

Figure 31 : Schématisation des microscopes électroniques à balayage et en transmission .. 48

Figure 32 : Représentation des interactions électrons/matière ... 49

Figure 33 : Images a) MET et b) MEB de nanoparticules de TiO2 ... 50

Figure 34 : Schéma du principe de diffusion dynamique de la lumière dépendamment de la taille des particules ... 52

Figure 35 : Schéma du principe de la NTA ... 54

Figure 36 : Principe de fonctionnement de la NTA permettant la visualisation et la mesure de leur distribution en taille ainsi que la détermination de la concentration en nombre ... 54

Figure 37 : Schéma d'un instrument ICP-MS ... 55

Figure 38 : Relargage du titane total contenu dans les NPs TiO2 issus de peintures selon une disposition verticale et inclinée. ... 57

Figure 39 : Principe de séparation en taille de la méthode FFF-ICP-MS... 58

Figure 40 : a) Schéma du principe de la AF4-ICP-MS et b) fractogramme type pour la détection de NPs TiO2 ... 58

Figure 41 : Principe de séparation en taille de la technique HDC-ICP-MS ... 60

Figure 42 : Chromatogrammes HDC-ICP-MS obtenus pour des nanoparticules d'or de 10 nm (noir), 60 nm (rose) et un mélange (bleu)... 60

Figure 43 : Nombre de publications sur la SP-ICP-MS depuis 2003 ... 62

Figure 44 : Schéma du principe de fonctionnement de la SP-ICP-MS ... 63

Figure 45 : Signaux bruts correspondant respectivement à a) des ions dissous et b) des nanoparticules d’argent... 63

Figure 46 : Effet des temps d’intégration et de repos pour la mesure de particule individuelle a) deux particules sont détectées simultanément b) une seule particule c) et d) une partie de particule e) aucune particule ... 64

Figure 47 : Impact du temps d'intégration et de la mesure multiple sur la définition des signaux d’une (a et c) ou plusieurs nanoparticules (b) ... 65

Figure 48 : Impact du temps d'intégration sur le signal du bruit de fond ... 66

Figure 49 : Impact du facteur de dilution sur la détection des nanoparticules ... 67

(11)

Figure 51 : Équivalence d'une calibration ionique (droite) et nanoparticulaire (gauche) pour la détermination de la taille et distribution en taille de NP d'or dans le sang ... 72 Figure 52 : Schéma du principe de traitement des données afin de déterminer la taille, distribution en taille et concentrations d'un échantillon inconnu via la calibration ionique 76 Figure 53 : Effect of the dispersion media on the most frequent particle size and mean diameter of TiO2 NP suspensions (n=3), as determined by SP-ICP-MS. PVP and PEG

concentration are 2% (w/v). Dashed line represents the reported most frequent size by NIST ... 91 Figure 54 : Qualitative observation of the sizes evolution of TiO2 NPs as function of the

sonication setup over time by SP-ICP-MS. ... 92 Figure 55 : Effect of sonication mode on the most frequently measured diameter, mean diameter and number of spikes during the acquisition period of TiO2 NPs as determined by

SP-ICP-MS (n=3). Dashed line represents the reported average size distribution of 70 nm. ... 93 Figure 56 : Evolution of TiO2 NP sizes, spike numbers, and dissolved Ti concentration over

time with sonication in various media ... 95 Figure 57 : Particle number-based size distributions determined by SP-ICP-MS (A) and DLS (B) for SRM NIST 1898 diluted suspension ... 98 Figure 58 : Particle size distribution of various TiO2 NPs prepared by following the

optimized procedure and analyzed by SP-ICP-MS ... 100 Figure 59 : Raw signal spectrum (A) and particle size distribution of SRM NIST 1898 TiO2

NPs in urine with (B) and without (C) PVP-10. ... 102 Figure 60 : Time scan (A) and particle size distribution (B) of SRM NIST 1898 TiO2 NPs

in blood ... 103 Figure 61 : Ionic-based calibration curves for Ti in water and urine on three different days ... 121 Figure 62 : Time scans of SRM 1898 TiO2 NPs in a) diluent and b) urine ... 122

Figure 63 : Linearity range for TiO2 NP mass concentration and NP size evolution... 126

Figure 64 : Distribution en taille des NPs TiO2 selon les deux ordres de fortification : 1)

ajout de la suspension SRM 1898 dans le sang et 2) ajout du sang dans la suspension SRM 1898. ... 139 Figure 65 : Effet du milieu de dilution sur la MFS et le pourcentage de récupération en concentration massique des NPs TiO2. Les incertitudes présentées constituent les

écarts-types pour 3 réplicas ... 141 Figure 66 : Distribution en taille du SRM NIST 1898 dans un échantillon sanguin dilué avec a) de l'ammoniaque à 0,5% et b) de l'éthanol à 1% ... 142 Figure 67 : Évolution du potentiel zêta en fonction du pH pour une suspension de 10 mg de SRM 1898 dans 50 mL d'eau ... 143

(12)

Liste des tableaux

Tableau 1: Classification des nanomatériaux selon leur dimensionnalité ... 8

Tableau 2 : Usages de nanoparticules inorganiques ... 11

Tableau 3 : Propriétés physico-chimiques régissant la toxicité potentielle ... 13

Tableau 4 : Caractéristiques des différents polymorphes de TiO2 ... 17

Tableau 5 : Énergies des bandes interdites des trois phases cristallines ... 18

Tableau 6 : Indice de réfraction des trois phases cristallines du TiO2 ... 19

Tableau 7 : Usages et applications des nanoparticules de dioxyde de titane selon les secteurs industriels et les propriétés mises en jeu... 23

Tableau 8 : Composition du sang et de l'urine ... 37

Tableau 9 : Interférences les plus courantes reportées dans la littérature pour l’analyse du Ti ... 73

Tableau 10 : Résumé des différentes informations obtenues selon les techniques de caractérisation de nanoparticules ... 79

Tableau 11 : Instrumental parameters for characterization analysis ... 88

Tableau 12 : Size distribution Dm (mean diameter) and D-values (D10, D50, D90) in nm for a sonicated dispersion of SRM NIST 1898 in PVP ... 99

Tableau 13 : TiO2 NP nanomaterial specifications ... 101

Tableau 14 : SP-ICP-MS Instrumental operating conditions ... 112

Tableau 15 : Experimental design for the validation study of the TiO2 NP analysis in human urine samples ... 115

Tableau 16 : Equation used to calculate the mass concentration detection limit ... 116

Tableau 17 : Calculation equation used for the size detection limit ... 117

Tableau 18 : Figures of merit for some TiO2 NP analyses in complex matrices and size limit of detection (LODs) results evaluated with 4 methods. ... 124

Tableau 19 : Validation results for repeatability, reproducibility and trueness for SRM 1898 in urine aliquots at the validation level concentration. ... 127

Tableau 20 : Robustness testing: effect of sonication procedure, dilution factor and urine sample on particle size and the recovery (n=30) ... 129

Tableau 21 : Paramètres instrumentaux pour l'analyse en SP-ICP-MS dans le sang ... 136

Tableau 22 : Effet de la dilution de la matrice et de la concentration des nanoparticules sur la mesure de la taille et du pourcentage de récupération (n=3) ... 144

(13)

Liste des abréviations

µ Viscosité du milieu

1D Une dimension

AF4 Flux force asymétrique

AS Average size

BC Bande de conduction

BF Bruit de fond

BG Bande interdite

BSA Albumine de sérum bovin (Bovin serum albumine)

BV Bande de valence

Cm Concentration massique

CNP Concentration en nombre de particules

D Coefficient de diffusion

d Diamètre

Darvan C Polyméthacrylate d’ammonium

DMEM-FBS Dulbecco’s Modified Eagle Medium- Fetal Bovine Serum

fa Fraction massique

FBS Sérum bovin fœtal

GS Gêne stérique

h Distance minimale entre deux sphères

HDC Chromatographie hydrodynamique

ICP-MS Spectrométrie de masse à plasma inductif

IEC Ion exchange chromatography

k Constante de Boltzmann

LOD Limite de détection

LOQ Limite de quantification

m/z Ratio masse sur charge

MFS Most frequent size

mions Masse initiale

mp Masse d’une particule

MR Matériau de référence

mrejet Masse de la fraction condensée

(14)

NM Nanomatériau

NPs Nanoparticules

Nthéorique Concentration en nombre par unité de volume

PBS Phosphate buffered saline

PC Couronne protéique

PDI Index de polydispersité

PEG Polyéthylène glycol

PEI-600 Polyethylenimine -600 ɸH Diamètre hydrodynamique pI Point isoélectrique PM Phase mobile PSD Distribution en taille PVP Polyvinylpyrrolidone R Conformity ratio

RFion Sensibilité du détecteur

ROS Reactive oxygen species

RSD Relative standard deviation

SIS Sample Introduction system

SRM Standard reference material

T Température

tdwell Temps d'intégration

TE Efficacité de transport

tsettling Temps de repos

US Ultrasons

V Débit d’échantillon (sample flow)

VA Potentiel d'attraction

VDW Van Der Waals

VR Potentiel de répulsion

VT Potentiel d'interaction total

κ-1 Longueur de Debye

(15)

Liste des sigles

ADN Acide désoxyribonucléase

CTQ Centre de Toxicologie du Québec

DLS Diffusion dynamique de la lumière

DLVO Derjaguin, landau, Verwey et Overbeek

FFF Fractionnement par couplage flux-force

INSPQ Institut National de Santé Publique du Québec

MEB Microscopie électronique à balayage

MET Microscopie électronique en transmission

NIST National Institut of Standard and Technology

NTA Suivi individuel de particule

SP-ICP-MS Simple-Particule ICP-MS

USA États-Unis d'Amérique

UV Ultraviolet

Liste des unités

eV Électron-volt L Litre S Seconde W Watt

(16)

« L’échec est seulement l’opportunité de recommencer d’une façon plus intelligente. » Henry Ford

« La vie, ce n’est pas d’attendre que l’orage passe. C’est d’apprendre à danser sous la pluie. » Sénèque

(17)

Remerciements

Je tiens à remercier Normand Fleury, directeur du Centre de Toxicologie de Québec de m’avoir accueillie dans son laboratoire et donné la chance d’y effectuer mon doctorat. Merci à mes directeurs de thèse, Ciprian et Dominic. Ciprian, j’aime à penser que nous avons grandi et évolué ensemble, que nous avons appris l’un de l’autre tout au long de cette expérience et que nous sommes devenus meilleurs ensemble. Merci d’être devenu mon copilote et mon complice de la nano. Dominic, je crois que ta phrase « si un jour je vois que tu te noies, je plongerai pour venir te chercher » est devenue celle qui caractérise l’image que j’ai de toi. Merci pour ta gentillesse, tes encouragements, ton soutien sans faille et d’avoir toujours eu une boîte de mouchoirs prête dans ton bureau.

À mes collègues du CTQ, je ne vous remercierai jamais assez pour votre accueil si chaleureux. Je me souviens en arrivant en stage d’avoir été surprise par votre gentillesse, vos sourires, vos petits mots gentils, vos blagues et surtout… votre accent !!! On ne va pas se mentir….

Patrick, tu as vu, je suis enfin arrivée au sommet de ma montagne. Merci pour toutes ces discussions passionnantes au sujet du doctorat certes, mais principalement de la vie, la vraie. Celle qui nous fait nous sentir heureux et vivants. J’ai adoré te rencontrer et échanger avec toi. Isabelle, mon « rayon de soleil », toi qui as illuminé bien souvent la grisaille de mon quotidien, je te remercie d’être devenue une amie si chère à mon cœur. Gilles et Nathalie, merci de m’avoir pris sous vos ailes avant même le début de mon doctorat. Vous m’avez aidé à porter mes fardeaux, à essuyer mes chagrins, à faire taire les doutes et les peurs. Mais vous avez surtout partagé avec moi de l’amour, de la vie, des fous rires et… quelques bouteilles de vin ;). À ma gang de rue, je n’aurais pas réussi à tenir sans nos pauses à ventiler, ragoter, rigoler et surtout se soutenir. Vous êtes des personnes magnifiques, pleines de courage et de ressources. Anny, mon amie, ma beauté, tu as été une rencontre incroyable. Si seulement tu arrivais à te voir à travers mes yeux et mon cœur, tu te rendrais enfin compte de tout ce que tu es. Une personne douce, gentille, rigolote, sensible, forte et jolie comme un cœur. Ta spontanéité et ton naturel sont tout simplement désarmants. Mes chimistes, Jeff, Sébas, Pierre, Éric, je vous remercie pour votre soutien, vos conseils, vos encouragements, heureusement que vous étiez là.

Merci à Claudine, Mélanie, Katy, Yves, Lise et la division métaux pour votre aide. Merci à Nathalie Picher d’avoir partagé de bonnes rigolades et confidences dans la laverie.

À mes collègues de l’Université, merci d’avoir fait de cet endroit mon refuge. Mélodie, tu as été la best partenaire de bureau, contre vents et marées. Te voir chaque jour m’a fait un bien fou… Ton calme, ta douceur et ta façon d’être tout simplement pleine de vie ont fait de mon quotidien un vrai bonheur. Tu as été et resteras mon coup de foudre amical dans ma vie universitaire québécoise. Audrey, nos pauses, nos siestes et nos méditations vont me manquer. Merci de m’avoir accompagnée si souvent pour m’aider à « sortir le vilain » sur le

(18)

banc du désespoir, mais surtout de m’avoir fait partager un peu de ta vie québécoise. Je pense à toi et je serai toujours là pour toi, maintenant que c’est ton tour de faire un doc’.

Claire et Arnaud, mes amours, vous avez été ma famille ici. Je n’oublierai jamais tout ce que vous avez fait pour moi durant toutes ces années. Vous avez été mon deuxième chez-moi, ma bouée de sauvetage, mes bouffées d’air frais et de joie. Merci pour tout, je vous aime et on se revoit direct à la sortie de ce confinement !

Christelle, mon ouistiti. Merci. Pour absolument tout. Je t’admire beaucoup et tu as été si précieuse à mon bien-être physique et mental à Québec. Je continue d’espérer qu’un jour toi aussi tu finiras par revenir…. On a bien le droit de rêver ? Je demande ça pour mes 30 ans… André, mon coloc adoré. Devoir t’emprunter ta perceuse a été la meilleure surprise de mon année 2019. Tu es tellement cher à mon cœur. Merci d’avoir partagé ton quotidien avec moi. Savoir que j’allais vous retrouver le soir avec Charlotte me donnait tellement de baume au cœur. Qu’est-ce que j’ai pu avoir de fous rires avec toi… J’en ris encore aujourd’hui.

Margot, merci pour ton amour. C’est si bon de t’avoir au téléphone, toi et tes péripéties. Merci d’avoir séché mes larmes avec ton humour, de m’avoir botté le postérieur quand je flanchais, de m’avoir écoutée si attentivement quand j’en avais besoin, d’avoir partagé mes secrets et mes délires, de m’avoir emmenée en escapade pour redécouvrir ma France. Chaque fois que je t’entends, j’ai la certitude que tout va bien aller.

Merci à mes amis français de ne jamais m’avoir lâchée même après toutes ces années. J’ai hâte de tous pouvoir venir vous voir bientôt !

Clara, ma cousine, mon Quicky joli. Quelle joie de t’avoir vu débarquer chez moi pour m’accompagner durant la fin de mon doctorat. Être en colocation avec toi nous a permis de tisser des liens encore plus forts que ceux existants. Je suis fière de toi et de la belle femme que tu es devenue. Je t’aime.

Je sais qu’il s’agit ici d’une pratique encore peu connue au Canada, mais je souhaite remercier ma sophrologue, Séverine Gourhant. Tu as été d’une aide inestimable ces 3 dernières années. Grâce à nos séances j’ai appris à mieux accepter et exprimer mes émotions, à gérer mon stress et ma colère, à laisser aller et lâcher prise. Je pense que si « ma quiétude déconcertante » a été notée au cours de ma soutenance, c’est bien grâce à tout le travail que nous avons effectué ensemble. Merci de m’avoir si bien préparée !

Guillaume Blanchet, individu à part entière, mon partenaire du maniement de la langue française, je suis ravie d’avoir rencontré le vrai TOI lors de mon dernier passage au labo. Cette personne que tu as toi-même retrouvée est si vivante, drôle, pleine de vie, de partage et d’amour. Je te souhaite de ne plus jamais te perdre en chemin. J’ai aujourd’hui la chance de pouvoir t’accompagner dans le reste de ta vie et ensemble, on va faire en sorte qu’elle soit la plus belle, drôle et heureuse. Deux nigauds dans la même équipe, ça ne peut garantir que fou-rires et folies.

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Enfin, je voudrais remercier ma famille. Vous avez été si patients durant ces années à Québec. Merci d’être venu me voir chaque année, hiver comme été, d’avoir fait mille et un Skype (même grand-mère !). Je sais que ça n’a pas toujours été facile ni pour vous ni pour moi, mais j’aurais eu du mal à terminer ce projet sans vous. Ces dernières années, j’avais oublié à quel point il est bon d’être parmi les siens et d’être aimée inconditionnellement. Un remerciement spécial à mon papa, qui a eu le courage de relire et corriger ma thèse, Merci !

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Avant-propos

Les travaux de recherche présentés dans ce document ont été réalisés sous la co-direction du Pr Dominic Larivière et du Dr Ciprian Mihai Cirtiu, de janvier 2016 à octobre 2020. Ce projet de recherche est le fruit de la collaboration entre l’Université Laval, Québec, Canada et le Centre de toxicologie du Québec, Institut National de Santé Publique du Québec, Québec, Canada.

Cette thèse est divisée en cinq chapitres, dont trois principaux décrivant de la recherche originale. Les chapitres trois et quatre sont présentés sous forme d’articles, dont le texte et les figures ont été insérés sans modifications. Seules les numérotations des figures et tableaux ont été adaptées en adéquation avec l’ensemble du manuscrit. Cet avant-propos permet d’introduire les articles dans le corpus de cette thèse et d’attribuer le rôle des auteurs. Dans un premier temps, il est important de noter que la disponibilité de nanoparticules de dioxyde de titane bien caractérisées est plus que limitée. De plus, la majorité des standards sont sous forme de poudre. Or, comme nous le verrons dans le chapitre 2, le dioxyde de titane nanoparticulaire présente une forte tendance à l’agglomération et à l’agrégation lors de sa mise en suspension. Ainsi, un travail préliminaire sur la procédure de mise en suspension a été effectué et publié dans le journal Analytical and Bioanalytical Chemistry en février 2020 (doi : 10.1007/s00216-020-02412-2). Cet article faisant office de chapitre 3, présente un protocole robuste afin de suspendre efficacement la majorité des standards de nanoparticules de dioxyde de titane commercialement disponibles. De plus, cette procédure de mise en suspension démontre son applicabilité aux matrices biologiques telles que l’urine et le sang. La procédure sera utilisée afin de développer la méthode de quantification du dioxyde de titane dans la suite du projet de recherche. Les travaux réalisés dans cet article sont originaux, en termes d’idée ou d’exécution.

Le chapitre 4 présente la méthode de quantification au cœur de ce projet de doctorat. Cet article, publié le 29 octobre 2020 dans le journal Analytical and Bioanalytical Chemistry (doi : 10.1007/s00216-020-02989-8) propose une quantification des nanoparticules de dioxyde de titane dans les urines ainsi que sa validation en accord avec la norme ISO 17025. L’auteure de cette thèse en est la principale auteure.

Le dernier chapitre, dédié au développement de la méthode de quantification des nanoparticules de dioxyde de titane dans le sang, devait être présenté sous forme d’article avant la crise du COVID-19. Ayant été confinée dans son pays d’origine pendant plusieurs mois et dans l’incapacité de retourner sur le sol canadien pour compléter ses travaux de recherche, l’auteure a tout de même souhaité présenter sous forme de chapitre les résultats préliminaires obtenus ainsi que les plans d’expériences prévus. Nous remercions d’avance

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les évaluateurs pour leur compréhension concernant cette ébauche. Les travaux sont originaux et entièrement réalisés par l’auteure de cette thèse.

De plus, les résultats et expériences de ce doctorat ont pu être présentés lors de nombreuses conférences nationales ou internationales :

1. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2016) Characterization of titanium dioxide biological samples using Single-Particle ICP-MS, Perkin Elmer Group meeting 2. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2017) Characterization of titanium dioxide

nanoparticles in biological fluids using Single-Particle ICP-MS “SP-ICP-MS”, Cosmetic Valley, Cergy-Pontoise, France

3. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2017) Caractérisation des nanoparticules de dioxyde de titane dans les fluides biologiques par SP-ICP-MS, Spectr’Atom, Québec, Canada 4. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2018) Analysis of titanium dioxide nanoparticles in biological fluids using Single-Particle ICP-MS, Winter Conference, Floride, Etats-Unis

5. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2018) Analysis of titanium dioxide nanoparticles in biological fluids using Single-Particle ICP-MS, Winter Conference, Pau, France 6. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2019) SP-ICP-MS : A promising technique for the

analysis of titanium dioxide nanoparticles in biological fluids, CCCE, Québec, Canada

7. Salou, S., Cirtiu C., Larivière D. (2019) Assessment of strategies for the analysis of titanium dioxide nanoparticles in biological fluids using Single-Particle ICP-MS, ICASS, Montréal, Canada

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Introduction

1. Contexte de recherche

Depuis quelques années, le domaine de la nanotechnologie est en pleine effervescence. Les propriétés physico-chimiques acquises à l’échelle nanométrique permettent de révolutionner de nombreux secteurs industriels tels que la cosmétique, la pharmaceutique, l’alimentaire ou encore la médecine [1]. Le dioxyde de titane sous forme de nanoparticules (NPs TiO2) représente la

deuxième plus grosse production de nanoparticules inorganiques recensée en 2018, avec plus de 10 000 tonnes [2]. Il est utilisé principalement comme additif alimentaire (sous l’appellation E171), filtre anti UV, agent blanchissant ou encore comme photocatalyseur [3-4]. La Figure 1 présente les principales applications des NPs TiO2 ainsi que les secteurs industriels qui en font

usage.

Figure 1 : Applications des nanoparticules de dioxyde de titane selon divers secteurs industriels.

Nanoparticules TiO2 Filtre UV Pigment Additif alimentaire Antibactérien Photocatalyse

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Cette utilisation importante dans les produits de consommation suscite actuellement des préoccupations majeures quant aux risques sanitaires potentiels. En effet, les risques d’exposition sont non négligeables. L’inhalation, l’ingestion ou l’application cutanée sont les principales voies de pénétration des NPs TiO2 dans l’organisme [5]. Celles-ci, de par leur faible taille comprise entre

5 et 100 nm, mais pouvant atteindre 400-500 nm [3-6], peuvent aisément traverser les barrières biologiques, être véhiculées par le sang pour atteindre divers organes, être bioaccumulées ou encore excrétées dans les urines, d’où la pertinence de l’analyse dans les fluides biologiques.

Figure 2 : Voies de pénétration et distribution des nanoparticules dans l'organisme. Adapté [7]

L’évaluation de la toxicité potentielle repose sur la détermination de plusieurs paramètres physico-chimiques tels que la taille, distribution en taille, concentration, forme ainsi que les états d’agglomération et d’agrégation [8]. Ces paramètres influencent directement la pénétration, la réactivité ainsi que leur comportement dans le corps humain. Il s’avère donc primordial d’être en mesure de les caractériser dans les milieux biologiques.

Cerveau Poumons Système circulatoire Cœur Autres organes Système lymphatique Système gastro-intestinal Implants médicaux Ingestion Inhalation Pénétration cutanée

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Figure 3 : Principaux paramètres physico-chimiques des NPs régissant la toxicité. Adapté [8]

De nombreux outils analytiques, comme la microscopie électronique en transmission (TEM), la diffusion dynamique de la lumière (DLS) ou encore la spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS), présentés dans la section 2.2, sont couramment utilisés afin de les caractériser. Cependant ils présentent de nombreuses limitations dues à leur manque de spécificité, sensibilité, sélectivité ou encore une incompatibilité pour l’analyse de fluides biologiques. Ces derniers étant des milieux complexes, avec des concentrations attendues des nanoparticules de l’ordre du ng L-1, ces techniques ne sont pas adaptées.

Depuis quelques années, une technologie novatrice, déjà implantée au sein de l’Institut National de Santé Publique (INSPQ) gagne en popularité. La SP-ICP-MS ou « ICP-MS dédiée à l’analyse de nanoparticules » est une technique rapide, robuste, sensible, nécessitant une simple préparation d’échantillon par dilution. Cette technique reposant sur l’analyse individuelle de nanoparticules, permet d’obtenir des informations simultanées quant aux concentrations en titane sous forme dissoute ou nanoparticulaire, distribution en taille de NPs ou encore sur les états d’agglomération ou d’agrégation.

Des études récentes ont été menées afin d’évaluer la capacité de la SP-ICP-MS à détecter et quantifier les NPs, permettant de mettre en évidence la présence d’or et d’argent aussi bien dans

Forme Taille Concentration Agglomération Distribution en taille Nature/surface spécifique

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l’environnement, les produits de consommation et plus récemment dans le sang. Malgré leur vaste utilisation, l’analyse d’oxydes métalliques comme le dioxyde de titane semble plus complexe que celle des NPs monométalliques. Aujourd’hui, les principales études concernant le TiO2 à l’état

nanoparticulaire ont été principalement réalisées dans les crèmes solaires ou l’eau.

Bien que la SP-ICP-MS apparaisse comme une technique de choix pour la détection et la quantification des NPs dans des milieux complexes, l’évaluation de l’exposition humaine aux NPs TiO2 est quasi-inexistante et justifie le besoin de développer des méthodes de mesure rapides,

robustes et fiables.

2. Objectifs du projet et méthodologie

Pour répondre à cette problématique, les objectifs principaux de cette thèse en codirection seront le développement et la validation de méthodes analytiques permettant la détection et la quantification de NPs TiO2 dans l’urine et le sang.

Afin de saisir tous les enjeux et problématiques ayant donné naissance à ce projet réalisé entre l’Université Laval et l’INSPQ, nous présenterons dans le chapitre 1, l’émergence des nanomatériaux et plus particulièrement des nanoparticules de dioxyde de titane. Nous mettrons également l’emphase sur la sensibilisation aux potentiels risques sanitaires des NPs, justifiant notre implication dans une démarche globale visant à statuer quant à l’exposition humaine.

Le chapitre 2 contient une description des outils analytiques permettant la caractérisation des NPs TiO2, soit leurs principes de mesure, les informations obtenues, leurs avantages, mais également

leurs limitations quant à la quantification dans les milieux biologiques. Ainsi, nous aborderons plus précisément notre choix quant à la SP-ICP-MS pour développer notre méthode d’analyse. Concernant les travaux de recherche, la première partie du projet consistera en l’optimisation de la mise en suspension de la poudre de NPs TiO2. Ces dernières présentent une forte tendance à

l’agglomération et à l’agrégation pouvant se traduire par une surestimation de la taille et une sous-estimation de la concentration en nombre. Une optimisation sera nécessaire afin de briser les interactions de Van Der Waals via l’utilisation de polymères tels que le Polyvinylpyrrolidone et de forces mécaniques comme la sonication. Le chapitre 3 met en avant une procédure reposant sur

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la combinaison de ces deux stratégies, se traduisant par une mise en suspension robuste, reproductible et versatile permettant d’être appliquée à la majorité des standards de NPs TiO2

commercialement disponibles. Ce chapitre a été publié dans le journal Analytical and Bioanalytical Chemistry.

Dans le chapitre 4, la procédure de suspension mise au point sera appliquée à des échantillons urinaires qui seront utilisés comme référence matricielle lors du développement analytique. L’urine est considérée comme une des principales voies d’excrétion des NPs TiO2 avec les fèces,

d’où la pertinence de son analyse. Une procédure de validation sera mise en place selon une approche quantitative suivant les directives de la norme internationale ISO/CEI 17025:2017. Cela implique la détermination des paramètres suivants : limites de détection et de quantification, plage de travail en termes de taille de nanoparticules et de concentration, fidélité et robustesse. Considérant le fait qu’il n’existe pas de matériaux de référence commercialement disponibles pour les milieux biologiques, la méthode des échantillons enrichis (matrices enrichies avec des matériaux de référence NIST 1898) sera utilisée pour la détermination des paramètres de validation. Ainsi, la méthode rapide, robuste et fiable, permettra de répondre à une partie des interrogations concernant l’exposition humaine aux NPs. Ce chapitre a été publié dans le journal Analytical and Bioanalytical Chemistry.

Le chapitre 5 concernera l’analyse des nanoparticules de dioxyde de titane dans le sang. Cette matrice étant considérée comme le vecteur des NPs dans l’organisme, elle présente un fort intérêt d’un point de vue toxicologique. N’ayant pas pu effectuer la validation de la méthode, en raison de la COVID-19, des paramètres tels que le choix de l’isotope afin de limiter les interférences biologiques, ou encore l’importance dans l’ordre de fortification seront étudiés dans le cadre du développement et de l’optimisation des paramètres. Une quantification préliminaire concluante a pu être établie, ce qui nous permet de confirmer la capacité de la SP-ICP-MS à quantifier les NPs TiO2 dans le sang. Cependant une procédure de validation ainsi que quelques expériences

additionnelles devraient être réalisées. Les expériences envisagées seront donc présentées dans cette section.

Notre projet, bien que conséquent, reste dans les prémices des analyses par SP-ICP-MS dans les matrices biologiques et servira de précurseur dans l’évaluation de l’exposition humaine. Dans

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notre conclusion, nous ferons donc état des perspectives novatrices ayant trait à cette thèse. En effet, considérant que la population générale est régulièrement exposée aux NPs TiO2, les

méthodes développées ici pourraient être utilisées à des fins de biosurveillance et ainsi représenter une avancée majeure dans la compréhension globale de leur toxicité.

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Chapitre 1

État de l’art

Émergence des nanomatériaux

Définition

Le domaine de la nanotechnologie est en pleine effervescence depuis quelques années, pouvant même être considérée comme la technologie révolutionnaire du 20ème siècle [9]. Le marché mondial des nanotechnologies est actuellement estimé à 40 milliards d’euros, selon l’organisation américaine National Science Fondation. Mentionnée pour la première fois en 1974, la nanotechnologie repose sur l’utilisation de propriétés exceptionnelles que peuvent acquérir des matériaux à l’échelle nanométrique (10-9 mètres) de par leur grande surface spécifique et leur faible

volume [10].

Figure 4 : Schématisation du « nanomonde ». Adapté [9]

Actuellement, il n’existe pas de définition universelle d’un nanomatériau (NM). En effet, il existe de nombreuses définitions spécifiques, variant selon le domaine d’application et la finalité. Cependant, en 2011, la Commission Européenne [11] propose une définition commune applicable sans distinction dans tous les actes législatifs afin d’unifier les réglementations, de réguler la fabrication et d’instaurer une vigilance quant aux risques potentiels sanitaires ou environnementaux.

Ainsi, un nanomatériau [3-4] est « un matériau naturel, formé accidentellement ou manufacturé, contenant des particules libres, sous forme d’agrégats ou sous forme d’agglomérats, dont au moins

Bille Épingle Moustique Cellule Virus ADN Nanotube Atome

Mètres Bactérie Nanométrique Atomique Microscopique Macroscopique

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50% des particules dans la répartition numérique par taille présentent une ou plusieurs dimensions externes se situant entre 1 nm et 100 nm ». Parmi les définitions, la commission en précise trois spécifiques :

- Particule : un fragment de matière possédant des contours physiques bien définis

- Agglomérat : un amas de particules ou d’agrégats faiblement liés dont la surface externe globale correspond à la somme des surfaces de ses constituants individuels.

- Agrégat : une particule constituée de particules fortement liées ou fusionnées.

Les NMs peuvent être divisés en 4 catégories selon leur dimensionnalité [10, 14] comme présenté dans le tableau 1.

Tableau 1 : Classification des nanomatériaux selon leur dimensionnalité. Adapté [15]

Dimension 0D 1D 2D 3D Modèle géométrique Particularités 3 dimensions externes nanométriques 2 dimensions comprises entre 1-100 nm

Une dimension unique inférieure à 100 nm Exemples Clusters atomiques Nanoparticules Nanomatériaux longilignes : Tiges, fibres, fils

Nanoplaques, réseaux et films

Étoiles, cubes et cages

Les nanomatériaux existent depuis la nuit des temps. En effet, une partie d’entre eux trouvent leur origine à l’état naturel sous forme de virus, de toiles d’araignée ou encore de fumées volcaniques [7, 16-18]. La seconde source d’émission est quant à elle d’origine anthropique, de par leur génération accidentelle (particules émises lors de l’émanation de gaz d’échappement de moteurs ou la fumée de cigarette) ou manufacturée pour une application précise telle que la photocatalyse (oxydes métalliques) ou pour un traitement médical ciblé (nanoparticules d’or dans le traitement

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de la dégénérescence maculaire liée à l’âge, de cancers et autres maladies) [7]. La Figure 5 schématise les différentes voies de génération de nanomatériaux.

Figure 5 : Classification des nanomatériaux selon leurs sources d'émission. [19]

Usages et applications des nanoparticules

Le domaine d’application de NM, et plus particulièrement des nanoparticules (NPs) est infiniment vaste. Selon le dernier rapport d’étude établi par le Ministère de la Transition Écologique et solidaire [2], les 5 principaux secteurs d’application seraient les suivants :

Nanomatériaux Naturel Biologique Débris biologiques Géologique Rejets volcaniques Atmosphérique Aérosols Sels océaniques Anthropique Accidentel Combustion diesel Rejets industriels Manufacturé Carbone Polymères Métalliques Oxydes

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Figure 6 : 5 domaines d'application majeurs de nanoparticules. [2]

Afin de mieux connaître la réalité quant à l’utilisation des nanoparticules, un dispositif de déclaration des substances à l’état nanoparticulaire a été mis en place en 2012 en Europe, suite à la Loi de Grenelle (art. 185, 2010) [20]. La Figure 7 ci-dessous recense le nombre de déclarations établies en 2018 selon les 5 principaux secteurs d’activité.

Figure 7 : Déclarations de substances à l'état nanoparticulaire recensées en 2018 selon 5 principaux secteurs d'activité. [2] 8% 2% 2% 51% 20% Industries alimentaires Recherche et développement scientifique Industrie pharmaceutique Commerce de gros Industrie chimique 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Commerce de gros (céréales, tabac, semences et alimentation de bétail) Commerce de gros de produits chimiques Fabrication de peintures, vernis, encres et mastics Fabrication de parfums et produits de toilette Fabrication de colorants et pigments N om br e de décl ar at ions

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Parmi ces nanomatériaux, les nanoparticules inorganiques représentent la majorité des NM utilisés pour la confection de produits d’usage courant avec plus de 100 000 tonnes produites ou importées en France. Le tableau suivant présente les principales NPs inorganiques avec leurs usages et fonctions respectives [21].

Tableau 2 : Usages de nanoparticules inorganiques

Catégorie Usages Fonction NPs

Revêtements et peintures Surfaces autonettoyantes Amélioration durabilité Hydrofuge

Résistance aux rayures

Antimicrobien Résistivité Agent blanchissant Anti-rayures TiO2 SiO2 Ag Fe2O3 Encres Imprimantes Tatouages Ag Médicaments

Véhiculer des principes actifs Comprimés Suppositoires Crèmes Antibactérien - Pansement Antibactérien

Véhiculer les principes actifs Ag Au Cosmétiques Produits de toilette Déodorants Crèmes solaires Crème hydratante Maquillage Dentifrice Antibactérien Filtre anti-UV Esthétique Agent blanchissant TiO2 Et autres exemples

Plastiques Emballages antimicrobiens

Bouteilles

Thermoplastiques

Ag

Textiles Vêtements de plage

Vestes imperméables Nappes anti-éclaboussures Filtre UV Revêtement Ag TiO2 Al2O3

Jouets Peluches Antimicrobien Ag

Alimentaire Colorants Chewing gum Additifs Compléments alimentaires Texture Enrobage - encapsulation Blanchissant Conservation TiO2

Depuis 2006, plusieurs bases de données sont consultables par tout usager afin de s’informer de la présence potentielle de nanoparticules dans les divers produits de consommation [22-23].

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Ces données ont permis de démontrer l’omniprésence des nanomatériaux et plus particulièrement des nanoparticules. Cette utilisation importante suscite actuellement des préoccupations majeures quant aux risques potentiels sanitaires et environnementaux.

Toxicité et risques sanitaires

Exposition humaine

Des études toxicologiques menées sur des animaux ont mis en évidence, suite à une exposition délibérée, la présence de NPs dans divers organes tels que le foie, les poumons ou encore les reins [24]. Cependant, de par les constitutions physiques, biologiques et physiologiques différentes, ces résultats sont difficilement extrapolables aux humains et nécessitent des études plus approfondies. Les scénarios et voies d’exposition humaine sont nombreux et non négligeables. Des études menées in vivo et in vitro ont permis de mettre en évidence les principales voies d’absorption et de biodistribution des nanoparticules dans le corps humain, comme présenté dans la Figure 8.

Figure 8 : Voies d'exposition, de distribution et d'excrétion des nanoparticules dans le corps humain. Adapté [7]

INHALATION CUTANÉE INGESTION

Voies respiratoires Follicules capillaires Peau Voies gastro-intestinales SANG Cerveau Nerfs olfactifs Moelle osseuse Cœur Foie Bile Reins URINE Poumons A bsorpt ion D ist ri but ion E xcr ét ion

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L’inhalation, l’ingestion ou encore l’exposition cutanée peuvent induire la pénétration de NPs dans le corps humain via un dépôt dans les voies respiratoires, les pores de la peau ou encore le système gastro-intestinal En raison de leur faible taille, ces dernières peuvent aisément traverser les barrières biologiques afin d’atteindre les systèmes sanguins et lymphatiques. Elles vont alors être véhiculées par le sang jusqu’aux divers organes pour être ensuite bioaccumulées ou excrétées dans les urines et les fèces [25]. Dépendamment de leurs propriétés physico-chimiques, certaines NPs vont provoquer l’inflammation de certains organes, des dommages cellulaires irréversibles en créant un stress oxydatif voire une dégradation de l’ADN.

Propriétés physico-chimiques

Cette toxicité est régie par divers paramètres tels que la taille et la distribution en taille, la structure, les états d’agglomération et d’agrégation, la concentration ou encore la forme et la surface spécifique [8]. L’ensemble de ces paramètres ainsi que leur impact quant à la toxicité sont présentés dans le tableau 3.

Tableau 3 : Propriétés physico-chimiques régissant la toxicité potentielle

Propriété Impact

Taille La taille conditionne la pénétration des nanoparticules dans le corps humain. Une diminution de la taille favorise leur pénétration dans les cellules (2-10 nm), le passage des barrières biologiques et leur migration vers divers organes. Il existe une corrélation directe entre la diminution de la taille et l’augmentation de la toxicité [26-27].

Surface La surface spécifique est inversement proportionnelle à la taille des NPs [28]. Or la réactivité dépend de sa surface. Ainsi une diminution de la taille induit une augmentation de leur réactivité chimique et biologique. Des effets toxiques comme du stress oxydatif, une dénaturation des protéines ou une dégradation de la structure de l’ADN peuvent être observés [26].

Nombre L’augmentation du nombre de nanoparticules favorise leur pénétration et leur persistance dans les tissus de l’organisme. Elles ont alors une plus grande facilité à être bioaccumulées et distribuées dans l’organisme.

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Forme La nanotoxicité dépend de la forme de par le processus d’enveloppement cellulaire mis en place par l’organisme pendant l’endocytose ou la phagocytose. Par exemple, l’endocytose d’une nanoparticule sphérique sera plus aisée que celle d’un nanotube. Les nanoparticules longues seraient plus toxiques que les sphériques [28].

État

d’agglomération ou agrégation

Dans la réalité, les nanoparticules sont rarement isolées les unes par rapport aux autres en tant que particules primaires, mais, ont tendance à s’agréger (par des liaisons chimiques « fortes ») ou s’agglomérer (par des liaisons physiques « faibles ») en amas de plus grande dimension (pouvant atteindre plusieurs dizaines de micromètres). Ces deux phénomènes peuvent modifier le dépôt des nanoparticules dans l’organisme, leur pénétration dans ou à travers les cellules et leurs effets biologiques [29].

Structure La structure joue un rôle majeur quant à leur absorption cellulaire et la génération d’espèces réactives de l’oxygène [7]. Par exemple, les formes cristallines anatase et rutile du dioxyde de titane peuvent être distinguées par leur toxicité. Le rutile ayant une taille de 200 nm sous excitation lumineuse, produirait une oxydation de l’ADN, contrairement à la forme anatase de la même taille.

Nature chimique

Pour une même taille, forme ou surface spécifique donnée, la nature chimique des nanoparticules est susceptible d’influer sur leur toxicité. Des NPs de SiO2

et ZnO de 20 nm chacune ont des effets toxiques différents sur des souris, le premier altère la structure de l’ADN tandis que le second induit un stress oxydatif [26].

Il est ainsi possible de conclure que plus les nanoparticules sont petites, plus leur surface spécifique est grande et leur capacité d’agglomération importante, plus l’effet toxique sera important [27]. À l’heure actuelle, il n’existe pas de données épidémiologiques quant à l’exposition humaine, il réside ainsi de fortes lacunes concernant la compréhension et le suivi du comportement des nanoparticules dans l’organisme au sein de la population. Cependant la nanotoxicité constitue aujourd’hui un sujet majeur dans le domaine de la recherche. De par leurs propriétés exceptionnelles et leurs utilisations importantes dans divers domaines d’application, les

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nanoparticules gagnent de plus en plus d’attention. Cet usage excessif augmente le risque d’exposition humaine et ainsi favorise de potentielles interactions avec notre organisme.

Les nanoparticules de dioxyde de titane

Ces dernières années, le dioxyde de titane (TiO2), sous forme nanoparticulaire, a généré une

polémique importante quant à son utilisation, principalement dans le domaine alimentaire sous son appellation E171. Les médias ont fait état de son omniprésence en tant qu’additif alimentaire, mais, également du manque de législation l’entourant. Ainsi, cette utilisation significative a conduit le domaine de la recherche à s’intéresser à son usage et sa toxicité. Les principaux secteurs utilisant les NPs TiO2 sont présentés dans la Figure 9.

Figure 9 : Importance relative de l'usage de NPs TiO2 dans divers produits selon les secteurs

d'application. Adapté [22] 0 100 200 300 400 500 600 Nombr e de prod uit s c ontena nt de s NPs

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Propriétés du dioxyde de titane 1.3.1.1 Propriétés structurales

Le dioxyde de titane à l’état naturel est retrouvé à l’état cristallin sous 3 formes allotropiques : l’anatase, le rutile et la brookite. Ces trois structures sont constituées d’octaèdres TiO6 légèrement

déformés : un atome de titane (Ti4+) entouré de six atomes d’oxygène (O2-) (Figure 10).

Figure 10 : Structures cristallines des trois phases de dioxyde de titane : anatase (a et d), rutile (b et e) et brookite (c et f). Adapté [30-31]

Dans les trois cas (Figure 10), les cations Ti4+ occupent les sommets et le centre des octaèdres à base carrée. Ces derniers sont reliés entre eux par des arrêtes et des sommets. Seuls le système cristallin et les distances interatomiques varient (voir Tableau 4), leur conférant ainsi des densités de masse et des structures de bandes électroniques différentes [32].

a

d

b c

e f

Anatase Rutile Brookite

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Tableau 4 : Caractéristiques des différents polymorphes de TiO2. Adapté [33-34]

Phase cristalline Anatase Rutile Brookite

Système cristallin Quadratique Quadratique Orthorhombique

Nombre de molécules par maille 4 2 8

Groupe I41/amd P42/mnm Pbca

a (Å) 3,785 4,593 9,182 b (Å) 3,785 4,593 5,456 c (Å) 9,513 2,959 5,143 d Ti-Ti (Å) 3,8 et 9,5 2,9 et 4,5 5,14 et 9,17 d Ti-O (Å) 1,93 1,95 1,95 Densité (g mL-1) 3,79 4,13 3,99

D’un point de vue thermodynamique le rutile est la forme la plus stable du dioxyde de titane. L’anatase et la brookite sont des formes métastables. Ainsi, ces deux phases cristallines tendent à évoluer naturellement sous la forme de rutile, par des processus de vieillissement ou d’élévation de la température.

Les applications du dioxyde de titane, surtout sous la forme rutile, sont nombreuses principalement en raison de ses fortes capacités optiques et photocatalytiques.

1.3.1.2 Propriétés photocatalytiques

La catalyse, par définition, est un procédé permettant l’augmentation de la cinétique d’une réaction nécessitant l’utilisation d’un catalyseur. Dans le cas de la photocatalyse, ce catalyseur nécessite une activation lumineuse. Dans un objectif global de protection de l’environnement, une percée majeure dans la photocatalyse est rapportée en 1972 lors de la mise en évidence de la décomposition de l’eau en hydrogène et oxygène via l’utilisation de dioxyde de titane rutile sous l’effet de rayonnements Ultra-Violet (UV). Dès lors, le TiO2 a été exploité pour ses propriétés

photocatalytiques afin de convertir l’énergie solaire en énergie chimique et procéder à l’élimination de bactéries ou de polluants dans l’eau et l’air [35].

Le dioxyde de titane, comme présenté dans le tableau 5, possède des zones énergétiques vides où la présence d’électrons est interdite.

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Tableau 5 : Énergies des bandes interdites des trois phases cristallines

Phase Anatase Rutile Brookite

Énergie de la bande interdite (eV) 3.2 3.0 3.14

Cette zone, comprise entre le plus haut niveau énergétique occupé par les électrons appelé bande de valence (BV) et le niveau inoccupé de plus basse énergie appelé bande de conduction (BC), est nommée bande interdite (BG). La largeur de cette dernière est dépendante de la phase cristalline, sa valeur en électron-volt (eV), correspond à l’énergie nécessaire pour faire passer un électron de la BV à la BC (EBG) par l’absorption d’un photon.

Figure 11 : Schéma du processus de photocatalyse sur une particule de TiO2 rutile. Adapté [36]

La photocatalyse, telle que présentée dans la Figure 11, repose donc sur l’absorption d’un photon ayant une énergie suffisante pour exciter un électron de la BV vers la BC, permettant alors l’oxydation et la réduction directe des espèces adsorbées à la surface de la particule [37].

Irradiation UV 0 eV +3 eV EBG BC BV e -h + O2 O2 .-OH. + H+ H2O Réduction Oxydation

(40)

1.3.1.3 Propriétés optiques

Le dioxyde de titane à l’échelle nanométrique offre de nombreuses propriétés optiques comme la protection contre les rayons UV et une opacité à des fins d’esthétisme. Nous parlons ici des propriétés d’absorption.

1.3.1.3.1 Absorption et atténuation des rayons UV

Dans un premier temps, dans le tableau 6 ci-dessous, il est observé que les indices de réfraction du TiO2 sont élevés et varient selon la structure cristalline.

Tableau 6 : Indice de réfraction des trois phases cristallines du TiO2. [6]

Phase Anatase Rutile Brookite

Indice de réfraction 2.561-2.488 2.605-2.903 2.583-2.7

Plus l’indice de réfraction est élevé, plus la capacité à réfléchir la lumière et donc d’acquérir un pouvoir couvrant est importante. Cependant, plus la taille de la nanoparticule diminue, plus l’absorption dans le visible augmente, ainsi son utilisation en tant que pigment devient obsolète. En effet, à l’échelle nanométrique, de par ses propriétés photocatalytiques, le TiO2 offre une

meilleure efficacité d’atténuation de la lumière dans l’UVB (290 – 320 nm) et l’UVA (320-340 nm) ainsi qu’un rétrécissement de la bande d’absorption. Pour illustrer ces phénomènes, la Figure 12 présente le pourcentage d’atténuation des différents rayonnements selon trois diamètres de nanoparticules de TiO2.

(41)

Figure 12 : Influence de la taille des nanoparticules de TiO2 sur l’atténuation des rayons UV (cyan :

20 nm, vert 60 nm et rouge : 100 nm). [38]

Une taille de 20 nm offre une protection contre les UVA et UVB moins efficace que 50 nm ou 100 nm, mais, transmet plus la lumière dans le domaine du visible. Le produit sera alors plus transparent. Ainsi la meilleure protection UV, serait constituée d’un mélange de nanoparticules de TiO2 de 50 nm et 120 nm, permettant d’avoir un compromis entre esthétisme et pouvoir protecteur

[38-40].

Figure 13 : Aspects des crèmes solaires sur la peau selon diverses tailles de NPs TiO2. [41]

Ces propriétés sont fortement utilisées pour la fabrication de crème solaire. L’usage de NPs TiO2

constitue une alternative aux filtres organiques pouvant être allergènes ou encore perturbateurs endocriniens [42].

20 nm 60 nm

(42)

Figure 14 : Principe de fonctionnement d'un filtre UV inorganique. [43]

Contrairement aux filtres chimiques, les filtres inorganiques reposent sur la réflexion ou la diffusion du rayonnement UV. Ces phénomènes sont représentés dans la Figure 14.

Les NPs sont généralement enrobées d’une couche de dioxyde de silice ou d’aluminium afin d’inhiber les propriétés photocatalytiques des composants organiques environnants [44].

Ainsi leur utilisation permet de couvrir une large gamme spectrale, d’offrir une apparence cosmétique acceptable, une facilité d’application et une résistance à l’eau.

1.3.1.4 Usages et applications du dioxyde de titane

Les nanoparticules de dioxyde de titane (NPs TiO2) ont de multiples applications dans diverses

industries comme la peinture, la cosmétique ou encore l’alimentaire (Figure 15).

Pro d u it so la ire

(43)

Figure 15 : Nombre de produits recensés contenant des nanoparticules de dioxyde de titane selon les secteurs industriels. [22]

En effet, ces propriétés photocatalytiques et optiques (1.3.1.2 et 1.3.1.3) offrent de nombreuses possibilités d’utilisation dans divers domaines industriels. Elles peuvent être utilisées aussi bien en tant qu’agent blanchissant, filtre UV, antibactérien ou purificateur environnemental, justifiant ainsi leur présence dans un nombre considérable de produits. Le tableau 7 présente les différents secteurs industriels et leurs usages associés ainsi que des exemples de produits [1, 25, 40, 45-48].

0 20 40 60 80 100 120 140 Nom br e d e p rod ui ts à b as e de NPs T iO 2

Figure

Figure 2 : Voies de pénétration et distribution des nanoparticules dans l'organisme. Adapté [7]
Figure 3 : Principaux paramètres physico-chimiques des NPs régissant la toxicité. Adapté [8]
Figure  8  :  Voies  d'exposition,  de  distribution  et  d'excrétion  des  nanoparticules  dans  le  corps  humain
Figure  9  :  Importance  relative  de  l'usage  de  NPs  TiO 2   dans  divers  produits  selon  les  secteurs
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