Alors que les chercheurs du monde entier s'empressent d'employer la nanotechnologie pour améliorer les méthodes de production d'applications allant de la fabrication de matériaux à la création de nouveaux médicaments pharmaceutiques, un défi distinct mais tout aussi impérieux existe.

L'histoire a montré que les précédentes révolutions industrielles, tels que ceux impliquant l'amiante et les chlorofluorocarbures, ont eu de graves impacts environnementaux. Les nanotechnologies pourraient-elles aussi présenter un risque ?

Linsey Marr et Peter Vikesland, membres du corps professoral du département Via de génie civil et environnemental de Virginia Tech, font partie du Centre national pour les implications environnementales des nanotechnologies (CEINT), financé par la National Science Foundation (NSF) en 2008. Avec Michael Hochella, Professeur des Universités Distingué de Géosciences, ils représentent les efforts de Virginia Tech dans un consortium de neuf membres récompensé de 14 millions de dollars sur cinq ans, à compter de 2008. La part de Virginia Tech est de 1,75 million de dollars.

Le CEINT se consacre à élucider la relation entre une vaste gamme de nanomatériaux - de naturel, à fabriquer, à ceux produits accidentellement par les activités humaines — et leur exposition potentielle à l'environnement, effets biologiques, et les conséquences écologiques. Il se concentrera sur le devenir et le transport des nanomatériaux naturels et manufacturés dans les écosystèmes.

Basée à l'Université Duke, CEINT est une collaboration entre Duke, L'université de Carnegie Mellon, Université Howard, et Virginia Tech en tant que membres principaux, ainsi que des enquêteurs de l'Université du Kentucky et de l'Université de Stanford. Les collaborations académiques du CEINT aux États-Unis comprennent également des activités en cours coordonnées avec les professeurs de Clemson, État de Caroline du Nord, UCLA, et les universités Purdue. Chez Virginia Tech, Le CEINT fait partie de l'Institut universitaire de technologie critique et de sciences appliquées (ICTAS).

Les scientifiques et les ingénieurs du centre ont présenté des plans pour mener des recherches sur les impacts possibles des nanomatériaux sur la santé environnementale. Les plans comprennent de nouvelles approches, comme la création d'un modèle de toxicologie prédictive basé sur des analyses cellulaires et la construction d'écosystèmes pour suivre les nanoparticules.

Caractérisation des particules en suspension dans l'air

De l'une des manières originales que Marr mène ses tests, elle et ses collègues cultivent des cellules pulmonaires humaines et les placent dans des chambres qui laissent la surface des cellules pulmonaires exposée à l'air. Ce placement permet un contact direct des cellules avec des particules en aérosol à l'interface air-liquide (ALI). L'un des chercheurs post-doctoraux de Marr, Titulaire d'Amara, et des collègues de Berkeley ont déjà exposé les cellules à des particules dans les gaz d'échappement diesel et à une flamme de méthane. Ils ont comparé l'exposition ALI à l'exposition in vitro conventionnelle, où les particules sont en suspension dans un milieu de culture cellulaire liquide.

"Nos résultats ont montré que la voie d'inhalation d'exposition à l'ALI est une approche in vitro pertinente et est plus réactive que l'exposition conventionnelle aux suspensions de particules, " ont-ils conclu. Maintenant, Marr et ses collègues répètent l'exposition avec des nanoparticules artificielles. Les chercheurs amélioreront le dépôt de particules plus petites en générant un champ électrique et en "s'appuyant sur la force électrophorétique pour conduire les particules chargées à la surface de la cellule".

"Avec cette conception, les cellules pulmonaires peuvent être exposées à un nombre substantiel de nanoparticules modifiées en aérosol, comme l'argent et les oxydes métalliques, sous forme de particules simples plutôt que de gros agglomérats, " a expliqué Marr. Un défi dans les tests de toxicité des nanoparticules a été que les très petites particules aiment former des agrégats, ainsi, tester les interactions des plus petites particules avec les cellules nécessite des approches particulières.

Marr et l'un de ses étudiants diplômés, Andrea Tiwari, ont choisi le fullerène C60 comme modèle pour les nanomatériaux carbonés en raison de sa relative simplicité, preuve de toxicité, et riche histoire de la littérature scientifique. La découverte du composé C60 en 1985 a valu à Harold Kroto, James R. Heath, et Richard Smalley le prix Nobel de chimie 1996. Les fullerènes C60 et leurs variantes sont utilisés dans l'ensemble de l'industrie des nanotechnologies.

« Les nanomatériaux carbonés en suspension dans l'air sont susceptibles de se trouver dans les installations de production et dans l'air ambiant et peuvent présenter des effets toxiques en cas d'inhalation, " Marr et Tiwari ont dit. Ils ont en outre théorisé que lorsqu'ils sont exposés à l'air, les nanomatériaux sont susceptibles d'être transformés chimiquement après l'exposition aux oxydants de l'atmosphère.

Dans leurs études préliminaires, les résultats indiquent que "l'oxydation a un impact sur la solubilité, car l'absorbance après remise en suspension dans l'eau est plus faible pour les fullerènes exposés à l'ozone. » L'implication est que les réactions dans l'atmosphère peuvent transformer les nanoparticules et les rendre plus susceptibles de se dissoudre dans l'eau une fois qu'elles se déposent sur terre. ils peuvent voyager plus loin et entrer en contact avec plus d'organismes que s'ils étaient collés au sol.

Pour collecter des nanoparticules en suspension dans l'air pour analyse, Le groupe de Marr a conçu un précipitateur thermophorétique à faible coût qui utilise de l'eau glacée comme source de refroidissement et une résistance de 10 W comme source de chauffage. Ils ont fait passer des aérosols synthétiques à travers le précipitateur et ont utilisé un microscope électronique à transmission pour inspecter les particules.

"L'analyse préliminaire a confirmé que ce précipitateur était efficace pour collecter des nanoparticules d'une large gamme de tailles et sera efficace dans les futures études sur les nanoparticules en suspension dans l'air, " dit Marr.

Au fur et à mesure que son travail dans ce domaine progresse, Marr a pu utiliser ses recherches dans la caractérisation des concentrations de particules en suspension dans l'air lors de la production de nanomatériaux carbonés, tels que les fullerènes et les nanotubes de carbone, dans une installation commerciale de nanotechnologie. Sur la base des mesures de son étude, fait avec Behnoush Yeganeh, Christy Kull et Mathew Hull, tous les étudiants diplômés, ils ont conclu que les contrôles techniques de l'installation "semblaient être efficaces pour limiter l'exposition aux nanomatériaux, " et ont rapporté leurs découvertes dans la publication de l'American Chemical Society Sciences et technologies de l'environnement (Vol. 42, n°12, 2008)

Cependant, ils pointent du doigt les limites de cette première étude qui portait principalement sur la caractérisation physique, et qui ne faisait pas de distinction entre les particules générées par la production de suies de nanomatériaux et celles provenant d'autres sources.

Effets des acides carboxyliques sur la formation d'agrégats nC60

« La production et l'application croissantes du fullerène C60 en raison de ses propriétés distinctives entraîneront inévitablement son rejet dans l'environnement, " Le collègue de Marr, Vikesland, mentionné. Déjà, le biomédical, optoélectronique, les capteurs et les industries cosmétiques sont parmi les utilisateurs du fullerène C60.

"On sait actuellement peu de choses sur l'interaction du fullerène C60 avec les constituants des eaux naturelles, et il est donc difficile de prédire le devenir du C60 rejeté dans le milieu naturel, " a ajouté Vikesland. " Le fullerène C60 est pratiquement insoluble dans l'eau. "

Cependant, l'un des composants de l'eau naturelle est la matière organique naturelle (MON). Lorsque le fullerène C60 est libéré dans l'eau, il forme "des agrégats colloïdaux dispersés hautement stables en C60 ou nC60, " a expliqué Vikesland. Ces agrégats peuvent présenter des disparités importantes dans la structure des agrégats, Taille, morphologie, et la charge de surface et se comportent très différemment du C60 seul.

Le problème avec NOM est son caractère aléatoire, résultant en diverses caractéristiques des agrégats qui se forment lorsqu'ils se mélangent avec le C60.

Donc, Vikesland étudie les acides carboxyliques de faible poids moléculaire tels que l'acide acétique, l'acide tartrique, et acide citrique, tous les constituants largement détectés de l'eau naturelle et des fluides biologiques. Lui et son étudiant diplômé Xiaojun Chang ont spécifiquement étudié la formation de nC60 dans des solutions d'acide acétique (vinaigre), soumis les agrégats à un mélange prolongé, et a constaté que la chimie de la solution diffère considérablement du nC60 mélangé à de l'eau seule.

"Le citrate affecte la formation du nC60 de deux manières, " a déclaré Vikesland. Cela modifie le pH, un facteur clé dans le contrôle de la charge de surface du nC60 et il interagit directement avec la surface du C60.

Vikesland a expliqué l'importance de ce résultat. Lorsque nC60 est produit en présence des acides carboxyliques, ses agrégats diffèrent sensiblement de ceux produits sans les acides. En général, Vikesland a dit, ces agrégats ont des charges superficielles plus négatives et sont plus homogènes que ceux produits dans l'eau seule.

"Ces résultats suggèrent que le devenir ultime du C60 dans les environnements aqueux est susceptible d'être significativement affecté par les quantités et les types d'acides carboxyliques présents dans les systèmes naturels et par le pH de la solution, " ajouta Vikesland. De plus, parce que les acides carboxyliques sont courants dans les fluides biologiques, Vikesland s'intéresse à la façon dont ses découvertes sont liées aux mécanismes par lesquels le C60 interagit avec les cellules in vivo.

Ces acides peuvent affecter de manière significative les conclusions finales concernant l'impact du fullerène C60 sur l'environnement. Son travail actuel paraît dans un numéro de Pollution environnementale v157, numéro 4 (avril 2009), 1072-1080.