Nanomatériaux manufacturés, prisés pour leurs propriétés semi-conductrices uniques, sont déjà répandus dans les produits de consommation courante — des crèmes solaires, des cosmétiques et des peintures aux textiles et aux batteries solaires - et les prévisionnistes économiques prédisent que l'industrie atteindra 1 000 milliards de dollars d'activité au cours des prochaines années. Mais à quel point ces matériaux sont-ils sûrs ?

Étant donné que les propriétés semi-conductrices des nanomatériaux à oxyde métallique pourraient potentiellement se traduire par des risques pour la santé des humains, les animaux et l'environnement, c'est impératif, les chercheurs disent, développer une méthode pour tester rapidement ces matériaux afin de déterminer les dangers potentiels et de prendre les mesures préventives appropriées.

À cette fin, Les chercheurs de l'UCLA et leurs collègues ont développé une nouvelle technologie de criblage qui permet d'évaluer rapidement de grands lots de ces nanomatériaux d'oxyde métallique, sur la base de leur capacité à déclencher certaines réponses biologiques dans les cellules en raison de leurs propriétés semi-conductrices. La recherche est publiée dans la revue ACS Nano.

Tout comme les semi-conducteurs peuvent injecter ou extraire des électrons des matériaux industriels, les nanomatériaux semi-conducteurs d'oxyde métallique peuvent avoir un effet de transfert d'électrons lorsqu'ils entrent en contact avec des cellules humaines qui contiennent des molécules électroniquement actives, les chercheurs ont trouvé. Et bien que ces réactions d'oxydoréduction soient utiles dans l'industrie, lorsqu'ils se produisent dans le corps, ils ont le potentiel de générer des radicaux oxygène, qui sont des molécules d'oxygène hautement réactives qui endommagent les cellules, déclenchant une inflammation aiguë dans les poumons des humains et des animaux exposés.

Dans une conclusion clé, l'équipe de recherche a prédit que les nanomatériaux d'oxyde métallique et les molécules électroniquement actives dans le corps doivent avoir des niveaux d'énergie électronique similaires - appelés énergie de bande interdite dans le cas du nanomatériau - pour que ce transfert d'électrons dangereux se produise et que des dommages oxydatifs se produisent.

Sur la base de cette prédiction, les chercheurs ont examiné 24 nanoparticules d'oxyde métallique pour déterminer lesquelles étaient les plus susceptibles d'entraîner une toxicité dans le cadre d'une exposition réelle. À l'aide d'un test de criblage à haut débit (réalisé par un équipement robotique et un microscope automatisé à capture d'images), ils ont testé les deux douzaines de matériaux sur une variété de types de cellules en quelques heures et ont découvert que six d'entre eux - ceux qui avaient précédemment répondu aux critères prédictifs des chercheurs pour être toxiques sur la base de leur énergie de bande interdite - ont conduit à un effet oxydant. dommages dans les cellules.

L'équipe a ensuite testé les nanomatériaux dans des études animales bien orchestrées et a découvert que seuls les matériaux qui avaient entraîné des dommages oxydatifs dans les cellules étaient capables de générer une inflammation dans les poumons des souris, confirmant l'hypothèse de la bande interdite des chercheurs.

"La capacité de faire de telles prédictions, en commençant par des cellules dans un tube à essai, et extrapoler les résultats aux animaux intacts et aux humains exposés à des oxydes métalliques potentiellement dangereux, est un grand pas en avant dans le criblage de la sécurité des nanomatériaux, " a déclaré l'auteur principal, le Dr Andre Nel, chef de la division de nanomédecine à la David Geffen School of Medicine de l'UCLA et du California NanoSystems Institute à l'UCLA et directeur du Centre de l'Université de Californie pour les implications environnementales de la nanotechnologie.

Selon les chercheurs, cette nouvelle technologie d'évaluation de la sécurité a le potentiel de remplacer les tests traditionnels, qui est actuellement réalisée un matériau à la fois dans des études animales à forte intensité de main-d'œuvre en utilisant une approche « d'attente et de voir » qui ne révèle pas pourquoi les nanomatériaux impliqués pourraient être dangereux. L'approche prédictive et la technique de criblage de l'équipe de l'UCLA pourraient accélérer la capacité d'évaluer un grand nombre de nouveaux nanomatériaux émergents plutôt que d'attendre que leur potentiel toxicologique se manifeste avant de prendre des mesures.

"Être capable d'intégrer les propriétés électroniques des oxydes métalliques dans une plate-forme scientifique prédictive et à haut débit dans ce travail pourrait jouer un rôle important dans l'avancement des tests de sécurité des nanomatériaux au 21e siècle vers une stratégie préventive, plutôt que d'attendre que des problèmes apparaissent, " dit Nel.

Un autre avantage majeur d'une approche basée sur l'évaluation des propriétés des nanomatériaux est que l'on peut identifier les propriétés qui pourraient potentiellement être repensées pour rendre les matériaux moins dangereux, les chercheurs ont dit.

La mise en œuvre du criblage à haut débit conduit également au développement d'outils informatiques d'aide à la prévision; à l'avenir, une grande partie de l'évaluation de la sécurité des nanomatériaux pourrait être effectuée à l'aide de programmes informatiques exécutant des procédures de modélisation et de simulation intelligentes basées sur les propriétés électroniques.

« Nous pouvons maintenant affiner davantage les tests d'une classe importante de nanomatériaux manufacturés au niveau où les agences de réglementation peuvent utiliser nos prédictions et nos méthodes de test, " dit Haiyuan Zhang, un chercheur postdoctoral au Center for Environmental Implicationons of Nanotechnology à l'UCLA's CNSI et l'auteur principal de l'étude.