De nombreux polluants d'origine humaine dans l'environnement résistent à la dégradation par des processus naturels, et perturbent les systèmes hormonaux et autres chez les mammifères et autres animaux. L'élimination de ces matières toxiques, qui comprennent les pesticides et les perturbateurs endocriniens tels que le bisphénol A (BPA), avec les méthodes existantes, est souvent coûteuse et chronophage.

Dans un nouvel article publié cette semaine dans Communication Nature , des chercheurs du MIT et de l'Université fédérale de Goiás au Brésil démontrent une nouvelle méthode d'utilisation des nanoparticules et de la lumière ultraviolette (UV) pour isoler et extraire rapidement une variété de contaminants du sol et de l'eau.

Ferdinand Brandl et Nicolas Bertrand, les deux auteurs principaux, sont d'anciens post-doctorants dans le laboratoire de Robert Langer, le professeur de l'Institut David H. Koch à l'Institut Koch du MIT pour la recherche intégrative sur le cancer. (Eliana Martins Lima, de l'Université fédérale de Goiás, est l'autre co-auteur.) Brandl et Bertrand ont tous deux une formation de pharmacien, et décrivent leur découverte comme un heureux accident :ils ont d'abord cherché à développer des nanoparticules qui pourraient être utilisées pour administrer des médicaments aux cellules cancéreuses.

Brandl avait auparavant synthétisé des polymères qui pouvaient être clivés par exposition à la lumière UV. Mais lui et Bertrand en sont venus à remettre en question leur aptitude à l'administration de médicaments, puisque la lumière UV peut endommager les tissus et les cellules, et ne pénètre pas à travers la peau. Lorsqu'ils ont appris que la lumière UV était utilisée pour désinfecter l'eau dans certaines usines de traitement, ils ont commencé à poser une question différente.

« Nous avons pensé que s'ils utilisaient déjà la lumière UV, peut-être qu'ils pourraient aussi utiliser nos particules, " dit Brandl. " Ensuite, nous avons eu l'idée d'utiliser nos particules pour éliminer les produits chimiques toxiques, polluants, ou des hormones de l'eau, parce que nous avons vu que les particules s'agrègent une fois que vous les irradiez avec de la lumière UV."

Un piège à pollution « craignant l'eau »

Les chercheurs ont synthétisé des polymères à partir de polyéthylène glycol, un composé largement utilisé trouvé dans les laxatifs, dentifrice, et collyre et approuvé par la Food and Drug Administration en tant qu'additif alimentaire, et l'acide polylactique, un plastique biodégradable utilisé dans les tasses et la verrerie compostables.

Les nanoparticules fabriquées à partir de ces polymères ont un noyau hydrophobe et une enveloppe hydrophile. En raison des forces à l'échelle moléculaire, dans une solution les molécules polluantes hydrophobes se déplacent vers les nanoparticules hydrophobes, et adsorber à leur surface, où ils deviennent effectivement « piégés ». Ce même phénomène est à l'œuvre lorsque la sauce à spaghetti tache la surface des récipients en plastique, en les virant au rouge :dans ce cas, le plastique et la sauce à base d'huile sont hydrophobes et interagissent ensemble.

Si laissé seul, ces nanomatériaux resteraient en suspension et dispersés uniformément dans l'eau. Mais lorsqu'il est exposé à la lumière UV, l'enveloppe extérieure stabilisatrice des particules est décollée, et—maintenant "enrichies" par les polluants—elles forment des agrégats plus gros qui peuvent ensuite être éliminés par filtration, sédimentation, ou d'autres méthodes.

Les chercheurs ont utilisé la méthode pour extraire les phtalates, produits chimiques perturbateurs hormonaux utilisés pour ramollir les plastiques, des eaux usées; BPA, un autre composé synthétique perturbateur endocrinien largement utilisé dans les bouteilles en plastique et autres biens de consommation résineux, à partir d'échantillons de papier d'impression thermique ; et les hydrocarbures aromatiques polycycliques, composés cancérigènes issus de la combustion incomplète des carburants, du sol contaminé.

Le processus est irréversible et les polymères sont biodégradables, minimiser les risques de laisser persister des produits secondaires toxiques, dire, un plan d'eau. "Une fois qu'ils sont passés à cette situation macro où ils sont de gros touffes, " Bertrand dit, "vous ne pourrez plus les ramener à l'état nano."

La percée fondamentale, selon les chercheurs, confirmait que les petites molécules s'adsorbent en effet passivement à la surface des nanoparticules.

"Au meilleur de nos connaissances, c'est la première fois que les interactions de petites molécules avec des nanoparticules préformées peuvent être mesurées directement, " écrivent-ils dans Nature Communications.

Nano-nettoyage

Encore plus excitant, ils disent, est le large éventail d'utilisations potentielles, de l'assainissement de l'environnement à l'analyse médicale.

Les polymères sont synthétisés à température ambiante, et n'ont pas besoin d'être spécialement préparés pour cibler des composés spécifiques ; ils sont largement applicables à toutes sortes de produits chimiques et de molécules hydrophobes.

« Les interactions que nous exploitons pour éliminer les polluants sont non spécifiques, " Brandl dit. "Nous pouvons supprimer les hormones, BPA, et les pesticides qui sont tous présents dans le même échantillon, et nous pouvons le faire en une seule étape."

Et le rapport surface/volume élevé des nanoparticules signifie que seule une petite quantité est nécessaire pour éliminer une quantité relativement importante de polluants. La technique pourrait ainsi offrir un potentiel de nettoyage rentable des eaux et des sols contaminés à plus grande échelle.

« Du point de vue appliqué, nous avons montré dans un système que l'adsorption de petites molécules à la surface des nanoparticules peut être utilisée pour l'extraction de toute nature, " dit Bertrand. " Cela ouvre la porte à de nombreuses autres applications sur toute la ligne. "

Cette approche pourrait éventuellement être approfondie, il spécule, pour remplacer l'utilisation généralisée de solvants organiques pour tout, de la décaféination du café à la fabrication de diluants pour peinture. Bertrand cite le DDT, interdit comme pesticide aux États-Unis depuis 1972 mais encore largement utilisé dans d'autres parties du monde, comme un autre exemple de polluant persistant qui pourrait potentiellement être assaini à l'aide de ces nanomatériaux. "Et pour les applications analytiques où vous n'avez pas besoin d'autant de volume pour purifier ou concentrer, ça peut être intéressant, " Bertrand dit, offrant l'exemple d'un kit de test bon marché pour l'analyse d'urine de patients médicaux.

L'étude suggère également le potentiel plus large d'adaptation des techniques d'administration de médicaments à l'échelle nanométrique développées pour une utilisation dans l'assainissement de l'environnement.

« Que nous pouvons appliquer certains des éléments hautement sophistiqués, des outils de haute précision développés pour l'industrie pharmaceutique, et regardons maintenant l'utilisation de ces technologies en termes plus larges, est phénoménal, " dit Frank Gu, professeur adjoint de génie chimique à l'Université de Waterloo au Canada, et un expert en nano-ingénierie pour les soins de santé et les applications médicales.

« Quand vous pensez au déploiement sur le terrain, c'est loin sur la route, mais cet article offre une opportunité vraiment excitante de résoudre un problème qui est constamment présent, " dit Gu, qui n'a pas participé à la recherche. « Si vous adoptez l'approche conventionnelle normale du génie civil ou du génie chimique pour le traiter, il ne le touchera tout simplement pas. C'est là que se trouve la partie la plus excitante."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.