Propriétés de surface, réactivité

Plusieurs facteurs peuvent modifier l’interaction des particules ultra fines avec le milieu biologique : la dimension des particules, leur structure de surface, leur éventuelle agrégation, etc

Rôle de la surface de la particule ultra-fine dans la génération des radicaux libres
Rôle des propriétés de surface dans l’interaction avec des molécules biologiques
Effets des dimensions des particules dans l’interaction avec les cellules et dans l’adsorption des protéines
Rôle de la surface spécifique des PUF sur l’intensité et la spécificité de la réponse biologique.
Distinction de 4 classes pour les PUF

 

Rôle de la surface de la particule ultra-fine dans la génération des radicaux libres

Un radical libre est une espèce possédant un ou plusieurs électrons non appariés qui lui confèrent généralement une importante réactivité.

De nombreuses études de toxicité pulmonaire montrent que l’exposition aux particules ultra fines produit un stress oxydant beaucoup plus important que celui induit par des particules de plus grande taille de même composition chimique.

D’autre part les PUF ont une plus grande capacité à produire des radicaux libres.

Les sites actifs à la surface qui donnent lieu à la formation de radicaux libres peuvent être classés dans l’une de ces trois catégories:

  • Ions métaux de transition
    • Une quantité importante de métaux peut se trouver à la surface des PUF.
    • Les métaux fréquemment présents sur les PUF : Cu, fe, Ni, V, Ti, Co, peuvent déclencher la production d’espèces activées de l’oxygène.
    • Expérimentalement:
    • Des particules de noir de carbone recouvertes de Cu ++ produisent 4 fois plus de radicaux hydroxyle que celles qui contiennent du vanadium
    • et 8 fois plus que celles couvertes de fer.
    • Les particules recouvertes de nickel sont moins réactives.
  • Composés organiques
    • La présence de métaux à la surface ne suffit pas toujours à expliquer la capacité des PUF à produire des espèces radicalaires.
    • L’aptitude à former des espèces radicalaires dépend aussi de la structure cristallographique de la particule:
    • Par exemple: les nanotubes de carbone qui ont une structure cristalline semblable à celle du fullérène et formés de minuscules feuilles carbonées enroulées en cylindres concentriques ne donnent pas de radicaux détectables par les méthodes directes.
  • Radicaux de surface
    • Des espèces radicalaires peuvent également être produites en solution par l’action de radicaux de surface :
    • exemple: formation de sites actifs à la surface d’une silice par broyage.

 

Rôle des propriétés de surface dans l’interaction avec des molécules biologiques

Eléments qui influencent l’interaction avec la membrane cellulaire

  • Le degré d‘hydrophilie / hydrophobie.
  • Les groupements de surface capables de donner des liaisons hydrogène ( typiquement OH ou NH) ou d’entraîner , après dissociation, des liaisons d’origine électrostatiques.

Effets des dimensions des particules dans l’interaction avec les cellules et dans l’adsorption des protéines

Pour des particules fines et grossières

Particules fines et grossières : les caractéristiques chimiques et physiques de surface ont plus de pertinence que leur dimension, dans l’intéraction avec les cellules ou pour l’adsorption des protéines.

Pour les PUF

  • Les dimensions jouent un rôle primordial.
    • La plupart des cellules ont un diamètre moyen compris entre 2 ( exemple: la plaquette) et 20µm ( exemple: ostéoblaste).
    • les interactions avec les particules de taille supérieure à celle des cellules comportent le plus souvent des phénomènes d’adhérence, alors que l’interaction avec des PUF peut conduire à l’internalisation des particules:
    • Exemple de l’hydroxyapatite, un phosphate de calcium, biomatériau utilisé pour la fabrication de prothèses osseuses.
    • L’hydroxyapatite est douée d’une excellente biocompatibilité, puisqu’une fois implantée, elle est progressivement colonisée puis remplacée par un os lamellaire par les ostéoblastes.
  • L’intéraction avec une cellule conduit parfois à la lyse de la membrane
    • Lyse des globules rouges par des particules de silice colloidale.
    • Il est par ailleurs bien connu que les dimensions jouent un rôle dans la pénétration des particules dans les voies aériennes et dans les processus d’épuration opérés par les macrophages.
  • La plupart des PUF ont des dimensions comparables à celles des protéines.
    • L’adsorption des protéines à la surface des solides a été largement étudiée dans le cadre des biomatériaux.
    • Il existe peu de publication sur la relation entre la dimension des particules et l’adsorption des protéines dans le domaine des PUF.
  • Après adsorption, certaines protéines subissent des changements de conformationqui peuvent aller jusqu’à les dénaturer:
    • Ces effets augmentent avec la dimension des particules.
    • Par exemple la toxicité de solution d’acide monosilicique augmente avec son degré de polymérisation, alors qu’au dessous d’une certaine masse molaire, il n’y a pas de dénaturation: elle devient marquée pour des particules grossières.
  • Plus grosse est la particule, plus la protéine est susceptible d’établir de liaisons avec la surface:
    • Au contraire, si la particule est très petite, la protéine n’aura qu’un nombre limité de points de contact: par conséquents ces particules trop petites ne pourront pas induire d’altérations significatives de la protéine.

 

Rôle de la surface spécifique des PUF sur l’intensité et la spécificité de la réponse biologique.

La réponse biologique aux PUF dépend de plusieurs paramètres physico chimiques

  • Les dimensions.
  • La composition chimique.
  • La structure de surface.
  • L’agrégation.

Tous ces facteurs peuvent modifier l‘interaction avec le milieu biologique en modifiant par exemple l’internalisation cellulaire, l’adsorption des protéines.

Distinction de 4 classes pour les PUF

  • 1- PUF ayant les mêmes effets que les particules de plus grande taille quand on les compare par unité de surface, mais avec des effets plus marqués si elles sont comparées par dose massique.
    • Dans ce cas, les caractéristiques de surface des particules fines et ultra fines sont comparables, les effets sont probablement dûs à l’intéraction de sites actifs avec le milieu biologique.
  • 2- PUF ayant les mêmes effets que les particules de plus grande taille, quand on les compare par unité de surface, mais avec des effets plus marqués si elles sont comparées par dose massique.
  • 3- PUF ayant toujours des effets plus marqués que celles de plus grande taille, même si elles sont comparées par unité de surface.
    • Pour ces classes 2 et 3:
    • Ce sont des particules de réactivité différente, quelle que soit l’unité de mesure employée, masse ou surface pour les comparer avec les particules de plus grande taille.
    • Pour ces 2 classes, on suppose que d’autres paramètres, en plus de la surface spécifique, jouent un rôle dans le déclenchement des effets toxiques: exemple: la forme: fibreuse ou non, la cristallinité.
  • 4- Particules avec une dimension nanométrique n’existant qu’à ce niveau.
  • Exemple: les nanotubes de carbones font partie des particules de nouvelle conception pour lesquelle aucune comparaison avec des particules nanométriques n’est possible.

Les informations figurant dans cet article sont extraites du livre:
«Les nanoparticules: un enjeu majeur pour la santé au travail?»
Sous la direction de Benoît Hervé-Bazin
INRS, édition EDP sciences, 2007.



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