Etude de la toxicite des nanofils de zinc et sa modification au cours du cycle de vie et des changements des proprietes physico-chimiques

par Chrysovalanto Louka

Projet de thèse en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Laurent Charlet.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes en cotutelle avec Swansea University Prifysgol Abertawe , dans le cadre de Terre, Univers, Environnement , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Le but de ce projet de thèse est de corréler la toxicité des nanofils d'oxyde de zinc avec les changements physico-chimiques induits au cours du cycle de vie des nanofils de zinc (ZnONF). Les nanoparticules (NP) sont couramment utilisées dans de nombreuses applications (cosmétiques, nourriture, habillement…) et l'exposition humaine peut se produire tout au long du cycle de vie du produit. Les NP bruts sont dégradés rapidement lorsqu'elles sont exposées dans l'environnement via des réactions chimiques, des phénomènes de dissolution, aggrégation… qui affectent leurs propriétés et donc leur toxicité. Les ZnONF qui sont le sujet d'étude de ce projet possèdent des propriétés électriques et optoélectroniques qui permettent le développement de nouveaux nanosenseurs, nanotransducteurs et nanogénérateurs. Ils peuvent être utilisés pour le développement de matériel à l'interface homme-électronique, pour la délivrance de médicaments, dans les textiles intelligents qui convertissent les signaux mécaniques provoqués par les mouvements en électricité pour créer des appareils auto-alimentés et autonomes. Les ZnONF sont aussi prometteurs pour des applications en nanomédecine, il a été montré récemment qu'ils peuvent être utilisés pour la délivrance de médicaments. Mais alors que les propriétés fonctionnelles des ZnONF sont exploitées et développés, leur impact sur l'homme et leur toxicité est très peu connue, il n'y a ce jour qu'une seule étude sur des cellules du système immunitaire (macrophages) avec des ZnONF bruts. De plus, ils risquent d'être introduits dans des produits qui seront en proche contact avec la peau pendant des journées entières et dans des conditions particulières (chaleur, pH…) Il est donc urgent de caractériser la toxicité des ZnONF bruts et après vieillissement avant qu'ils ne soient produits en grande quantité et introduits dans des produits de consommation. Ce projet est un premier pas important pour déterminer les limites d'exposition des ZnONF bruts et « vieillis » et permettre leur implémentation dans des produits de consommation Les différentes taches du projet sont décrites ci-dessous : -Caractérisation physico-chimique complète des nanofils après synthèse et après vieillissement (Swansea & Grenoble). -Design et optimisation des protocoles de vieillissement par exposition aux UV (dose, durée), immersion dans l'eau (pH, température) et dans des milieux de culture cellulaire (Swansea). -Etude de l'internalisation des ZnONF bruts et « vieillis » et des modifications chimiques induites à l'intérieur des cellules par MET et MEB (Swansea & Grenoble). -Etude de la toxicité aigüe et à long terme sur des cellules de la peau en culture et sur des modèles d'épidermes reconstruits par la mesure de l'activité mitochondriale, l'intégrité membranaire, la production de ROS et les dommages à l'ADN (Grenoble). Les résultats de ce projet permettront de conclure quant à la conséquence de l'exposition dermique aux ZnONF bruts et « vieillis ».

  • Titre traduit

    Correlating the Toxicity of Zinc Oxide Nanowires with Life Cycle Changes in Physical and Chemical Properties


  • Résumé

    The aim of the thesis project is to determine the correlation between the toxicity of zinc oxide nanowires (ZnONWs) with the change in their physico-chemical properties over their life cycle. Nanoparticles (NPs) are widely used in several applications (cosmetics, food, clothing, medicine) and human exposure happens all along the NPs lifecycle. Pristine NPs degrade rapidly when exposed to the environment through chemical reactions, dissolution, aggregation, surface roughening and physical damage which affect their properties, their functionality and finally their toxicity. ZnONWs are the focus of this project because they exhibit optoelectronic and electrical properties that led to the demonstration of novel nanosensors, nanotransducers, photocatalysts and nanogenerators. They can be used for the development of human-electronic interfacing, biomedical diagnosis, drug delivery and wearable technologies that convert mechanical simulation in electricity for self-powered devices. ZnONW are also very promising for nanomedicine, they have recently been shown to be efficient drug carrier. While the functional properties of ZnONW are being exploited and developed and their high volume production is now allowed, little is known regarding their toxicity with only one toxicity study in macrophages cells with pristine ZnONW. It is therefore urgent to address pristine and aged ZnONW toxicity before their large production and introduction in commercial products. This project will pave the way towards the determination of safe exposure limits for pristine and weathered ZnONWs, enabling their implementation in commercial products. The project tasks are outlined below: •Conduct a complete physico-chemical characterization of the nanowires, before and after ageing. (Swansea & Grenoble). •Design and optimize ageing protocols for UV exposure (dose, duration), water immersion (pH, temperature) and cell culture medium. (Swansea). •Assess cell uptake using SEM and TEM. (Swansea and Grenoble) •Assess the acute and long term toxicity on 2D and 3D skin human models by measuring mitochondrial activity, membrane integrity, cell cycle, ROS production and DNA damage (Grenoble). This project will pave the way towards the determination of safe exposure limits for pristine and weathered ZnONWs, enabling their implementation in commercial products.