Quels sont les effets toxiques des nanotubes de carbone ? Comprendre les risques liés à l'inhalation

En bref, oui, certains types de nanotubes de carbone peuvent être toxiques, en particulier lorsqu'ils sont inhalés. Leurs risques potentiels pour la santé sont principalement liés à leur structure physique — notamment leur petite taille, leur rapport d'aspect élevé (long et fin) et leur biopersistance — ce qui peut provoquer des effets similaires à ceux de l'amiante dans les poumons, notamment l'inflammation, la fibrose et un risque accru de cancer.

La toxicité des nanotubes de carbone n'est pas inhérente au carbone lui-même, mais est une fonction de leur forme physique. Le danger principal survient lorsque des nanotubes longs, minces et rigides sont inhalés sous forme de particules en suspension dans l'air, présentant un risque important pour les chercheurs et les travailleurs de la fabrication, mais un risque minime lorsqu'ils sont solidement intégrés dans un produit final.

Les mécanismes de la toxicité des CNT

L'inquiétude concernant la toxicité des nanotubes de carbone (CNT) trouve son origine dans la manière dont leur forme physique interagit avec les mécanismes de défense naturels du corps. Le parallèle établi avec les fibres d'amiante n'est pas accidentel ; il est basé sur un mécanisme de dommage structurel similaire.

Le rôle de la forme et de la taille

Le facteur le plus critique pour la toxicité des CNT est le rapport d'aspect élevé — être très longs et minces. Lorsque ces fibres sont inhalées, les cellules immunitaires des poumons (macrophages) tentent de les engloutir et de les éliminer.

Cependant, si un nanotube est plus long que le macrophage lui-même (généralement >15-20 µm), la cellule ne peut pas l'envelopper complètement. Cela conduit à un processus appelé phagocytose frustrée, où le macrophage tente et échoue à plusieurs reprises à éliminer la fibre, libérant des signaux inflammatoires et des enzymes dommageables qui nuisent au tissu pulmonaire environnant.

Biopersistance : l'incapacité à se dégrader

Un autre facteur clé est la biopersistance. De nombreux matériaux que nous inhalons peuvent être décomposés par les enzymes du corps ou dissous avec le temps.

Les nanotubes de carbone vierges sont très durables et peuvent résister à la dégradation biologique. Cela signifie qu'une fois logées dans le tissu pulmonaire, elles peuvent y rester pendant de longues périodes, provoquant une inflammation chronique et des cicatrices (fibrose).

La principale voie de préoccupation : l'inhalation

De loin, la voie d'exposition la plus étudiée et la plus significative est l'inhalation. Les fibres de CNT individuelles ou les petits agglomérats en suspension dans l'air peuvent pénétrer profondément dans les poumons, atteignant la région alvéolaire où se produit l'échange gazeux.

Les autres voies d'exposition comme le contact cutané (peau) ou l'ingestion sont généralement considérées comme présentant un risque beaucoup plus faible. La peau offre une barrière solide, et les nanotubes ingérés traversent généralement le système digestif avec une absorption minimale.

Comprendre les compromis : tous les CNT ne sont pas égaux

C'est une erreur critique de considérer que tous les nanotubes de carbone ont le même profil de risque. La toxicité réelle dépend fortement d'une série de facteurs, transformant une simple question « oui/non » en une évaluation complexe des risques.

À simple paroi contre multicouches

Les nanotubes de carbone à simple paroi (SWCNT) sont souvent plus flexibles et peuvent contenir des résidus de catalyseur métallique issus de leur synthèse, ce qui peut s'ajouter à leur toxicité chimique.

Les nanotubes de carbone multicouches (MWCNT) sont généralement plus rigides. Les variantes longues, droites et rigides sont celles qui sont le plus souvent comparées aux fibres d'amiante et sont considérées comme une plus grande préoccupation pour causer les dommages physiques décrits ci-dessus.

L'importance de la fonctionnalisation

Les CNT bruts et vierges sont souvent modifiés dans un processus appelé fonctionnalisation, où des groupes chimiques sont attachés à leur surface.

Ce processus peut réduire considérablement la toxicité. La fonctionnalisation peut rendre les CNT plus solubles dans l'eau, moins susceptibles de s'agglomérer et plus faciles à éliminer par le corps, atténuant ainsi les principaux mécanismes de dommage.

Intégrés contre poudre libre

Le contexte de l'exposition est primordial. Le risque le plus élevé concerne les travailleurs de la recherche ou de la fabrication qui pourraient manipuler des poudres de CNT brutes et sèches, qui peuvent facilement se propager dans l'air.

En revanche, le risque pour un utilisateur final d'un produit où les CNT sont intégrés dans une matrice polymère (comme un cadre de vélo en fibre de carbone ou un équipement électronique) est négligeable. Les nanotubes sont bloqués en place et ne sont pas disponibles pour l'inhalation.

Faire le bon choix pour votre objectif

L'évaluation du risque lié aux CNT nécessite de prendre en compte le matériau spécifique que vous utilisez et son application tout au long du cycle de vie du produit.

• Si votre objectif principal est la sécurité des travailleurs en R&D ou en fabrication : Privilégiez les contrôles d'ingénierie tels que les hottes aspirantes et la ventilation, exigez des équipements de protection individuelle (EPI) comme des respirateurs, et chaque fois que possible, procurez-vous des CNT sous une forme plus sûre, telle qu'une dispersion liquide ou un mélange maître polymère, pour éviter la poussière en suspension dans l'air.
• Si votre objectif principal est la sélection de matériaux pour un composite : Choisissez des CNT qui sont fonctionnalisés pour réduire la toxicité et assurez-vous qu'ils sont bien dispersés et verrouillés dans la matrice du matériau. Le risque principal se situe au stade de la fabrication, et non dans le produit final.
• Si votre objectif principal est l'impact environnemental : Considérez l'ensemble du cycle de vie. Bien que les CNT puissent avoir une empreinte de production inférieure à celle de certaines alternatives, une élimination appropriée et la compréhension de leur devenir à long terme dans l'environnement sont nécessaires pour une image complète.

En fin de compte, la gestion du risque lié aux nanotubes de carbone consiste à contrôler l'exposition et à choisir la bonne forme du matériau pour la tâche.

Tableau récapitulatif :

Facteur	Impact sur la toxicité
Rapport d'aspect élevé (Long et fin)	Augmente le risque d'inflammation pulmonaire et de fibrose (effet similaire à l'amiante).
Biopersistance (Durabilité dans le corps)	Entraîne une inflammation chronique et des cicatrices car les fibres ne sont pas facilement décomposées.
Forme (Poudre contre intégré)	Le risque le plus élevé provient de la poudre en suspension dans l'air ; risque minimal lorsqu'elle est bloquée dans un produit final.
Type (SWCNT contre MWCNT)	Les nanotubes multicouches rigides (MWCNT) sont souvent une plus grande préoccupation.

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