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Établissement des priorités

Système de classification chimique proposé

En 2009, soit avant la mise sur pied de l’Initiative sur la nanotechnologie du Conseil, les autorités de l’Environmental Protection Agency des États-Unis ont travaillé de manière indépendante sur un système de classification des nanomatériaux fondé sur les similarités dans la composition chimique, s’inspirant principalement des publications scientifiques et des soumissions faites à son programme. Ce système de classification a été peaufiné avec l’aide de leurs homologues canadiens à Environnement Canada et à Santé Canada dans le cadre de l’élément de travail 2 de l’Initiative sur la nanotechnologie du Conseil, une collaboration qui a donné lieu  au système de classification chimique proposé dans ce document.

Ce système de classification sera utilisé : 1) pour se concentrer sur les nanomatériaux qui sont censés avoir un comportement habituel différent à l’échelle nanométrique, et 2) pour sélectionner les analogues et les données déduites à partir d’analogues appropriés à l’intérieur d’une classe de nanomatériaux. Au fur et à mesure que la science évolue, des approches pour sélectionner les analogues et les données déduites à partir d’analogues parmi des classes différentes seront considérées.

Les experts et les intervenants ont été invités à faire part de leurs commentaires sur le système de classification proposé dans le cadre de l’atelier de l’Initiative sur la nanotechnologie du Conseil du 20 mars 2013. Une version améliorée du système de classification, qui tient compte  de ces commentaires, est présentée ci-dessous à la figure 2. Les intervenants et les experts de l’atelier s’entendent pour dire que le système de classification proposé est un bon point de départ7.

En déterminant ces classes de nanomatériaux, les responsables des Programmes Canada-États-Unis font état des nanomatériaux qu’ils considèrent comme ayant un comportement différent de celui de leurs formes qui ne sont pas à l’échelle nanométrique. Par exemple, les nanoparticules d’or possèdent des propriétés différentes de celles de l’or en vrac. Toutefois, les substances telles que les polymères organiques et les pigments ne démontrent habituellement pas de propriétés ou de phénomènes uniques à l’échelle nanométrique (ces substances sont à l’échelle nanométrique en raison de leur voie de synthèse et, par conséquent, elles ont subi des évaluations traditionnelles des risques associés aux substances chimiques). Les classes présentées à la figure 2 ne sont pas exhaustives et seront modifiées au fur et à mesure que de nouveaux nanomatériaux seront signalés aux Programmes Canada-États-Unis et que les connaissances scientifiques s’accumuleront.      

Les nanomatériaux hybrides (par exemple, un nanotube de carbone modifié en surface par un oxyde métallique qui démontre un comportement unique) ne font pas partie du système de classification proposé puisqu’ils appartiennent à plusieurs classes de composition chimique. Pour cette raison, tous les nanomatériaux hybrides continueront d’être évalués au cas par cas sans l’inclusion d’analogues ou de données déduites à partir d’analogues.  

La classe des substances organiques (section 3.6) a été ajoutée au système de classification en fonction de la rétroaction reçue des intervenants lors de l’atelier de l’Initiative sur la nanotechnologie du Conseil du 20 mars 2013; elle représente un secteur émergent de la nanotechnologie dont les connaissances  des Programmes Canada-États-Unis sont à parfaire. Cette situation devrait s’améliorer au fur et à mesure que les connaissances scientifiques s’accumuleront, particulièrement avec l’apparition des matériaux nanocellulosiques sur le marché.

Figure 2 : Système de classification des nanomatériaux proposé fondé sur les similarités dans la composition chimique

Système de classification des nanomatériaux fondé sur les similarités dans la composition chimique

Les boîtes bleues dans la figure 2 représentent, selon les responsables des Programmes Canada‑États-Unis et leurs intervenants, les classes dont pourraient faire partie les nanomatériaux en fonction des similarités dans la composition chimique. Les paramètres physicochimiques indiqués (dans les boîtes blanches) représentent les paramètres physicochimiques intrinsèques qui doivent être similaires entre les deux nanomatériaux pour qu’ils soient considérés comme des analogues ou des données déduites à partir d’analogues (p. ex. si deux nanomatériaux à l’intérieur d’une classe ont les mêmes paramètres physicochimiques, il est probable qu’ils auront des propriétés et un comportement similaires, notamment dans les stations d’épuration des eaux usées).  

Dans ce document, les termes « solubilité », « dégradation » (en parlant de la surface des nanomatériaux) et « dissolution » sont utilisés de manière interchangeable et visent à englober en général la libération d’ions des nanoparticules dans les milieux solvants au fil du temps. Il est important de noter que mesurer la solubilité est toujours complexe (p. ex. mesurer la dispersion par rapport à la solubilité par rapport à la dissolution).Le terme « taille » renvoie à la taille des particules primaires ou à la taille moyenne en l’absence de données sur la taille des particules primaires. L’expression « modification des surfaces » renvoie aux changements chimiques se produisant à la surface de la nanoparticule (y compris l’oxydation de la surface, la fonctionnalisation chimique, etc.). L’expression « chimie des surfaces » renvoie aux propriétés de la surface (p. ex. la charge superficielle). La chimie des surfaces et la modification des surfaces sont intégralement liées et interdépendantes.

En plus d’appuyer les analogues et les données déduites à partir d’analogues, bon nombre de ces paramètres physicochimiques sont des indicateurs importants pour comprendre le sort et le comportement des nanomatériaux au cours des évaluations de risques. Par conséquent, il est probable que les responsables des Programmes Canada-États-Unis exigeront tous les renseignements pertinents au cours du processus de réglementation (pour ce qui est de la détermination des analogues et de la déduction de données à partir d’analogues, tous les paramètres physicochimiques indiqués sont requis). D’autres renseignements, y compris les paramètres extrinsèques tels que l’agrégation, l’agglomération et la désagglomération, lesquels sont utilisés dans le processus d’évaluation des risques, mais ne font pas partie de ce système de classification, peuvent malgré tout être demandés dans le cadre du processus de réglementation afin d’aider à évaluer les dangers, le sort et les effets. 

Le système de classification présenté dans ce document ne devrait pas servir à déduire des modes d’action toxicologiques pour les nanomatériaux puisque ce domaine de la science est encore émergent (p. ex. Nel et al. [2012][1]). Les travaux de Nel et d’autres sur les modes d’action toxicologiques doivent toujours être évalués pour leur reproductibilité, à l’intérieur des classes proposées et parmi les différentes classes, afin de déterminer leur applicabilité aux processus de classification. Toutefois, les renseignements disponibles sur deux nanomatériaux dont la composition et les paramètres chimiques se sont révélés similaires, comme l’indique la figure 2, pourraient être utilisés afin d’accroître le poids de la preuve et d’appuyer les évaluations toxicologiques (par exemple, si deux soumissions visant des nanotubes de carbone multiparoi  ont des paramètres physicochimiques suffisamment similaires* (comme l’indique la figure 2), les données de l’une pourraient  être utilisées comme analogues pour la déduction des données de l’autre dans le but d’accroître le poids de la preuve dans l’évaluation). De plus, bien que ce soit toujours précoce, il pourrait être avantageux de considérer les extrapolations entre les nanoparticules de compositions différentes si leurs paramètres physicochimiques sont suffisamment similaires* à l’intérieur d’une même classe (par exemple, si le dioxyde de titane et le dioxyde de silicium présentent les mêmes paramètres physicochimiques, pourraient-ils aussi démontrer le même sort dans l’environnement?)

Les sections 3.1 à 3.7 contiennent des renseignements sur chacune des classes de nanomatériaux indiquées à la figure 2, y compris la façon dont les différences dans leurs paramètres physicochimiques peuvent mener à des différences dans le sort et les effets.

Nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone (CNT) sont habituellement décrits comme des feuilles de graphite enroulées de manière unifiée[2]. Ces rouleaux peuvent être formés de feuilles uniques (nanotubes de carbone simple paroi) ou de feuilles multiples (double paroi et multiparoi). Les responsables du Programme canadien des substances nouvelles et du New Chemicals Program des États-Unis considèrent les CNT comme des substances nouvelles qui n’ont pas de contreparties non nanométriques (cela comprend le graphite et le graphène) et, par conséquent, ils ont évalué, et continueront d’évaluer, chaque CNT (simple paroi et multiparoi) de manière individuelle.

Il existe des renseignements scientifiques qui démontrent les liens entre les paramètres physicochimiques présentés à la figure 2 pour les CNT et leur sort et leurs effets. 

  • Il a été démontré que la longueur[3] et le diamètre[4] (le rapport hauteur-longueur) sont des caractéristiques physiques des CNT qui sont considérées comme déterminantes pour ce qui est de leur toxicité pulmonaire. Bussy et all. (2012)[5] ont mis en lumière les liens qui existent entre les changements dans les modifications des surfaces et la chimie des surfaces résultant du changement des rapports hauteur-longueur des CNT et l’ inflammation correspondante provoquée par les CNT.
  • La modification des surfaces et la chimie des surfaces[6] : Pasquini et al. (2012) ont démontré les différences dans la viabilité des cellules (l’effet toxicologique in vitro) comme une fonction de la modification des surfaces et de la chimie des surfaces sur les nanotubes de carbone simple paroi, ce qui laisse entendre que la chimie des surfaces et la modification des surfaces pourraient être un paramètre important dans la compréhension du comportement des CNT.
  • Liu et al. (2013) [7] ont examiné les paramètres physicochimiques importants dans la compréhension de la toxicité des CNT. Ils ont découvert que le nombre de parois et la réactivité, lesquels sont influencés en partie par les fermetures des CNT (tube fermé ou non) et la chiralité[8], étaient des facteurs importants pour comprendre les effets.

Il a été conclu, dans le cadre des Programmes Canada-États-Unis, que les paramètres physicochimiques indiqués à la figure 2 sont importants pour distinguer les CNT à l’intérieur de la même classe. Les exemples cités démontrent clairement que les différences dans ces paramètres peuvent mener à des différences dans les comportements. Si ces paramètres sont identiques, ou suffisamment similaires (voir la note de bas de page), on s’attend à ce que les analogues et les données déduites à partir d’analogues puissent être utilisés.

Cette approche a récemment été utilisée pour une évaluation de CNT au Canada. Par la sélection d’un analogue approprié en fonction des critères susmentionnés, des différences dans le comportement environnemental et les effets des CNT attribuables à la dispersabilité dans les milieux environnementaux ont été relevées.

Carbone inorganique

Les Programmes Canada-États-Unis ont des ensembles de données limités sur la classe des carbones inorganiques; selon les indices antérieurs, cette classe comprend les graphènes (feuilles bidimensionnelles de carbone lié sp2)[9], les fullerènes (macrostructures de carbone en forme de ballon de soccer)[10] et le noir de nanocarbone (charge à base de carbone)[11]. Bien que les carbones inorganiques soient similaires aux CNT, ces derniers ont été exclus de cette catégorie, car il y a suffisamment de données indiquant que leur comportement est dicté par des attributs physiques propres aux structures tubulaires des CNT. Il existe une documentation abondante selon laquelle  les carbones inorganiques affichent des différences dans leur comportement et leurs effets en fonction des paramètres physicochimiques indiqués à la figure 2. Toutefois, de nombreuses incertitudes demeurent pour cette classe, y compris les autres matériaux qui pourraient  faire partie de la classe des carbones inorganiques, et le fait de savoir si les données provenant de ce type de matériau peuvent être utilisées ou non pour accroître le poids de la preuve pour un autre type de matériau à l’intérieur de la même classe.

  • Jachak et al. (2012)[12] ont découvert que les effets biologiques des graphènes sont influencés par le nombre de couches, la surface de contact, la taille et la forme (dimensions latérales), la rigidité, les modifications des surfaces et la chimie des surfaces.
  • Des constatations similaires ont été faites pour les fullerènes lors d’un examen mené par Sergio et all. (2012)[13]. Ils ont remarqué que la taille, les modifications chimiques (telles que l’introduction de zinc à l’intérieur des fullerènes) et la chimie des surfaces, entre autres, ont une incidence sur la réactivité. 

Les travaux menés par Stone et al. (2010) sur l’élaboration des classes (voir la section 2.1) confirment les observations relatives à cette classe de carbones inorganiques..

Oxydes métalliques et oxydes non métalliques

Selon un rapport sur le marché mondial[14], les nanoparticules d’oxyde métallique et d’oxyde non métallique représentent l’une des plus grandes classes de nanomatériaux en termes de volumes, d’utilisations et d’applications. Cette classe ne représente pas une composition chimique précise, mais plutôt des renseignements de composition génériques : MOx, ­­­MaMbOx, où M est un métal ou un non-métal et O est de l’oxygène. Il existe une vaste quantité de renseignements selon lesquels le sort et les effets des oxydes métalliques et non métalliques sont dictés par la taille, la forme, la composition, la structure cristalline (p. ex. le dioxyde de titane), la chimie des surfaces et les modifications des surfaces. D’ailleurs, Horie et Fujita (2011)[15] ont démontré l’importance de ces paramètres physicochimiques sur les effets des nanoparticules d’oxyde métallique et d’oxyde non métallique.

Outre ces paramètres, en fonction desquels les oxydes métalliques ou non métalliques sont solubles (voir la discussion précédente sur la solubilité et la dissolution), la solubilité devra elle aussi être mesurée avant que les analogues et les données déduites à partir d’analogues puissent être échangés entre les deux substances. Le concept de dissolution et de solubilité des nanomatériaux fait actuellement l’objet de discussions à l’échelle internationale au sein du Groupe de travail sur les nanomatériaux manufacturés  de l’OCDE, ainsi qu’à l’intérieur de certains projets européens, dans le but de parfaire les connaissances sur la dissolution d’un nanomatériau dans ses formes ioniques et l’impact qu’elle aurait sur sa considération dans le contexte d’une évaluation des risques.

Compte tenu de ce qui précède et de  la classe des nanoparticules suivante (3.4 Nanoparticules métalliques, non métalliques et de sels métalliques), seules les nanoparticules de la même composition chimique seront considérées pour utilisation comme analogues ou comme données déduites à partir d’analogues. Par exemple, deux nanoparticules de dioxyde de titane aux paramètres physicochimiques similaires peuvent être considérées pour utilisation comme analogues ou comme données déduites à partir d’analogues. Au fur et à mesure que les connaissances scientifiques s’accumuleront, on considérera l’utilisation  d’analogues ou de données déduites à partir d’analogues pour les composés de compositions différentes dans les cas où leurs paramètres physicochimiques sont suffisamment similaires*.

Nanoparticules métalliques  non métalliques et de sels métalliques

Les métaux, les sels métalliques et les non-métaux (M0+) se comportent de manière similaire aux oxydes métalliques et non métalliques (section 3.3) en ce qui a trait aux paramètres physicochimiques clés (voir les paramètres physicochimiques communs indiqués à la figure 2). De plus, la solubilité est d’une importance particulière pour cette classe,  comme le témoigne l’inclusion de la « solubilité » et des « états d’oxydation » dans ses paramètres physicochimiques (figure 2). Le rôle de la solubilité sur le sort et les effets des nanoparticules métalliques, non métalliques et de sels métalliques est solidement documenté dans la littérature (voir Casals et al. [2012] pour le sort et les effets de la solubilité sur les nanoparticules)[16]. Dans les systèmes biologiques ou environnementaux, les nanoparticules feront probablement l’objet d’une dissolution plus importante, voire totale. Par conséquent, les nanoparticules métalliques, non métalliques et de sels métalliques  pourraient présenter des risques de toxicité et des risques connexes pour l’environnement, puisqu’elles agiront comme une source de cations potentiellement toxiques (p. ex. les nanoparticules d’argent ont un effet bactéricide qui a été corrélé au nombre d’ions Ag+ libérés). Enfin, il faudrait aussi considérer la création de nanoparticules différentes de la particule d’origine en raison de la dissolution des ions de surface (p. ex. tailles, formes et chimie des surfaces différentes).

Points quantiques semiconducteurs

Les points quantiques sont des nanoparticules semiconductrices dont les propriétés électroniques sont dépendantes de leur composition et de leur taille[17]. En plus de l’importance des paramètres physicochimiques présentés dans les classes précédentes (la taille, la forme, la composition, la structure cristalline, la chimie des surfaces et les modifications des surfaces), la libération des ions par la dégradation et la composition cœur-écorce sont des paramètres clés pour comprendre le sort  (p. ex.la libération) et l’effet des points quantiques. L’examen exhaustif mené par Hardman (2006) [18] et l’étude menée par Liu et al. (2012) [19] sur la libération des points quantiques par l’éclairage de nanocomposites démontrent l’importance des paramètres physicochimiques relevés pour cette classe à l’intérieur du système de classification proposé.   

Substances organiques

Les responsables des Programmes Canada-États-Unis reconnaissent que, même si de nombreuses substances chimiques organiques peuvent être à l’échelle nanométrique, elles ne sont pas fabriquées à cette échelle de taille de manière à exploiter une quelconque propriété propre aux nanomatériaux. Ces substances comprennent habituellement les teintures organiques, les polymères et les pigments organiques. Toutefois, il existe des cas  où une substance organique, telle que la cellulose nanocristalline, tire profit d’une propriété à l’échelle nanométrique[20]. La cellulose nanocristalline possède des propriétés uniques à l’échelle nanométrique, y compris une résistance et un module spécifiques élevés, des propriétés optiques ainsi qu’une surface de contact élevée[21]. Ce sont ces types de substances que l’on considère comme faisant partie de cette classe. Des discussions plus poussées sont nécessaires pour déterminer quels comportements ou propriétés à l’échelle nanométrique parmi les substances organiques techniques dans cette classe mériteraient une supervision réglementaire.

Autres

Cette catégorie comprend les nanomatériaux émergents ou les nanomatériaux avec lesquels les responsables des Programmes Canada-États-Unis ont eu une expérience très limitée ou pour lesquels les le manque de données scientifiques empêche de les classer en fonction des  similarités de leur composition chimique. À ce jour, ces matériaux comprennent les alliages métalliques (p. ex. le carbure de tungstène[22]), les nanoargiles[23] et les structures tubulaires de métaux, de sels métalliques et de non-métaux[24]. On estime que, pour les structures tubulaires composées de différents métaux, sels métalliques et non-métaux, les critères à respecter pour que deux nanomatériaux soient considérés comme similaires s’apparentent probablement à ceux qui  s’appliquent aux nanotubes de carbone.

Lors de l’atelier de l’Initiative sur la nanotechnologie du Conseil du 20 mars 2013, les intervenants ont qualifié les bionanomatériaux de secteurs émergents. Ces substances, qui combinent la biotechnologie et la nanotechnologie pour produire des matériaux fonctionnels avancés[25],  pourraient être considérées à des fins de réglementation en raison de leurs effets commerciaux potentiels. Les bionanomatériaux, dans ce contexte, ne renvoient pas aux nanomatériaux qui interagissent avec un organisme. Les responsables des Programmes Canada-États-Unis n’ont pas encore reçu de déclaration pour les bionanomatériaux.   L’ISO (Organisation internationale de normalisation) développe le vocabulaire associé à l’interface entre les nanomatériaux et la biologie :

http://www.iso.org/iso/fr/home/store/catalogue_tc/catalogue_detail.htm?csnumber=51767

Il revient aux responsables des Programmes Canada-États-Unis de créer des classes et d’utiliser les analogues ou les données déduites à partir d’analogues lorsque cela est indiqué pour les nanomatériaux qui relèvent de la catégorie « autres ». Des discussions plus approfondies au sujet de cette catégorie devront être menées conjointement par le Canada et les États-Unis pour s’assurer que le Programme des substances nouvelles et le New Chemicals Programs demeurent harmonisés.



[1]Nel, A.; Xia, T.; Meng, H.; Wang, X.; Lin, S.; Ji, Z.; Zhang, H. Acc. Chem. Res., 2013, 46, 607-621.

* L’expression « suffisamment similaire » n’est pas définie et sera abordée et acceptée une fois que ce système de classification sera mis en œuvre dans le cadre du processus de réglementation. Les auteurs accueillent toute idée de ce que rend deux paramètres similaires. Par exemple, pourrait-il s’agir  de différences de 10 % ou encore d’une similarité en fonction d’un nombre minimum de paramètres déterminés?

[2] Baughman, R.; Zakhidov, A.; de Heer, W. Science, 2002, 297, 787-792.

[3] Poland, C.A.; Duffin R.; Kinloch I.; Maynard A.; Wallace WA.; Seaton A.; Stone, V.; Brown, S.; MacNee, W.; et Donaldson, K. Nature Nanotechnol., 2008, 3, 423-428.

[4] Fenoglio, I.; Aldieri, E.; Gazzano, E.; Cesano, F.; Colonna, M.; Scarano, D.; Mazzucco, G.; Attanasio, A.; Yakoub, Y.; Lison, D.; et Fubini, B. Chem. Res. Toxicol., 2012, 25, 74-82.

[5] Bussy, C.; Pinault, M.; Cambedouzou, J.; Landry, M.; Jegou, P.; Mayne-L’hermite, M.; Launois, P.; Boczkowski, J.; Lanone, S. Particle and Fibre Tox., 2012, 9, 46.

[6]Pasquini, L.; Hashmi, S.; Sommer, T.; Elimelech, M.; Zimmerman, J. ES&T, 2012, 46, 6297-6305.

[7] Liu, Y.; Zhao, Y.; Sun, B.; Chen, C. Acc. Chem. Res., 2013, 46, 702-713.

[8]Skandani, A.; Zeineldin, R.; Al-Haik. Langmuir, 2012, 28, 7872-7879.

[9]Steurer, P.; Wissert, R.; Thomann, R.; Mulhaupt, R. Macro. Rapid Comm., 2009, 30, 316-327.

[10]Tegos, G.; Demidova, T.; Arcila-Lopez, D.; Lee, H.; Wharton, T.; Gali, H.; Hamblin, M. Chem & Bio., 2005, 12, 1127‑1135.

[11]Praveen, S.; Chattopadhyay, P.; Albert, P.; Dalvi, V.; Chakraborty, B.; Chattopadhyay, S. Comp. App Sci. & Manuf., 2009, 40, 309-316.

[12] Jachak, A.; Creighton, M.; Qiu, Y.; Kane, A.; Hurt, R. MRS Bull., 2012, 37, 1307-1313.

[13] Sergio, M.; Behzadi, H.; Otto, A.; Spoel, D. Env. Chem. Let., 2012, DOI: 10.1007/s10311-012-0387-x.

[14] Rapport technologique no 68 « The Global Nanotechnology and Nanomaterials Industry » par Future Markets, Inc.

[15] Horie, M., et Fujita, K. (2011) Toxicity of metal oxide nanoparticles, p: 145-178, dans Advances in Molecular Toxicology, volume 5. Oxford, Royaume-Uni, 251 p.

[16] Casals, E.; Gonzalez, E.; Puntes, V.F. J. Phys. D.: Appl Phys., 2012, 45, 443001.

[17] Michalet, X.; Pinaud, F.; Bentolila, L.; Tsay, J.; Doose, S.; Li, J.; Sundaresan, G.; Wu, A.; Gambhir, S.; Weiss, S. Science, 2005, 307, 538-544.

[18] Hardman, R. Env. Health. Persp. 2006, 114, 165-172. 

[19] Liu, J.; Katahara, J.; Li, G.; Coe-Sullivan, S.; Hurt, R. ES&T, 2012, 46, 3220-3227.

[20] Cranston, E.; Gray, D. BioMacromolecules, 2006, 7, 2522-2530.

[21] Peng, B.L., Dhar, N., Liu, H.L., et Tam, K.C. (2011) Can. J. Chem Eng. 9999: 1-16.

[22]Kühnel, D.; Bush, W.; Meissner, T.; Springer, A.; Potthoff, A.; Richter, V.; Gelinsky, M.; Scholz, S.; Schirmer, K. Aq. Tox., 2009, 93, 91-99. 

[23] Lordan, S.; Kennedy, J.; Higginbotham, C. Jo. App. Tox., 2011, 31, 27-35.

[24] Kar, A.; Smith, Y.; Subramanian, V.ES&T, 2009, 43, 3260-3265.

[25] Whitesides, G. Nature Biotechnology, 2003, 21, 1161-1165.