Interactions entre nanoparticules de TiO2 et biomolécules

Sur la base des connaissances du groupe CESES sur le matériau TiO₂, un nouvel axe de recherche a vu le jour en 2011, en collaboration avec les groupes PMN de l'IMN et ISD de l'INRA. Il porte sur la caractérisation de la surface de nanoparticules d'oxyde de titane en présence de biomolécules, d'une part pour mieux comprendre les interactions entre le composé semi-conducteur inorganique et les molécules bio-organiques pouvant se trouver à son contact, et d'autre part pour identifier les mécanismes photo-induits à l'interface oxyde-solution sous illumination UV.

Contexte de l’étude

Le dioxyde de titane est un semi-conducteur inorganique utilisé comme pigment blanc dans de nombreuses formulations, allant des peintures aux crèmes solaires, et également comme colorant dans certaines compositions alimentaires (bonbons notamment) ainsi que dans différents médicaments (comprimés enrobés).

Or pour l'instant, très peu d'informations sont accessibles sur la nature et la taille des particules (nanométriques ?) introduites dans les formulations, et dans ce contexte, il apparaît opportun de s'intéresser aux interactions entre le dioxyde de titane et les biomolécules, présentes dans les aliments ou bien dans le tractus gastro-intestinal. Pour l'instant, notre étude se focalise sur les phospholipides, constituants majoritaires des membranes cellulaires, dans l'objectif d'identifier la possibilité pour TiO₂ de franchir ces membranes pour accéder au noyau des cellules.

Par ailleurs, TiO₂ est un composé photosensible, dont une des applications actuelles concerne la photocatalyse de dépollution de l'air et de l'eau : sous illumination UV, les molécules organiques polluantes sont dégradées au contact du TiO₂, pour former de l'eau et du dioxyde de carbone, via la génération d'espèces radicalaires intermédiaires. Notre projet inclut donc également une étude des mécanismes susceptibles de se produire sous l'effet de la lumière.

Moyens mis en œuvre

Les interactions entre TiO₂ et phospholipides ont pu être mises en évidence grâce à des mesures d'isothermes de compression sur balance de Langmuir. Pour cela, les courbes obtenues sur des monocouches de phospholipides au contact de l'eau ont été comparées à celles obtenues au contact de suspensions aqueuses de TiO₂, à différents pH et pour différentes forces ioniques. La nature cristallographique de TiO₂, la taille des particules et leur morphologie sont autant de paramètres susceptibles d'intervenir dans les mécanismes d'interaction impliqués, et une étude systématique est réalisée afin de connaître l'effet de chacun de ces paramètres.

Ces analyses sont couplées à des mesures de potentiel zêta, permettant d'identifier les conditions de pH et de force ionique favorisant les interactions, ainsi qu'à des isothermes d'adsorption ayant pour but de quantifier les molécules adsorbées à la surface des nanoparticules.

Enfin, une étude fine par des techniques spectroscopiques complète la caractérisation de ces interactions : elle s'appuie sur les spectres vibrationnels (infrarouge et Raman) et RMN (³¹P) des molécules adsorbées, afin de mettre en évidence les groupements moléculaires susceptibles de se lier aux groupements de surface de TiO₂, d'identifier la nature des liaisons formées, et de mettre en évidence une éventuelle dégradation sous illumination UV.
L'objectif sera à terme d'élucider le rôle des Ti-OH de surface et des molécules d'eau aux interfaces, dans les processus d'adsorption et dans les mécanismes photo-activés. Il s'agira ici de développer des méthodes pour caractériser ces processus à des interfaces eau-air ou eau-huile constituées par des couches de biomolécules contenant diverses formes de TiO₂.

Deux thèses sont en cours de réalisation :

• Caractérisation des interactions entre le dioxyde de titane et les phospholipides soutenue le 1^er décembre 2014.
• Devenir des particules alimentaires de dioxyde de titane dans les fluides digestifs (2013-2016).

Participants :
Hélène TERRISSE (CESES), Bernard HUMBERT (PMN), Marie-Hélène ROPERS (INRA Nantes – Unité BIA, équipe ISD), Quoc Chon LE (docteur), William DUDEFOI (doctorant INRA)

Publication :
Interactions between phospholipids and titanium dioxide particles
Quoc-Chon Le, Marie-Hélène Ropers, Hélène Terrisse, Bernard Humbert
Colloids Surf. B: Biointerfaces (2014), vol. 123, p.150
http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfb.2014.09.010