ISO/TR 12885:2018
(Main)Nanotechnologies — Health and safety practices in occupational settings
Nanotechnologies — Health and safety practices in occupational settings
This document describes health and safety practices in occupational settings relevant to nanotechnologies. This document focuses on the occupational manufacture and use of manufactured nano-objects, and their aggregates and agglomerates greater than 100 nm (NOAAs). It does not address health and safety issues or practices associated with NOAAs generated by natural processes, hot processes and other standard operations which unintentionally generate NOAAs, or potential consumer exposures or uses, though some of the information in this document can be relevant to those areas.
Nanotechnologies — Pratiques de santé et de sécurité en milieux professionnels
Le présent document décrit des pratiques en matière de santé et de sécurité sur les lieux de travail applicables aux nanotechnologies. Le présent document se concentre sur la fabrication et l'utilisation professionnelles de nano-objets manufacturés et leurs agrégats et agglomérats (NOAA) supérieurs à 100 nm. Il n'aborde pas les questions ou pratiques de santé et de sécurité associées à des NOAA générés par des procédés naturels, des procédés à chaud et d'autres opérations ordinaires qui émettent involontairement des NOAA, ni les expositions ou utilisations potentielles du consommateur, même si certaines des informations contenues dans le présent document peuvent être pertinentes dans ces domaines.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
TECHNICAL ISO/TR
REPORT 12885
Second edition
2018-12
Nanotechnologies — Health and safety
practices in occupational settings
Nanotechnologies — Pratiques de santé et de sécurité en milieux
professionnels
Reference number
©
ISO 2018
© ISO 2018
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2018 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Symbols and abbreviated terms . 1
5 Nanomaterials: Description and manufacturing . 3
5.1 Manufactured nanomaterials . 3
5.2 Production processes . 5
5.2.1 Typical production processes . 5
5.2.2 Aerosol generation methods . 5
5.2.3 Vapor deposition methods . 5
5.2.4 Colloidal/self-assembly methods . 5
5.2.5 Electrodeposition . 6
5.2.6 Electrospinning . 6
5.2.7 Attrition methods . 6
6 Hazard characterization . 6
6.1 Health effects . 6
6.1.1 General. 6
6.1.2 Basic principles and uncertainties . 7
6.1.3 Potential relevance of health effects information about incidental or
naturally-occurring NOAAs . 8
6.1.4 Relationship between toxicity and surface area, surface chemistry, and
particle number . 8
6.1.5 Inflammatory response to NOAAs . 9
6.1.6 Observations from epidemiological studies involving fine and nanoscale
particles . 9
6.2 Physical hazards .10
6.2.1 Fire (exothermic events) .10
6.2.2 Safety consideration in manufacturing NOAAs .10
7 Exposure assessment to nanomaterials .10
7.1 General .10
7.2 Scientific framework for assessing exposure to nanomaterials .12
7.2.1 Routes of exposure .12
7.2.2 Metric for assessing exposure to airborne nanomaterials .14
7.3 R eview of methods for characterizing exposure to manufactured NOAAs .17
7.3.1 General.17
7.3.2 Sampling strategy issues .20
7.4 Dustiness assessment .24
7.4.1 General.24
7.4.2 Measurement methods .24
7.5 Dermal exposure assessment .25
7.5.1 Sampling.25
7.5.2 Sample characterization .26
7.6 Dose (internal exposure) assessment .26
7.7 Discussion .26
7.8 Summary .27
8 Risk assessment in occupational settings .27
8.1 Introduction and scope .27
8.2 Risk assessment for NOAAs .28
8.2.1 General.28
8.2.2 Quantitative and qualitative risk assessment .28
8.2.3 Hazard identification.29
8.2.4 Exposure-response assessment .29
8.2.5 Exposure assessment .31
8.2.6 Risk characterization .32
8.3 Conclusions .32
9 Risk mitigation approaches .32
9.1 Introduction .32
9.2 Implication of risk assessment in regard to control methodologies .33
9.2.1 Background.33
9.2.2 Strategies for control .34
9.3 Examination of control methodologies .35
9.3.1 Exposure prevention .35
9.3.2 Control strategies .36
9.3.3 Reducing risk through effective design .36
9.3.4 Substitution of raw materials, products, processes and equipment .37
9.3.5 Engineering control techniques .37
9.3.6 Administrative means for the control of workplace exposures .44
9.3.7 Evaluating the work environment .49
9.3.8 Personal protective equipment (PPE) .50
9.4 Health surveillance .55
9.5 Product stewardship .56
Annex A (informative) Primary chemical composition of nanomaterials .58
Annex B (informative) Nanomaterial-specific animal and cell culture toxicity studies .66
Annex C (informative) Characteristics of selected instruments and techniques for
monitoring nano-aerosol exposure .78
Annex D (informative) Characteristics of biosafety cabinets .87
Annex E (informative) Assigned protection factors for respirators .89
Annex F (informative) Advantages and disadvantages of different types of air-purifying
particulate respirators .90
Bibliography .93
iv © ISO 2018 – All rights reserved
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www .iso
.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO/TR 12885:2008), which has been
technically revised.
The main changes compared to the previous edition are as follows:
— widespread reference to 'nano-objects, and their aggregates and agglomerates greater than 100 nm'
('NOAAs'), in place of alternative terms;
— addition of annexes addressing:
— primary chemical composition of nanomaterials;
— nanomaterial-specific animal and cell culture toxicity studies;
— characteristics of selected instruments and techniques for monitoring nano-aerosol exposure;
— characteristics of biosafety cabinets;
— advantages and disadvantages of different types of air-purifying particulate respirators;
— consolidation of bibliographical information.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
Introduction
The field of nanotechnologies is advancing rapidly and is expected to impact virtually every facet of global
industry and society. International standardization on nanotechnologies should contribute to realizing
the potential of this technology through economic development, improving the quality of life, and for
improving and protecting public health and the environment. One can expect many new manufactured
nanomaterials coming to the market and workplace. The introduction of these new materials into the
workplace raises questions concerning occupational safety and health. This document assembles useful
knowledge on occupational safety and health practices in the context of nanotechnologies. Use of the
information in this document could help companies, researchers, workers and other people to prevent
potential adverse health and safety consequences during the production, handling, use and disposal of
manufactured Nano-Objects, and their Aggregates and Agglomerates greater than 100 nm (NOAAs).
This advice is broadly applicable across a range of NOAAs and applications.
This document is based on current information about nanotechnologies, including characterization,
health effects, exposure assessments, and control practices. It is expected that this document will
be revised and updated and new safety standards will be developed as our knowledge increases and
experience is gained in the course of technological advance.
Nanotechnology involves materials at the nanoscale. ISO/TC 229 defines the “nanoscale” to mean size
[1]
range from approximately 1 nm to 100 nm (ISO/TS 80004-1:2015) . To give a sense of this scale, a
human hair is of the order of 10 000 to 100 000 nm, a single red blood cell has a diameter of around
5 000 nm, viruses typically have a maximum dimension of 10 nm to 100 nm and a DNA molecule
has a diameter of around 2 nm. The term “nanotechnology” can be misleading since it is not a single
technology or scientific discipline. Rather it is a multidisciplinary grouping of physical, chemical,
biological, engineering, and electronic processes, materials, applications and concepts in which the
defining characteristic is one of size.
The distinctive and often unique properties which are observed with nanomaterials offer the promise
of broad advances for a wide range of technologies in fields as diverse as computers, biomedicine, and
energy. At this early stage the potential applications of nanomaterials seem to be limited only by the
imagination. New companies, often spin outs from university research departments, are being formed
and are finding no shortage of investors willing to back their ideas and products. New materials are
being discovered or produced and for some, astonishing claims are being made concerning their
properties, behaviours and applications.
While much of the current “hype” is highly speculative, there is no doubt that worldwide, governments
and major industrial companies are committing significant resources for research into the development
of nanometer scale processes, materials and products.
Ordinary materials such as carbon or silicon, when reduced to the nanoscale, often exhibit novel and
unexpected characteristics such as extraordinary strength, chemical reactivity, electrical conductivity,
or other characteristics that the same material does not possess at the micro or macro-scale. A huge
range of nanomaterials have already been produced including nanotubes, nanowires, fullerene
derivatives (buckyballs).
A few manufactured nanomaterials were developed already in the 19th and 20th centuries, at a time
when the word “nanotechnology” was unknown. Among such nanomaterials are zeolites, catalyst
supports such as MgCl , pigments and active fillers such as carbon black and synthetic amorphous silica.
Market size of these commodity materials is well above the billion US dollars or million tons threshold.
Nanotechnologies are gaining in new commercial application. Nanomaterials are currently being used
in electronic, magnetic and optoelectronic, biomedical, pharmaceutical, cosmetic, energy, catalytic
and materials applications. Areas producing the greatest revenue for nanomaterials are chemical-
mechanical polishing, magnetic recording tapes, sunscreens, automotive catalyst supports, electro-
conductive coatings and optical fibres.
Among other factors, due to the great variability of physical and chemical properties of nanomaterials,
our abilities to accurately predict the impact of some nanomaterials exposures on worker health are
vi © ISO 2018 – All rights reserved
limited at this time. Similarly, there might be insufficient information about human exposures during
work and our abilities to measure nanomaterials in the workplace (or more generally) are limited
by current technologies. Overall, there is currently limited knowledge on chronic health effects of
nanomaterials. In the case of some nanostructured materials, such as carbon black and synthetic
amorphous silica, toxicological and epidemiological data are available.
A subset of nanomaterials, NOAAs are of particular concern in the workplace as they can be dispersed
in the air and can represent health risks via inhalation exposures. NOAAs include structures with one,
two or three external dimensions in the nanoscale from approximately 1 nm to 100 nm, which might
be spheres, fibres, tubes and others as primary structures. NOAAs can consist of individual primary
structures in the nanoscale and aggregated or agglomerated structures, including those with sizes
larger than 100 nm. An aggregate is comprised of strongly bonded or fused particles (structures). An
agglomerate is a collection of weakly bound particles and/or aggregates.
There are many gaps in current science about identifying, characterizing, and evaluating potential
occupational exposures in the nanotechnology context. These gaps in our knowledge are best addressed
at a multidisciplinary level. Occupational health practitioners and scientists and practitioners in the
toxicology field including medical scientists and environmental scientists have vital roles to play
in safeguarding health in this fast-moving field. Collaborative studies — ideally with international
coordination — are essential in order to provide the critical information required within a reasonable
time frame.
TECHNICAL REPORT ISO/TR 12885:2018(E)
Nanotechnologies — Health and safety practices in
occupational settings
1 Scope
This document describes health and safety practices in occupational settings relevant to
nanotechnologies. This document focuses on the occupational manufacture and use of manufactured
nano-objects, and their aggregates and agglomerates greater than 100 nm (NOAAs). It does not address
health and safety issues or practices associated with NOAAs generated by natural processes, hot
processes and other standard operations which unintentionally generate NOAAs, or potential consumer
exposures or uses, though some of the information in this document can be relevant to those areas.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in the ISO/TS 80004 series apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp/ui
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
4 Symbols and abbreviated terms
ACGIH American Conference of Governmental Industrial Hygienists
AIDS acquired immune deficiency syndrome
APF assigned protection factor
APR air-purifying respirator
BEI biological exposure index
BET Brunauer-Emmett-Teller
BMD benchmark dose
BSC biological safety cabinet
CNF carbon nanofibre
CNT carbon nanotube
COSHH control of substances hazardous to health
CPC condensation particle counter
DC diffusion charger
DEMS differential electrical mobility sizer
DMAS differential mobility analysing system
DNA DNA
DOE U. S. Department of Energy
ECETOC European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals
EPA U. S. Environmental Protection Agency
GI gastro-intestinal
GSD geometric standard deviation
HEI Health Effects Institute
HEPA high efficiency particulate air filter
HSE U. K. Health and Safety Executive
HVAC heating, ventilation and air conditioning
EHS environment, health and safety ®
ELPI Electrical Low Pressure Impactor
ICON International Council on Nanotechnology
ICP-MS inductively coupled plasma mass spectrometry
ICRP International Commission on Radiological Protection
ICSC international chemical safety cards
IDLH immediately dangerous to life or health
ILSI International Life Sciences Institute
IRSST Canadian Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail
LEV local exhaust ventilation
LPI low pressure impactor
MCDA multi-criteria decision analysis
MMAD mass median aerodynamic diameter
MPPS most penetrating particle size
MWCNT multiwall carbon nanotube
NIOSH U. S. National Institute for Occupational Safety and Health
NMAM U. S. NIOSH manual of analytical methods
NOAA nano-objects, and their aggregates and agglomerates greater than 100 nm
NOAEL no-observed-adverse-effect Level
2 © ISO 2018 – All rights reserved
NRV nano reference value
OSHA U. S. Occupational Safety and Health Administration
PAPR powered air-purifying respirator
PPE personal protective equipment
PTFE Polytetrafluoroethylene
RDECOM research, development and engineering command
RPE respiratory protection equipment
SAR supplied-air respirator
SCBA self-contained breathing apparatus
SCENIHR E. C. Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks
SDS safety data sheet
SEM scanning electron microscopy
SOP standard operating procedures
SPE skin protective equipment
SWCNT single-wall carbon nanotube
TEM transmission electron microscopy
TEOM Tapered Element Oscillating Microbalance
USACHPPM U. S. Army Center for Health Promotion and Preventive Medicine
5 Nanomaterials: Description and manufacturing
5.1 Manufactured nanomaterials
Manufactured nanomaterials are nanomaterials intentionally produced to have selected properties or
[1]
composition . Manufactured nanomaterials encompass nano-objects and nanostructured materials
(see Figure 1). The former are defined as discrete piece of materials with one (nanoplate), two (nanofibre)
or three external dimensions (nanoparticle) in the nanoscale (i.e. length range approximately from
[1][2]
1 nm and 100 nm) . Examples of nanostructured materials are nanocomposites composed of nano-
objects embedded in a solid matrix or nano-objects bonded together in simple random assemblies as in
[3]
aggregates and agglomerates or ordered as in crystals of fullerenes or carbon nanotubes . Discussion
in this document focuses primarily on nano-objects and their simple assemblies.
[1]
Figure 1 — Nanomaterials framework (Based on ISO/TS 80004-1:2015)
Relatively simple nanomaterials presently in use or under active development can be classified in terms
of dimensionality and the primary chemical composition. However, even simple nanomaterials are
often coated and have complex chemical and physical structure. Any attempt to classify nanomaterials
is highly artificial with many materials falling into several classification categories. Thus, the following
description is for organizational purposes only.
Quantum dots and fullerenes are confined to the three-dimensional nanoscale domain. Nanotubes
(i.e. hollow nanofibre), nanowires (i.e. electrically conducting or semi-conducting nanofibre), nanorods
(i.e. solid nanofibre), other nanofibres and nanofibrils have at least two nanoscale dimensions, while
nanoplates such as nanoscale surface coatings, thin films and layers have at least one nanoscale
dimension (see Figures 2 and 3). In Annex A, nanomaterials are described according to the primary (or
core) chemical composition of nano-objects: carbon nano-objects (e.g. fullerenes, carbon nanotubes);
oxide nanomaterials (e.g. TiO and ZnO); metal nanomaterials (e.g. Au); semiconductor nanomaterials
(e.g. quantum dots); organic polymeric nanomaterials (e.g. dendrimers); and bio-inspired nanomaterials
(e.g. capsid nanoparticles, the protein shell of a virus). Within these classes, different nanomaterials are
listed in the order of decreasing necessary number of dimensions in nanoscale from 3D particles to
fibres to layers.
[2]
Figure 2 — Fragment of hierarchy of terms related to nano-objects (ISO/TS 80004-2:2015)
a) Nanoparticle (3 external b) Nanofibre (2 external di- c) Nanoplate (1 external di-
dimensions in the nanoscale) mensions in the nanoscale) mension in the nanoscale)
[2]
Figure 3 — Schematic diagrams showing some shapes for nano-objects (ISO/TS 80004-2:2015)
4 © ISO 2018 – All rights reserved
5.2 Production processes
5.2.1 Typical production processes
Examples of methods typically used for the manufacturing of nanomaterials are:
— aerosol generation such as flame pyrolysis, high temperature evaporation and plasma synthesis;
— vapour deposition;
— liquid phase methods: colloidal, self-assembly, sol-gel;
— electropolymerization and electrodeposition;
— electro-spinning for polymer nanofibre synthesis;
— mechanical processes including grinding, milling and alloying.
5.2.2 Aerosol generation methods
The aerosol generation method is used to produce a wide range of nanomaterials. This method is
based on homogeneous nucleation of a supersaturated vapour and subsequent particle growth by
[4]
condensation, coagulation and capture . The formation of vapour typically occurs within an aerosol
reactor at elevated temperatures, where often a super saturate of a solid is cooled into a background of
gas. The methods used to produce nanomaterials are usually categorized by the heating or evaporation
[5]
process and include :
— flame pyrolysis;
— furnace/hot wall reactors;
— laser induced pyrolysis.
5.2.3 Vapor deposition methods
These methods are traditionally based on already well known and established methods for the
manufacture of semiconductors. Here, vapour is formed in a reaction chamber by pyrolysis, reduction,
oxidation and nitridation. The first step is the deposition of a few atoms. These first atoms form islands
[5]
which spread and coalesce into a continuous film. Later, growth continues until thicker film develops
[6] [7]
. Examples include :
— physical vapour deposition (i.e. process of depositing a coating by vaporizing and subsequently
condensing an element or compound, usually in a high vacuum);
— sputter deposition (i.e. physical vapour deposition technique employing energetic ions to transfer
atoms from a target to a substrate);
— chemical vapour deposition (i.e. deposition of a solid material by chemical reaction of a gaseous
precursor or mixture of precursors, commonly initiated by heat on a substrate).
[5]
These methods have been used to produce nanofilms including TiO , ZnO and SiC . Vapour deposition
processes mediated by a catalyst are used to produce carbon nanotubes commercially. Chemical vapour
[8]
deposition emerged as an efficient graphene and synthetic diamond production method .
5.2.4 Colloidal/self-assembly methods
Self-assembly is defined as the autonomous action by which components organize themselves into
[7]
patterns or structures . The colloidal methods are also well established conventional wet chemistry
precipitation processes in which solutions of different ions at required concentrations are mixed under
[5]
controlled conditions of temperature and pressure which form insoluble precipitates .
Recently, a rapidly expanding sub-set of colloidal methods is the so-called sonochemistry method,
[9]
which uses acoustic cavitation to control the process . Cost-effective, eco-friendly, energy efficient,
and nontoxic methods of producing nanomaterials using diverse biological entities have been receiving
increasing attention in the last two decades in contrast to physical and chemical methods that use toxic
[10]
solvents, generate unwanted by-products, and high energy consumption .
5.2.5 Electrodeposition
Electrodeposition is the deposition of material onto an electrode surface from ions in solution due to
[7]
electrochemical reduction . Polymer nanofibre and metal nanowire films as well as nanoparticle
films can be fabricated on an substrate through a controlled electropolymerization (polymers) or
[11][12]
electrodeposition (metals) process .
5.2.6 Electrospinning
[7]
Electrospinning is the use of electrical charge to induce drawing of very fine fibres from a liquid .
Electro-spinning method is a major method in the manufacture of polymer nanofibres.
5.2.7 Attrition methods
In attrition methods, size reduction is accomplished by grinding and milling and production of materials
[13]
such as clay, coal, some metals and semiconductors have been made . Production rates in the order of
tons per hour can be obtained using these methods.
6 Hazard characterization
6.1 Health effects
6.1.1 General
The potential health risk of a substance is generally associated with the magnitude and duration of
the exposure, the persistence of the material in the body, the inherent toxicity of the material, and the
susceptibility or health status of the exposed person. Since hazard properties of some manufactured
nanomaterials are not well characterized, there are uncertainties as to whether the unique properties
of these nanomaterials also pose unique health risks. These uncertainties arise because of gaps in
knowledge about the factors that are essential for evaluating health risks (e.g. routes of exposure,
translocation of materials once they enter the body, and interaction of the materials with the body's
biological systems). An important issue is whether the nanoscale version of a particular material poses
risks that are significantly different in type or intensity than the micrometer-scale forms of the same
material.
Results of existing studies in cell cultures (in vitro), animals (in vivo) or humans (epidemiological) on
[14][15][16][17]
exposure and response to nanoscale or other respirable particles , as well as available
toxicity information about a given material in microscopic form, provide a basis for preliminary
estimates of the possible health effects from exposures to similar engineered materials on a nanoscale.
However, it should be recognized that there are significant uncertainties and variables associated with
predicting human health effects based on animal studies. Presently, in vitro cell culture methods are
used mostly to delineate mechanisms of toxicity, and to screen and compare relative toxicities. There
are only a limited number of in vitro assays validated for determination of safety of chemicals, which is,
so far, mainly restricted to hazard identification (e.g. embryotoxicity, irritation testing).
NOTE Information on validated alternative methods for animal experiments can be found at for example:
[18]
European Union Reference Laboratory for Alternative to Animal Testing (EURL-ECVAM) ; Interagency
Coordinating Committee on the Validation of Alternative Methods (ICCVAM) of the National Toxicology Program,
[19] [20]
USA ; Japanese Center for the Validation of Alternative Methods (JACVAM) .
In general, these in vitro data cannot be extrapolated to humans without additional information (e.g. in
vivo data). Initial experimental studies in animals have shown that the biological response (whether
6 © ISO 2018 – All rights reserved
beneficial or detrimental) to certain incidental or manufactured NOAAs can be greater than that of
[21][22][23][24][25][26][27][28]
the same mass of larger particles of similar chemical composition . However,
the dose expressed as mass might not be the best descriptor for the toxic effect observed. For lung
inflammation induced by nano-TiO and nanosilver the dose described as total surface area was a
[29][30]
better dose descriptor than mass . In addition to particle size, other particle characteristics
might influence the biological response, including solubility, shape and aspect ratio, charge and
surface chemistry (corona formation — proteins and lipids), catalytic properties, adsorbed pollutants
[29][31][32][33]
(e.g. heavy metals or endotoxins), photoreactivity, as well as degree of agglomeration .
Often nano-object surfaces are intentionally modified with coatings or functionalized in order to
prevent agglomeration of particles and to achieve desired properties, e.g. pharmacological activity. Such
modifications, as well as the contamination of particle surfaces with impurities can lead to changes in
biological responses. In addition, some nanomaterials are produced using rather toxic intermediates
and/or solvents. So, when evaluating NOAA toxicity it should always be considered whether the solution
used for NOAA dispersion and/or production residues present as contaminants might be responsible
for the observed toxicity. In Annex B some further animal and cell culture studies upon NOAA are
discussed in detail.
Recently OECD WPMN published the dossiers resulting from the nanomaterial safety testing
sponsorship programme. In the dossiers, mainly animal testing results obtained by applying OECD
test guidelines were collected and some in vitro genotoxicity studies were also included in the dossiers.
Therefore, in Annex B, the results on the dossiers were summarized and readers of this TR can go into
[34]
the dossier site and look for detailed results.
Recent studies on histopathology show the occurrence of engineered and incidental nanoparticles
inside pathological lesions in organs (such as liver, kidney, pancreas, bladder, brain affected by a few
[35][36] [37][38]
forms of cancer) and their possible linkage to fetal malformations and miscarriages . The
authors suggest that these nanoparticles might have caused the harm.
6.1.2 Basic principles and uncertainties
The existing literature on particles and fibres provides a scientific basis from which to evaluate the
potential hazards of manufactured NOAAs. While the properties of manufactured NOAAs can vary
widely, the basic physicochemical and toxicokinetic principles learned from the existing studies are
relevant to understanding the potential toxicity of NOAAs. For example, it is known from studies in
humans that a greater proportion of inhaled nano-objects will deposit in the alveolar region of the
[39][40]
respiratory tract (both at rest and with exercise) compared to larger particles . In addition to
[39]
the International Commission on Radiological Protection (ICRP) model , the Multiple Path Particle
Dosimetry (MPPD) model can be used for modelling deposition in human and animal respiratory
[41]
tract . However, it has to be realized that nano-objects might agglomerate and that these
agglomerates can deposit in other areas of the respiratory tract or possibly cannot be inhaled at all.
Further, animal studies indicate that nano-objects after initial exposure can be translocated to other
organs in the body, although it is not well known how this might be influenced by the chemical and
[42][43][44][45][46]
physical properties of the nano-objects . Additional uncertainties are introduced by
the difficulties in predicting human health effects based on animal studies. There might also be the
potential for greater dermal and gastro-intestinal uptake of NOAAs when compared to larger particles,
[47][48][49]
although in general uptake from the GI-tract of nano-objects was found to be relatively low
[50]
. Evidence from nanotoxicological studies (in vitro and animal studies) suggests that exposure to
some NOAAs might have the potential to cause cell, tissue, or systemic toxicity. Due to their small size,
nano-objects have the potential to cross cell membranes and interact with subcellular structures, such
as mitochondria and the nucleus (and some nano-objects have been shown to cause oxidative damage
[51][52]
and impair some function of cells in culture) . Animal studies have indicated that some NOAAs are
more biologically active due to their greater surface area per mass compared with larger-sized particles
[21][22][23][24][25][26][27]
of the same chemistry when dose response relationships are expressed as mass
[28][29][30]
. The greater surface area per mass of NOAAs compared to larger particles is a fundamental
contributor to the greater chemical reactivity and utility of nano-objects for industrial, commercial,
and medical applications, but it also raises concern about the potential for adverse health effects in
workers exposed to NOAAs. NOAAs that are able to shed ions and/or slowly dissolve, e.g. Ag-NP, nano-
ZnO, nano-CuO, can have toxicity mechanism similar to the ionic form of these materials.
6.1.3 Potential relevance of health effects information about incidental or naturally-
occurring NOAAs
While there is limited information on the health effects of manufactured NOAAs, there is a larger
[53][54]
body of research on the health effects of incidental NOAAs (e.g. diesel exhaust particulate
[55]
and welding fumes ). The biological mechanisms of particle-related lung responses (e.g. oxidative
stress, inflammation, and production of cytokines, chemokines, and cell growth factors) appear to be
[29][56][57]
a consistent lung response to incidental respirable, including nanoscale, particles . However,
[58] [59]
contaminants present such as transition metals might also contribute to the lung response .
Although the composition
...
RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 12885
Deuxième édition
2018-12
Nanotechnologies — Pratiques
de santé et de sécurité en milieux
professionnels
Nanotechnologies — Health and safety practices in occupational
settings
Numéro de référence
©
ISO 2018
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2018
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2018 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Symboles et abréviations . 1
5 Nanomatériaux: description et fabrication . 3
5.1 Nanomatériaux manufacturés . 3
5.2 Procédés de production . 5
5.2.1 Procédés classiques de production . 5
5.2.2 Méthodes par génération d’aérosol . 5
5.2.3 Méthodes de dépôt en phase vapeur . 5
5.2.4 Méthodes colloïdales/d’auto-assemblage . 6
5.2.5 Dépôt électrolytique . 6
5.2.6 Électrofilage . 6
5.2.7 Méthodes d’attrition . 6
6 Caractérisation des dangers . 7
6.1 Effets sur la santé . 7
6.1.1 Généralités . 7
6.1.2 Principes de base et incertitudes. 8
6.1.3 Pertinence potentielle des informations relatives aux effets sur la santé
des NOAA incidentels ou d’origine naturelle . 8
6.1.4 Relation entre toxicité et surface, chimie de surface et nombre de particules . 9
6.1.5 Réaction inflammatoire aux NOAA . .10
6.1.6 Observations issues d’études épidémiologiques impliquant des particules
fines et des nanoparticules .10
6.2 Dangers physiques .11
6.2.1 Incendie (événements exothermiques) .11
6.2.2 Considérations de sécurité dans la fabrication des NOAA .12
7 Évaluation de l’exposition aux nanomatériaux .12
7.1 Généralités .12
7.2 Cadre scientifique pour l’évaluation de l’exposition aux nanomatériaux .13
7.2.1 Voies d’exposition .13
7.2.2 Paramètre de mesure de l’évaluation de l’exposition aux nanomatériaux
en suspension dans l’air .15
7.3 Revue des méthodes permettant de caractériser l’exposition aux NOAA manufacturés .18
7.3.1 Généralités .18
7.3.2 Questions relatives à la stratégie d’échantillonnage .22
7.4 Évaluation du pouvoir de resuspension .26
7.4.1 Généralités .26
7.4.2 Méthodes de mesure .26
7.5 Évaluation de l’exposition cutanée .27
7.5.1 Échantillonnage .27
7.5.2 Caractérisation de l’échantillon .28
7.6 Évaluation de la dose (exposition interne) .28
7.7 Discussion .29
7.8 Résumé .29
8 Évaluation des risques dans les milieux professionnels .30
8.1 Introduction et domaine d’application .30
8.2 Évaluation des risques des nanomatériaux .30
8.2.1 Généralités .30
8.2.2 Évaluation quantitative et qualitative des risques .31
8.2.3 Identification des dangers .32
8.2.4 Évaluation de la relation exposition-réponse .32
8.2.5 Évaluation de l’exposition .34
8.2.6 Caractérisation des risques .35
8.3 Conclusions .35
9 Approches de réduction des risques .36
9.1 Introduction .36
9.2 Implication de l’évaluation des risques en ce qui concerne les méthodologies de
contrôle .37
9.2.1 Contexte .37
9.2.2 Stratégies de contrôle .37
9.3 Examen des méthodologies de contrôle .39
9.3.1 Prévention des expositions .39
9.3.2 Stratégies de contrôle .40
9.3.3 Réduction des risques par une conception efficace .40
9.3.4 Substitution de matières premières, de produits, de procédés et
d’équipements .41
9.3.5 Techniques de contrôle d’ingénierie .42
9.3.6 Moyens administratifs de contrôle des expositions sur les lieux de travail .49
9.3.7 Évaluation de l’environnement de travail .55
9.3.8 Équipement de protection individuelle (EPI) .56
9.4 Suivi médical .62
9.5 Gestion responsable des produits .63
Annexe A (informative) Composition chimique élémentaire des nanomatériaux .65
Annexe B (informative) Études de toxicité spécifiques aux nanomatériaux réalisées sur des
cultures cellulaires ou des animaux.74
Annexe C (informative) Caractéristiques d’instruments et techniques sélectionnés pour la
surveillance de l’exposition aux nano-aérosols .89
Annexe D (informative) Caractéristiques des enceintes de sécurité biologique .100
Annexe E (informative) Facteurs de protection attribués des appareils de protection
respiratoire .102
Annexe F (informative) Avantages et inconvénients des différents types d’appareils de
protection respiratoire avec filtre à particules .103
Bibliographie .106
iv © ISO 2018 – Tous droits réservés
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/ avant -propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TR 12885:2008), qui a fait l’objet
d’une révision technique. Les principales modifications par rapport à l’édition précédente sont les
suivantes:
— référence généralisée aux «nano-objets et leurs agrégats et agglomérats supérieurs à 100 nm»
(NOAA), en lieu et place de tout terme alternatif;
— ajout d’annexes traitant:
— de la composition chimique élémentaire des nanomatériaux;
— d’études de toxicité spécifiques aux nanomatériaux réalisées sur des cultures cellulaires ou des
animaux;
— des caractéristiques d’instruments et techniques sélectionnés pour la surveillance de
l’exposition aux nano-aérosols;
— des caractéristiques des enceintes de sécurité biologique;
— des avantages et inconvénients des différents types d’appareils de protection respiratoire avec
filtre à particules;
— consolidation des références bibliographiques.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
Introduction
Le domaine des nanotechnologies connaît une évolution rapide et devrait avoir un impact sur presque
tous les aspects de l’industrie et de la société mondiale. Il convient que la normalisation internationale
relative aux nanotechnologies contribue à la concrétisation du potentiel de cette technologie par le
développement économique, à l’amélioration de la qualité de vie, ainsi qu’à l’amélioration et la protection
de la santé publique et de l’environnement. On peut s’attendre à ce que de nombreux nouveaux
nanomatériaux manufacturés arrivent sur le marché et sur les lieux de travail. L’introduction de ces
nouveaux matériaux sur les lieux de travail soulève des questions concernant la santé et la sécurité
au travail. Le présent document réunit des connaissances utiles relatives aux pratiques de santé et de
sécurité au travail dans le domaine des nanotechnologies. L’utilisation des informations contenues dans
le présent document peut aider les entreprises, les chercheurs, les travailleurs et d’autres personnes à
prévenir les potentielles conséquences néfastes pour la santé et la sécurité au cours de la production, de
la manipulation, de l’utilisation et de la mise au rebut de nano-objets manufacturés et de leurs agrégats
et agglomérats (NOAA) de plus de 100 nm. Ces recommandations sont applicables à une grande variété
de NOAA et d’applications.
Le présent document s’appuie sur des informations actuelles relatives aux nanotechnologies, y compris
la caractérisation, les effets sur la santé, les évaluations de l’exposition et les méthodes de contrôle. Il
est attendu que le présent document soit révisé et mis à jour, et que de nouvelles normes relatives à la
sécurité soient élaborées au gré de l’évolution des connaissances et de l’expérience acquise au cours des
avancées technologiques.
La nanotechnologie utilise des matériaux à l’échelle nanométrique. L’ISO/TC 229 définit «l’échelle
nanométrique» comme une échelle de longueur s’étendant approximativement de 1 nm à 100 nm
[1]
(ISO/TS 80004-1:2015). Pour donner un sens à cette échelle, un cheveu humain est de l’ordre
de 10 000 nm à 100 000 nm, un globule rouge a un diamètre d’environ 5 000 nm, la taille maximale des
virus est habituellement de 10 nm à 100 nm et une molécule d’ADN a un diamètre d’environ 2 nm. Le
terme «nanotechnologie» peut être trompeur, car il ne s’agit pas d’une seule technologie ou d’une seule
discipline scientifique. Il s’agit plutôt d’un regroupement multidisciplinaire de procédés, de matériaux,
d’applications et de concepts de physique, de chimie, de biologie, d’ingénierie et d’électronique dans
lesquels la caractéristique déterminante est celle de la taille.
Les propriétés particulières et souvent uniques observées avec les nanomatériaux offrent des
perspectives d’avancées majeures pour un large éventail de technologies dans des domaines aussi
divers que les ordinateurs, la biomédecine et l’énergie. Au stade préliminaire actuel, les applications
potentielles des nanomatériaux ne semblent limitées que par l’imagination. De nouvelles entreprises,
souvent issues de départements de recherche universitaire, se créent et ne manquent jamais
d’investisseurs prêts à soutenir leurs idées et leurs produits. De nouveaux matériaux sont découverts ou
produits, et, pour certains, des revendications étonnantes sont formulées concernant leurs propriétés,
leurs comportements et leurs applications.
Bien que cet «engouement» actuel soit en grande partie fortement spéculatif, il ne fait aucun doute
que, dans le monde entier, les gouvernements et les grandes entreprises industrielles mobilisent des
ressources considérables pour la recherche et le développement de procédés, de matériaux et de
produits à l’échelle nanométrique.
Des matériaux ordinaires tels que le carbone ou le silicium, une fois réduits à l’échelle nanométrique,
présentent souvent des caractéristiques nouvelles et inattendues, telles que des propriétés
exceptionnelles de résistance, de réactivité chimique ou de conductivité électrique, ou d’autres
caractéristiques que le même matériau ne possède pas à l’échelle micrométrique ou macrométrique.
Une très grande variété de nanomatériaux ont déjà été produits, comprenant notamment des nanotubes,
des nanofils, les dérivés du fullerène (buckminsterfullerènes).
e e
Un petit nombre de nanomatériaux manufacturés ont déjà été développés aux 19 et 20 siècles, à une
époque où le mot «nanotechnologie» était inconnu. Parmi ces nanomatériaux figuraient notamment les
zéolites, les supports de catalyseurs tels que MgCl , les pigments et les charges actives telles que le noir
de carbone et la silice amorphe synthétique. La taille du marché de ces matières premières dépasse
largement le seuil du milliard de dollars américains ou du million de tonnes.
vi © ISO 2018 – Tous droits réservés
Les nanotechnologies acquièrent de nouvelles applications commerciales. Des nanomatériaux
sont actuellement utilisés dans des applications électroniques, magnétiques, optoélectroniques,
biomédicales, pharmaceutiques, cosmétiques, énergétiques et catalytiques, ainsi que dans des
applications dans le domaine des matériaux. Les secteurs générant le plus de revenus pour les
nanomatériaux sont le polissage mécanochimique, les bandes d’enregistrement magnétique, les écrans
solaires, les supports de catalyseurs dans l’automobile, les revêtements électriquement conducteurs et
les fibres optiques.
Entre autres facteurs, en raison de la grande variabilité des propriétés physiques et chimiques des
nanomatériaux, la capacité humaine à prédire avec précision l’impact de l’exposition à certains
nanomatériaux sur la santé des travailleurs est actuellement limitée. De même, les informations
concernant l’exposition des personnes pendant leur travail peuvent être insuffisantes et les capacités
humaines à mesurer les nanomatériaux sur les lieux de travail (ou de manière plus générale) sont
limitées par les technologies actuelles. Globalement, les connaissances actuelles sur les effets chroniques
des nanomatériaux sur la santé sont limitées. Dans le cas de certains matériaux nanostructurés, tels
que le noir de carbone et la silice amorphe synthétique, des données toxicologiques et épidémiologiques
sont disponibles.
Un sous-ensemble de nanomatériaux, les NOAA, constituent une préoccupation particulière sur les
lieux de travail, car ils peuvent être dispersés dans l’air et peuvent constituer un risque pour la santé
par le biais de l’exposition par inhalation. Les NOAA comprennent des structures présentant une, deux
ou trois dimensions externes à l’échelle nanométrique, comprises approximativement entre 1 nm et
100 nm, pouvant être des sphères, des fibres, des tubes et autres en tant que structures primaires.
Les NOAA peuvent être constitués de structures primaires individuelles à l’échelle nanométrique et de
structures agrégées ou agglomérées, y compris de tailles supérieures à 100 nm. Un agrégat est constitué
de particules (structures) fortement liées ou fusionnées. Un agglomérat est un ensemble de particules
et/ou d’agrégats faiblement liés.
Il existe de nombreuses lacunes dans les connaissances scientifiques actuelles concernant
l’identification, la caractérisation et l’évaluation des expositions potentielles sur les lieux de travail
dans le contexte des nanotechnologies. Ces lacunes en matière de connaissances sont mieux traitées
à un niveau pluridisciplinaire. Les médecins du travail et les scientifiques et praticiens dans le
domaine de la toxicologie, y compris les scientifiques spécialistes en médecine et en environnement,
ont un rôle essentiel à jouer pour préserver la santé dans ce domaine en rapide évolution. Des essais
interlaboratoires, idéalement avec une coordination internationale, sont importants pour obtenir les
informations essentielles requises dans un délai raisonnable.
RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 12885:2018(F)
Nanotechnologies — Pratiques de santé et de sécurité en
milieux professionnels
1 Domaine d’application
Le présent document décrit des pratiques en matière de santé et de sécurité sur les lieux de travail
applicables aux nanotechnologies. Le présent document se concentre sur la fabrication et l’utilisation
professionnelles de nano-objets manufacturés et leurs agrégats et agglomérats (NOAA) supérieurs
à 100 nm. Il n’aborde pas les questions ou pratiques de santé et de sécurité associées à des NOAA
générés par des procédés naturels, des procédés à chaud et d’autres opérations ordinaires qui émettent
involontairement des NOAA, ni les expositions ou utilisations potentielles du consommateur, même
si certaines des informations contenues dans le présent document peuvent être pertinentes dans ces
domaines.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de la série ISO/TS 80004 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
4 Symboles et abréviations
ACGIH American Conference of Governmental Industrial Hygienists (conférence américaine des
hygiénistes industriels gouvernementaux)
SIDA syndrome d’immunodéficience acquise
FPA facteur de protection attribué
APR appareil de protection respiratoire filtrant
IEB indice d’exposition biologique
BET Brunauer, Emmett et Teller
DR dose de référence
ESB enceinte de sécurité biologique
CNF nanofibre de carbone (Carbon NanoFibre)
CNT nanotube de carbone (Carbon NanoTube)
CSDS contrôle des substances dangereuses pour la santé
CPC compteur de particules à condensation
CD chargeur par diffusion
DEMS classificateur différentiel de mobilité électrique (Differential Electrical Mobility Sizer)
DMAS système d’analyse différentielle de mobilité (Differential Mobility Analysing System)
ADN acide désoxyribonucléique
DOE US Department Of Energy (ministère américain de l’Énergie)
ECETOC European Center of Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals (Centre européen
d’écotoxicologie et de toxicologie des produits chimiques)
EPA US Environmental Protection Agency (Agence américaine de protection de
l’environnement)
GI gastro-intestinal
ETG écart-type géométrique
HEI Health Effects Institute (Institut américain des effets sur la santé)
HEPA filtre à particules à haute efficacité (High Efficiency Particulate Air filter)
HSE Health and Safety Executive (autorité compétente en matière de santé et de sécurité au
travail au Royaume-Uni)
CVC chauffage, ventilation et climatisation
SSE santé, sécurité et environnement ®
ELPI impacteur basse pression à détection électrique
ICON International Council on Nanotechnology (Conseil international sur les nanotechnologies)
ICP-MS spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif
ICRP International Commission on Radiological Protection (Commission internationale de
protection radiologique)
ICSC fiches internationales sur la sécurité des substances chimiques (International Chemical
Safety Cards)
DIVS danger immédiat pour la vie ou la santé
ILSI International Life Science Institute (Institut international des sciences de la vie)
IRSST Institut canadien de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail
LEV ventilation par aspiration locale (Local Exhaust Ventilation)
LPI impacteur basse pression (Low Pressure Impactor)
MCDA analyse décisionnelle multicritère (Multi-Criteria Decision Analysis)
DAMM diamètre aérodynamique moyen en masse
MPPS taille de particule ayant la plus forte pénétration (Most Penetrating Particle Size)
2 © ISO 2018 – Tous droits réservés
MWCNT nanotube de carbone à parois multiples (MultiWall Carbon NanoTube)
NIOSH US National Institute for Occupational Safety and Health (Institut national américain
pour la sécurité et la santé au travail)
NMAM US NIOSH Manual of Analytical Methods (manuel des méthodes analytiques du NIOSH)
NOAA nano-objets et leurs agrégats et agglomérats supérieurs à 100 nm
DSENO dose sans effet nocif observé
VNR valeur nanométrique de référence
OSHA US Occupational Safety and Health Administration (Agence fédérale américaine pour la
santé et la sécurité au travail)
PAPR appareil de protection respiratoire filtrant à ventilation assistée (Powered Air-Purifying
Respirator)
EPI équipement de protection individuelle
PTFE polytétrafluoroéthylène
RDECOM recherche, développement et maîtrise de l’ingénierie (Research, Development and
Engineering Command)
EPR équipement de protection respiratoire
SAR appareil de protection respiratoire à adduction d’air (Supplied-Air Respirator)
ARI appareil respiratoire isolant
SCENIHR EC Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (Comité
scientifique des risques sanitaires émergents et nouveaux [CE])
FDS fiches de données de sécurité
MEB microscopie électronique à balayage
SOP procédures d’utilisation normalisées (Standard Operating Procedures)
SPE équipement de protection de la peau (Skin Protective Equipement)
SWCNT nanotube de carbone à simple paroi (Single-Walled Carbon NanoTube)
MET microscopie électronique à transmission
TEOM microbalance oscillante à élément conique (Tapered Element Oscillating Microbalance)
USACHPPM US Army Center for Health Promotion and Preventive Medicine (Centre de l’armée des
États-Unis pour la promotion de la santé et de la médecine préventive)
5 Nanomatériaux: description et fabrication
5.1 Nanomatériaux manufacturés
Les nanomatériaux manufacturés sont des nanomatériaux qui sont fabriqués dans l’intention de
[1]
présenter des propriétés ou une composition choisies. Ils comprennent les nano-objets et les
matériaux nanostructurés (voir Figure 1). Les premiers sont définis comme une portion discrète de
matériau avec une (nanoplaque), deux (nanofibre) ou trois dimensions externes (nanoparticule) à
[1][2]
l’échelle nanométrique (à savoir comprises approximativement entre 1 nm et 100 nm). Les exemples
de matériaux nanostructurés comprennent les nanocomposites composés de nano-objets inclus dans
une matrice solide ou de nano-objets liés entre eux dans des assemblages aléatoires simples, tels
que dans les agrégats et les agglomérats, ou ordonnés, tels que dans les cristaux de fullerènes ou les
[3]
nanotubes de carbone. Dans le présent document, la discussion s’orientera principalement autour des
nano-objets et de leurs assemblages simples.
[1]
Figure 1 — Cadre structurel pour les nanomatériaux (basé sur l’ISO/TS 80004-1:2015)
Les nanomatériaux relativement simples actuellement utilisés ou en cours de développement peuvent
être classés selon leur dimensionnalité et leur composition chimique élémentaire. Cependant, même
les nanomatériaux simples sont souvent revêtus et présentent une structure chimique et physique
complexe. Toute tentative de classer les nanomatériaux est fortement artificielle, de nombreux
matériaux s’inscrivant dans plusieurs catégories de classification. Par conséquent, la description ci-
après est donnée uniquement à des fins d’organisation.
Les points quantiques et les fullerènes sont restreints au domaine tridimensionnel à l’échelle
nanométrique. Les nanotubes (à savoir des nanofibres creuses), les nanofils (à savoir des nanofibres
électriquement conductrices ou semi-conductrices), les nanotiges (à savoir des nanofibres solides), ainsi
que d’autres nanofibres et nanofibrilles ont au moins deux dimensions à l’échelle nanométrique, tandis
que les nanoplaques telles que les revêtements de surface à l’échelle nanométrique, les couches et films
minces ont au moins une dimension à l’échelle nanométrique (voir Figures 2 et 3). Dans l’Annexe A,
les nanomatériaux sont décrits conformément à la composition chimique élémentaire des nano-objets:
nano-objets en carbone (par exemple, fullerènes, nanotubes de carbone), les nanomatériaux à base
d’oxyde (par exemple, TiO et ZnO), les nanomatériaux métalliques (par exemple, Au), les nanomatériaux
semi-conducteurs (par exemple, points quantiques), les nanomatériaux en polymères organiques
(par exemple, dendrimères) et les nanomatériaux bio-inspirés (par exemple, nanoparticules de capside,
la coque de protection d’un virus). Au sein de ces classes, les différents nanomatériaux sont énumérés
dans l’ordre décroissant du nombre de dimensions nécessaires à l’échelle nanométrique, des particules
à 3 dimensions aux fibres et aux couches.
[2]
Figure 2 — Extrait de la hiérarchie des termes relatifs aux nano-objets (ISO/TS 80004-2:2015)
4 © ISO 2018 – Tous droits réservés
a) Nanoparticule (3 dimen- b) Nanofibre (2 dimensions c) Nanoplaque
sions externes à l’échelle externes à l’échelle (1 dimension externe à l’échelle
nanométrique) nanométrique) nanométrique)
[2]
Figure 3 — Illustrations représentant quelques formes de nano-objets (ISO/TS 80004-2:2015)
5.2 Procédés de production
5.2.1 Procédés classiques de production
Les exemples de méthodes couramment utilisées pour la fabrication des nanomatériaux comptent
notamment:
— la génération d’aérosol telle que la pyrolyse à la flamme, l’évaporation à haute température et la
synthèse de plasma;
— le dépôt en phase vapeur;
— les méthodes en phase liquide: colloïdales, auto-assemblage, sol-gel;
— l’électropolymérisation et le dépôt électrolytique;
— l’électrofilage pour la synthèse de nanofibres polymères;
— des procédés mécaniques, incluant le broyage, le concassage et l’élaboration d’alliages.
5.2.2 Méthodes par génération d’aérosol
La méthode par génération d’aérosol est utilisée pour produire une grande variété de nanomatériaux.
Cette méthode repose sur la nucléation homogène d’une vapeur sursaturée et la croissance
[4]
subséquente de particules par condensation, coagulation et captage. La formation de la vapeur
se produit généralement au sein d’un réacteur à aérosol à des températures élevées, où souvent une
sursaturation d’un solide est refroidie dans un gaz de fond. Les méthodes utilisées pour produire des
nanomatériaux sont habituellement catégorisées en fonction du procédé de chauffage ou d’évaporation
[5]
et comprennent :
— une pyrolyse à la flamme;
— un four/des réacteurs à parois chaudes;
— une pyrolyse à laser.
5.2.3 Méthodes de dépôt en phase vapeur
Ces méthodes s’appuient traditionnellement sur des méthodes déjà bien connues et établies pour la
fabrication des semi-conducteurs. Dans ce contexte, la vapeur est formée dans une chambre de réaction
par pyrolyse, réduction, oxydation et nitruration. La première étape est le dépôt de quelques atomes.
Ces premiers atomes forment des îlots qui se répandent et coalescent en un film continu. Puis la
[5][6] [7]
croissance se poursuit jusqu’à ce qu’un film plus épais se développe. Parmi les exemples figurent :
— le dépôt physique en phase vapeur (à savoir le procédé de dépôt d’un revêtement par vaporisation
puis condensation d’un élément ou d’un composé, généralement sous vide poussé);
— le dépôt par pulvérisation (à savoir la technique de dépôt physique en phase vapeur employant des
ions de grande énergie en vue de transférer des atomes d’un matériau cible à un substrat);
— le dépôt chimique en phase vapeur (à savoir le dépôt d’un matériau solide par réaction chimique
d’un précurseur gazeux ou d’un mélange de précurseurs, couramment induite par la chaleur sur un
substrat).
[5]
Ces méthodes ont été utilisées pour produire des nanofilms contenant du TiO , du ZnO et du SiC. Les
procédés de dépôt en phase vapeur employant un catalyseur sont utilisés pour produire des nanotubes
de carbone à l’échelle commerciale. Le dépôt chimique en phase vapeur s’est révélé être une méthode de
[8]
production efficace du graphène et des diamants de synthèse .
5.2.4 Méthodes colloïdales/d’auto-assemblage
L’auto-assemblage est défini comme l’action autonome par laquelle des composants s’organisent eux-
[7]
mêmes sous forme de motifs ou de structures. Les méthodes colloïdales sont également des procédés
de précipitation conventionnels bien établis de la chimie par voie humide dans lesquels des solutions
de différents ions aux concentrations requises sont mélangées dans des conditions maîtrisées de
[5]
température et de pression, ce qui forme des précipités insolubles .
Récemment, un sous-ensemble de méthodes colloïdales, appelé méthode de sonochimie, où la cavitation
[9]
acoustique est utilisée pour maîtriser le procédé, a connu un développement rapide. Les méthodes
rentables, écologiques, écoénergétiques et non toxiques de production de nanomatériaux utilisant
diverses entités biologiques se sont vu accorder une attention accrue au cours des deux dernières
décennies par opposition aux méthodes physiques et chimiques qui utilisent des solvants toxiques,
[10]
génèrent des sous-produits indésirables et consomment beaucoup d’énergie .
5.2.5 Dépôt électrolytique
Le dépôt électrolytique est le dépôt de matériau sur une surface d’électrode à partir d’ions en solution
[7]
en raison d’une réduction électrochimique. Des films de nanofibres polymères et de nanofils
métalliques, ainsi que des films de nanoparticules peuvent être fabriqués sur un substrat par un
[11][12]
procédé d’électropolymérisation (polymères) ou de dépôt électrolytique (métaux) maîtrisé .
5.2.6 Électrofilage
L’électrofilage consiste en l’utilisation d’un potentiel électrique pour induire la production de fibres
[7]
fines à partir d’une phase liquide. La méthode d’électrofilage est une méthode essentielle dans la
fabrication de nanofibres polymères.
5.2.7 Méthodes d’attrition
Dans les méthodes d’attrition, la réduction de taille est réalisée par concassage et broyage; ces méthodes
sont utilisées pour la production avec des matériaux tels que l’argile, le charbon, certains métaux et
[13]
des semi-conducteurs. Des taux de production de l’ordre de plusieurs tonnes par heure peuvent être
obtenus en utilisant ces méthodes.
6 © ISO 2018 – Tous droits réservés
6 Caractérisation des dangers
6.1 Effets sur la santé
6.1.1 Généralités
Le risque potentiel pour la santé que présente une substance est généralement associé au niveau et à la
durée de l’exposition, à la persistance du matériau dans le corps, à la toxicité intrinsèque du matériau
et à la sensibilité ou à l’état de santé de la personne exposée. Comme les propriétés nocives de certains
nanomatériaux manufacturés ne sont pas suffisamment caractérisées, il existe des incertitudes quant à
la question de savoir si les propriétés uniques de ces nanomatériaux constituent également des risques
uniques pour la santé. Ces incertitudes découlent du manque de connaissances concernant les facteurs
essentiels pour l’évaluation des risques pour la santé (par exemple: voies d’exposition, translocation
des matériaux une fois qu’ils pénètrent dans le corps et interaction des matériaux avec les systèmes
biologiques de l’organisme). Une question importante est de savoir si un matériau particulier sous
forme nanométrique présente des risques qui sont d’un type ou d’une intensité sensiblement différents
de ceux du même matériau sous forme macroscopique.
Les résultats des études existantes effectuées sur des cultures cellulaires (in vitro), sur des animaux
(in vivo) ou sur des humains (épidémiologiques) concernant l’exposition et la réponse à des particules
[14][15][16][17]
nanométriques ou d’autres particules alvéolaires, ainsi que les informations disponibles
sur la toxicité d’un matériau donné sous sa forme macroscopique fournissent une base pour des
évaluations préliminaires des effets possibles sur la santé de l’exposition à des matériaux d’ingénierie
similaires à l’échelle nanométrique. Cependant, il convient d’admettre qu’il existe des incertitudes et
des variables significatives associées à la prédiction des effets sur la santé humaine en s’appuyant sur
les études menées sur des animaux. Actuellement, les méthodes utilisant des cultures cellulaires in vitro
sont surtout employées pour définir les mécanismes de la toxicité, ainsi que pour analyser et comparer
les toxicités relatives. Il n’existe qu’un nombre limité d’essais in vitro validés pour la détermination de la
sécurité des produits chimiques, laquelle se limite principalement, jusqu’à présent, à l’identification des
dangers (tels que l’embryotoxicité, les essais d’irritation).
NOTE Des informations relatives aux méthodes alternatives validées pour les expérimentations animales sont
par exemple disponibles dans: European Union Reference Laboratory for Alternative to Animal Testing (EURL-
[18]
ECVAM) ; Interagency Coordinating Committee on the Validation of Alternative Methods (ICCVAM) du National
[19] [20]
Toxicology Program, États-Unis ; Japanese Center for the Validation of Alternative Methods (JACVAM) .
En général, ces données in vitro ne peuvent pas être extrapolées à l’humain sans informations
complémentaires (données in vivo, par exemple). Des études expérimentales initiales sur des
animaux ont montré que la réponse biologique (qu’ell
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
Loading comments...