Soutenance de thèse de Riccardo CATALANO

Ecole Doctorale
Sciences de l'Environnement
Spécialité
Sciences de l'environnement: Géosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
crème solaire,filtre UV,éco-design,exposition environnementale,écotoxicité,diffusion de la lumière
Keywords
sunscreen,UV filter,eco-design,environmental exposure,ecotoxicity,light scattering
Titre de thèse
Évaluer et anticiper les risques associés aux UV filtres nanoparticulaires employés dans les crèmes solaires: un étude orienté vers le cycle de vie
Assess and anticipate the risks associated with nanoparticulate UV filters used in sunscreen: a lifecycle oriented study
Date
Mardi 30 Juin 2020 à 9:30
Adresse
CEREGE TECHNOPOLE ENVIRONNEMENT ARBOIS-MEDITERRANEE BP80 13545 AIX en PROVENCE, CEDEX 04, FRANCE
Salle des conférences
Jury
Directeur de these M. Jérôme LABILLE CEREGE Aix-Marseille Université
CoDirecteur de these Mme Myriam ZERRAD Institut Fresnel / CONCEPT Aix-Marseille Université
Rapporteur Mme Catherine MOUNEYRAC Université Catholique de l’Ouest
Rapporteur Mme Céline PICARD Université du HAVRE Unité de Recherche en Chimie Organique et Macromoléculaire URCOM (EA 3221, FR CNRS 3038)
Examinateur Mme Annalisa PINSINO Consiglio Nazionale Delle Ricerche (CNR) Istituto per la Ricerca e l'Innovazione Biomedica (IRIB)
Examinateur M. Philippe PICCERELLE Aix-Marseille Université - Timone - DEPARTEMENT BIO INGENIERIE PHARMACEUTIQUE

Résumé de la thèse

Les crèmes solaires interrogent de plus en plus quant à leur impact environnemental potentiel, car . les ingrédients spécifiques qui la constituent, tels que les filtres UV, les tensioactifs, les épaississant, peuvent atteindre l’eau des rivières, des lacs, des côtes, et/ou les stations d’épuration lorsque le produit est éliminé de la peau pendant la baignade ou la toilette quotidienne. Les minéraux nanoparticulaires utilisés comme filtres UV sont susceptibles d’impacter ces systèmes. Ce sont généralement des nanoparticules (ENM) de TiO2 ou ZnO dont un enrobage, modifie leurs propriétés de surface, leur devenir, leur transport et leur réactivité dans l’environnement ; et donc leur eco-toxicité. Des lacunes de connaissance perdurent concernant la sécurité de ces ENM utilisés en crèmes solaires car très peu d’études ont porté sur des filtres UV réels ou des formulations solaires à ce jour. Ce travail de thèse avait pour but de contribuer à combler ces lacunes en s’intéressant à plusieurs étapes du cycle de vie de la crème solaire : (i) la fabrication, caractérisation et optimization des filtres UV nanoparticulaires (NPs) dans la formulation cosmétique ; (ii) l’impact environnemental et l’écotoxicité marine aux filtres UV. Des crèmes solaires ont été formulées à façon au laboratoire, intégrant différents filtres UV commerciaux nano-TiO2 caractérisés par des enrobages contrastés. Différentes propriétés de surface d’ENM ont pu être comparées, ainsi que le comportement de dispersion dans la formulation ou dans l’environnement aqueux. L’état d’agrégation des ENMs dans la formulation cosmétique joue un rôle déterminant car il contrôle l’efficacité du produit pour filtrer les UV. Maximiser leur dispersion permet de réduire leur dosage tout en maintenant une haute protection solaire, et donc d’obtenir un produit ayant une empreinte environnementale moindre. Cet état d’agrégation a été analysé directement dans la formulation non-altéré, grâce à une nouvelle méthode basée sur la nano-tomographie X 2D (Chapitre III). Nous avons pu montrer le rôle important de l’enrobage de surface des ENMs, qui détermine l’affinité pour le milieu dispersant. Il peut aussi déterminer les interactions avec les autres constituants de la formulation. Par spectroscopie RMN (Chapitre IV), nous avons pu démontrer que des surfactants glycoside, normalement utilisés pour stabiliser l’émulsion, interagissent fortement avec la surface des ENMs, et tendent à favoriser leur dispersion, améliorant l’efficacité du produit. Pour mieux comprendre les effets de filtrations des UV par les ENMs en fonction de leur état d’agrégation, un nouveau dispositif analytique a été développé, qui mesure le profil de diffusion angulaire des UV par les ENMs (Chapitre V). Cela a permis de distinguer la fraction de rayons UV stoppent par les nano-TiO2 à travers des mécanismes physiques ou chimiques. Le relargage et l’impact écotoxique dans l’environnement marin qui s’ensuit ont aussi été étudiés. Sur le terrain, le déversement de filtres UV à partir des crèmes solaires a été analysé en saison estivale et des concentrations environnementales dans l’eau de mer ont pu être définies (Chapitre VI). Cela a permis de mener des essais écotoxicologiques réalistes en laboratoire sur le modèle biologique oursin de mer exposé aux filtres UV nano-TiO2 (Chapitre VII). L’exposition à de telle concentrations a révélé que les systèmes reproductifs et immunitaires de l’oursin de mer ne sont affectés par aucun des filtres UV TiO2 testés. L’usage continu des « nanoproduits » solaires, peut conduire à l’augmentation de la concentration environnementale en filtres UV de type ENMs, et à de nouveaux risques. La finalité de ce travail est de proposer des stratégies pour anticiper et minimiser ces risques à travers une approche d’éco-conception à travers le cycle de vie du produit.

Thesis resume

Sunscreens are increasingly questioning their potential environmental impact, because the specific ingredients they contain, such as UV filters, surfactants, thickeners, can reach the water of rivers, lakes, sea shore, and/or sewage treatment plants when the product is removed from the skin during bathing or daily cleansing. Nanoparticulate minerals used as UV filters may impact these systems. They are generally TiO2 or ZnO nanoparticles (ENMs), receiving a coating that modifies their surface properties, fate, transport and reactivity in the environment and thus their bioavailability and toxicity to living organisms. Knowledge gaps remain regarding the safety of these ENMs used in sunscreens as very few studies have been conducted on actual UV filters or sunscreen formulations to date. This thesis work aimed to contribute to filling these gaps by looking at key stages of the life cycle of sunscreen: (i) manufacturing and characterization of nanoparticle UV filters and the optimization of their concentration in cosmetic formulations; (ii) environmental impact and marine ecotoxicity to UV filters. Sunscreens have been custom formulated in the laboratory, integrating different commercial nano-TiO2 UV filters characterized by contrasting coatings. Different surface properties of ENMs could thus be compared, such as hydrophilic / hydrophobic, or dispersion behavior in the formulation or in the aqueous environment. The aggregation state of ENMs in the cosmetic formulation plays a decisive role as it controls the sunscreen UV screening performances. Maximizing their dispersion makes it possible to reduce their dosage while maintaining a high sun protection, obtaining a product with a smaller environmental footprint. This aggregation state was analyzed directly in the unmodified formulation, thanks to a new method based on 2D X-ray nano-tomography (Chapter III). We were able to show the influence of different ENMs surface coating on the quality of the filters dispersion. It also determines the potential interactions with the other constituents of the formulation, which also affect the dispersion of the ENMs. By NMR spectroscopy (Chapter IV), we were able to demonstrate that glycoside surfactants, normally used to stabilize the emulsion, interact strongly with the surface of ENMs, and tend to promote their dispersion, thus improving the product efficacy. In order to better understand the effects of UV filtering by ENMs according to their state of aggregation, a new analytical device has been developed, which measures the angular UV scattering profile of ENMs (Chapter V). This has allowed to distinguish the fraction of UV rays stopped by the nano-TiO2 through physical or chemical mechanisms. The release of sunscreens into the marine environment and the subsequent ecotoxic impact were also studied. In the field, the release and environmental concentrations in seawater of UV filters from sunscreens was evaluated during the summer season (Chapter VI). This made it possible to conduct realistic in-lab ecotoxicological tests on the sea urchin biological model exposed to nano-TiO2 UV filters (Chapter VII). Exposure to such concentrations revealed that the sea urchin's reproductive and immune systems are not affected by any of the filters tested. Although the different coatings appear to modulate toxicity, the negative effects remain small and never cause concern. The continued use of solar "nanoproducts" may lead to an increase in the environmental concentration of ENM UV filters and new risks. The aim of this work is to propose new strategies to anticipate and minimize these risks through an eco-design approach over the product lifecycle.