Les fibres de carbone (CF), qui n’étaient au départ utilisées que brièvement comme filament dans les lampes à incandescence, ont connu un regain d’intérêt au cours du XXe siècle en tant que composants de matériaux composites plus légers et plus résistants que des matériaux comme l’acier et l’aluminium, utilisés dans les avions, les bateaux et de nombreuses autres applications. Cette popularité croissante signifie également que la population est désormais exposée à des fragments de CF, à la fois par l’utilisation de produits à base de CF et par le traitement mécanique de matériaux CF lors de projets (de loisirs).
C’est cette popularité qui a également conduit à l’ajout de courtes sections de CF aux filaments d’impression 3D FDM, où elles améliorent les propriétés mécaniques des pièces imprimées. Cependant, lors des actions mécaniques ultérieures telles que le ponçage, le meulage et la découpe, de la poussière de CF est créée et une fraction de ces particules est suffisamment petite pour être respirable. Parmi celles-ci, une autre fraction contournera les mécanismes d’élimination de la poussière du système respiratoire, pour finir au plus profond des poumons. Cela soulève la question de savoir si les fragments de CF peuvent être cancérigènes, à l’instar de l’exemple autrefois très populaire et très tristement célèbre des fibres minérales d’amiante.
Fabrication de fibre de carbone
Le processus de production de fibre de carbone est assez simple, impliquant un monomère riche en carbone, le précurseur, qui est transformé en polymère avant que les éléments non carbonés ne soient retirés du polymère. Il reste alors le carbone pur, qui, selon le matériau précurseur, aura certaines propriétés physiques et mécaniques. Les deux matériaux précurseurs les plus courants sont le polyacrylonitrile (PAN, (C3H3N)n) et le brai, ce dernier étant un polymère viscoélastique produit à partir du pétrole ou dérivé de plantes. Ces deux matériaux sont également utilisés dans de nombreuses autres applications.
Dans le cas de la production de CF, le polymère est étiré et stabilisé dans le cadre du prétraitement, suivi d’une carbonisation et enfin d’une graphitisation. Dans le cas du CF PAN, la fibre précurseur est stabilisée par oxydation pendant qu’elle est chauffée, suivie d’une carbonisation à des températures beaucoup plus élevées sous une atmosphère d’azote inerte avant de subir une troisième étape finale appelée graphitisation. Cela induit une structure moléculaire cristalline de graphite disposée de manière turbostratique (plans décalés) et complète le CF qui peut ensuite être enroulé sur des bobines et préparé pour l’expédition.
La structure turbostratique des CF PAN contraste avec les CF brai mésophasés, qui forment des structures graphitiques fortement directionnelles (en feuillets). C’est cette différence de structure graphitique qui détermine en fin de compte les propriétés des CF PAN et brai, comme un module d’élasticité très élevé dans le cas de ce dernier et une résistance à la traction élevée pour le premier. Actuellement, la grande majorité des CF produits aujourd’hui sont sous forme de CF PAN, mais les CF à base de brai et de rayonne sont également utilisés lorsque leurs propriétés sont supérieures à celles des CF PAN.
Le CF est couramment utilisé pour créer des composites, auquel cas ils sont appelés polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP).
Créer de la poussière
Il n’est pas surprenant que la FC produise des fragments lorsqu’elle est soumise à des contraintes mécaniques ou thermiques, car les recherches sur les conséquences des fragments de FC sur la santé remontent au 20e siècle. Ce n’est cependant que beaucoup plus récemment que nous avons pu étudier pleinement les effets des fragments de FC sur le tissu pulmonaire, non seulement sur la base d’études empiriques, mais aussi en examinant les changements d’expression génétique, la rupture de l’ADN, les marqueurs d’inflammation, etc.
Récemment, le sujet des fragments de CF résultant de filaments d’imprimante 3D FDM infusés de CF a fait fureur, la question étant de savoir si le CF pourrait être le nouvel amiante. Dans l’article lié, un article de 2017 de Jing Wang et al. tel que publié dans Journal de nanobiotechnologie Les chercheurs ont comparé la manière dont se forment les fragments d’amiante et de fibres de carbone, ainsi que dans le cas des nanotubes de carbone (NTC).
Les images SEM et TEM présentées ici à droite proviennent d’une étude de 2015 de Schlagenhauf et al., dans laquelle un câble CFRP à base de PAN (Teijin IMS60) a été exposé à une tension extrême jusqu’à la rupture. Au cours de cette rupture de câble CFRP, de nombreux fragments ont été produits, dont certains ont été jugés respirables selon les critères de l’OMS (longueur minimale de 5 µm et diamètre maximal de 3 µm). Cela montre donc que le CF PAN peut en fait produire des fragments respirables, mais la question pertinente est de savoir si ces fragments sont aussi nocifs que les fragments de CF en brai, ou même les fibres d’amiante.
Dans une réponse à un article sur Twitter de Josef Prusa, le fondateur de Prusa 3D – une entreprise d’imprimantes 3D et de filaments – a affirmé que les filaments à base de PAN sont en fait assez sûrs et que des études le confirment, citant une étude de 2019 de Dominic Kehren et al. telle que publiée dans Recherche sur les aérosols et la qualité de l’air.
PSA🚨 Vous avez peut-être vu les vidéos récentes de @NathanBuilds ou un article sur @hackaday sur les dangers potentiels des fibres de carbone dans les filaments, en les comparant à l’amiante 😳 Étant donné que nous proposons plusieurs filaments contenant des fibres de carbone, j’ai pensé que beaucoup d’entre vous seraient… pic.twitter.com/SjTTbqGe4N
— Josef Prusa (@josefprusa) 4 août 2024
Cette étude de Kehren et al. a examiné la quantité de fragments respirables produits en raison d’un nombre limité d’actions mécaniques. Leur conclusion était que les fragments de CF de brai présentaient un risque sanitaire important, notamment le cancer du poumon et le mésothéliome, tandis que pour les fragments de CF de PAN, des recherches plus approfondies étaient nécessaires. Il convient également de noter qu’aucune étude n’a été réalisée sur les effets réels de ces fragments de carbone biopersistants sur le tissu pulmonaire. Seules des hypothèses sur les implications potentielles pour la santé ont été formulées sur la base des critères de l’OMS et des fragments observés.
Le conseil de Josef Prusa de toujours porter un masque respiratoire lors de travaux avec des matériaux à base de CF semble donc être un conseil plutôt prudent. Entre-temps, nous disposons d’études beaucoup plus récentes qui prennent en compte l’impact physiologique de l’exposition aux fragments de CF à base de PAN.
Poumons in vitro
Alors que les études précédentes utilisaient généralement des modèles d’étude in vivo avec toutes les complications (éthiques) que cela implique, les modèles in vitro sont devenus plus récemment une alternative viable. Dans une étude de 2023 sur les effets des fragments de PAN CF sur le tissu pulmonaire par Alexandra Friesen et al. telle que publiée dans Journal international des sciences moléculairesune série de modèles de tissus pulmonaires in vitro ont été utilisés pour étudier directement les effets de ces fragments, notamment l’inflammation, la rupture de l’ADN et les modifications de l’expression des gènes.
(Crédit : Friesen et al., Int J Mol Sci, 2023)
Ces trois modèles de culture cellulaire humaine différents ont été exposés à la fois à un prétraitement mécanique (mCF) et à un prétraitement thermomécanique (tmCF), en utilisant le filament Teijin UMS40 comme source de PAN CF. Pour les deux types de fragments CF, le filament a été coupé en sections de 1 cm, qui pour le mCF ont été immédiatement broyées dans un broyeur à billes planétaire. Les morceaux de tmCF ont d’abord été exposés à une contrainte thermique dans deux fours (400°C pendant 4 heures, 800°C pendant environ 30 minutes) dans une atmosphère d’azote avant d’être également broyés. Les fragments résultants ont ensuite été aérosolisés et les modèles de culture cellulaire exposés.
Après exposition, les cultures cellulaires ont été incubées pendant 0, 3 ou 23 heures pour donner une indication de la manière dont l’exposition les affecte au fil du temps. Pendant l’exposition, le mCF a montré une fraction de fibres OMS d’environ 20 %, tandis que pour le tmCF, elle était d’environ 9,4 %. Lors de l’analyse des cultures exposées après l’incubation, aucun effet cytotoxique significatif n’a été observé (sur la base de la libération de LDH).
Les choses sont devenues plus intéressantes dans les profils d’expression génétique, les cultures exposées au tmCF montrant la plus forte réponse pro-inflammatoire, mort cellulaire (apoptose) et dommages à l’ADN. Il est intéressant de noter que la triple culture avec fibroblastes présents a montré une image moins dramatique 23 heures après l’exposition au mCF, avec des facteurs de transcription de l’inflammation en particulier significativement régulés à la baisse, bien que la transcription de la réponse aux dommages à l’ADN soit toujours régulée à la hausse.
En conséquence, la libération d’interleukine-8 (IL-8) a augmenté, bien que dans une proportion extraordinaire dans la triple culture. La raison exacte de ce phénomène et les observations connexes restent à étudier.
La génotoxicité a été évaluée après l’augmentation de la transcription de réparation de l’ADN, en analysant les cassures de l’ADN. Cette analyse a fourni les résultats les plus intéressants, car il a été constaté que si des cassures monocaténaires étaient présentes dans les échantillons de monoculture et de coculture, la triple culture présentait un nombre significativement plus élevé de cassures monocaténaires. Cela indique une réponse génotoxique lors de l’exposition aux fragments PAN CF, les fragments tmCF présentant la réponse la plus forte, probablement en raison de la production de fragments plus petits.
Bien que moins toxiques que les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) avec lesquels les auteurs s’opposent, les résultats de la triple culture suggèrent une génotoxicité secondaire causée par la réponse pro-inflammatoire.
Mesures à prendre
Bien que ces modèles de culture cellulaire in vitro ne soient pas une représentation parfaite des poumons humains, ils nous fournissent certaines des premières preuves concrètes de la manière dont le PAN CF peut affecter les tissus pulmonaires humains. Avec une réponse inflammatoire claire qui semble devenir plus importante et plus nocive à mesure que la culture cellulaire devient plus complète par rapport à l’intérieur d’un poumon vivant, il existe au moins une base solide pour traiter toute poussière de CF comme potentiellement cancérigène.
Comme pour les fibres d’amiante, ce n’est pas tant le matériau lui-même qui est toxique et favorise la cancérogénèse, mais plutôt la réponse de l’organisme à cette matière étrangère. En raison d’une irritation prolongée, d’une inflammation et de dommages ultérieurs à l’ADN avec des réparations éventuellement défectueuses, des conséquences telles que la silicose, le cancer du poumon et le mésothéliome deviennent possibles.
La réponse raisonnable serait donc de traiter le CF de la même manière que l’amiante et les sources similaires de fibres respirables et biopersistantes. Cela signifie qu’il ne faut pas les déranger si possible, se méfier des produits en PRFC endommagés et toujours porter un respirateur avec des filtres anti-amiante lors du ponçage, de la découpe ou de toute autre transformation du CF sous quelque forme que ce soit, en veillant à bien ventiler la pièce.
Comme pour l’amiante, il est tout à fait possible qu’une exposition ne cause pas de dommages permanents, mais lorsque le choix est entre prendre toutes les précautions de sécurité possibles maintenant ou découvrir que vous auriez dû le faire dans une ou deux décennies, il devrait être évident quel est le choix raisonnable en attendant que d’autres études soient réalisées.
