Mechanisms of interaction of therapeutic nanoparticles with cells

Nanoparticles (NPs) have gained a lot of interest in recent years due to their huge potential for applications in industry and medicine. Their unique properties offer a large number of attractive possibilities in the biomedical field, providing innovative tools for diagnosis of diseases and for novel therapies. Nevertheless, a deep understanding of their interactions with living tissues and the knowledge about their possible effects in the human body are necessary for the safe use of nanoparticulate formulations. The aim of this PhD project was to study in detail the interactions of therapeutic NPs with living cells, including cellular uptake and release, cellular localization and transport across the cell layers. Moreover, the effects of NPs on the cellular metabolic processes were determined using adapted in vitro assays. We evaluated the biological effect of several NPs potentially used in the biomedical field, including titanium dioxide (Ti02) NPs, 2-sized fluorescent silica NPs, ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) NPs, either uncoated or coated with oleic acid or with polyvinylamine (aminoPVA) and poly(lactic-co-glycolic acid) - polyethylene-oxide (PLGA-PEO) NPs. We have found that the NPs were internalized by the cells, depending on their size, chemical composition, surface coating and also depending on the cell line considered. The uptake of aminoPVA-coated USPIO NPs by endothelial cells was enhanced in the presence of an external magnetic field. None of the tested USPIO NPs and silica NPs was transported across confluent kidney cell layers or brain endothelial cell layers, even in the presence of a magnetic field. However, in an original endothelium-glioblastoma barrier model which was developed, uncoated USPIO NPs were directly transferred from endothelial cells to glioblastoma cells. Following uptake, Ti02 NPs and uncoated USPIO NPs were released by the kidney cells, but not by the endothelial cells. Furthermore, these NPs induced an oxidative stress and autophagy in brain endothelial cells, possibly associated with their enhanced agglomeration in cell medium. A significant DNA damage was found in brain endothelial cells after their exposure to TiO2NPs. Altogether these results extend the existing knowledge about the effects of NPs on living cells with regard to their physicochemical characteristics and provide interesting tools for further investigation. The development of the in vitro toxicological assays with a special consideration for risk evaluation aims to reduce the use of animal experiments. -Les nanoparticules (NPs) présentent beaucoup d'intérêt dans le domaine biomédical et industriel. Leurs propriétés uniques offrent un grand nombre de possibilités de solutions innovantes pour le diagnostique et la thérapie. Cependant, pour un usage sûr des NPs il est nécessaire d'acquérir une connaissance approfondie des mécanismes d'interactions des NPs avec les tissus vivants et de leur effets sur le corps humain. Le but de ce projet de thèse était d'étudier en détail les mécanismes d'interactions de NPs thérapeutiques avec des cellules vivantes, en particulier les mécanismes d'internalisation cellulaire et leur subséquente sécrétion par les cellules, leur localisation cellulaire, leur transport à travers des couches cellulaires, et l'évaluation des effets de NPs sur le métabolisme cellulaire, en adaptant les méthodes existante d'évaluation cyto-toxico logique s in vitro. Pour ces expériences, les effets biologiques de nanoparticules d'intérêt thérapeutique, telles que des NPs d'oxyde de titane (TiO2), des NPs fluorescents de silicate de 2 tailles différentes, des NPs, d'oxyde de fer super-para-magnétiques ultra-petites (USPIO), soit non- enrobées soit enrobées d'acide oléique ou de polyvinylamine (aminoPVA), et des NPs d'acide poly(lactique-co-glycolique)-polyethylene-oxide (PLGA-PEO) ont été évalués. Les résultats ont démontré que les NPs sont internalisées par les cellules en fonction de leur taille, composition chimique, enrobage de surface, et également du type de cellules utilisées. L'internalisation cellulaire des USPIO NPs a été augmentée en présence d'un aimant externe. Aucune des NPs de fer et de silicate n'a été transportée à travers des couches de cellules épithéliales du rein ou endothéliales du cerveau, même en présence d'un aimant. Cependant, en développant un modèle original de barrière endothélium-glioblastome, un transfert direct de NPs d'oxyde de fer de cellule endothéliale à cellule de glioblastome a été démontré. A la suite de leur internalisation les NPs d'oxyde de fer et de titane sont relâchées par des cellules épithéliales du rein, mais pas des cellules endothéliales du cerveau. Dans les cellules endothéliales du cerveau ces NPs induisent en fonction de leur état d'agglomération un stress oxydatif et des mécanismes d'autophagie, ainsi que des dommages à l'ADN des cellules exposées aux NPs d'oxyde de titane. En conclusion, les résultats obtenus élargissent les connaissances sur les effets exercés par des NPs sur des cellules vivantes et ont permis de développer les outils expérimentaux pour étudier ces effets in vitro, réduisant ainsi le recours à des expériences sur animaux.

Evaluation des risques liés aux nanomatériaux pour la population générale et pour l'environnement : rapport d'expertise collective

Une expertise collective sur l'évaluation des risques liés aux nanomatériaux pour la population générale et pour l'environnement a identifié plusieurs centaines de produits de grande consommation contenant des nanomatériaux, présents dans notre quotidien : textiles, cosmétiques, alimentaires, équipements sportifs, matériaux de construction... Des études nouvelles suggèrent la possibilité de risques pour la santé et pour l'environnement de certains produits. Face à cette situation d'incertitude, l'Afsset recommande d'agir sans attendre au nom du principe de précaution et de 1) Rendre obligatoire la traçabilité des nanomatériaux. Cela passe par une obligation de déclaration par les industriels, 2) la mise en place un étiquetage clair qui mentionne la présence de nanomatériaux dans les produits et informe sur la possibilité de relargage à l'usage, 3) d'aller jusqu'à l'interdiction de certains usages des nanomatériaux pour lesquels l'utilité est faible par rapport aux dangers potentiels, 4) l'harmonisation des cadres réglementaires français et européens pour généraliser les meilleures pratiques : déclaration, autorisation, substitution. En particulier, une révision de REACh s'impose pour prendre en compte les nanomatériaux manufacturés de manière spécifique et quel que soit leur tonnage. L'expertise fait également des recommandations pour construire une méthode renouvelée d'évaluation des risques sanitaires qui soit adaptée aux spécificités des nanomatériaux. Pour cela l'Afsset a testé les méthodologies classiques d'évaluation des risques sur 4 produits particuliers et courants : la chaussette antibactérienne (nanoparticules d'argent), le ciment autonettoyant et le lait solaire (nanoparticules de dioxyde de titane), la silice alimentaire à l'état nanométrique. Ces 4 produits représentent bien les voies d'exposition de l'homme (cutanée, inhalation, ingestion) et la possibilité de dispersion environnementale. Ces travaux font apparaître une urgence à faire progresser les connaissances sur les expositions et les dangers potentiels des nanomatériaux. Aujourd'hui, seuls 2% des études publiées sur les nanomatériaux concernent leurs risques pour la santé et l'environnement. Le premier effort devra porter sur la normalisation des caractéristiques des nanomatériaux. Les priorités de la recherche devront cibler la toxicologie, l'écotoxicologie et la mesure des expositions. Enfin, l'Afsset prévoit de s'autosaisir pour définir en 2 ans, avec son groupe de travail, un outil simplifié d'évaluation des risques. Il s'agit d'une grille de cotation des risques qui permet de catégoriser les produits en plusieurs gammes de risques. Face à ce chantier considérable, une mise en réseau entre les organismes européens et internationaux pour se partager le travail est nécessaire. Elle a commencé autour de l'OCDE qui coordonne des travaux d'évaluation des risques et de l'ISO qui travaille à la mise en place de nouvelles normes. [Auteurs]

Structural and electrical properties of Fe-doped TiO2 thin films

The present study discusses the effect of iron doping in TiO2 thin films deposited by rf sputtering. Iron doping induces a structural transformation from anatase to rutile and electrical measurements indicate that iron acts as an acceptor impurity. Thermoelectric power measurement shows a transition between n-type and p-type electrical conduction for an iron concentration around 0.13 at.%. The highest p-type conductivity at room temperature achieved by iron doping was 10(-6) S m(-1).

The Carboniferous Baralacha La basaltic dykes (Upper Lahul, Ladakh): remnants of an early rifting event along the Indian northern plate

The Lower Carboniferous Baralacha La basaltic dykes were emplaced along transtensional faults. The basalts exhibit tholeiitic and alkaline affinities. The tholeiites are TiO2-poor, moderately enriched in light rare earth (LREE), and display Nb and Ta negative and Th positive anomalies. The alkali basalts, compared to the tholeiites, have higher TiO2, rare earth and highly incompatible trace element contents and greater LREE enrichments. The Nd and Pb isotope compositions of the Baralacha La basalts suggest that they derive from the partial melting of an enriched OIB mantle source. characterized by a HIMU component, and contaminated by the lower continental crust. The Baralacha La dyke swarm represent the remnants of an early rifting event on the northern Indian passive margin.

A double layer model of the gas bubble/water interface

Zeta potential is a physico-chemical parameter of particular importance to describe sorption of contaminants at the surface of gas bubbles. Nevertheless, the interpretation of electrophoretic mobilities of gas bubbles is complex. This is due to the specific behavior of the gas at interface and to the excess of electrical charge at interface, which is responsible for surface conductivity. We developed a surface complexation model based on the presence of negative surface sites because the balance of accepting and donating hydrogen bonds is broken at interface. By considering protons adsorbed on these sites followed by a diffuse layer, the electrical potential at the head-end of the diffuse layer is computed and considered to be equal to the zeta potential. The predicted zeta potential values are in very good agreement with the experimental data of H-2 bubbles for a broad range of pH and NaCl concentrations. This implies that the shear plane is located at the head-end of the diffuse layer, contradicting the assumption of the presence of a stagnant diffuse layer at the gas/water interface. Our model also successfully predicts the surface tension of air bubbles in a KCl solution. (c) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

The alkaline intraplate volcanism of the Antalya nappes (Turkey): a Late Triassic remnant of the Neotethys

Late Triassic submarine alkali basalts and hawaiites were collected from two superimposed tectonic slices belonging to the Kara Dere - Sayrun unit of the Middle Antalya nappes, southwestern Turkey. New determinations on conodont faunas allow to date this sequence to the Lower Carnian (Julian). The volcanic rocks show rather homogeneous compositions, with high TiO2 and relatively low MgO and Ni contents which suggest olivine fractionation. Their primitive mantle-normalised multi-elements plots show Nb and Ta enrichments relative to La, Pb negative anomalies and heavy rare earth element and Y depletions typical of intraplate ocean island basalts. These characteristics are consistent with the major and trace element compositions of their primary clinopyroxene phenocrysts, which do not show any feature ascribable to crustal contamination. The studied lavas display a restricted range of epsilon Nd (+4.6 to +5.2) which falls within the range of ocean island basalts. Their initial (Nd-143/Nd-144)i ratios are too low to be explained by a simple mixing line between depleted MORB mantle (DMM) and HIMU components. Their Pb and Nd isotopic compositions plot along a mixing line between HIMU component and an enriched mantle, the composition of which could be the result of the addition of about 5 to 8% of an EM2 component (recycled marine sediments) to DMM. The lack of evidence for any continental crustal component. in their genesis could be consistent with their emplacement in an intra-oceanic setting.

Assessment of the occurrence of nanoparticles in Swiss industry and evaluation of the appropriatenesss of the measurement devices to determine the workforce exposure

Abstract : The occupational health risk involved with handling nanoparticles is the probability that a worker will experience an adverse health effect: this is calculated as a function of the worker's exposure relative to the potential biological hazard of the material. Addressing the risks of nanoparticles requires therefore knowledge on occupational exposure and the release of nanoparticles into the environment as well as toxicological data. However, information on exposure is currently not systematically collected; therefore this risk assessment lacks quantitative data. This thesis aimed at, first creating the fundamental data necessary for a quantitative assessment and, second, evaluating methods to measure the occupational nanoparticle exposure. The first goal was to determine what is being used where in Swiss industries. This was followed by an evaluation of the adequacy of existing measurement methods to assess workplace nanopaiticle exposure to complex size distributions and concentration gradients. The study was conceived as a series of methodological evaluations aimed at better understanding nanoparticle measurement devices and methods. lt focused on inhalation exposure to airborne particles, as respiration is considered to be the most important entrance pathway for nanoparticles in the body in terms of risk. The targeted survey (pilot study) was conducted as a feasibility study for a later nationwide survey on the handling of nanoparticles and the applications of specific protection means in industry. The study consisted of targeted phone interviews with health and safety officers of Swiss companies that were believed to use or produce nanoparticles. This was followed by a representative survey on the level of nanoparticle usage in Switzerland. lt was designed based on the results of the pilot study. The study was conducted among a representative selection of clients of the Swiss National Accident Insurance Fund (SUVA), covering about 85% of Swiss production companies. The third part of this thesis focused on the methods to measure nanoparticles. Several pre- studies were conducted studying the limits of commonly used measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates, This focus was chosen, because several discussions with users and producers of the measurement devices raised questions about their accuracy measuring nanoparticle agglomerates and because, at the same time, the two survey studies revealed that such powders are frequently used in industry. The first preparatory experiment focused on the accuracy of the scanning mobility particle sizer (SMPS), which showed an improbable size distribution when measuring powders of nanoparticle agglomerates. Furthermore, the thesis includes a series of smaller experiments that took a closer look at problems encountered with other measurement devices in the presence of nanoparticle agglomerates: condensation particle counters (CPC), portable aerosol spectrometer (PAS) a device to estimate the aerodynamic diameter, as well as diffusion size classifiers. Some initial feasibility tests for the efficiency of filter based sampling and subsequent counting of carbon nanotubes (CNT) were conducted last. The pilot study provided a detailed picture of the types and amounts of nanoparticles used and the knowledge of the health and safety experts in the companies. Considerable maximal quantities (> l'000 kg/year per company) of Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, and ZnO (mainly first generation particles) were declared by the contacted Swiss companies, The median quantity of handled nanoparticles, however, was 100 kg/year. The representative survey was conducted by contacting by post mail a representative selection of l '626 SUVA-clients (Swiss Accident Insurance Fund). It allowed estimation of the number of companies and workers dealing with nanoparticles in Switzerland. The extrapolation from the surveyed companies to all companies of the Swiss production sector suggested that l'309 workers (95%-confidence interval l'073 to l'545) of the Swiss production sector are potentially exposed to nanoparticles in 586 companies (145 to l'027). These numbers correspond to 0.08% (0.06% to 0.09%) of all workers and to 0.6% (0.2% to 1.1%) of companies in the Swiss production sector. To measure airborne concentrations of sub micrometre-sized particles, a few well known methods exist. However, it was unclear how well the different instruments perform in the presence of the often quite large agglomerates of nanostructured materials. The evaluation of devices and methods focused on nanoparticle agglomerate powders. lt allowed the identification of the following potential sources of inaccurate measurements at workplaces with considerable high concentrations of airborne agglomerates: - A standard SMPS showed bi-modal particle size distributions when measuring large nanoparticle agglomerates. - Differences in the range of a factor of a thousand were shown between diffusion size classifiers and CPC/SMPS. - The comparison between CPC/SMPS and portable aerosol Spectrometer (PAS) was much better, but depending on the concentration, size or type of the powders measured, the differences were still of a high order of magnitude - Specific difficulties and uncertainties in the assessment of workplaces were identified: the background particles can interact with particles created by a process, which make the handling of background concentration difficult. - Electric motors produce high numbers of nanoparticles and confound the measurement of the process-related exposure. Conclusion: The surveys showed that nanoparticles applications exist in many industrial sectors in Switzerland and that some companies already use high quantities of them. The representative survey demonstrated a low prevalence of nanoparticle usage in most branches of the Swiss industry and led to the conclusion that the introduction of applications using nanoparticles (especially outside industrial chemistry) is only beginning. Even though the number of potentially exposed workers was reportedly rather small, it nevertheless underscores the need for exposure assessments. Understanding exposure and how to measure it correctly is very important because the potential health effects of nanornaterials are not yet fully understood. The evaluation showed that many devices and methods of measuring nanoparticles need to be validated for nanoparticles agglomerates before large exposure assessment studies can begin. Zusammenfassung : Das Gesundheitsrisiko von Nanopartikel am Arbeitsplatz ist die Wahrscheinlichkeit dass ein Arbeitnehmer einen möglichen Gesundheitsschaden erleidet wenn er diesem Stoff ausgesetzt ist: sie wird gewöhnlich als Produkt von Schaden mal Exposition gerechnet. Für eine gründliche Abklärung möglicher Risiken von Nanomaterialien müssen also auf der einen Seite Informationen über die Freisetzung von solchen Materialien in die Umwelt vorhanden sein und auf der anderen Seite solche über die Exposition von Arbeitnehmenden. Viele dieser Informationen werden heute noch nicht systematisch gesarnmelt und felilen daher für Risikoanalysen, Die Doktorarbeit hatte als Ziel, die Grundlagen zu schaffen für eine quantitative Schatzung der Exposition gegenüber Nanopartikel am Arbeitsplatz und die Methoden zu evaluieren die zur Messung einer solchen Exposition nötig sind. Die Studie sollte untersuchen, in welchem Ausmass Nanopartikel bereits in der Schweizer Industrie eingesetzt werden, wie viele Arbeitnehrner damit potentiel] in Kontakt komrrien ob die Messtechnologie für die nötigen Arbeitsplatzbelastungsmessungen bereits genügt, Die Studie folcussierte dabei auf Exposition gegenüber luftgetragenen Partikel, weil die Atmung als Haupteintrittspforte iïlr Partikel in den Körper angesehen wird. Die Doktorarbeit besteht baut auf drei Phasen auf eine qualitative Umfrage (Pilotstudie), eine repräsentative, schweizerische Umfrage und mehrere technische Stndien welche dem spezitischen Verständnis der Mëglichkeiten und Grenzen einzelner Messgeräte und - teclmikeri dienen. Die qualitative Telephonumfrage wurde durchgeführt als Vorstudie zu einer nationalen und repräsentativen Umfrage in der Schweizer Industrie. Sie zielte auf Informationen ab zum Vorkommen von Nanopartikeln, und den angewendeten Schutzmassnahmen. Die Studie bestand aus gezielten Telefoninterviews mit Arbeit- und Gesundheitsfachpersonen von Schweizer Unternehmen. Die Untemehmen wurden aufgrund von offentlich zugànglichen lnformationen ausgewählt die darauf hinwiesen, dass sie mit Nanopartikeln umgehen. Der zweite Teil der Dolctorarbeit war die repräsentative Studie zur Evalniernng der Verbreitnng von Nanopaitikelanwendungen in der Schweizer lndustrie. Die Studie baute auf lnformationen der Pilotstudie auf und wurde mit einer repräsentativen Selektion von Firmen der Schweizerischen Unfall Versicherungsanstalt (SUVA) durchgeüihxt. Die Mehrheit der Schweizerischen Unternehmen im lndustrieselctor wurde damit abgedeckt. Der dritte Teil der Doktorarbeit fokussierte auf die Methodik zur Messung von Nanopartikeln. Mehrere Vorstudien wurden dnrchgefîihrt, um die Grenzen von oft eingesetzten Nanopartikelmessgeräten auszuloten, wenn sie grösseren Mengen von Nanopartikel Agglomeraten ausgesetzt messen sollen. Dieser F okns wurde ans zwei Gründen gewählt: weil mehrere Dislcussionen rnit Anwendem und auch dem Produzent der Messgeràte dort eine Schwachstelle vermuten liessen, welche Zweifel an der Genauigkeit der Messgeräte aufkommen liessen und weil in den zwei Umfragestudien ein häufiges Vorkommen von solchen Nanopartikel-Agglomeraten aufgezeigt wurde. i Als erstes widmete sich eine Vorstndie der Genauigkeit des Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS). Dieses Messgerät zeigte in Präsenz von Nanopartikel Agglorneraten unsinnige bimodale Partikelgrössenverteilung an. Eine Serie von kurzen Experimenten folgte, welche sich auf andere Messgeräte und deren Probleme beim Messen von Nanopartikel-Agglomeraten konzentrierten. Der Condensation Particle Counter (CPC), der portable aerosol spectrometer (PAS), ein Gerät zur Schàtzung des aerodynamischen Durchniessers von Teilchen, sowie der Diffusion Size Classifier wurden getestet. Einige erste Machbarkeitstests zur Ermittlnng der Effizienz von tilterbasierter Messung von luftgetragenen Carbon Nanotubes (CNT) wnrden als letztes durchgeiührt. Die Pilotstudie hat ein detailliiertes Bild der Typen und Mengen von genutzten Nanopartikel in Schweizer Unternehmen geliefert, und hat den Stand des Wissens der interviewten Gesundheitsschntz und Sicherheitsfachleute aufgezeigt. Folgende Typen von Nanopaitikeln wurden von den kontaktierten Firmen als Maximalmengen angegeben (> 1'000 kg pro Jahr / Unternehrnen): Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, und ZnO (hauptsächlich Nanopartikel der ersten Generation). Die Quantitäten von eingesetzten Nanopartikeln waren stark verschieden mit einem ein Median von 100 kg pro Jahr. ln der quantitativen Fragebogenstudie wurden l'626 Unternehmen brieflich kontaktiert; allesamt Klienten der Schweizerischen Unfallversicherringsanstalt (SUVA). Die Resultate der Umfrage erlaubten eine Abschätzung der Anzahl von Unternehmen und Arbeiter, welche Nanopartikel in der Schweiz anwenden. Die Hochrechnung auf den Schweizer lndnstriesektor hat folgendes Bild ergeben: ln 586 Unternehmen (95% Vertrauensintervallz 145 bis 1'027 Unternehmen) sind 1'309 Arbeiter potentiell gegenüber Nanopartikel exponiert (95%-Vl: l'073 bis l'545). Diese Zahlen stehen für 0.6% der Schweizer Unternehmen (95%-Vl: 0.2% bis 1.1%) und 0.08% der Arbeiternehmerschaft (95%-V1: 0.06% bis 0.09%). Es gibt einige gut etablierte Technologien um die Luftkonzentration von Submikrometerpartikel zu messen. Es besteht jedoch Zweifel daran, inwiefern sich diese Technologien auch für die Messurrg von künstlich hergestellten Nanopartikeln verwenden lassen. Aus diesem Grund folcussierten die vorbereitenden Studien für die Arbeitsplatzbeurteilnngen auf die Messung von Pulverri, welche Nan0partike1-Agg10merate enthalten. Sie erlaubten die ldentifikation folgender rnöglicher Quellen von fehlerhaften Messungen an Arbeitsplätzen mit erhöhter Luft-K0nzentrati0n von Nanopartikel Agglomeratenz - Ein Standard SMPS zeigte eine unglaubwürdige bimodale Partikelgrössenverteilung wenn er grössere Nan0par'til<e1Agg10merate gemessen hat. - Grosse Unterschiede im Bereich von Faktor tausend wurden festgestellt zwischen einem Diffusion Size Classiîier und einigen CPC (beziehungsweise dem SMPS). - Die Unterschiede zwischen CPC/SMPS und dem PAS waren geringer, aber abhängig von Grosse oder Typ des gemessenen Pulvers waren sie dennoch in der Grössenordnung von einer guten Grössenordnung. - Spezifische Schwierigkeiten und Unsicherheiten im Bereich von Arbeitsplatzmessungen wurden identitiziert: Hintergrundpartikel können mit Partikeln interagieren die während einem Arbeitsprozess freigesetzt werden. Solche Interaktionen erschweren eine korrekte Einbettung der Hintergrunds-Partikel-Konzentration in die Messdaten. - Elektromotoren produzieren grosse Mengen von Nanopartikeln und können so die Messung der prozessbezogenen Exposition stören. Fazit: Die Umfragen zeigten, dass Nanopartikel bereits Realitàt sind in der Schweizer Industrie und dass einige Unternehmen bereits grosse Mengen davon einsetzen. Die repräsentative Umfrage hat diese explosive Nachricht jedoch etwas moderiert, indem sie aufgezeigt hat, dass die Zahl der Unternehmen in der gesamtschweizerischen Industrie relativ gering ist. In den meisten Branchen (vor allem ausserhalb der Chemischen Industrie) wurden wenig oder keine Anwendungen gefunden, was schliessen last, dass die Einführung dieser neuen Technologie erst am Anfang einer Entwicklung steht. Auch wenn die Zahl der potentiell exponierten Arbeiter immer noch relativ gering ist, so unterstreicht die Studie dennoch die Notwendigkeit von Expositionsmessungen an diesen Arbeitsplätzen. Kenntnisse um die Exposition und das Wissen, wie solche Exposition korrekt zu messen, sind sehr wichtig, vor allem weil die möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit noch nicht völlig verstanden sind. Die Evaluation einiger Geräte und Methoden zeigte jedoch, dass hier noch Nachholbedarf herrscht. Bevor grössere Mess-Studien durgefîihrt werden können, müssen die Geräte und Methodem für den Einsatz mit Nanopartikel-Agglomeraten validiert werden.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Induction of oxidative stress, lysosome activation and autophagy by nanoparticles in human brain-derived endothelial cells.

Different types of NPs (nanoparticles) are currently under development for diagnostic and therapeutic applications in the biomedical field, yet our knowledge about their possible effects and fate in living cells is still limited. In the present study, we examined the cellular response of human brain-derived endothelial cells to NPs of different size and structure: uncoated and oleic acid-coated iron oxide NPs (8-9 nm core), fluorescent 25 and 50 nm silica NPs, TiO2 NPs (21 nm mean core diameter) and PLGA [poly(lactic-co-glycolic acid)]-PEO [poly(ethylene oxide)] polymeric NPs (150 nm). We evaluated their uptake by the cells, and their localization, generation of oxidative stress and DNA-damaging effects in exposed cells. We show that NPs are internalized by human brain-derived endothelial cells; however, the extent of their intracellular uptake is dependent on the characteristics of the NPs. After their uptake by human brain-derived endothelial cells NPs are transported into the lysosomes of these cells, where they enhance the activation of lysosomal proteases. In brain-derived endothelial cells, NPs induce the production of an oxidative stress after exposure to iron oxide and TiO2 NPs, which is correlated with an increase in DNA strand breaks and defensive mechanisms that ultimately induce an autophagy process in the cells.

Use of nanoparticles in Swiss industry: a targeted survey

A large number of applications using manufactured nanoparticles of less than 100 nm are currently being introduced into industrial processes. There is an urgent need to evaluate the risks of these novel particles to ensure their safe production, handling, use, and disposal. However, today we lack even rudimentary knowledge about type and quantity of industrially used manufactured nanoparticles and the level of exposure in Swiss industry. The goal of this study was to evaluate the use of nanoparticles, the currently implemented safety measures, and the number of potentially exposed workers in all types of industry. To evaluate this, a targeted telephone survey was conducted among health and safety representatives from 197 Swiss companies. The survey showed that nanoparticles are already used in many industrial sectors; not only in companies in the new field of nanotechnology, but also in more traditional sectors, such as paints. Forty-three companies declared to use or produce nanoparticles, and 11 imported and traded with prepackaged goods that contain nanoparticles. The following nanoparticles were found to be used in considerable quantities (> 1000 kg/year per company): Ag, Al-Ox, Fe-Ox, SiO2, TiO2, and ZnO. The median reported quantity of handled nanoparticles was 100 kg/year. The production of cosmetics, food, paints, powders, and the treatment of surfaces used the largest quantities of these nanoparticles. Generally, the safety measures were found to be higher in powder-based than in liquid-based applications. However, the respondents had many open questions about best practices, which points to the need for rapid development of guidelines and protection strategies

Juxtaposition of melt impregnation and high-temperature shear zones in the upper mantle; field and petrological constraints from the Lanzo peridotite (Northern Italy)

Results of a field and microstructural study between the northern and the central bodies of the Lanzo plagioclase peridotite massif (NW Italy) indicate that the spatial distribution of deformation is asymmetric across kilometre-scale mantle shear zones. The southwestern part of the shear zone (footwall) shows a gradually increasing degree of deformation from porphyroclastic peridotites to mylonite, whereas the northeastern part (hanging wall) quickly grades into weakly deformed peridotites. Discordant gabbroic and basaltic dykes are asymmetrically distributed and far more abundant in the footwall of the shear zone. The porphyroclastic peridotite displays porphyroclastic zones and domains of igneous crystallization whereas mylonites are characterized by elongated porphyroclasts, embedded between fine-grained, polycrystalline bands of olivine, plagioclase, clinopyroxene, orthopyroxene, spinel, rare titanian pargasite, and domains of recrystallized olivine. Two types of melt impregnation textures have been found: (1) clinopyroxene porphyroclasts incongruently reacted with migrating melt to form orthopyroxene plagioclase; (2) olivine porphyroclasts are partially replaced by interstitial orthopyroxene. The meltrock reaction textures tend to disappear in the mylonites, indicating that deformation in the mylonite continued under subsolidus conditions. The pyroxene chemistry is correlated with grain size. High-Al pyroxene cores indicate high temperatures (11001030C), whereas low-Al neoblasts display lower final equilibration temperatures (860C). The spinel Cr-number [molar Cr/(Cr Al)] and TiO2 concentrations show extreme variability covering almost the entire range known from abyssal peridotites. The spinel compositions of porphyroclastic peridotites from the central body are more variable than spinel from mylonite, mylonite with ultra-mylonite bands, and porphyroclastic rocks of the northern body. The spinel compositions probably indicate disequilibrium and would favour rapid cooling, and a faster exhumation of the central peridotite body, relative to the northern one. Our results indicate that melt migration and high-temperature deformation are juxtaposed both in time and space. Meltrock reaction may have caused grain-size reduction, which in turn led to localization of deformation. It is likely that melt-lubricated, actively deforming peridotites acted as melt focusing zones, with permeabilities higher than the surrounding, less deformed peridotites. Later, under subsolidus conditions, pinning in polycrystalline bands in the mylonites inhibited substantial grain growth and led to permanent weak zones in the upper mantle peridotite, with a permeability that is lower than in the weakly deformed peridotites. Such an inversion in permeability might explain why actively deforming, fine-grained peridotite mylonite acted as a permeability barrier and why ascending mafic melts might terminate and crystallize as gabbros along actively deforming shear zones. Melt-lubricated mantle shear zones provide a mechanism for explaining the discontinuous distribution of gabbros in oceancontinent transition zones, oceanic core complexes and ultraslow-spreading ridges.

The use of heterogeneous chemistry for the characterization of functional groups at the gas/particle interface of soot and TiO(2) nanoparticles

Six gases (N((CH3)3), NH2OH, CF3COOH, HCl, NO2, O3) were selected to probe the surface of seven combustion aerosol (amorphous carbon, flame soot) and three types of TiO2 nanoparticles using heterogeneous, that is gas-surface reactions. The gas uptake to saturation of the probes was measured under molecular flow conditions in a Knudsen flow reactor and expressed as a density of surface functional groups on a particular aerosol, namely acidic (carboxylic) and basic (conjugated oxides such as pyrones, N-heterocycles) sites, carbonyl (R1-C(O)-R2) and oxidizable (olefinic, -OH) groups. The limit of detection was generally well below 1% of a formal monolayer of adsorbed probe gas. With few exceptions most investigated aerosol samples interacted with all probe gases which points to the coexistence of different functional groups on the same aerosol surface such as acidic and basic groups. Generally, the carbonaceous particles displayed significant differences in surface group density: Printex 60 amorphous carbon had the lowest density of surface functional groups throughout, whereas Diesel soot recovered from a Diesel particulate filter had the largest. The presence of basic oxides on carbonaceous aerosol particles was inferred from the ratio of uptakes of CF3COOH and HCl owing to the larger stability of the acetate compared to the chloride counterion in the resulting pyrylium salt. Both soots generated from a rich and a lean hexane diffusion flame had a large density of oxidizable groups similar to amorphous carbon FS 101. TiO2 15 had the lowest density of functional groups among the three studied TiO2 nanoparticles for all probe gases despite the smallest size of its primary particles. The used technique enabled the measurement of the uptake probability of the probe gases on the various supported aerosol samples. The initial uptake probability, g0, of the probe gas onto the supported nanoparticles differed significantly among the various investigated aerosol samples but was roughly correlated with the density of surface groups, as expected. [Authors]

Limitations and information needs for engineered nanomaterial-specific exposure estimation and scenarios: recommendations for improved reporting practices

The aim of this paper is to describe the process and challenges in building exposure scenarios for engineered nanomaterials (ENM), using an exposure scenario format similar to that used for the European Chemicals regulation (REACH). Over 60 exposure scenarios were developed based on information from publicly available sources (literature, books, and reports), publicly available exposure estimation models, occupational sampling campaign data from partnering institutions, and industrial partners regarding their own facilities. The primary focus was on carbon-based nanomaterials, nano-silver (nano-Ag) and nano-titanium dioxide (nano-TiO2), and included occupational and consumer uses of these materials with consideration of the associated environmental release. The process of building exposure scenarios illustrated the availability and limitations of existing information and exposure assessment tools for characterizing exposure to ENM, particularly as it relates to risk assessment. This article describes the gaps in the information reviewed, recommends future areas of ENM exposure research, and proposes types of information that should, at a minimum, be included when reporting the results of such research, so that the information is useful in a wider context.

Toxicity screenings of nanomaterials: challenges due to interference with assay processes and components of classic in vitro tests.

Given the multiplicity of nanoparticles (NPs), there is a requirement to develop screening strategies to evaluate their toxicity. Within the EU-funded FP7 NanoTEST project, a panel of medically relevant NPs has been used to develop alternative testing strategies of NPs used in medical diagnostics. As conventional toxicity tests cannot necessarily be directly applied to NPs in the same manner as for soluble chemicals and drugs, we determined the extent of interference of NPs with each assay process and components. In this study, we fully characterized the panel of NP suspensions used in this project (poly(lactic-co-glycolic acid)-polyethylene oxide [PLGA-PEO], TiO2, SiO2, and uncoated and oleic-acid coated Fe3O4) and showed that many NP characteristics (composition, size, coatings, and agglomeration) interfere with a range of in vitro cytotoxicity assays (WST-1, MTT, lactate dehydrogenase, neutral red, propidium iodide, (3)H-thymidine incorporation, and cell counting), pro-inflammatory response evaluation (ELISA for GM-CSF, IL-6, and IL-8), and oxidative stress detection (monoBromoBimane, dichlorofluorescein, and NO assays). Interferences were assay specific as well as NP specific. We propose how to integrate and avoid interference with testing systems as a first step of a screening strategy for biomedical NPs.

Dustiness and deagglomeration testing: interlaboratory comparison of systems for nanoparticle powders

Different types of aerosolization and deagglomeration testing systems exist for studying the properties of nanomaterial powders and their aerosols. However, results are dependent on the specific methods used. In order to have well-characterized aerosols, we require a better understanding of how system parameters and testing conditions influence the properties of the aerosols generated. In the present study, four experimental setups delivering different aerosolization energies were used to test the resultant aerosols of two distinct nanomaterials (hydrophobic and hydrophilic TiO2). The reproducibility of results within each system was good. However, the number concentrations and size distributions of the aerosols created varied across the four systems; for number concentrations, e.g., from 10(3) to 10(6) #/cm(3). Moreover, distinct differences were also observed between the two materials with different surface coatings. The article discusses how system characteristics and other pertinent conditions modify the test results. We propose using air velocity as a suitable proxy for estimating energy input levels in aerosolization systems. The information derived from this work will be especially useful for establishing standard operating procedures for testing nanopowders, as well as for estimating their release rates under different energy input conditions, which is relevant for occupational exposure.