Société NORILAK Gwendal. Encadrants : Emmanuel Dieulesaint (Maître de stage) Régis Gautier Nicolas Cimetière

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1 Société NORILAK Gwendal Encadrants : Emmanuel Dieulesaint (Maître de stage) Régis Gautier Nicolas Cimetière 2015

2 Remerciements E. Dieulesaint R. Gautier N. Cimetière Plan du rapport Contenu INTRODUCTION... 2 I) La règlementation... 2 I).1) Directive de la Commission Européenne... 2 I).2) Normes Afnor... 3 I).2).a) Liste des composés interdits :... 4 I).2).b) Techniques analytiques pour l analyse de la conformité des e-liquides... 5 II) Les vapeurs... 5 II.1) Analyses... 5 II).2) Arômes... 9 II).3) Les dérivés du tabac II).4) Les particules métalliques II).5) Utilisation d une cigarette électronique III) Les effets de la température CONCLUSION

3 INTRODUCTION La cigarette électronique est un dispositif récent capable de générer un aérosol destiné à être inhalé ; cet aérosol est communément appelé «vapeur» et les utilisateurs «vapoteurs». On utilise des liquides spéciaux pour produire cet aérosol, appelés e- liquides, qui existent avec beaucoup d arômes comme tabac ou bonbons. La cigarette électronique se présente comme un moyen de substitution du tabac classique qui serait moins dangereux que la cigarette classique. Cependant ce dispositif est récent et se développe très vite (on parle déjà de «cigarettes électroniques de troisième génération), et il est nécessaire de consolider les connaissances relatives aux dangers potentiels de la cigarette électronique. Une cigarette électronique se compose habituellement des éléments suivants : une batterie qui alimente la résistance, un microprocesseur qui régule la chaleur, un atomiseur qui contient la mèche (en silice ou en coton) imbibée de liquide à vaporiser, une résistance chauffante (fil résistif en inox, en Nichrome ou en Kanthal), un réservoir d e-liquide, un bec d aspiration, et un capteur d aspiration ou un bouton pour déclencher la cigarette. Sur les modèles les plus récents il est également possible de faire varier la puissance de la cigarette en jouant sur le voltage de la batterie. Les e-cigarettes les plus récentes intègre également d autres éléments comme des chronomètre pour mesurer le temps d une inhalation. Les e-cigarettes fonctionnent avec des e-liquides dont les deux principaux composés sont la glycérine végétale ou glycérol et le propylène glycol. Ce sont eux qui permettent la formation d un aérosol. On les retrouves dans des proportions variables dans les e- liquides, les utilisateurs de cigarette électroniques ayant des goûts différents. En effet le glycérol permet d avoir plus de vapeur mais le propylène glycol procure un plus gros «hit» (sensation d irritation légère recherchée par certains vapoteurs). Le reste se compose principalement d arômes et d eau. I) La règlementation En raison de la nouveauté du produit il n existe pas encore de réglementations propres aux cigarettes électroniques à travers le monde. En effet leur gestion dépend actuellement de chaque pays : elles sont interdites au Brésil, vendues comme produits pharmaceutiques en Autriche et comme bien de consommation en France. Pour cette raison la Commission Européenne a rédigé spécifiquement une partie sur les cigarettes électroniques dans sa dernière directive sur les produits du tabac et ses dérivés, afin d'homogénéiser le statut de la cigarette électronique en Europe. Cela a aussi pour but de déterminer quels sont les composés permis et comment les référencer sur un emballage. [1] I).1) Directive de la Commission Européenne Cette directive européenne demande aux commerçants de fournir une liste de tous les ingrédients contenus dans le produit et des émissions résultant de l utilisation de ce produit, par marque et par type, avec leurs quantités. Les données toxicologiques relatives aux ingrédients et aux émissions du produit, y compris lorsqu ils sont chauffés (dans le cas de la présence de produits dûs à la dégradation thermique), sont également 2

4 demandés, notamment leurs effets sur la santé des consommateurs lorsqu ils sont inhalés et, entre autres, de tout effet de dépendance engendré. Concernant le liquide, il ne doit pas contenir de nicotine au-delà de 20 mg/ml. Il faut que seuls des ingrédients de haute pureté soient utilisés pour la fabrication du liquide contenant de la nicotine et que seuls soient utilisés dans le liquide contenant de la nicotine des ingrédients qui, chauffés ou non, ne présentent pas de risques pour la santé humaine (à l exception de la nicotine). De plus les substances autres que les ingrédients annoncés dans le produit doivent uniquement être présentes sous forme de traces dans le liquide contenant de la nicotine, si ces traces sont techniquement inévitables au cours de la fabrication. Pour les emballages, il est demandé que les unités de conditionnement ainsi que tout emballage extérieur des cigarettes électroniques et des flacons de recharge incluent une liste de tous les ingrédients contenus dans le produit par ordre décroissant de leur poids, et une indication de la teneur en nicotine du produit et de la quantité diffusée par dose dans une cigarette électronique, le numéro de lot et une recommandation selon laquelle le produit doit être tenu hors de portée des enfants. I).2) Normes Afnor On a pu constater en France la création de normes AFNOR pour satisfaire la directive 2014/40/UE. [2] A ce jour deux normes sont parues : une concerne les appareils et l autre les e-liquides utilisés dans les cigarettes électroniques. Une troisième norme sur leurs émissions (aérosols) est en préparation. XP D Cigarettes électroniques et e-liquides - Partie 1 : exigences et méthodes d essai relatives aux cigarettes électroniques Cette norme précises les réglementations à respecter pour la confection d une cigarette électronique et donne des précisions sur les matériaux à utiliser. L embout buccal et le réservoir de la cigarette électronique ne doivent pas libérer de produits toxiques ou allergisants. Si l embout buccal ou le réservoir sont composés des matériaux suivants : -polychlorure de vinyle (PCV), -polystyrène (PS), -acrylonitrile-butadiène-styrène (ABS), -polycarbonate (PC), -polyoxyméthylène (POM), -styrène-acrylonitrile (SAN), Des tests de migration spécifiques à chacun de ces polymères doivent être réalisés. Ceux-ci doivent être réalisés selon les référentiels techniques disponibles. Par exemple, pour les polycarbonates, le producteur doit vérifier que la teneur en bisphénol A est inférieure au seuil de détection (environ 0.2 ng/ml). Les matériaux constitutifs de la cigarette électronique ne doivent pas contenir de plomb au-delà de 0,1 % en masse/masse pour les parties qui peuvent être en contact avec le e- liquide. XP D Cigarettes électroniques et e-liquides - Partie 2 : exigences et méthodes d'essai relatives aux e-liquides 3

5 Cette deuxième norme sur les cigarettes électroniques indique les composés à proscrire des e-liquides et les tests à réaliser. I).2).a) Liste des composés interdits : - Substances classées CMR (cancérogène, mutagène, ou reprotoxique) ou STOT (toxicité spécifique pour un organe cible) - Huiles végétales et minérales - Sucres et édulcorants o Les sucres suivants : glucose, fructose, lactose, maltose, saccharose et les édulcorants suivants : acésulfame de potassium, aspartame, saccharinate de sodium, stevia, ne doivent pas être utilisés comme ingrédient lors de la fabrication d un e-liquide. - Substances destinées aux compléments alimentaires - Substances médicamenteuses, psychotropes, anabolisantes et stupéfiants - Libérateurs de formaldéhyde o Quaternium 15 ; Imidazolidinyl Urea ; Diazolidinyl Urea ; 2-Bromo-2- Nitropropane-1,3-Diol ou 2-Bromo-2-nitro-1,3-propanediol ; DMDM Hydantoine ou Diméthyloldiméthyl hydantoine; (Benzyloxy)méthanol ou Phénylméthoxyméthanol ; 2-Chloro-N-(hydroxyméthyl)acétamide; Hexahydro-1,3,5-tris(hydroxyéthyl)-s-triazine ; Sodium hydroxyméthyl glycinate. - Autres conservateurs o Triclosan; Phénoxyéthanol; parabènes à chaine longue : Isopropylparabène et ses sels, Isobutylparabène, Phénylparabène, Benzylparabène et Pentylparabène; Isothiazolinone. - Substances radioactives - Autre ingrédient o Éthylène glycol. - Composés indésirables o Un e-liquide ne doit pas contenir de diacétyle, de formaldéhyde (irritant à partir de 0.1 mg/kg d air et cancérogène), d acroléine et d acétaldéhyde au-delà des concentrations inévitables d impuretés. Lors de la mise en flacon, les concentrations maximales mesurées doivent être celles indiquées dans le Tableau 1. Tableau 1 - Concentrations maximales admises en composés indésirables dans un e-liquide Composé Limite Diacétyle 22 mg/l Formaldéhyde 22 mg/l aldéhydes Acroléïne 22 mg/l Acétaldéhyde 200 mg/l - Métaux lourds o Un e-liquide ne doit pas contenir de métaux lourds à l état de trace au-delà des concentrations limites mentionnées dans le Tableau 2 considérées comme des traces techniquement inévitables. 4

6 Tableau 2 - Concentrations maximales en métaux lourds dans un e-liquide Elément Plomb (Pb) Arsenic (As) Cadmium (Cd) Mercure (Hg) Antimoine (Sb) Limite 10 mg/l 3 mg/l 1 mg/l 1 mg/l 5 mg/l I).2).b) Techniques analytiques pour l analyse de la conformité des e- liquides La détermination de la concentration de nicotine dans un e-liquide peut être réalisée par différentes méthodes. Les méthodes suivantes sont données à titre d exemple : -La chromatographie gazeuse avec détecteur à ionisation de flamme (GC-FID) ; -La chromatographie gazeuse avec détection spectrométrie de masse (GC-MS) ; -La chromatographie liquide avec détection ultraviolette (HPLC-UV). La norme présente aussi des tests de dosage dans les e-liquides du : -Formaldéhyde par HPLC-UV avec de la DNPH -Diacétyle par GC-MS PR XP D Cigarettes électroniques et e-liquides - Partie 3 : émissions Cette norme en projet à ce jour visera à instaurer la liste des tests à réaliser sur les aérosols de cigarettes électroniques et les constituants autorisés. II) Les vapeurs La principale critique adressée aux cigarettes électroniques porte sur la possible nocivité de l aérosol qui en est émit car il n est actuellement pas contrôlé. On cherche ainsi à déterminer les composés présents et la quantité de produits nocifs. Pour cela on étudie à la fois la composition du liquide, le comportement des composés en fonction de la température et l aérosol directement. II.1) Analyses Actuellement pour étudier les aérosols de cigarettes électroniques la méthode privilégiée est la HPLC-MS (Chromatographie en phase liquide à haute pressionspectrométrie de masse) avec de la DNPH pour détecter les aldéhydes et cétones, tandis que pour étudier directement les e-liquides on effectue des GC-MS. (Chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse) (voir annexes II-a et II-b) 5

7 Pour l'échantillonnage il est possible d'utiliser une "smoking machine" (machine à fumer, annexe II-c) car certaines (comme le Palaczbot) le prévoient automatiquement. On compare ensuite les résultats avec des échantillons d'air de la pièce. Une alternative consiste à utiliser des systèmes de pompe pour capter l aérosol. [3] Les e-liquides contiennent surtout des humectants (qui permettent la formation de l aérosol) tels que le propylène glycol et la glycérine végétale (ou glycérol), de la nicotine, des arômes et un mélange eau/alcool pour fluidifier le liquide. Cependant il a parfois été détecté des traces de composés comme du formaldéhyde dans les liquides, et c est un composé toxique que l on pourrait retrouver dans l aérosol. [4] En effet les carbonyles qui ont été détectés dans les aérosols de cigarettes électroniques, se seraient formés à cause de la dégradation thermique du glycérol et du propylène glycol à l intérieur de la cigarette (Fig.1). [5] Ce sont des composés que l on peut trouver dans la cigarette classique et qui sont nocifs à forte dose. Analyse des liquides de cigarettes électroniques utilisés dans l'étude. [4] Analyse Quantité Nicotine Propylène glycol Glycérol Diéthylène glycol Aldéhydes (total) Acétaldéhyde Crotonaldéhyde Formaldéhyde Diacétyl Nitroamines spécifiques au tabac (total) NNN NNK Métaux lourds (total) Arsenic Chrome Plomb Nickel ph 8,55 17,7 mg/ml 389 mg/ml 751 mg/ml ND 18,17 µg/ml 8,51 µg/ml 6,33 µg/ml 3,33 µg/ml ND 2,08 ng/ml ND 2,08 ng/ml 35 ng/ml 35 ng/ml Eau 4,30% ND : non détecté; NNN : N'-nitrosonornicotine; NNK : 4-(méthylnitroamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone ND ND ND 6

8 Figure.1 Dégradation thermique des agents humectants en composés carbonylés par oxydation Une autre étude a tenté de déterminer la quantité de carbonyles présents en fonction de la puissance de la cigarette électronique en jouant sur la résistance et le voltage utilisés, et ce avec deux atomiseurs différents (Le premier possède 2 mèches le second seulement 1). [6] 7

9 Ainsi des taux anormalement élevés d aldéhydes seraient dus à l utilisation de la cigarette électronique en «dry puff», c est-à-dire en chauffant trop fort la résistance de la cigarette électronique, brûlant ainsi une partie du liquide et entraînant la formation de produits comme l acroléine ou le formaldéhyde. Cependant il est à noter que cela induit un gout prononcé de brulé, ce qui doit inciter le vapoteur à stopper. Ainsi la production de composés carbonylés nocifs s effectue dans des conditions qui sont normalement évitées par les utilisateurs de cigarettes électroniques. [6] On remarque aussi des taux de carbonyles beaucoup plus faibles pour le premier atomiseur qui possède deux mèches par rapport au second atomiseur qui lui n en a qu une. Ainsi on remarque clairement que les quantités libérées de certains composés, comme les carbonyles, dépend du dispositif. 8

10 II).2) Arômes Un effet encore mal maîtrisé aujourd hui est celui des arômes utilisés dans les e-liquides, pour commencer voilà une liste des composés détectés pour quelques arômes d eliquides : Il existe énormément de composés utilisés dans la fabrication d arômes pour les liquides de cigarettes électroniques. Ces arômes sont à la base des arômes destinés à un usage alimentaire et sont donc ingérés et non inhalés. On ignore encore aujourd hui leur effet par inhalation et leur comportement à hautes températures par faute d études sur le sujet, l utilisation des cigarettes électroniques étant encore récente. [7] On recensait en 2014 au moins 8000 parfums de e-liquides différents. Du diacétyle et de l acétyle propionyl ont été détecté en grande quantité dans des e- liquides parfumés aux bonbons, avec beaucoup d entre eux exposant les utilisateurs à des doses plus élevées que le seuil recommandé. Ils représentent donc un risque sur lequel devraient se pencher les producteurs de liquide pour cigarette électronique. [8] [7] 9

11 L apparition de normes plus définies et un contrôle du marché devraient permettre des résultats plus stables, permettant une meilleure connaissance du produit. II).3) Les dérivés du tabac Concernant les e-liquides dérivés du tabac naturel, on trouve généralement au plus autant de TSNA (Nitrosamines Spécifiques au Tabac (N'-nitrosonornicotine et NNK : 4- (méthylnitroamino)-1-(3-pyridyl)-1-butanone)) dans la cigarette électronique que dans les autres produits destines à réduire la consommation de tabac (qui eux-mêmes en contiennent moins que la cigarette traditionnelle). [9] Bien que ces e-liquides contiennent moins de substances toxiques que le tabac ils ont parfois des teneurs en nicotines qui ne sont pas exactes (on retrouve la valeur annoncée ± 20%, voir annexe I). Il est aussi arrivé que la nicotine soit détectée dans des liquides dit «sans nicotine». Aussi, on remarque que les liquides issus d extraits naturels de tabac (NET) contiennent souvent plus de toxines que les autres, c'est-à-dire avec plus de composées en commun avec la cigarette classique. [10] II).4) Les particules métalliques Il a été confirmé la présence de particules métalliques dans les aérosols de cigarettes électroniques, mais à des concentrations variables selon les marques. Bien qu elle soit inférieure au seuil de tolérance il serait possible de réduire cette exposition superflue en modifiant le métal ou l alliage qui compose l atomiseur (inox, Nichrome ou Kanthal). [11] Il faut également éviter de faire surchauffer l atomiseur pour le nettoyer, en effet cela à tendance à user la partie métallique et donc à favoriser la libération de particules métallique dans la vapeur. Mais même dans le cas hypothétique où le consommateur absorberait tout l aérosol, ce qui n est pas le cas car l on observe toujours un aérosol visiblement expiré par le vapoteur, il s exposerait en moyenne à des doses de métaux inférieures aux doses journalières autorisées. [4] II).5) Utilisation d une cigarette électronique Les études ont montré qu une cigarette électrique et une cigarette classique ne s utilisaient pas de la même manière, notamment sur le nombre et l intensité des bouffées prises. Il faut faire attention car certaines études se fondent donc parfois sur des hypothèses éloignées de la réalité pour le volume d une bouffée ou le temps de prise entre deux bouffées. Cela induit des erreurs dans l expérience, avec par exemple la surchauffe de l atomiseur et par conséquent la formation possible de nouveaux composés par dégradation thermique à des températures trop élevées. [12] La transition entre cigarette classique et cigarette électronique demande un temps d'adaptation. En effet les bouffées de cigarette électroniques prises par des vapoteurs expérimentés sont plus longues car celle-ci libère de la nicotine plus lentement que la cigarette classique (Fig. 2). La durée et les fréquences des bouffées influant sur le chauffage de la résistance des cigarettes électroniques c'est un paramètre important à prendre en compte dans les études. [4] 10

12 Figure 2 : Nombre et durée moyenne de bouffées prise sur une cigarette électronique par des vapoteurs confirmés et des fumeurs classiques.[3] L'analyse d'aérosols de cigarettes électroniques par transmission spectrale a permis de déterminer le diamètre des goutelettes contenues dedans. Celui-ci se situerai donc en moyenne entre 250 et 450 nm. [3] Les gouttelettes dans le courant primaire de l e-cigarette sont plus grosses que les particules dans les cigarettes classiques : elles devraient donc se déposer un peu plus dans les voies bronchiques mais, en revanche, une partie non négligeable de cet aérosol est sans doute transformée en forme gazeuse avant même d'être exhalée. Cela expliquerait l'effet immédiat constaté sur la fonction respiratoire (avec le «hit»). [13] Donc la cigarette électronique peut contenir dans son aérosol des aldéhydes comme de l acétaldéhyde, du crotonaldéhyde ou du formaldéhyde, ainsi que des métaux lourds et des composés organiques volatiles (1,2-propanediol, arômes, nicotine). Toutefois cela reste dans des proportions acceptables d après les normes AFNOR parues à ce jour concernant les cigarettes électroniques. L aérosol expiré contient des particules plus fines car elles se sont partiellement évaporées dans le poumon. [14] III) Les effets de la température On ne connaît pas actuellement précisément la température à laquelle un e-liquide est chauffé, car il n est pas facile de mesurer la température à l intérieur d une cigarette électronique dans des conditions normales d utilisation. On utilise actuellement pour les tests des caméras thermiques ou des sondes placées directement à l intérieur de la cigarette électronique. Cependant il est clair que plus l atomiseur est activé longtemps, plus la température est élevée, la température d ébullition du propylène glycol étant de 188 C et celle du 11

13 glycérol de 290 C on estime que la température pourrait monter jusqu'à 200 C au niveau de l atomiseur. Le fait qu il y ait plusieurs composés avec des températures différentes dans les liquides pourrait causer des irrégularités dans la concentration du liquide et favoriser le réchauffement de certaines zones. Cela pourrait induire la formation de composés tels que l acroléine (à 282 C), et expliquerai le gout de brûlé ressenti par les vapoteurs lors d un «dry puff». [15] Les zones de l électrode qui montent à des températures supérieures à 200 C correspondent très probablement à des zones où il n y a plus de e liquide (Fig. 3). Figure 3 Température au niveau de la résistance (2.3 ohm, batterie à 3.7V) en fonction du temps. [15] Puis, l imbibition de la mèche joue également un rôle car une mèche qui n est pas complètement imbibée remontera plus vite à une température élevée, d où l intérêt de marquer une pause assez longue entre deux bouffées de cigarette électronique (Fig. 4). [15] 12

14 Figure 4 : Température de l atomiseur en fonction du temps et du nombre d appuis (30 secondes de pause entre chaque appui). [15] Un modèle qui chauffe de façon excessive peut conduire à des niveaux plus élevés de substances telles que l acroléine et le formaldéhyde par rapport à un modèle délivrant une puissance raisonnable. [9] Des problèmes peuvent également découler de la détection de produits chimiques dans les arômes. De telles substances, bien qu approuvées pour une utilisation dans l industrie alimentaire ont des effets largement inconnus lorsqu ils sont chauffés et inhalés. [9] Quelques études (REF) sur le sujet annonce qu ils pourraient être toxiques pour des cellules du poumon sans toutefois détailler l action supposée toxique des arômes, mais même avec cela la cigarette électronique resterait significativement moins nocive que la cigarette classique (ref). D autres expériences ont montré l importance de prendre en compte le flux d air provoqué par l inhalation lors des études thermiques sur la cigarette électronique. En effet la présence de ce flux pourrait réduire de 50 C la température au niveau de l atomiseur (qui serait du coup aux alentours de 150 C). De plus, le type de e-liquide utilisé est également primordial pour la température d ébullition. En raison de la différence de la température d ébullition entre du propylène glycol et du glycérol purs, un e-liquide composé en majorité de glycérol se volatilisera à des températures plus élevées qu un autre contenant en majorité du propylène glycol. [16] CONCLUSION Le marché des cigarettes électroniques est en plein essor et de nouveaux produits apparaissent régulièrement et redéfinissent à chaque fois le concept de cigarette électronique. En conséquence, les études sur le sujet prenant du temps, on peut considérer qu une partie de celle-ci sont déjà obsolètes (notamment les études réalisées avec des e-cigarettes de première génération, les premières commercialisées) tant le dispositif se développe vite alors que l on manque déjà d informations (comportement des arômes à haute température, toxicité de l aérosol, etc.). Néanmoins les fabricants ont commencé récemment à harmoniser les pièces de cigarettes électroniques entre elles (on peut ainsi en assembler une avec des pièces de marques différentes des normes). De plus il y a eu en Europe l apparition de normes pour structurer la fabrication et la vente de cigarettes électroniques (comme une limitation de la puissance du dispositif). De ce fait il devrait être plus simple à l avenir de mieux contrôler les risques potentiels liés aux cigarettes électroniques. Actuellement, le principal objectif est de réduire puis d éliminer la présence de molécules potentiellement toxiques pour l utilisateur comme le formaldéhyde et l acroléine, ce qui pourrai se faire par un meilleur contrôle de la puissance des cigarettes électroniques et donc de la température au niveau de la résistance pour éviter le phénomène de dégradation thermique. 13

15 BIBLIOGRAPHIE [1] Commission Européenne Directive 2014/40/UE 2014 Article 20 [2] Normes Afnor : XP D , XP D et PR XP D [3] T. Cheng, Tob Control 2014, 23, 11 [4] K. Farsalinos, A. Spyrou, C. Stefopoulos, K. Tsimopoulou, P. Kourkoveli, D. Tsiapras, S. Kyrzopoulos, K. Poulas, V. Voudris, Sci. Rep. 2015, 5, [5] K. Bekki, S. Uchiyama, K. Ohta, Y. Inaba, H. Nakagome, N. Kunigita, Int. J. Environ Res. Public Health 2014, 11, [6] K. Farsalinos, V. Voudris, K. Poulas, Addiction 2015, 110, [7] O. Geiss, I. Bianchi, F. Barahona, J. Barrero-Moreno, Int. J. Hyg. Envir. Heal , [8] K. Farsalinos, K. Kistler, G. Gillman, V. Voudris, Oxford Journals 2014, 17, [9] K. Farsalinos, R. Polosa, Ther. Adv. Drug Saf. 2014, 5, 67 [10] K. Farsalinos, G. Gillman, M. Melvin, A. Paolantonio, W. Gardow, K. Humphries, S. Brown, K. Poulas, V. Voudris, Int. J. Environ. Res. Public Health 2015, 12, [11] K. Farsalinos, V. Voudris, K. Poulas, Int. J. Environ. Res. Public Health 2015, 12, [12] R. Behar, M. Hua, P. Talbot, PLoS One 2015, 10, e [13] J.-F. Bertholon, M.H. Becquemin, M. Roy, F. Roy, D. Ledur, I. Annesi Maesano, B. Dautzenberg, Rev. Mal. Resp. 2013, 30, [14] T. Schripp, D. Markewitz, E. Uhde, T. Salthammer, Indoor Air 2013, 23, 25 [15] (24/07/2015) [16] (24/07/2015) 14