Un doctorat pour modéliser l’équation de la vape

En partenariat avec l’I2M (Institut de mécanique et d’ingénierie), la Région Nouvelle-Aquitaine et le LFEL.

Portée par l’innovation grâce au développement continu de nouvelles technologies, la vape est un secteur d’activité en constante évolution. La grande diversité des compositions d’e-liquides et des matériels disponibles rend la généralisation de méthodes d’analyse extrêmement complexes. Il est donc fondamental de comprendre avec précision les paramètres de fonctionnement du matériel et son interaction avec le e-liquide.

Pourquoi un doctorat pour comprendre la vaporisation ?

A ce jour, la majorité des recherches menées sur la cigarette électronique (EC) porte sur la composition de la vapeur et sa potentielle toxicité. De nombreuses publications présentent des études sur les composants de la vapeur [1-3], la taille des particules [4] ou encore l’impact sur le corps humain (étude in vitro ou modèle animal) [5-6]. La plupart tendent à démontrer que la vapeur émise par les EC est nettement moins nocive que la fumée générée par la combustion de tabac [7]. Les molécules recherchées telles que les carbonyles (formaldéhyde, acétaldéhyde, acroléine, acétone) ou les hydrocarbures aromatiques (benzène, benzo[a]pyrène, naphtalène) [3,8] sont indétectables ou du moins, bien moins présentes dans la vapeur comparativement à la fumée.

Il existe également des tentatives d’approches sociologiques sur les habitudes de consommation des vapoteurs ou sur le risque de séduction chez les jeunes (majoritairement lié au redouté « effet passerelle »). De même, d’autres études sur la composition intrinsèque du e-liquide paraissent régulièrement [9] bien que la constitution de la vapeur soit le sujet de prédilection du domaine.

Si de nombreuses publications montrent une réelle baisse de la toxicité par l’usage de la EC, certains travaux ont recensé des taux de formaldéhyde supérieurs à ceux de la fumée [10], particulièrement dans des cas de « dry puff », c’est-à-dire lorsque la mèche présente dans le dispositif de vaporisation est asséchée et que la résistance continue de la chauffer. En réalité, ces cas sont non-représentatifs car dans cette situation l’usager ressent alors un fort goût de brûlé et cesse immédiatement de vaper, ce qui ne présente pas de risque d’exposition chronique.

Globalement, la majorité des publications scientifiques identifiées dans le cadre des expériences menées, manque d’informations ou n’a pas de protocole adapté aux conditions réelles d’utilisation d’une cigarette électronique. Or, il est crucial de bien maîtriser les paramètres physico-chimiques de vaporisation car la composition de la vapeur est étroitement liée à la composition du e-liquide et aux conditions de génération des émissions.

Les partenaires

A l’initiative d’un doctorat de 3 ans, un projet collaboratif est né entre le LFEL et le laboratoire académique bordelais I2M (Institut de Mécanique et d’Ingénierie). La thèse est réalisée par Sébastien Soulet, ingénieur au LFEL et développeur du robot vapoteur U-SAV (Universal System for Analysis of Vaping). Sa mission consiste à développer un modèle numérique simulant le comportement d’un e-liquide lors du processus de vaporisation. Sébastien sera encadré par une équipe pluridisciplinaire de spécialistes de la vapologie et des transitions de phases dans les matériaux hétérogènes et pourra ainsi acquérir des expertises transverses.

Son doctorat sera dirigé par le Dr Jean Toutain, Maître de Conférences HDR à l’I2M, spécialiste de la simulation numérique des transferts de masse et d’énergie en milieux multi-constituants. Il aura également 2 co-encadrantes de thèse : le Dr Hélène Lalo, coordinatrice du projet et directrice du pôle R&D du LFEL, spécialiste en ingénierie des matériaux et en vapologie ainsi que le Dr. Marie Duquesne, Maître de Conférences à l’I2M, spécialisée dans la caractérisation thermo-physique des matériaux et l’étude des transitions de phases des matériaux hétérogènes.

Cette étude fondamentale permettra de comprendre et de quantifier l’influence de chaque paramètre sur le processus de vaporisation, afin de définir un cadre de conditions «normales» ou «extrêmes» d’utilisation.

Des outils pour observer et connaitre l’influence des paramètres

Pour comprendre le phénomène de vaporisation dans sa globalité, Sébastien réalisera une étude de sensibilité de tous les paramètres à prendre en considération : composition e-liquide, puissance appliquée, comportement du vapoteur, type de résistance, capillarité de la mèche …
Chaque facteur d’influence sera examiné et analysé afin de mesurer son impact et son rôle dans ce processus. Il sera ainsi possible d’identifier les paramètres classés comme critiques lors de l’utilisation d’une EC. Ces recherches permettront d’évaluer la toxicité grâce à la connaissance des molécules contenues dans la vapeur (par son analyse) et la fréquence d’exposition (par la quantité d’e-liquide vaporisé).
Un plan d’expériences sera mis en place afin de caractériser les propriétés thermo-physiques et thermodynamiques des e-liquides en fonction des quantités des différents constituants (propylène glycol, glycérine végétale, éthanol, eau). Cette étape vise à définir expérimentalement les caractéristiques du produit, nécessaires à la construction du modèle (Calorimétrie et analyse thermogravimétrique (DSC-ATG), Rhéologie, Thermographie Infrarouge etc).

La première étude pour comprendre fondamentalement la vaporisation

A ce jour et à notre connaissance, aucun laboratoire ne mène d’étude aussi complète et fondamentale sur le processus de vaporisation. Ce sera pour le LFEL et pour la filière, une avancée inédite et marquante permettant la construction d’une base solide de prédiction de la délivrance de nicotine selon le matériel ou le e-liquide ainsi que l’analyse de la dégradation du liquide lors de sa vaporisation.

Une meilleure compréhension de la Cigarette électronique

La cigarette électronique est un outil de lutte contre le tabagisme. Mais pour être reconnue comme efficace et fiable par les institutions publiques, elle doit être comprise dans sa globalité et ses risques doivent être évalués.
Les travaux menés par Sébastien Soulet devraient permettre de prévoir les comportements risquant de générer des éléments toxiques dans la vapeur et donc dangereux pour l’usager et son entourage. Ainsi, les études découlant du modèle développé permettront de répondre aux différentes interrogations sur la potentielle nocivité de la vapeur et sur les risques liés à la fréquence d’exposition.
A travers le financement de cette thèse, l’ambition du LFEL est d’enrichir par des données fiables la science fondamentale de la vape et de produire des recommandations pour contribuer ainsi à la réduction des risques encourus par les usagers.

Références :

1 : Talih, S.; Balhas, Z.; Eissenberg, T.; Salman, R.; Karaoghlanian, N.; El Hellani, A.; Shihadeh, A. Effects of user puff topography, device voltage, and liquid nicotine concentration on electronic cigarette nicotine yield: measurements and model predictions. Nicotine Tob Res. 2015, 17(2):150-157. doi:10.1093/ntr/ntu174
2: Goniewicz, M. L.; Kuma, T., Gawron, M., Knysak, J.; Kosmider, L. Nicotine Levels in Electronic Cigarettes. Nicotine Tob Res. 2013, 15(1):158-166. doi:10.1093/ntr/nts103.
3 : Goniewicz, M. L.; Knysak, J.; Gawron, M.; Kosmider, L.; Sobczak, A.; Kurek, J.; Jacob, P. Levels of selected carcinogens and toxicants in vapour from electronic cigarettes. Tob Control. 2014, 23(2), 133-139. doi:10.1136/tobaccocontrol-2012-050859.
4 : Pourchez, J.; de Oliveira, F.; Perinel-Ragey, S.; Basset, T.; Vergnon, J. M.; Prévôt, N. Assessment of new-generation high-power electronic nicotine delivery system as thermal aerosol generation device for inhaled bronchodilators. Int. J. Pharm. 2017, 255(1-2), 264-269.
5 : Callahan-Lyon, P. Electronic cigarettes: human health effects. Tob Control. 2014, 23(2). doi:10.1136/tobaccocontrol-2013-051470.
6 : Farsalinos, K. E.; Romagna, G.; Allifranchini, E.; Ripamonti, E.; Bocchietto, E.; Todeschi, S.; Voudris, V. Comparison  of the cytotoxic potential of cigarette smoke and electronic cigarette vapour extract on cultured myocardial cells. Int. J. Environ. Res. Public. Health. 2013, 10(10):5146-5162. doi:10.3390/ijerph10105146
7: Farsalinos, K.E.; Polosa, R. Safety evaluation and risk assessment of electronic cigarettes as tobacco cigarette substitutes: a systematic review. Ther Adv Drug Saf. 2014, 5(2), 67-86. doi:10.1177/2042098614524430.
8 : Kosmider, L.; Sobczak, A.; Fik, M.; Knysak, J.; Zaciera, M.; Kurek, J.; Goniewicz, M. L. Carbonyl compounds in electronic cigarette vapors effects of nicotine solvent and battery output voltage. Nicotine Tob Res. 2014, 16(10), 1319-1326. doi:10.1093/ntr/ntu078.
9: Etter, J-F.; Zäther, E.; Svensson, S. Analysis of refill liquids for electronic cigarettes. Addiction. 2013,108 (9), 1671-1679,  doi:10.111/add.12235
10: Jensen, R.P.; Luo, W.; Pankow, R.M.; Strongin, R.M.; Peyton, D.H. Hidden Formaldehyde in E-Cigarette Aerosols. The New Eng. J. of Med. 2015, 372, 392-394, doi: 10.1056/NEJMc1413069.

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