Plus faciles à mettre en œuvre que les expérimentations sur l'animal, les recherches “in vitro” utilisent des cultures cellulaires (poumons, foie,...) afin d’étudier les mécanismes d'interaction des nanoparticules avec les cellules ou avec les molécules biologiques. Mais, il semble nécessaire d’utiliser des modèles cellulaires adaptés, capables d’internaliser les nanomatériaux et appropriés pour simuler des conditions humaines d’exposition. Le modèle cellulaire doit être représentatif de l’organe cible: organes primo-exposés ou organes exposés après translocation. L’utilisation de cellules d’origine humaine est ainsi préférable [M. Honma et al., Environmentaland Molecular Mutagenesis 52 (2011) 373-384].

Les conditions expérimentales de culture peuvent également être modifiées et améliorées. Certaines études récentes ont ainsi évalué les effets toxiques et cinétiques via des modèles cellulaires plus adéquats (par exemple les systèmes de co-cultures) [D. Napierska et al., Toxicology Letters 211 (2012) 98-104] et la culture de cellules pulmonaires à l’interface air-liquide [P. Mertes et al., Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery 26 (2013) 228-235].

Les interactions des nanomatériaux avec le système expérimental (affinité pour les protéines, facteurs de croissance,…) doivent être prises en compte quel que soit le système d’essai mis en œuvre.