Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation Exposures

Zusammenfassung

Ein Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation Anlage wurde für die Nano-Titandioxid aufgebaut (TiO ₂) Inhalationstoxikologiestudien. Dieses System bietet nano-TiO ₂ Aerosol-Test Atmosphären, die haben: 1) eine stetige Massenkonzentration, 2) eine homogene Zusammensetzung frei von Verunreinigungen, und 3) eine stabile Partikelgrößenverteilung während Aerosol Generation.

Zusammenfassung

Inhalation ist die wahrscheinlichste Expositionsweg für Einzelpersonen, die mit aerosolisierbaren entwickelt Nano-Materialien (ENM). Um richtig durchführen Nanopartikel Inhalationstoxikologiestudien, die Aerosole in einer Kammer die Unterbringung der Versuchstiere muss: 1) eine stetige Konzentration auf einem gewünschten Niveau für die gesamte Exposition Zeitraum aufrechterhalten, 2) eine homogene Zusammensetzung frei von Verunreinigungen, und 3) eine stabile Größenverteilung mit einem geometrischen mittleren Durchmesser <200 nm und einer geometrischen Standardabweichung σ _g <2,5 ^5. Die Erzeugung von Aerosolen, die Nanopartikel enthalten ist eine ziemliche Herausforderung, weil Nanopartikel leicht agglomerieren. Dies ist vor allem aufgrund der sehr starken Kräfte zwischen den Teilchen und die Bildung von großen fraktale Strukturen in Dutzenden oder Hunderten von Mikrometern Größe ^6, die nur schwer aufgebrochen werden sollen. Mehrere gemeinsame Aerosolpackungen, einschließlich Vernebler, Wirbelschichten, Venturi Sauger und der Wright Staubaufgabe, wirerneut getestet, jedoch war keiner in der Lage, Nanopartikel Aerosole, die alle Kriterien erfüllen ⁵ produzieren.

Ein Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation System hergestellt wurde, validiert und verwendet für die _Nano-TiO2 Inhalationstoxikologiestudien. Kritische Komponenten: 1) neue _nano-TiO2 Aerosol-Generator, 2) 0,5 m ³ Ganzkörper-Inhalation Kammer, und 3) Monitor und Steuerung. Nano-TiO ₂ Aerosole Trockendichte nano-TiO _2-Pulver (primäre Durchmesser von 21 nm, eine Schüttdichte von 3,8 g / cm ³⁾ erzeugt wurden, in die Bestrahlungskammer mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 90 LPM (10,8 Luftwechsel / h) zugeführt . Korngrößenverteilung und Massenkonzentration Profile wurden kontinuierlich mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) und einer elektrischen niedrig (ELPI) gemessen. Das Aerosol Massenkonzentration (C) wurde gravimetrisch (mg / m ³⁾ überprüft. Die Masse (M) Der gesammelten Partikel als M = (M _{post-M vor),} wobei M und M _pre-Pfosten sind Massen des Filters vor und nach der Probenahme (mg) bestimmt. Die Massenkonzentration wurde berechnet als C = M / (Q * t), wobei Q Abtasten Strömungsrate (m ³ / min) ist, und T ist die Abtastzeit (Minute). Die Kammer Druck, Temperatur, relative Feuchte (RH), O ₂ und CO _{2-Konzentrationen} wurden kontinuierlich überwacht und gesteuert. _Nano-TiO2 Aerosolen auf Filtern gesammelt Nuclepore wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und Energie Röntgenanalyse (EDX) analysiert.

Zusammenfassend berichten wir, dass die Nano-Partikel Aerosole erzeugt und geliefert, unser Engagement Kammer haben: 1) stetig Massenkonzentration; 2) homogene Zusammensetzung frei von Verunreinigungen, 3) stabil Partikelgrößenverteilungen mit einem Count-Median Aerodynamiknamischen Durchmesser von 157 nm bei Aerosol-Erzeugung. Dieses System zuverlässig und immer wieder schafft Test Atmosphären, die Arbeits-, Umwelt-oder inländischen ENM Aerosol Belichtungen zu simulieren.

Protokoll

Die Ganzkörper-Nanopartikel Inhalation Schritt-für-Schritt-Arbeitsanweisungen werden wie folgt beschrieben.

Anmerkung: 1) die Schritte 1 und 3 sollten in einem Abzug durchgeführt werden; 2) Betreiber muss geeignete persönliche Schutzausrüstung tragen (Atemschutzmasken, Schutzbrillen und Gummihandschuhen).

1. Conditioning _TiO2 Nanopartikel Trockenpulver

1. Zeigen nano-TiO _2-Pulver in einem undurchsichtigen Behälter.
2. Lassen Sie den Behälterdeckel offen.
3. Stellen Sie den Behälter in einer trockenen Exsikkator für mindestens 24 Stunden für die Konditionierung.

2. Aufwärmen Data Acquisition and Control System, SMPS und ELPI und alle Wandler

1. Schalten Sie die Luftüberwachung und Datenerfassungssystem und Power-Schalter für Aerosol-Überwachung SMPS (TSI Inc., Shoreview, MN) und ELPI (Dekati, Tampere, Finnland), und wärmen die Systeme für mindestens 1 Stunde.
2. Schalten Sie den StromSchalter in allen Wandlern zu erwärmen sie sich für mindestens 1 Stunde.

3. Lädt _TiO2 Nanopartikel Trockenpulver in Aerosol-Generatoren

1. Öffnen Sie die Zylinder Kappen auf den Aerosol-Generatoren, und ersetzen Sie die Filter in der Aerosol-Generatoren. Hinweis: Ein Aerosol-Generator hat einen Zylinder. Die Anzahl der Aerosolgeneratoren eingesetzt werden, hängt von der gewünschten Gehalts an Partikeln in Bestrahlungskammer.
2. Wiegen ~ 4 g nano-TiO _2-Pulver und laden Sie sie in jedem Zylinder.
3. Ersetzen Sie die Zylinderkappen.
4. Alle Bereiche Verdacht von _TiO2 Verunreinigung sollte feucht abgewischt werden.

4. Anschließen Aerosol Generatoren zur Inhalation Exposure Kammer

1. Schließen Sie alle Filialen der Aerosol-Generatoren über einen Verteiler zu einem Zyklon, die am Eingang der inhalativen Exposition Kammer (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Deutschland) ist.
2. Verbinden Druckluft Schlauch andie Venturi Dispergierern in der Aerosol-Generatoren.

5. Anschließen Air Überwachung und Aerosol Sampling Eingänge zu der inhalativen Exposition Kammer

1. Verbinden und relative Feuchtigkeit (RH), Druck, O ₂ und CO _2-Sensoren von TSE Systems lieferte die Atmosphäre Monitoring-Ports auf der inhalativen Exposition Kammer testen.
2. Den Eingang eines Aerosols Dilutor einem der Aerosolabscheidung Ports auf der inhalativen Exposition Kammer, und dann verbinden Sie dessen Ausgang mit dem Eingang des ELPI.
3. Verbinden SMPS einem der Aerosolabscheidung Ports auf der inhalativen Exposition Kammer.
4. Verbinden Einlass einer Partikelkonzentration Monitor (TSE Systems) an einer der Aerosolprobenahme Ports auf der Bestrahlungskammer.
5. Wiegen PTFE-Membranfilter (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) und laden in einem Edelstahl-Filterhalter (In-Tox-Produkte, Moriarty NM) Filter.
6. Verbinden Sie den Eingang desdie Edelstahl-Filterhalter mit einem vorher gewogenen Filter, einem der Aerosolabscheidung Ports auf der inhalativen Exposition Kammer und verbinden dessen Ausgang zu einer Probenahme Pumpe.

6. Aktivieren Datenerfassungssysteme

1. Activate ELPI Software zur Datenerfassung, ELPIVI, überprüfen Sie Setup-Parameter, und schalten Sie die Pumpe bündig für ~ 5 min und dann die Null ELPI. Nimm Vorbelichtung Konzentration.
2. Aktivieren SMPS Datenerfassungs-Software. Nimm Vorbelichtung Konzentration.
3. Software aktivieren, Daco (TSE Systems), für die Überwachung und Steuerung des Luftstroms, der Temperatur und RH Kammer Druck, Temperatur & RH, O ₂ und CO _2.

7. Lädt Versuchstiere in der inhalativen Exposition Kammer

1. Wiegen Sie die Versuchstiere.
2. Markieren Sie die Versuchstiere und Käfigen, so dass die Tiere zurück in den gleichen Käfig gesetzt werden nach der Belichtung, wenn needed.
3. Öffnen Sie die Tür der inhalativen Exposition Kammer und laden Versuchstieren in der drahtgebundenen Käfigen.
4. Wasser kann für die Tiere zur Verfügung gestellt werden.
5. Schließen und sichern Sie die Tür der inhalativen Exposition Kammer.
6. Häufig beobachten Tiere durch die Exposition Kammer Sichtfenster für Anzeichen von Leiden. Die Tiere sollten entspannt sein und normal verhalten. Stoppen Sie die Exposition durch rapid / Atemnot, sind abnorme Erscheinung, Fehlhaltungen oder Immobilität beobachtet. Entfernen Sie die Tiere, sie zurück zu ihrer ursprünglichen Käfige, wenden behandelnden Tierarztes und / oder initiieren entsprechende Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss Verfahren.

Hinweis: Die Betreiber müssen persönliche Schutzausrüstung zu tragen, wenn die Schritte 8.7, 8.8 und 8.17.

8. Offenlegen Kleintiere zu Nanopartikel Aerosole

1. Schalten Sie den Auspuff Vakuumpumpe der inhalativen Exposition Kammer.
2. Führen Sie Software zur Datenerfassung, Dako, um: a) liefern gefilterte trockene Luft auf die Exposition Kammer, b) über den Druck in der Kammer Exposition, und c) sammeln die Daten der Exposition Umwelt, wie Druck, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, O ₂ und CO _2.
3. Stellen Sie einen leicht negativen Druck (Sollwert = -0.2 mbar) in der Kammer Druck.
4. Schalten Sie die Aerosol-Generatoren.
5. Führen ELPI und SMPS Datenerfassungs-Software kontinuierlich zu überwachen Partikelgröße und relative Massenkonzentration in der inhalativen Exposition Kammer.
6. Wenn die Aerosol-Konzentration stabil ist, dh die Konzentration Profil auf ELPI Monitor erreicht Plateau (Normalerweise: Diese dauert 20 min nach der Aerosol-Generatoren in Betrieb sind), die Abtastzeit gesetzt (z. B. 1 Stunde) und schalten Sie den Aerosolabscheidung zu pumpen, um repräsentative Stichprobe von Nanopartikeln mit Filtern zu sammeln.
7. Sobald die Abtastzeit erreicht ist, entfernen Sie die Filter und stecken Sie das sampling Ports mit Gummi-Stecker an Testmaterialien entweicht die Belichtung Kammer zu verhindern.
8. Wiegen Sie die Filter, und berechnet den Mittelwert Massenkonzentration in der Belichtungskammer wie oben beschrieben.
9. Wenn die mittlere Konzentration ist von der gezielten Konzentration, manuelle Einstellung der Luftstrom in den Generatoren, um sicherzustellen, die gezielte Konzentration erreicht wird.
10. Berechnen Partikelabscheidung in der tierischen Lunge als D = C x V _m xtx F _r, wobei D = Dosis, C = mittlere Massenkonzentration von Testmaterial, V _m = Atemminutenvolumen, t = Expositionsdauer und F _r = Bruchteil des Materials Das ist hinterlegt oder absorbiert.
11. Ersetzen Sie die Filter in den Filterhalter mit sauberem, pre-gewichtete Filter und wiederholen Sie die Schritte 8.6 und 8.8.
12. Basierend auf dem realen Massenkonzentration in der Exposition Kammer und gezielte Partikelabscheidung in der tierischen Lunge, schätzen die verbleibenden exposure Zeit _bleiben t = (D _gezielte-D) / (C x V x F _{r m),} wo t = _bleiben bleiben Expositionsdauer, D = _gezielte gezielte Dosis, C = mittlere Massenkonzentration von Testmaterial, V _m = Minutenvolumen, F _r = Anteil des Materials, das abgeschieden oder absorbiert wird.
13. Schalten Sie den Aerosol-Generator, wenn t _bleiben erreicht ist.
14. Vor dem Entfernen der Tiere aus der Exposition Kammer, spülen Sie die Inhalation Kammer mit der gefilterten Luft, bis die Partikelkonzentration im Monitor angezeigt ist in der Nähe des Vorbelichtung Partikelkonzentration in der Kammer.
15. Schalten Sie die Kammer Auspuff Vakuumpumpe.
16. Stoppen Sie Software zur Datenerfassung, Dako.
17. Nach der Belichtung Tiere beobachten zu normalen Atmung und Verhalten zu überprüfen und zu dokumentieren, dass keine andere Studie Komplikationen exIST. Wenn Nasenausfluss, Atemnot oder andere Tierschutz Komplikationen beobachtet werden, kontaktieren behandelnden Tierarztes und / oder initiieren entsprechende Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss Verfahren.
18. Stoppen ELPI und SMPS Datenerfassungs-Software.

9. Erstellen Prüfbericht

9.1 Prüfbedingungen sind

1. Beschreibung der Aerosol-Erzeugung und seine Betriebsparameter in diesem Test verwendet.
2. Beschreibung der Exposition einschließlich Gestaltung, Typ, Abmessungen und seine Betriebsparameter während der Belichtung verwendet.
3. Geräte zur Messung von Temperatur, Feuchte, Partikelgröße und tatsächliche Konzentration.
4. Behandlung der Abluft und Art der Unterbringung der Tiere in der Prüfkammer, wenn verwendet.

9.2 Exposure Atmosphäre Daten enthalten

1. Luftmengen durch das Einatmen Ausrüstung.
2. Temperatur und Luftfeuchtigkeitdie Luft.
3. Actual (analytische oder gravimetrisch)-Konzentration in der Aerosol-Probenahme-Zone, die in der Nähe der Tierkäfige ist.
4. Korngrößenverteilung und berechnet Zählung des aerodynamischen Durchmessers und geometrischen Standardabweichung.
5. Erläuterung, warum die gewünschte Kammer Konzentration und / oder Partikelgröße konnte nicht erreicht (falls zutreffend), und die Anstrengungen unternommen, um mit diesen Aspekten der Leitlinien entsprechen.

9.3 Sonstige

1. Etwas Unterdruck in dem Raum mit Inhalation Einrichtung sollte beibehalten werden, um Test-Materialien entweicht Inhalation Labor zu verhindern.
2. Reinigen Sie die Belichtung Kammer täglich, um die Einflüsse der tierischen Abfälle zu beseitigen.
3. ELPI, SMPS und andere Instrumente gereinigt und kalibriert werden basierend auf den Bedienungsanleitungen.

Ergebnisse

Inhalationsvorrichtung Expositionsstudie typischerweise Aufrechterhaltung eines Versuchstieres auf eine bekannte und konstante Testumgebung während Aussetzen des Versuchstieres auf eine definierte Konzentration einer Prüfsubstanz ^8,9. Die Ganzkörper-Nanopartikel Inhalation ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Ganzkörper-Kammer wurde auf einer dynamischen Basis Strömung betrieben, wo ein 90 LPM kontinuierlicher Luftstrom durch die Kammer. Dieser Luftstrom bereitgestellt 10,8 Luftwechsel / ...

Diskussion

Wir haben zusammengestellt und hier in einem Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation System beschrieben. Die Funktionalität des Systems wurde mit state-of-the-art Nanopartikel Aerosol Charakterisierung Techniken validiert. Mit einem neuartigen Nanopartikel Aerosol-Generation-System, kann diese Inhalation System eine gut charakterisierte, kontrollierte und einheitliche Nanopartikel Aerosolprüfung Atmosphäre mit relativ konstante Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftströmung, und der Sauerstoffgehalt für Versuchstie...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Name of Reagent/Material	Company	Catalog Number	Comments
Inhalation exposure system	TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germany
Air monitoring system	TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germany
Titanium dioxide Aeroxide P25	Evonik, Germany
Scanning mobility particle sizer-3936L75	TSI Inc., Shoreview, MN
Electric low pressure impactor, Standard 10 LPM	Dekati, Tampere, Finland
Ultra Micro Balance, XP2U	METTLER TOLEDO, Switzerland
Field Emission Scanning Electron Microscope-S-4800	Hitachi, Japan
Energy dispersive X-ray analysis	Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, N.J.
Nuclepore polycarbonate filters	Whatman, Clinton, PA
PTFE membrane filters	Pall corporation, Ann Arbor, Michigan