Whole-Body nanopartículas exposición por inhalación de aerosoles

Resumen

Una instalación de la exposición por inhalación de aerosoles de nanopartículas de todo el cuerpo se construye para el dióxido de titanio de tamaño nanométrico (TiO ₂) Estudios de toxicología de inhalación. Este sistema proporciona nano-TiO ₂ Atmósferas de prueba de aerosol que tienen: 1) una concentración constante de masa; 2) una composición homogénea libre de contaminantes, y 3) una distribución de tamaño de partícula estable durante la generación de aerosoles.

Resumen

La inhalación es la ruta de exposición más probable para las personas que trabajan con aerosolizable ingeniería nanomateriales (ENM). Para llevar a cabo correctamente las nanopartículas estudios de toxicología de inhalación, los aerosoles en una carcasa de cámara de los animales de experimentación deben tener: 1) una concentración constante mantenida a un nivel deseado para todo el período de exposición; 2) una composición homogénea libre de contaminantes, y 3) un establo distribución de tamaño con un diámetro medio geométrico <200 nm y una desviación geométrica estándar σ _g <2,5 ^5. La generación de aerosoles que contienen nanopartículas es todo un reto porque las nanopartículas fácilmente aglomerado. Esto se debe en gran parte a las fuerzas entre las partículas muy fuertes y la formación de grandes estructuras fractales en decenas o cientos de micras de tamaño ^6, que son difíciles de ser roto. Varios generadores de aerosoles comunes, como los nebulizadores, lechos fluidizados, aspiradores Venturi y la alimentación de polvo Wright, quevolver a prueba, sin embargo, ninguno fue capaz de producir aerosoles de nanopartículas que satisfacen todos los criterios ^5.

Un sistema de exposición a la inhalación de aerosoles de nanopartículas de todo el cuerpo se fabricó, validada y utilizada para la _nano-TiO2 estudios de toxicología de inhalación. Los componentes fundamentales: 1) la novela _nano-TiO2 generador aerosol, 2) 0,5 m ³ de todo el cuerpo-cámara de inhalación, y 3) del monitor y el sistema de control. Nano-TiO ₂ aerosoles generados a partir de polvos secos ₂ nano-TiO granel (diámetro principal de 21 nm, la densidad aparente de 3,8 g / cm ³⁾ se dieron en la cámara de exposición a un caudal de 90 LPM (10,8 cambios de aire / hora) . Perfiles de concentración y distribución de masa del tamaño de partícula se midieron continuamente con un medidor de la movilidad de las partículas de escaneado (SMPS), y un impactador de baja presión eléctrica (ELPI). La concentración de masa de aerosol (C) se verificó por gravimetría (mg / m ^3). La masa (M) De las partículas recogidas se determinó como M = (M _{poste de pre-M),} donde M _pre y _post M son masas del filtro antes y después del muestreo (mg). La concentración en masa se ​​calcula como C = M / (Q * t), donde Q es el muestreo de caudal (m ³ / min), y t es el tiempo de muestreo (minutos). La cámara de presión, temperatura, humedad relativa (HR), O ₂ y CO ₂ concentraciones fueron monitoreados y controlados continuamente. Nano-TiO ₂ aerosoles captados en filtros Nuclepore se analizaron con un microscopio electrónico de barrido (SEM) y el análisis dispersivo de rayos X (EDX) de energía.

En resumen, nos informan de que los aerosoles de nanopartículas generada y entregada a nuestra cámara de exposición que: 1) la concentración de masa constante, 2) la composición homogénea libre de contaminantes, y 3) la distribución de tamaño de partículas estables con un aerody recuento mediodiámetro námica de 157 nm durante la generación de aerosoles. Este sistema crea de forma fiable y en varias ocasiones atmósferas de prueba que simulan, exposiciones aerosol ENM ambientales o nacionales ocupacionales.

Protocolo

Los procedimientos de operación de todo el cuerpo por inhalación de nanopartículas de exposición paso a paso se describen a continuación.

Nota: 1) los pasos 1 y 3 deben realizarse en una campana extractora, 2) los operadores deben llevar equipo de protección personal adecuado (respiradores, gafas protectoras y guantes de goma).

1. Acondicionado de nanopartículas de _TiO2 en polvo seco

1. Coloque polvos _nano-TiO2 en un envase no transparente.
2. Deje la tapa del recipiente abierto.
3. Coloque el recipiente en el desecador se seque por lo menos 24 horas para el acondicionamiento.

2. El calentamiento de Adquisición de Datos y Control, SMPS y ELPI y todos los transductores

1. Encienda el monitoreo del aire y el sistema de adquisición de datos y conmutadores de potencia para SMPS control aerosol (TSI Inc., Shoreview, MN) y ELPI (Dekati, Tampere, Finlandia), y calentar los sistemas durante al menos 1 hora.
2. Encienda la alimentacióninterruptores en todos los transductores para calentarlos durante al menos 1 hora.

3. Carga de nanopartículas de _TiO2 en polvo seco en generadores de aerosoles

1. Abra las tapas de cilindros de los generadores de aerosoles, y reemplazar los filtros de los generadores de aerosoles. Nota: Un generador de aerosol tiene un cilindro. El número de generadores de aerosoles a utilizar depende de la concentración de masa deseada de las partículas en la cámara de la exposición.
2. Pesar ~ 4 g de polvos _nano-TiO2 y cargarlos en cada cilindro.
3. Reemplace las tapas de cilindros.
4. Todas las zonas sospechosas de contaminación _TiO2 debe limpiarse mojado.

4. Conexión de generadores de aerosoles a la Cámara de exposición Inhalación

1. Conectar todas las salidas de los generadores de aerosoles a través de un colector a un separador de ciclón que está en la entrada de la cámara de la exposición por inhalación (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Alemania).
2. Conecte el tubo de aire comprimido paralos dispersores de Venturi en los generadores de aerosoles.

5. Conexión de Monitoreo del Aire y sumideros de muestreo de aerosoles a la Cámara de exposición Inhalación

1. Conecte la temperatura y la humedad relativa (HR), la presión de O ₂ y CO ₂ sensores suministrados por el TSE Systems para probar los puertos de vigilancia atmosférica en la cámara de la exposición por inhalación.
2. Conectar la entrada de un dispositivo de dilución de aerosol a uno de los puertos de toma de muestras de aerosol en la cámara de exposición a la inhalación, y a continuación, conectar su salida a la entrada de la ELPI.
3. Conectar SMPS a uno de los puertos de toma de muestras de aerosol en la cámara de la exposición por inhalación.
4. Conectar la entrada de un monitor de concentración de partículas (TSE Systems) a uno de los puertos de toma de muestras de aerosol en la cámara de exposición.
5. Pesar PTFE filtro de membrana (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) y cargar el filtro en un soporte de filtro de acero inoxidable (productos A-Tox, Moriarty NM).
6. Conectar la entrada deel soporte del filtro de acero inoxidable con un pre-filtro de pesado a uno de los puertos de toma de muestras de aerosol en la cámara de exposición a la inhalación, y conectar su salida a una bomba de muestreo.

6. Activar los sistemas de adquisición de datos

1. Activar el software de adquisición de datos ELPI, ELPIVI, compruebe los parámetros de configuración, y encienda la bomba de lavado de ~ 5 minutos y luego se cero la ELPI. La concentración previa a la exposición Record.
2. Activar el software de adquisición de datos SMPS. La concentración previa a la exposición Record.
3. Software Activate, Daco (TSE Systems), para supervisar y controlar el caudal de aire, la temperatura y presión de la cámara de humedad relativa, temperatura y humedad relativa, O ₂ y CO _2.

7. Carga de los animales de experimentación en la cámara de exposición Inhalación

1. Pesar los animales de experimentación.
2. Marque los animales de experimentación y jaulas para que los animales pueden volver a colocarse en las mismas jaulas después de la exposición si needed.
3. Abra la puerta de la cámara de inhalación, y cargar los animales de experimentación en las jaulas de cable.
4. El agua puede ser proporcionada para los animales.
5. Cierre y asegure la puerta de la cámara de la exposición por inhalación.
6. Observe con frecuencia los animales a través de las ventanas de observación de la cámara de exposición a las señales de peligro. Los animales deben estar relajados y comportarse normalmente. Acabar con la exposición si la rápida / dificultad para respirar, la apariencia anormal, alteraciones posturales o inmovilidad se observan. Quite los animales, devolverlos a sus jaulas originales, póngase en contacto con asistencia veterinaria y / o iniciar adecuada Cuidado de Animales institucional y el empleo los procedimientos del Comité.

Nota: Los operadores deben llevar equipo de protección personal al realizar los pasos 8.7, 8.8 y 8.17.

8. La exposición de Pequeños Animales de aerosoles de nanopartículas

1. Encienda la bomba de vacío de escape de la cámara de la exposición por inhalación.
2. Ejecutar el software de adquisición de datos, Daco, a: a) suministrar aire seco filtrado a la cámara de exposición, b) controlar la presión en la cámara de exposición, y c) recoger los datos de la exposición del medio ambiente, tales como la presión, temperatura, humedad relativa, O ₂ y CO _2.
3. Establecer una presión ligeramente negativa (punto = -0,2 mbar) en la cámara de presión.
4. Encienda los generadores de aerosoles.
5. Ejecutar ELPI y el software de adquisición de datos SMPS para monitorear continuamente tamaño de partícula y la concentración de masa relativa en la cámara de la exposición por inhalación.
6. Cuando la concentración de aerosol es estable, es decir, el perfil de concentración en ELPI pantalla alcanzó meseta (Normalmente, esta toma 20 minutos después de los generadores de aerosoles están en operación), creado en el tiempo de muestreo (por ejemplo, 1 hora) y encienda el muestreo de aerosoles la bomba para recoger muestra representativa de las nanopartículas con filtros.
7. Una vez alcanzado el tiempo de muestreo, quite los filtros y conectar la sampling puertos con tapones de goma para evitar que los materiales de prueba se escape de la cámara de exposición.
8. Pesar los filtros, y calcular la concentración media de la masa en la cámara de exposición como se describió anteriormente.
9. Si la concentración media es de la concentración específica, ajustar manualmente el flujo de aire en los generadores para asegurar que se alcanza la concentración objetivo.
10. Calcular la deposición de partículas en los pulmones de animales como D = C x V _m xtx F _r, donde D = dosis, C = concentración de masa media de material de ensayo, V _m = volumen minuto, t = duración de la exposición, y F _r = fracción de materiales que se deposita o se absorbe.
11. Vuelva a colocar los filtros en los portafiltros con filtros limpios, pre-ponderados y repita los pasos 8.6 y 8.8.
12. Sobre la base de la concentración en masa real de la cámara de la exposición y la deposición de partículas específica en los pulmones de animales, estimar la exp restantetiempo osure como, t _permanecen = (D _dirigido-D) / (C x V x F _{r m),} donde _permanecen siendo t = duración de la exposición, D = dosis específica _dirigida, C = concentración media de masa de material de prueba, V _m = Volumen minuto, F _r = fracción de material que se deposita o se absorbe.
13. Apague el generador de aerosol cuando t _quedan se alcanza.
14. Antes de retirar los animales de la cámara de exposición, enjuagar la cámara de la exposición por inhalación con el aire filtrado hasta que la concentración de partículas se indica en el monitor está cerca de la concentración de partículas antes de la exposición en la cámara.
15. Apague la bomba de vacío de escape cámara.
16. Detener software de adquisición de datos, Daco.
17. Después de la exposición, observar a los animales para comprobar la respiración y el comportamiento normal, y el documento que ninguna otra complicación estudio exist. Si se observa secreción nasal, dificultad respiratoria u otras complicaciones de bienestar animal, póngase en contacto con asistencia veterinaria y / o iniciar su caso de Cuidado de Animales institucional y el empleo los procedimientos del Comité.
18. Detener ELPI y software de adquisición de datos SMPS.

9. Creación de informe de prueba

9.1 Condiciones de ensayo incluyen

1. Descripción del sistema de generación de aerosol y sus parámetros de funcionamiento utilizado en esta prueba.
2. Descripción del dispositivo de exposición, incluidos diseño, tipo, dimensiones y sus parámetros de funcionamiento durante la exposición.
3. Equipo para la medición de temperatura, humedad, tamaño de partícula, y la concentración real.
4. Tratamiento del aire de salida y el método de albergar a los animales en la cámara de ensayo utilizado.

9.2 datos de la atmósfera de exposición incluyen

1. Las tasas de flujo de aire a través del dispositivo de inhalación.
2. Temperatura y humedad deel aire.
3. Concentración real (analítica o gravimétrico) en la zona de muestreo de aerosoles que está cerca de las jaulas de los animales.
4. Distribución de tamaño de partículas, y el recuento calculado diámetro aerodinámico mediano y la desviación estándar geométrica.
5. Explicación de por qué la concentración en la cámara deseada y / o tamaño de las partículas no se puede lograr (si es aplicable), y los esfuerzos realizados para cumplir con estos aspectos de las directrices.

9.3 Otros

1. Un poco de presión negativa en las instalaciones de inhalación que contiene habitación se debe mantener para evitar que los materiales de prueba se escape laboratorio de la exposición por inhalación.
2. Limpiar la cámara de exposición diaria para eliminar las influencias de los residuos de origen animal.
3. ELPI, SMPS y otros instrumentos deben ser limpiados y calibrados en base a los manuales de usuario.

Resultados

Un estudio de la exposición por inhalación típicamente implica el mantenimiento de un animal experimental en un entorno de prueba conocido y constante, mientras que la exposición del animal de experimentación a una concentración definida de un material de ensayo ^8,9. El sistema de exposición a la inhalación de nanopartículas de todo el cuerpo se muestra en la Figura 1. La cámara de todo el cuerpo se gestionará en régimen de flujo dinámico, donde hubo un flujo continuo de 90 LPM d...

Discusión

Nos hemos reunido y descrito aquí, en un sistema de exposición de todo el cuerpo por inhalación de aerosoles de nanopartículas. La funcionalidad del sistema se validó con técnicas de caracterización de aerosoles de nanopartículas estado-of-the-art. Con un nuevo sistema de generación de aerosol de nanopartículas, este sistema de exposición a la inhalación se puede proporcionar un bien caracterizado, atmósfera de ensayo de aerosol de nanopartículas controlada y uniforme con la temperatura relativamente const...

Materiales

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