Desarrollo de una cámara de prueba de toxicidad de inhalación sólo nariz que proporciona cuatro concentraciones de la exposición de partículas de tamaño nanométrico

Resumen

Una cámara de toxicidad de inhalación sólo nariz capaz de probar la toxicidad de la inhalación a concentraciones de exposición diferentes cuatro fue diseñada y validada para la uniformidad del campo de flujo y la contaminación cruzada entre los puertos de exposición para cada concentración. Aquí, presentamos un protocolo para confirmar que la cámara diseñada es eficaz para las pruebas de toxicidad de inhalación.

Resumen

Mediante un análisis numérico basado en dinámica de fluidos automatizada, una cámara de inhalación sólo nariz toxicidad con cuatro concentraciones diferentes de exposición está diseñada y validada para la uniformidad del campo de flujo y la contaminación cruzada entre los puertos de exposición para cada uno concentración. Los valores de campo de flujo diseñado se comparan con los valores medidos de la exposición puertos situados horizontalmente y verticalmente. Para ello, nanoescala partículas de cloruro de sodio se generan como partículas de prueba y se presentó a la cámara de inhalación para evaluar la contaminación y concentración de mantenimiento entre las cámaras, para cada grupo de concentración. Los resultados indican que la cámara de inhalación multiconcentration diseñado puede ser utilizada en animales inhalación Toxicidad sin contaminación cruzada entre los grupos de concentración. Por otra parte, también se puede convertir la cámara de la toxicidad de inhalación multiconcentration diseñado a una cámara de inhalación única concentración. Pruebas adicionales con gas, vapores orgánicos y partículas de nanoescala no garantizará el uso de la cámara en la prueba de inhalación de otros artículos de la prueba.

Introducción

Ensayos de toxicidad de inhalación son el método más fiable para evaluar los riesgos de agentes químicos, partículas, fibras y nanomateriales^1,2,3. Así, más agencias reguladoras requieren la presentación de la toxicidad de inhalación de ensayo los datos cuando la exposición a productos químicos, partículas, fibras y nanomateriales es a través de la inhalación de^{4,5,6,7 ,8}. Actualmente, existen dos tipos de sistemas de inhalación Toxicidad: sistemas de exposición de cuerpo entero y sólo por la nariz. Un sistema de prueba toxicidad de inhalación estándar, cuerpo entero o sólo de nariz, requiere al menos cuatro cámaras para exponer animales como ratas y ratones a cuatro diferentes concentraciones, a saber, control de aire y concentraciones baja, moderada y alta^{7 , 8}. la organización para la cooperación económica y desarrollo (OCDE) prueba las guías sugieren que la concentración objetivo seleccionado debe permitir la identificación de lo órgano de destino y demostración de una respuesta de concentración clara^{7 ,8}. El nivel de concentración alto debe resultar en un claro nivel de toxicidad pero no causan mortalidad o signos persistentes que podrían conducir a la muerte o evitar una evaluación significativa de los resultados^7,8. La concentración máxima de nivel o de alta alcanzable de los aerosoles puede llegar cumpliendo con el estándar de distribución de tamaño de partícula. Los niveles de concentración moderada deben ser espaciados para producir una gradación de efectos tóxicos entre eso de las^7,bajas y altas concentraciones del⁸. El nivel de concentración baja, que preferiblemente sea un NOAEC (concentración sin efecto adverso observado), debe producir poco o ningún signo de toxicidad^7,8. La cámara de cuerpo entero expone animales en estado libre en jaulas por cable, mientras que la cámara sólo nariz expone un animal en una condición contenida en el tubo cerrado. El sistema de seguridad previene la pérdida de aerosol por fugas alrededor del animal. Debido al alto volumen de la cámara de todo el cuerpo, requiere una gran cantidad de artículos de prueba expuestos a animales de experimentación, mientras que el alojamiento del tubo en el sistema de exposición sólo nariz dificulta el movimiento animal y puede causar molestias o asfixia. Sin embargo, regulador inhalación Toxicidad prueba directrices de la OCDE prefieren el uso de la inhalación sólo nariz sistemas^4,5,6,7,8.

Sin embargo, con capacidad para un sistema de cuatro cámaras, cuerpo entero o sólo por la nariz, es caro, consumo de espacio y requiere de un sistema de limpieza y circulación de aire incorporado. Además, un sistema de cuatro cámaras puede requerir también generadores de artículo de prueba independiente para exponer animales a las concentraciones deseadas y un aparato de medida independiente para monitorear las concentraciones de prueba artículo. Por lo tanto, desde ensayos de toxicidad de inhalación estándar implica una inversión importante, un sistema de exposición cuerpo entero o sólo de nariz más conveniente y económico necesita ser desarrollada para su uso en instalaciones de investigación pequeño. Al diseñar una cámara de inhalación, de fluido computacional, modelado de la dinámica (CFD) se utiliza también con frecuencia para lograr partículas, gas o vapor uniformidad^{9,10,11,12,13} . Evaluación por análisis numérico y validación de resultados experimentales ya se ha realizado para la sala de exposición de cuerpo entero para ratones¹⁰. Por ejemplo, la trayectoria de la partícula y el flujo de aire han sido modeladas mediante CFD, y la uniformidad de distribución de partícula ha sido medida en nueve partes de la cámara de cuerpo entero¹⁰. Además, la cámara sólo de nariz ha sido evaluada por análisis numérico por CFD¹³. Después de eso, evaluación para la sala de exposición sólo nariz se realizó mediante la comparación de los resultados de análisis numérico con un estudio experimental usando nanopartículas¹³.

Este estudio presenta un sistema de cámaras de inhalación sólo nariz que puede exponer a animales de experimentación a cuatro diferentes concentraciones en una sola cámara. El sistema propuesto inicialmente diseñado usando CFD y análisis numérico, se compara con un estudio experimental usando partículas de cloruro de sodio a nanoescala para validar la uniformidad y la contaminación cruzada. Los resultados presentados aquí indican que la cámara sólo nariz presentada que puede exponer a animales a cuatro diferentes concentraciones se puede utilizar para los estudios de exposición de animales en pequeña escala académica y centros de investigación. El análisis numérico se establece como sigue, en la misma forma que la configuración del experimento. Exposición a concentración simple, el flujo de aerosol a la torre interior está situado a 48 L/min y el flujo de envoltura hacia la torre exterior se establece en 20 L/min. Exposición a multiconcentration, el flujo de aerosol a la torre interior de entrada es 11 L/min para cada etapa. La presión diferencial de salida se mantiene a -100 Pa mantener un suave flujo de escape y evitar fugas. Asumen los titulares de animales están cerrados y vacían.

Protocolo

1. análisis numérico métodos

1. Realizar el análisis del campo de flujo dentro de la cámara según la forma geométrica, como se describe en la figura 1 y tabla 1¹⁴.
   Nota: Un análisis numérico del campo de flujo según la forma geométrica predice el flujo del aerosol y evalúa como un dispositivo de prueba.
2. Diseño de la cámara con columnas de 4 etapas x 12, 48 puertos en total, donde el núcleo se divide en una torre interior y exterior, como se describe en la figura 1B.
   Nota: Cada etapa tiene 12 puertos de exposición para la colocación de los animales experimentales. Satisfacer la recomendación sugerida por el documento de orientación de la OCDE (GD) 39⁶.
3. Para la exposición de concentración solo, coloque la placa de mezcla en la parte superior de la torre interior para mezclar el material de prueba y asegurar una concentración uniforme en las distintas etapas. Para la exposición multiconcentration, separar la torre interior en cuatro etapas y las concentraciones de exposición por un disco de separación.
   Nota: La placa de mezcla

2. preparación de la evaluación experimental

1. Cámara
   1. La cámara se dividen en tres partes: la entrada, la vaina y el escape, como se muestra en el diagrama esquemático (figura 2).
      Nota: La entrada es donde el aerosol fluye en la cámara interior, y la vaina es el espacio entre las torres de interiores y exteriores para flujo de aire extra.
   2. Fuente el aerosol (o artículo de prueba) a la torre interior y animales de experimentación, mientras que la exhalación de los animales que contiene el aerosol sobrante fluye hacia fuera a través de los gases de escape con el aire de la vaina.
      Nota: Los poseedores de animales están cerrados y vacían.
   3. Mantener la presión interna de la constante de cámara con un ventilador y un inversor, como la presión interior pleno es controlada por el caudal de la vaina.
   4. Diseño de equipo para medir la uniformidad de la concentración del aerosol (o artículo) prueba en la cámara mezcladora ubicada frente a la cámara de exposición sólo nariz en caso de exposición solo concentración.
      Nota: La uniformidad del aerosol de prueba puede ser evaluada por su número tamaño y concentración distribución de partícula. Las muestras de concentración individual de la cámara deben apartarse de la concentración media de la cámara por no más de ± 10% para gases y vapores y por no más de ± 20% para aerosoles líquidos o sólidos^{4,5,6,7 ,8}. Así, cuando las partículas de prueba no son constantes, el flujo de aerosol puede evitarse a través del extractor.
   5. Busque fugas verificar la fiabilidad de la prueba y asegurar seguridad confirmando un sistema cerrado con ±500 Pa que se mantiene durante 30 minutos.
      Nota: Puede comprobarse la salida de burbujas de jabón.
2. Monitoreo y control ambiental
   1. Establecer el índice de afluencia total del aerosol (único/múltiples) y de la envoltura de aire a 48 L/min o 44 L/min (único o múltiples, respectivamente) y 20 L/min, respectivamente y mantenga constante la presión interna de la cámara de −100 Pa en la configuración de Control de la interfaz de usuario.
   2. Mantener la temperatura y la humedad a 23 ° C y 45%, respectivamente. Utilizar un humidificador para controlar la humedad del aire de la exposición.
   3. Llevar a cabo un experimento en un ambiente controlado de isohumidity isotérmico para cumplir con la OECD inhalación Toxicidad pautas^4,6,7,8.
3. Medida de la uniformidad de flujo
   1. Suministro de 48 L/min de aire limpio a la cámara de inhalación a través de un suministro de aire limpio, incluyendo un filtro HEPA, controlado por un controlador de flujo másico (MFC).
      Nota: El aire limpio se hace después de filtrar con un filtro HEPA.
   2. Estabilizar el flujo usando la cámara de mezcla en caso de exposición solo concentración.
   3. Instale una boquilla de suministro a un puerto que inyecta aire fresco control o el aerosol de prueba (o artículo) en el caso de exposición multiconcentration.
   4. Medir la velocidad del flujo por puerto usando un medidor de flujo másico.
4. Generación de partículas
   1. Generar nanopartículas de NaCl utilizando un atomizador de cinco-jet para evaluar el diseño de la cámara de inhalación.
      Nota: Utilice una solución de NaCl de 0.1%wt para generar las nanopartículas de NaCl.
   2. Regulan el MFC para controlar la cantidad de producción a 48 L/min del aerosol de NaCl mezclada aire en la concentración individual y a 12 L/min de NaCl mezcla de aerosol del aire en la multiconcentration cada cuatro etapas.
      Nota: Todos los puertos de la cámara sólo nariz recibe 1 L/min (es decir, 48 puertos nariz-sólo cámara (cuatro etapas) 48 puertos/cuatro etapas; 12 puertos de escena).
   3. Suministro de aire limpio para la dilución en la carretera de circunvalación.
      Nota: El diámetro promedio y desviación geométrica de nanopartículas de NaCl están a 76 nm y 1.4 mantienen, respectivamente.
5. Medida de uniformidad de partícula
   1. Medir la distribución de tamaños de partículas de NaCl nanopartículas emitidas por las boquillas de inyección utilizando a un medidor de partículas análisis de movilidad (SMPS) compuesto por un analizador diferencial de movilidad (DMA) y un contador de partículas de condensación (CPC).
   2. Utilice un neutralizador del aerosol de Am para eliminar la carga estática de las partículas y reducir la deposición de partículas en las paredes, mejorando así la eficiencia de medida¹⁸.
   3. Mantener la proporción del aerosol y de la envoltura de flujo de aire de la DMA en el 1:10 para mantener el flujo de aerosol y vaina aire caudal de 1 L/min y 10 L/min, respectivamente.

3. prueba de uniformidad de flujo

1. Multi-concentración exposición
   1. Establecer la velocidad del flujo de las boquillas de inyección mediante el suministro de aire limpio en 11 L/min a través de la entrada de aerosoles. Seleccione 11 inyectores de puerto para cada uno las cuatro etapas.
   2. Medir el caudal para conectar el medidor de flujo con la boquilla seleccionada.
   3. Repita el paso 3.1.2 3 x para comprobar la reproducibilidad.
2. Exposición individual-concentración
   1. Establecer la velocidad del flujo de las boquillas de inyección mediante el suministro de aire limpio a 48 L/min a través de la entrada de aerosoles. Seleccione al azar 24 boquillas de Puerto entre los 48 puertos. Medida de 3 x para verificar la reproducibilidad.

4. prueba de uniformidad de partícula

1. Exposición multiconcentration
   1. Establecer la distribución de tamaño de partícula de las toberas de inyección mediante el suministro de las partículas generadas en 11 L/min a través de la entrada de aerosoles (hacer esto como se describe en la sección 2).
   2. Seleccionaron al azar seis boquillas de Puerto entre las cuatro etapas; medida de 3 x para verificar la reproducibilidad.
2. Exposición individual-concentración
   1. Establecer la distribución de tamaño de partícula de las toberas de inyección mediante el suministro de las partículas generadas a 20 L/min y aire limpio a 28 L/min, haciendo un total de 48 L/min a través de la entrada de aerosoles (como se describe en 2.4 y 2.5).
   2. Al azar Seleccione seis boquillas de Puerto entre las cuatro etapas.
   3. Medir la concentración de partículas, para conectar el SMPS con la boquilla seleccionada.
   4. Repita el paso 4.2.3 3 x para comprobar la reproducibilidad.

5. prueba contaminación cruzada

1. Establece tres etapas en el caso de exposición multiconcentration.
2. Conectar dos generadores con concentraciones de solución diferente y una línea de aire limpio para las tres etapas respectivas.
3. Establecer la distribución de tamaño de partícula de las toberas de inyección mediante el suministro de las partículas generadas y aire limpio en 11 L/min a través de la entrada de aerosoles (como se describe en 2.4 y 2.5).
4. Seleccionó al azar una boquilla de puerto de las tres etapas.
5. Medir la concentración de partículas, para conectar el SMPS para el puerto seleccionado.
6. Repita el paso 5.5 x 15 para verificar la reproducibilidad.

Resultados

Montaje experimental

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un sistema de cámaras de inhalación sólo nariz, incluyendo un generador de partículas con una MFC, cámara solo nariz e instrumentos de medida de partículas para el seguimiento de la calidad del aire, el controlador y el módulo de escape, basado en artículo 2 del protocolo.

Discusión

Ensayos de toxicidad de inhalación es actualmente el mejor método para evaluar materiales aerosol (partículas y fibras), vapores y gases inhalados por el sistema respiratorio humano^14,15. Existen dos métodos de exposición Inhalación: todo el cuerpo y la nariz solamente. Sin embargo, un sistema sólo nariz minimiza la exposición rutas de noninhalation, como la piel y los ojos y permite probar con cantidades mínimas del artículo de prueba, lo que es el mé...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
FLUENT V.17.2	ANSYS		Software
mass flow meter (MFM)	TSI	4043
SMPS (scanning mobility particle sizer)	Grimm	SMPS+C
5-Jet atomizer	HCTM	5JA-1000
Mass flow controller (MFC)	Horiba	S48-32