Nanoparticules corps entier des expositions par inhalation d'aérosols

Résumé

Une installation de l'exposition par inhalation d'aérosols de nanoparticules corps entier a été construit pour le dioxyde de titane nanométrique (TiO ₂) Les études de toxicologie de l'inhalation. Ce système permet de nano-TiO ₂ Atmosphères d'essai d'aérosols qui ont: 1) une concentration stable de masse; 2) une composition homogène exempt de contaminants, et 3) une distribution de taille des particules stables lors de la génération d'aérosols.

Résumé

L'inhalation est la voie d'exposition la plus probable pour les personnes travaillant avec aérosolisable conçu nano-matériaux (ENM). Pour effectuer correctement nanoparticules études de toxicologie d'inhalation, les aérosols dans un boîtier de chambre les animaux de laboratoire doivent avoir: 1) une concentration constante maintenue à un niveau désiré pendant toute la période d'exposition, 2) une composition homogène exempt de contaminants, et 3) une étable distribution granulométrique avec un diamètre moyen géométrique de <200 nm et un écart-type géométrique σ _g <2,5 ^5. La production d'aérosols contenant des nanoparticules est assez difficile parce que les nanoparticules facilement s'agglomérer. Ceci est largement dû à des forces entre les particules très forts et la formation des grandes structures fractales dans des dizaines ou des centaines de microns de diamètre ^6, qui sont difficiles à casser. Plusieurs générateurs d'aérosols communs, y compris les nébuliseurs, lits fluidisés, aspirateurs Venturi et l'alimentation de la poussière Wright, nousre testé, mais aucun n'a été en mesure de produire des aérosols de nanoparticules qui satisfont à tous les critères ^5.

Un système d'exposition par inhalation d'aérosols de nanoparticules corps entier a été fabriqué, validée et utilisée pour _nano-TiO2 études de toxicologie de l'inhalation. Les composantes essentielles: 1) roman _nano-TiO2 générateur d'aérosol; 2) 0,5 m ³ corps entier chambre de l'exposition par inhalation, et 3) de surveiller et de contrôle. Nano-TiO ₂ aérosols produits à partir de vrac sec nano-TiO ₂ poudres (diamètre primaire de 21 nm, la densité apparente de 3,8 g / cm ³⁾ ont été remis dans la chambre d'exposition à un débit de 90 LPM (10,8 changements d'air / heure) . la distribution et la masse taille profils de concentration de particules ont été mesurées en continu avec une mobilité numérisation particules (SMPS), et un impacteur basse pression électrique (ELPI). La concentration massique des aérosols (C) a été vérifiée par gravimétrie (mg / m ^3). La masse (M) Des particules recueillies a été déterminée comme M = (M-M _{après pré),} où M et M _{pré poste} sont masses du filtre avant et après l'échantillonnage (mg). La concentration de la masse a été calculée comme C = M / (Q * t), où Q est l'échantillonnage de débit (m ³ / min), et t est le temps d'échantillonnage (minute). La pression de la chambre, la température, l'humidité relative (HR), O ₂ et concentrations de CO ₂ ont été surveillés et contrôlés en permanence. Nano-TiO ₂ aérosols collectés sur des filtres Nuclepore ont été analysés avec un microscope électronique à balayage (MEB) et de dispersion des rayons X (EDX) analyse énergétique.

En résumé, nous déclarons que les aérosols nano-particules produite et livrée à notre chambre d'exposition ont: 1) la concentration de masse constante; 2) composition homogène exempt de contaminants; 3) les distributions de taille des particules stables avec un aerody décompte médianmique diamètre de 157 nm lors de la génération d'aérosols. Ce système crée fiable et répétée atmosphères d'essais qui simulent, l'exposition aux aérosols de l'ENM environnementales ou domestiques professionnelles.

Protocole

Les modalités de fonctionnement du corps entier nanoparticules exposition par inhalation étape-par-étape sont décrits comme suit.

Note: 1) les étapes 1 et 3 doivent être effectuées dans une hotte, 2) les opérateurs doivent porter un équipement de protection individuelle approprié (masques, lunettes et gants de caoutchouc).

1. Conditionné nanoparticules de TiO ₂ poudres sèches

1. Placez _nano-TiO2 poudres dans un récipient opaque.
2. Laissez le couvercle du récipient ouvert.
3. Placer le récipient dans un dessiccateur sec pendant au moins 24 heures pour le conditionnement.

2. Échauffement acquisition de données et système de contrôle, SMPS et ELPI et tous les transducteurs

1. Allumez le contrôle de l'air et le système d'acquisition de données et de commutateurs de puissance pour alimentations à découpage de surveillance des aérosols (TSI Inc., Shoreview, MN) et ELPI (Dekati, Tampere, Finlande), et réchauffer les systèmes en place pendant au moins 1 heure.
2. Tournez sur la puissancecommutateurs dans tous les transducteurs pour les réchauffer pendant au moins 1 heure.

3. Chargement nanoparticules de TiO ₂ poudres sèches dans des générateurs d'aérosols

1. Ouvrir les bouchons cylindriques sur les générateurs d'aérosols, et de remplacer les filtres dans les générateurs d'aérosols. Note: Un générateur d'aérosol est un cylindre. Le nombre de générateurs d'aérosols à utiliser dépend de la concentration en masse désirée de particules dans la chambre d'exposition.
2. Peser ~ 4 g _nano-TiO2 poudres et les charger dans chaque cylindre.
3. Remettez les bouchons cylindriques.
4. Toutes les zones suspectes de contamination TiO ₂ doit être humide anéantis.

4. Connexion générateurs d'aérosols pour inhalation chambre d'exposition

1. Connectez toutes les sorties des générateurs d'aérosols via un collecteur à un séparateur à cyclone qui est à l'entrée de la chambre de l'exposition par inhalation (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Allemagne).
2. Relier les tubes à air compriméles dispersants Venturi dans les générateurs d'aérosols.

5. Connexion surveillance de l'air et des entrées d'échantillonnage d'aérosols à la Chambre de l'exposition par inhalation

1. Connectez température et d'humidité relative (HR), la pression, O ₂ et CO ₂ capteurs fournis par TSE Systems pour tester les ports de surveillance de l'atmosphère sur la chambre de l'exposition par inhalation.
2. Connectez l'entrée d'un appareil de dilution aérosol à l'un des ports d'échantillonnage des aérosols sur l'enceinte d'exposition par inhalation, puis connectez sa sortie à l'entrée de l'ELPI.
3. SMPS connecter à l'un des ports de prélèvement d'aérosol sur la chambre d'inhalation.
4. Connexion d'entrée d'un analyseur de concentration de particules (TSE Systems) à l'un des ports de prélèvement d'aérosol sur la chambre d'exposition.
5. Peser filtre à membrane PTFE (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) et charger le filtre dans un porte-filtre en acier inoxydable (produits In-Tox, Moriarty Nm).
6. Connectez l'entrée dele support de filtre en acier inoxydable avec un pré-filtre pesé à l'un des ports de prélèvement d'aérosol sur la chambre d'inhalation, et connecter sa sortie à une pompe d'échantillonnage.

6. Activer les systèmes d'acquisition de données

1. Activer ELPI logiciel d'acquisition de données, ELPIVI, vérifiez les paramètres de configuration, et tourner sur la pompe de rinçage pour ~ 5 min, puis à zéro la ELPI. Concentration pré-exposition enregistrement.
2. Activation du logiciel d'acquisition de données SMPS. Concentration pré-exposition enregistrement.
3. Activer logiciel, DACO (TSE Systems), pour surveiller et contrôler le débit de l'air, de la température et de la pression de la chambre d'humidité relative, la température et d'humidité relative, d'O ₂ et de CO _2.

7. Chargement animaux d'expérimentation dans la chambre de l'exposition par inhalation

1. Peser les animaux de laboratoire.
2. Marquez les animaux de laboratoire et des cages de sorte que les animaux peuvent être remis dans les mêmes cages après l'exposition si needed.
3. Ouvrez la porte de la chambre de l'exposition par inhalation, et charger les animaux de laboratoire dans les cages câblés.
4. L'eau peut être prévue pour les animaux.
5. Fermez et verrouillez la porte de la chambre de l'exposition par inhalation.
6. Foire observer les animaux à travers les fenêtres d'observation de la chambre d'exposition aux signes de détresse. Les animaux doivent être assouplies et de se comporter normalement. Arrêter l'exposition si rapide / respiration laborieuse, apparence anormale, des anomalies posturales ou l'immobilité sont respectées. Retirer les animaux, les retourner dans leur cage d'origine, contactez vétérinaire traitant et / ou initier Institutional Animal Care appropriées et utiliser les procédures du Comité.

Remarque: Les opérateurs doivent porter un équipement de protection individuelle lors de l'exécution des mesures 8.7, 8.8 et 8.17.

8. L'exposition de petits animaux à aérosols de nanoparticules

1. Mettre la pompe à vide d'échappement de la chambre d'inhalation.
2. Exécuter le logiciel d'acquisition de données, DACO, à: a) fournir de l'air sec filtré à la chambre d'exposition, b) contrôler la pression dans la chambre d'exposition, et c) recueillir les données de l'environnement d'exposition, tels que pression, température, humidité relative, O ₂ et de CO _2.
3. Établir une pression légèrement négative (point de consigne = -0.2 mbar) dans la pression de la chambre.
4. Allumez les générateurs d'aérosols.
5. Exécuter ELPI et le logiciel d'acquisition de données SMPS pour surveiller en continu la taille des particules et la concentration en masse par rapport à la chambre d'inhalation.
6. Lorsque la concentration d'aérosol est stable, c'est à dire le profil de concentration sur ELPI moniteur atteint plateau (normalement: cela prend 20 min après les générateurs d'aérosols sont en service), mis en place le temps d'échantillonnage (par exemple, 1 heure) et tourner sur l'échantillonnage des aérosols pompe pour recueillir un échantillon représentatif des nanoparticules avec des filtres.
7. Une fois la période d'échantillonnage est atteinte, retirer les filtres et rebranchez le SAmpling ports avec des bouchons en caoutchouc pour empêcher le matériel de test de s'échapper de la chambre d'exposition.
8. Peser les filtres, et de calculer la concentration massique moyenne dans la chambre d'exposition tel que décrit ci-dessus.
9. Si la concentration moyenne est hors de la concentration ciblée, ajuster manuellement le flux d'air dans les générateurs pour assurer la concentration cible est atteinte.
10. Calculer le dépôt de particules dans les poumons des animaux que D = C x V _m XTX F _r, où D = Dose, C = concentration de la masse moyenne d'un matériau d'essai, _Vm = volume minute, t = durée de l'exposition, et F _r = fraction du matériau qui est déposé ou absorbé.
11. Remplacez les filtres dans les supports de filtre avec des filtres propres, pré-pondérés et répétez les étapes 8.6 et 8.8.
12. Sur la base de la concentration de la masse réelle dans la chambre d'exposition et de dépôt de particules ciblée dans les poumons des animaux, estimer le restant exptemps de Osure que, t _restent = (D _ciblée-D) / (C x V _m x F _r), où t _restent = rester durée de l'exposition, D _ciblée = dose ciblée, C = concentration moyenne en masse de matériau d'essai, V _m = Volume minute, F _r = fraction du matériau qui est déposé ou absorbé.
13. Eteignez le générateur d'aérosol lorsque t _restent est atteint.
14. Avant d'enlever les animaux à partir de la chambre d'exposition, rincer la chambre d'exposition à l'inhalation de l'air filtré jusqu'à ce que la concentration en particules est indiqué sur l'écran est proche de la concentration de particules de pré-exposition dans la chambre.
15. Eteignez la pompe à vide d'échappement de la chambre.
16. Arrêtez le logiciel d'acquisition de données, Daco.
17. Après l'exposition, observer les animaux pour vérifier la respiration normale et le comportement, et le document qu'aucune autre étude complications exist. Si un écoulement nasal, une détresse respiratoire ou d'autres complications de protection des animaux sont observés, contactez vétérinaire traitant et / ou initier Institutional Animal Care appropriées et utiliser les procédures du Comité.
18. Arrêtez ELPI et logiciel d'acquisition de données SMPS.

9. Création de rapport d'essai

9.1 Conditions d'essai comprennent

1. Description du système de génération d'aérosols et de ses paramètres de fonctionnement utilisé dans ce test.
2. Description de l'appareil d'exposition, y compris conception, type, dimensions et ses paramètres de fonctionnement utilisés au cours de l'exposition.
3. Equipement pour mesurer la température, l'humidité, la taille des particules, et la concentration réelle.
4. Le traitement de l'air d'échappement et le mode de logement des animaux dans la chambre d'essai quand il est utilisé.

9.2 Données de l'atmosphère de l'exposition comprennent

1. Les débits d'air à travers le dispositif d'inhalation.
2. Température et humidité del'air.
3. Réelles concentration dans la zone d'échantillonnage d'aérosol, qui est à proximité des cages d'animaux (analytique ou gravimétrique).
4. distribution de taille des particules, et calculée compte diamètre aérodynamique médian et écart type géométrique.
5. Expliquer pourquoi la concentration de chambre désiré et / ou la taille des particules n'a pas pu être atteint (le cas échéant), et les efforts entrepris pour se conformer à ces aspects des lignes directrices.

9.3 Autres

1. Pression légèrement négative dans la pièce facilité d'inhalation contenant doit être maintenue pour éviter le matériel de test de s'échapper laboratoire de l'exposition par inhalation.
2. Nettoyer la chambre de l'exposition quotidienne à éliminer les influences des déchets d'origine animale.
3. ELPI, SMPS et d'autres instruments doivent être nettoyées et calibrées sur la base des manuels de l'utilisateur.

Résultats

Une étude d'exposition par inhalation implique généralement maintenir un animal d'expérimentation dans un environnement de test connu et constant tout en exposant l'animal expérimental à une concentration définie d'un matériau de test ^8,9. Le système d'exposition par inhalation des nanoparticules corps entier est représenté dans la figure 1. La chambre du corps entier a été opéré sur une base d'écoulement dynamique où il y avait un flux continu de 90 L...

Discussion

Nous avons rassemblé et décrit ici dans un système d'exposition du corps entier nanoparticules aérosol inhalation. La fonctionnalité du système a été validé avec des techniques de caractérisation des aérosols nanoparticules state-of-the-art. Avec un système de génération d'aérosol de nanoparticules selon l'invention, ce système d'exposition par inhalation peut fournir une atmosphère d'essai bien caractérisé, contrôlée et uniforme de nanoparticules d'aérosol avec une tempéra...

matériels

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