Développement d’une chambre d’essai de toxicité par Inhalation nasale uniquement qui fournit quatre Concentrations de l’exposition des particules de taille nanométrique

Résumé

Une chambre de toxicité par inhalation nasale uniquement capable de tester la toxicité par inhalation à quatre concentrations d’exposition différents a été conçue et validée pour l’uniformité de champ de flux et la contamination croisée entre les ports d’exposition pour chaque concentration. Nous présentons ici un protocole pour confirmer que la chambre conçue est efficace pour les essais de toxicité par inhalation.

Résumé

À l’aide d’une analyse numérique basée sur la dynamique des fluides informatique, une chambre de toxicité par inhalation nasale uniquement avec quatre concentrations différentes d’exposition est conçue et validée pour l’uniformité de champ de flux et la contamination croisée entre les ports de l’exposition pour chacun concentration. Les valeurs de champ de flux conçu sont comparées avec les valeurs mesurées des ports d’exposition situés horizontalement et verticalement. À cet effet, chlorure de sodium de nanoparticules sont générées sous forme de particules test et a présenté à la chambre d’inhalation pour évaluer le maintien de la contamination croisée et de la concentration entre les chambres, pour chaque groupe de concentration. Les résultats indiquent que la chambre d’inhalation multiconcentration conçu peut être utilisée dans des essais sans contamination croisée entre les groupes de concentration de toxicité animale par inhalation. En outre, la chambre d’inhalation multiconcentration conçu toxicité peut aussi être convertie à une chambre d’inhalation de concentration unique. Autres tests avec les gaz, vapeurs organiques ou non-nanoparticules assurera l’utilisation de la chambre dans les essais par inhalation d’autres articles de test.

Introduction

Essais de toxicité par inhalation sont la méthode la plus fiable pour évaluer les risques des agents chimiques, de particules, de fibres et de nanomatériaux^1,2,3. Ainsi, plus les organismes de réglementation exigent la présentation de toxicité par inhalation des prélèvements lors de l’exposition aux produits chimiques, de particules, de fibres et de nanomatériaux se fait par inhalation^{4,5,6,7 ,},⁸. Actuellement, il existe deux types de systèmes de toxicité par inhalation : systèmes d’exposition corporelle et nez seulement. Un système de test toxicité par inhalation standard, soit confiné ou nez seulement, nécessite au moins quatre chambres pour exposer des animaux comme les rats et les souris à quatre concentrations différentes, à savoir le contrôle de l’air frais et concentration faible, modéré et élevé^{7 , 8}. l’organisation pour la coopération économique et développement économiques (OCDE) test lignes directrices suggèrent que la concentration cible sélectionné devrait permettre d’identifier les organes cibles et la démonstration d’une réponse nette concentration^{7 ,},⁸. Le niveau de concentration élevé devrait déboucher sur un niveau clair de toxicité mais ne provoque pas la mortalité ou des signes persistants qui pourraient entraîner la mort ou empêcher une évaluation significative des résultats^7,8. La concentration maximale de niveau ou élevée réalisable des aérosols sont accessibles tout en répondant à la norme de distribution de taille de particules. Le niveau de concentration modérée devrait être espacées pour entraîner une gradation des effets toxiques entre celle de la basse et à haute concentration^7,8. Le niveau de concentration faible, préférence serait une CSENO (non-observed-adverse-effect-concentration), devrait produire peu ou pas de signe de toxicité^7,8. La chambre de l’ensemble du corps expose les animaux dans un état sans retenue dans des cages filaires, tandis que la chambre de nez seulement expose un animal dans un état sobre dans le tube clos. Le dispositif de retenue prévient toute perte d’aérosol en fuite autour de l’animal. En raison du volume élevé de la chambre de tout le corps, il nécessite un grand nombre d’articles de test d’être exposés à des animaux de laboratoire, alors que le dispositif de retenue du tube dans le système d’exposition nez seulement entrave les mouvements des animaux et peut causer des inconforts ou suffocation. Réglementaire par inhalation toxicity test directeurs de l’OCDE préfèrent toutefois, l’utilisation de l’inhalation nasale uniquement systèmes^4,5,6,7,8.

Cependant, pouvant accueillir un système de quatre chambres, soit confiné ou nez seulement, est coûteux, encombrants et nécessite un système de nettoyage et de la circulation d’air intégré. En outre, un système de quatre chambres peut également exiger des générateurs article test séparé pour exposer des animaux à la concentration désirée et un appareil de mesure distincts pour surveiller les concentrations de l’article de test. Donc, puisque les essais de toxicité par inhalation standard implique un investissement important, un système d’exposition tout le corps ou le nez seulement plus pratique et économique doit être développé pour une utilisation dans des installations de recherche de petites. Lors de la conception d’une chambre d’inhalation, computational fluid, modélisation de la dynamique est également fréquemment utilisée pour réaliser des particules, de gaz ou vapeurs uniformité^{9,10,11,12,13} . Évaluation par des analyses numériques et la validation de résultats expérimentaux a déjà eu lieu pour la chambre d’exposition totale du corps pour souris¹⁰. Par exemple, la trajectoire de flux et de particules d’air ont été modélisés à l’aide de CFD et l’uniformité de la distribution a été mesurée en neuf parties de la chambre de tout le corps¹⁰. En outre, la chambre de nez seulement a été évaluée par analyse numérique par CFD¹³. Après cela, évaluation de la chambre d’exposition nez seulement a été réalisée en comparant les résultats de l’analyse numérique avec une étude expérimentale utilisant des nanoparticules¹³.

Cette étude présente un système de chambres d’inhalation nasale uniquement qui peut exposer les animaux de laboratoire à quatre concentrations différentes dans une chambre. Initialement conçu à l’aide de la CFD et une analyse numérique, le système proposé est alors comparé à une étude expérimentale utilisant des nanoparticules de chlorure de sodium pour valider l’uniformité et la contamination croisée. Les résultats présentés ici montrent que la chambre nasale uniquement présentée qui peut exposer les animaux à quatre concentrations différentes peut être utilisée pour des études d’exposition animale en universitaire à petite échelle et installations de recherche. L’analyse numérique est définie comme suit, de la même manière que le paramètre de l’expérience. Pour l’exposition de concentration unique, le flux d’aérosol à la tour intérieure est défini sur 48 L/min et le débit de la gaine à la tour externe est défini à 20 L/min. Pour l’exposition multiconcentration, le flux d’aérosol à la tour intérieure entrée est 11 L/min pour chaque étape. La pression différentielle conserve à -100 Pa à maintenir un bon débit d’échappement et éviter les fuites. Supposons que les détenteurs d’animaux sont fermés et vider.

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Protocole

1. analyse numérique méthodes

1. Effectuer l’analyse du champ flux à l’intérieur de la chambre selon la forme géométrique, comme décrit dans la Figure 1 et tableau 1¹⁴.
   Remarque : Une analyse numérique du champ d’écoulement selon la forme géométrique prédit le débit de l’aérosol et il évalue comme un dispositif testable.
2. Conception de la chambre 4 stades x 12 de colonnes, avec 48 ports au total, où le noyau est divisé en une tour interne et externe, comme décrit dans la Figure 1 b.
   Remarque : Chaque étape a 12 ports d’exposition pour placer les animaux de laboratoire. Satisfaire la recommandation proposée par l' OCDE Guidance Document (GD) 39⁶.
3. Pour l’exposition de concentration unique, placer le mélange dans la partie supérieure de la tour intérieure pour mélanger la substance d’essai et d’assurer une concentration uniforme dans les stades. Pour l’exposition multiconcentration, séparer la tour intérieure en quatre étapes et les concentrations d’exposition par un disque de séparation.
   Remarque : La plaque de mélange

2. préparation de l’évaluation expérimentale

1. Chambre
   1. Diviser la chambre en trois parties : l’entrée et gaine d’échappement, comme illustré dans le schéma (Figure 2).
      NOTE : L’entrée est où l’aérosol se jette dans la chambre intérieure, et la gaine est l’espace entre les tours intérieurs et extérieurs pour une circulation d’air supplémentaire.
   2. Alimentation l’aérosol (ou un article de test) à la tour intérieure et les animaux de laboratoire, l’exhalation des animaux contenant aérosol excédentaire s’écoule à travers le gaz d’échappement ainsi que de l’air de la gaine.
      Remarque : Les détenteurs d’animaux sont fermés et vides.
   3. Maintenir la pression interne de la constante de la chambre à l’aide d’un ventilateur et un onduleur, comme la surpression interne est contrôlée par la gaine de circulation d’air.
   4. Équipement pour mesurer l’uniformité de la concentration d’essai aérosol (ou article) dans la chambre de mélange située en face de la chambre d’exposition nasale uniquement en cas d’exposition de concentration unique de conception.
      Remarque : L’uniformité de l’aérosol d’essai peut être évaluée par sa distribution numéro de concentration et de la taille de particule. Échantillons de concentration chambre individuelle doivent s’écarter de la concentration moyenne de chambre ne dépassant pas ±10 % pour le gaz et les vapeurs et ne dépassant pas ±20 % pour aérosols liquides ou solides^{4,5,6,7 ,},⁸. Ainsi, lorsque les particules de test ne sont pas constants, le débit de l’aérosol peut être contourné par le ventilateur d’extraction.
   5. Recherchez les fuites afin de vérifier la fiabilité du test et assurer la sécurité en confirmant un système fermé avec ±500 Pa qui est maintenu pendant 30 min.
      Remarque : La fuite peut être vérifié par la formation de bulles de savon.
2. Contrôle de l’environnement et la surveillance
   1. Fixer le taux d’affluence totale de l’aérosol (unique ou multiple) et gaine air à 48 L/min ou 44 L/min (simple ou multi, respectivement) et 20 L/min, respectivement et maintenir la pression intérieure de la chambre constante à −100 Pa dans les paramètres de contrôle de l’Interface utilisateur.
   2. Maintenir la température et l’humidité à 23 ° C et 45 %, respectivement. Utilisez un humidificateur pour contrôler l’humidité de l’air de l’exposition.
   3. Mener une expérience dans un environnement isotherme-isohumidity-contrôlée pour se conformer à l’OECD inhalation toxicity lignes directrices^4,6,7,8.
3. Mesure d’uniformité de débit
   1. Fournir de l’air propre 48 L/min à la chambre d’inhalation par un approvisionnement en air pur dont un filtre HEPA, contrôlé par un contrôleur de débit massique (MFC).
      Remarque : La qualité de l’air est effectuée après filtrez avec un filtre HEPA.
   2. Stabiliser le flux à l’aide de la chambre de mélange en cas d’exposition de concentration unique.
   3. Attacher une lance à un port qui injecte l’air frais de commande ou l’aérosol test (ou article) en cas d’exposition multiconcentration.
   4. Mesurer la vitesse d’écoulement par port à l’aide d’un débitmètre massique.
4. Génération de particules
   1. Générer des nanoparticules de NaCl à l’aide d’un atomiseur de cinq-jet pour évaluer la conception de chambre d’inhalation.
      Remarque : Utilisez une 0.1%wt solution de NaCl pour produire des nanoparticules de NaCl.
   2. Réglementer le MFC pour contrôler la quantité de la production à 48 L/min de l’aérosol NaCl mélangé à l’air dans la concentration et à 12 L/min de la NaCl mélangé en aérosol d’air dans la multiconcentration chaque quatre étapes.
      Remarque : Tous les ports de la chambre de nez seulement reçoit 1 L/min (soit 48 ports/nez seulement chambre (quatre étages) ; 48 ports/quatre étages ; 12 ports/stage).
   3. Fournir la qualité de l’air de dilution dans le bypass.
      NOTE : Le diamètre médian de comte et l’écart type géométrique de nanoparticules de NaCl relèvent de 76 nm et 1.4 maintiennent, respectivement.
5. Mesure d’uniformité de particules
   1. Mesurer la répartition granulométrique de la NaCl nanoparticules émises par les buses d’injection à l’aide d’un balayage sizer de particule de mobilité (SMPS) composés d’un analyseur de mobilité différentielle (DMA) et un compteur de particules de condensation (CPC).
   2. Un neutralisant d’aérosol Am permet d’enlever la charge statique des particules et de réduire les dépôts de particules sur les parois, ce qui améliore l' efficacité de mesure¹⁸.
   3. Conserver les proportions de l’aérosol et gaine en débit d’air de la DMA à 01:10 pour maintenir le débit de l’aérosol et débit d’air gaine à 1 L/min et 10 L/min, respectivement.

3. essai d’uniformité de débit

1. Exposition multi-concentration
   1. Définir la vitesse d’écoulement de la buse d’injection en fournissant l’air pur à 11 L/min par le biais de l’entrée de l’aérosol. 11 sélectionnez port buses pour chacune des quatre étapes.
   2. Mesure du débit pour connecter le débitmètre à la buse choisie.
   3. Répétez l’étape 3.1.2 3 x pour vérifier la reproductibilité.
2. Exposition de concentration unique
   1. Définir la vitesse d’écoulement de la buse d’injection en fournissant l’air pur à 48 L/min par le biais de l’entrée de l’aérosol. Choisir au hasard 24 buses port parmi les 48 ports. Mesure 3 x pour vérifier la reproductibilité.

4. essai d’uniformité de particules

1. Exposition multiconcentration
   1. Définir la répartition granulométrique des buses d’injection en fournissant les particules générées à 11 L/min par le biais de l’entrée de l’aérosol (do cela comme décrit dans la section 2).
   2. Choisies au hasard de six buses port parmi les quatre étapes ; mesure 3 x pour vérifier la reproductibilité.
2. Exposition de concentration unique
   1. Définir la répartition granulométrique des buses d’injection en fournissant les particules générées à 20 L/min et l’air pur à 28 L/min, soit un total de 48 L/min par le biais de l’entrée de l’aérosol (comme décrit dans 2.4 et 2.5).
   2. Choisir au hasard six buses port parmi les quatre étapes.
   3. Mesurer la concentration de particules, pour connecter le SMPS à la buse choisie.
   4. Répétez l’étape 4.2.3 3 x pour vérifier la reproductibilité.

5. la contamination croisée test

1. Définir trois étapes en cas d’exposition multiconcentration.
2. Connectez deux générateurs avec les concentrations des dilutions différentes et une gamme de qualité de l’air aux trois stades respectifs.
3. Définir la répartition granulométrique des buses d’injection en fournissant les particules générées et la qualité de l’air à 11 L/min par le biais de l’entrée de l’aérosol (comme décrit dans 2.4 et 2.5).
4. Choisi au hasard un ajutage de port dans les trois stades.
5. Mesurer la concentration de particules, pour connecter le SMPS au port sélectionné.
6. Répétez l’étape 5.5 x 15 pour vérifier la reproductibilité.

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Résultats

Montage expérimental

La figure 1 montre un diagramme schématique d’un système de chambres d’inhalation nasale uniquement, y compris un générateur de particules avec un nez seulement chambre et MFC, instrument de mesure de particules pour la surveillance de la qualité de l’air, le contrôleur et le module de gaz d’échappement, basé sur l’article 2 du protocole.

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Discussion

Essais de toxicité par inhalation est actuellement la meilleure méthode pour l’évaluation des matériaux en aérosol (particules et fibres), vapeurs et gaz inhalés par le système respiratoire humain^14,15. Il existe deux méthodes d’exposition par inhalation : corps entier et nez seulement. Toutefois, un système de nez minimise l’exposition par des voies noninhalation, tels que la peau et les yeux et permet de tester avec des quantités minimes de l?...

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matériels

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