Sviluppo di una camera di prova di tossicità per inalazione solo naso che fornisce quattro concentrazioni di esposizione di particelle nanometriche

Riepilogo

Una camera di tossicità per inalazione solo naso in grado di testare la tossicità da inalazione a quattro concentrazioni di esposizione differenti è stata progettata e validata per uniformità del campo di flusso e la contaminazione incrociata tra i porti di esposizione per ciascuna concentrazione. Qui, presentiamo un protocollo per confermare che la camera progettata sia efficace per test di tossicità per inalazione.

Abstract

Utilizzando un'analisi numerica basata sulla fluidodinamica computerizzata, una camera di tossicità per inalazione solo naso con quattro concentrazioni di esposizione differenti è stata progettata e validata per uniformità del campo di flusso e la contaminazione incrociata tra i porti di esposizione per ogni concentrazione. I valori di campo di flusso progettato vengono confrontati con i valori misurati da esposizione porte situate orizzontalmente e verticalmente. Per questo scopo, cloruro di sodio particelle in nanoscala vengono generate come particelle di prova e presentare alla camera di inalazione per valutare il mantenimento di contaminazione e concentrazione tra le sale, per ogni gruppo di concentrazione. I risultati indicano che la camera di inalazione multiconcentration progettato sono utilizzabili nella tossicità da inalazione animale test senza la contaminazione incrociata tra gruppi di concentrazione. Inoltre, la camera di tossicità per inalazione multiconcentration progettato può essere convertita anche in una camera di inalazione di singolo-concentrazione. Ulteriori prove con gas, vapori organici o particelle in nanoscala non garantirà l'uso della camera nella prova di inalazione di altri articoli di prova.

Introduzione

Test di tossicità per inalazione è il metodo più affidabile per valutare i rischi di agenti chimici, particelle, fibre e nanomateriali^1,2,3. Così, più agenzie di regolamentazione richiedano la presentazione di dati di prova quando l'esposizione a sostanze chimiche, particelle, fibre e nanomateriali è tramite inalazione^{4,5,6,7 tossicità da inalazione ,8}. Attualmente, ci sono due tipi di sistemi di tossicità per inalazione: sistemi di esposizione del corpo intero e solo naso. Un sistema di test di tossicità per inalazione standard, tutto il corpo o solo naso, richiede almeno quattro alloggiamenti per esporre gli animali come ratti e topi a quattro diverse concentrazioni, vale a dire controllo aria fresca e concentrazioni basse, moderato e alto^{7 , 8}. l'organizzazione per la cooperazione economica e lo sviluppo (OCSE) prova linee guida suggeriscono che la concentrazione target selezionato dovrebbe permettere l'identificazione di organ(s) la destinazione e dimostrazione di una risposta chiara concentrazione^{7 ,8}. Il livello di alta concentrazione dovrebbe comportare un chiaro livello di tossicità ma non causare mortalità o segni persistenti che potrebbero portare alla morte o impedire una valutazione significativa dei risultati^7,8. La massima realizzabile livello o alta concentrazione degli aerosol può essere raggiunto rispettando lo standard di distribuzione di dimensione delle particelle. I livelli di concentrazione moderata dovrebbero essere intervallati per produrre una graduazione di effetti tossici fra quello delle alte e basse concentrazioni^7,8. Il livello di bassa concentrazione, che preferibilmente sarebbe un NOAEC (no-observed-adverse-effect concentrazione), dovrebbe produrre poco o nessun segno di tossicità^7,8. La camera di corpo intero espone gli animali in una condizione di sfrenato in gabbie via cavo, mentre la camera sola naso espone un animale in una condizione contenuta nel tubo confinato. Il sistema di ritenuta impedisce la perdita dell'aerosol perdite attorno all'animale. A causa del volume elevato della camera del corpo intero, richiede un gran numero di articoli di prova di essere esposti agli animali da esperimento, mentre il fermo del tubo del sistema di esposizione solo naso ostacola la circolazione degli animali e può causare disagio o soffocamento. Tuttavia, gli orientamenti normativi del test dell'OCSE inalazione tossicità preferiscono l'uso di inalazione solo naso sistemi^4,5,6,7,8.

Tuttavia, possono ospitare un sistema di quattro-alloggiamento, corpo intero o solo naso, è costoso, ingombranti e richiede un sistema di pulizia e di circolazione di aria incorporata. Inoltre, un sistema di quattro-alloggiamento può anche richiedere generatori articolo test separato per esporre gli animali per la concentrazione desiderata e un apparato di misurazione separata per monitorare le concentrazioni di articolo di prova. Pertanto, poiché i test di tossicità per inalazione standard comporta un investimento significativo, un sistema di esposizione del corpo intero o solo naso più conveniente ed economico deve essere sviluppato per l'uso in impianti di piccola ricerca. Quando si progetta una camera di inalazione, computational fluid modellazione dynamics (CFD) è anche frequentemente usato per ottenere delle particelle, gas o vapore uniformità^{9,10,11,12,13} . Valutazione di analisi numeriche e la convalida di risultati sperimentali già è state eseguite per la camera di esposizione del corpo intero per topi¹⁰. Ad esempio, la traiettoria della particella e di flusso di aria sono stati modellati utilizzando CFD e l'uniformità della distribuzione delle particelle è stata misurata in nove parti del corpo intero camera¹⁰. Inoltre, la camera di sola naso è stata valutata dalla analisi numerica di CFD¹³. Dopo di che, la valutazione per la camera di esposizione solo naso è stata effettuata confrontando i risultati di analisi numerica con uno studio sperimentale usando nanoparticelle¹³.

Questo studio presenta un sistema di camera di inalazione solo naso che può esporre animali da esperimento a quattro diverse concentrazioni in una camera. Inizialmente progettato utilizzando CFD e un'analisi numerica, il sistema proposto è quindi confrontato con uno studio sperimentale usando particelle in nanoscala cloruro di sodio per convalidare l'uniformità e la contaminazione incrociata. I risultati presentati qui indicano che la camera solo naso presentata che può esporre gli animali a quattro diverse concentrazioni può essere utilizzata per gli studi di esposizione animale in accademico su piccola scala e strutture di ricerca. L'analisi numerica è impostato come indicato di seguito, nello stesso modo come l'impostazione di esperimento. Per l'esposizione singola-concentrazione, il flusso di aerosol alla Torre interna è impostato su 48 L/min e il flusso di guaina alla torre esterna è impostato a 20 L/min. Per l'esposizione multiconcentration, il flusso di aerosol alla Torre interna ingresso è 11 L/min per ogni fase. La pressione differenziale in uscita mantiene a -100 Pa per mantenere un buon flusso di scarico ed evitare dispersioni. Si supponga i possessori degli animali sono chiuse e vuote.

Protocollo

1. analisi numerica metodi

1. Eseguire l'analisi del campo di flusso all'interno della camera in base alla forma geometrica, come descritto in Figura 1 e tabella 1¹⁴.
   Nota: Un'analisi numerica del campo di flusso secondo la forma geometrica predice il flusso dell'aerosol e lo valuta come un dispositivo testabile.
2. Disegno della camera con colonne di 4 fasi x 12, 48 porte in totale, dove il nucleo è diviso in una torre interna ed esterna, come descritto in Figura 1B.
   Nota: Ogni fase ha 12 porte di esposizione per l'immissione di animali da esperimento. Soddisfare la raccomandazione suggerita dal documento di orientamento di OCSE (GD) 39⁶.
3. Per l'esposizione di singolo-concentrazione, posizionare la piastra di miscelazione nella parte superiore della Torre interna per mescolare il materiale di prova e assicurare una concentrazione uniforme tra le fasi. Per l'esposizione multiconcentration, separare la Torre interna in quattro fasi e concentrazioni di esposizione da un disco di separazione.
   Nota: La piastra di miscelazione

2. preparazione della valutazione sperimentale

1. Camera
   1. Dividere la sezione in tre parti: l'ingresso, guaina e scarico, come mostrato nel diagramma schematico (Figura 2).
      Nota: L'ingresso è dove l'aerosol sfocia la camera interna e la guaina è lo spazio tra le torri interne ed esterne per il flusso di aria supplementare.
   2. Alimentazione l'aerosol (o articolo di prova) alla Torre interna e animali da esperimento, mentre l'espirazione dagli animali che contiene eccedenza aerosol fuoriesce attraverso lo scarico insieme con l'aria di guaina.
      Nota: I possessori di animali sono chiuse e vuote.
   3. Mantenere la pressione interna della costante camera utilizzando un ventilatore e inverter, come la pressione interna plenum è controllata dal flusso d'aria di guaina.
   4. Progettare attrezzature per misurare l'uniformità della concentrazione di aerosol (o articolo) di prova nella camera di miscelazione, situata di fronte la camera di esposizione solo naso in caso di esposizione di singolo-concentrazione.
      Nota: L'uniformità di aerosol di prova può essere valutata dalla sua distribuzione di concentrazione e la dimensione del numero di particella. Campioni di concentrazione individuale camera dovrebbero deviare dalla concentrazione media camera da non più di ± 10% per gas e vapori e da non più di ± 20% per aerosol liquido o solido^{4,5,6,7 ,8}. Così, quando le particelle di prova non sono costanti, il flusso di aerosol può essere aggirato attraverso la ventola di scarico.
   5. Controllare le perdite verificare l'affidabilità del test e garantire sicurezza confermando un sistema chiuso con ± 500 Pa che viene mantenuto per 30 min.
      Nota: La dispersione può essere verificata da bolle di sapone.
2. Monitoraggio e controllo ambientale
   1. Impostare la velocità di afflusso totale dell'aerosol (single/multi) e guaina aria a 48 L/min o 44 L/min (singolo o multi, rispettivamente) e 20 L/min, rispettivamente e mantenere costante la pressione interna della camera al −100 Pa nelle impostazioni di controllo dell'interfaccia utente.
   2. Mantenere la temperatura e l'umidità a 23 ° C e 45%, rispettivamente. Utilizzare un umidificatore per controllare l'umidità dell'aria dell'esposizione.
   3. Eseguire un esperimento in un ambiente isotermico-isohumidity-controllato per conformarsi l'OECD inalazione tossicità orientamenti^4,6,7,8.
3. Misurazione di uniformità del flusso
   1. Alimentazione 48 L/min aria pulita alla camera di inalazione attraverso un rifornimento di aria pulita, tra cui un filtro HEPA controllato da un regolatore di portata massica (MFC).
      Nota: L'aria pulita viene fatta dopo filtrandolo con un filtro HEPA.
   2. Stabilizzare il flusso utilizzando la camera di miscelazione in caso di esposizione di singolo-concentrazione.
   3. Allegare un ugello di alimentazione ad una porta che inietta aria fresca controllo o l'aerosol di prova (o articolo) in caso di esposizione multiconcentration.
   4. Misurare la velocità di flusso per porta utilizzando un misuratore di flusso.
4. Generazione di particelle
   1. Generare le nanoparticelle di NaCl utilizzando un atomizzatore di cinque-jet per valutare il disegno della camera di inalazione.
      Nota: Utilizzare una soluzione di NaCl 0.1%wt per generare le nanoparticelle di NaCl.
   2. Regolano la MFC per controllare la quantità di produzione a 48 L/min dell'aerosol NaCl miscelati aria nella concentrazione singola e a 12 L/min di NaCl aerosol-misto aria nella multiconcentration ogni quattro fasi.
      Nota: Ogni porta della camera solo naso riceve 1 L/min (cioè, 48 porte/naso-solo camera (quattro stadi); 48 porte/quattro stadi; 12 porte/fase).
   3. Fornire aria pulita per la diluizione nel bypass.
      Nota: Il diametro mediano di conteggio e la deviazione standard geometrica delle nanoparticelle di NaCl sono raggiungibili 76 nm e 1.4 mantenere, rispettivamente.
5. Misurazione dell'uniformità della particella
   1. Misurare la distribuzione granulometrica di NaCl nanoparticelle emesse dagli ugelli iniezione utilizzando un scansione sizer di particella di mobilità (SMPS) è composto da un analizzatore di mobilità differenziale (DMA) e un contatore di particelle di condensazione (CPC).
   2. Utilizzare un neutralizzatore di aerosol Am per rimuovere la carica statica delle particelle e ridurre la deposizione di particelle di legno sulle pareti, migliorando così l' efficienza di misura¹⁸.
   3. Mantenere il rapporto dell'aerosol e portata d'aria del DMA del fodero alle 01:10 di mantenere il tasso di flusso di aerosol e portata dell'aria di guaina a 1 L/min e 10 L/min, rispettivamente.

3. prova di uniformità di flusso di

1. Esposizione multi-concentrazione
   1. Impostare la velocità di flusso degli ugelli di iniezione fornendo aria pulita a 11 L/min attraverso l'ingresso di aerosol. 11 Selezionare porta ugelli per ciascuno le quattro fasi.
   2. Misura della portata per collegare il misuratore di portata all'ugello selezionato.
   3. Ripetere il punto 3.1.2 3x per verificare la riproducibilità.
2. Esposizione singola-concentrazione
   1. Impostare la velocità di flusso degli ugelli di iniezione fornendo aria pulita a 48 L/min attraverso l'ingresso di aerosol. Selezionare casualmente 24 ugelli porta tra le 48 porte. Misura 3 x per verificare la riproducibilità.

4. test di omogeneità delle particelle di

1. Esposizione multiconcentration
   1. Impostare la distribuzione granulometrica degli ugelli di iniezione fornendo le particelle generate a 11 L/min attraverso l'ingresso di aerosol (fare questo come descritto nella sezione 2).
   2. Scelti a caso sei ugelli porta tra le quattro fasi; misura 3 x per verificare la riproducibilità.
2. Esposizione singola-concentrazione
   1. Impostare la distribuzione granulometrica degli ugelli di iniezione fornendo aria pulita a 28 L/min, per un totale di 48 L/min attraverso l'ingresso di aerosol (come descritto in 2.4 e 2.5) e le particelle generate a 20 L/min.
   2. Selezionare casualmente sei ugelli porta tra le quattro fasi.
   3. Misurare la concentrazione di particelle, per collegare il SMPS all'ugello selezionato.
   4. Ripetere il punto 4.2.3 3x per verificare la riproducibilità.

5. la contaminazione incrociata prova

1. Mettere le tre fasi in caso di esposizione multiconcentration.
2. Collegare due generatori con concentrazioni di soluzione diversa e una linea di aria pulita per le tre fasi rispettive.
3. Impostare la distribuzione granulometrica degli ugelli di iniezione fornendo le particelle generate e aria pulita a 11 L/min attraverso l'ingresso di aerosol (come descritto in 2.4 e 2.5).
4. Selezionati in modo casuale un ugello porta da tutte le tre fasi.
5. Misurare la concentrazione di particelle, per collegare il SMPS alla porta selezionata.
6. Ripetere i passaggio 5.5 x 15 per verificare la riproducibilità.

Risultati

Set-up sperimentale

La figura 1 Mostra un diagramma schematico di un sistema di camera di inalazione solo naso, tra cui un generatore di particelle con MFC, naso-solo camera e strumento di misurazione delle particelle per il monitoraggio della qualità dell'aria, controller e scarico modulo, basato su sezione 2 del protocollo.

Progettazione di a...

Discussione

Test di tossicità per inalazione è attualmente il metodo migliore per valutare materiali aerosolizzati (particelle e fibre), vapori e gas inalato dall'apparato respiratorio umano^14,15. Ci sono due metodi di esposizione di inalazione: corpo intero e solo naso. Tuttavia, un sistema solo naso riduce al minimo l'esposizione rotte noninhalation, come la pelle e gli occhi e consente di effettuare test con quantità minime di articolo di prova, che lo rende il metodo ...

Materiali

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