Todo o corpo de nanopartículas de aerossóis exposições por inalação

Resumo

A inalação de nanopartículas de aerossóis facilidade de exposição de corpo inteiro foi construído para o dióxido de titânio nano-sized (TiO ₂) Estudos de toxicologia de inalação. Este sistema proporciona nano-TiO ₂ Atmosferas de teste de aerossol que têm: 1) uma concentração de equilíbrio de massa, 2) uma composição homogénea livre de contaminantes, e 3) uma distribuição de tamanho de partícula estável durante a geração de aerossol.

Resumo

A inalação é a via de exposição mais provável para as pessoas que trabalham com aerosolizable engenharia nano-materiais (ENM). Para executar correctamente nanopartículas estudos de toxicologia de inalação, os aerossóis na câmara de um invólucro dos animais experimentais que deve ter: 1) uma concentração constante mantido a um nível desejado para o período de exposição de todo, 2) uma composição homogénea livre de contaminantes, e 3) um estábulo distribuição de tamanho com um diâmetro médio geométrico <200 nm, e um desvio padrão geométrico σ _g <2.5 ^5. A geração de aerossóis contendo nanopartículas é um grande desafio, porque as nanopartículas facilmente aglomerado. Isto é principalmente devido às fortes forças inter-partículas e a formação de grandes estruturas fractal em dezenas ou centenas de micra de tamanho ^6, que são difíceis de ser cindida. Vários geradores de aerossóis comuns, incluindo nebulizadores, camas fluidizado, Venturi aspiradores ea alimentação poeira Wright, quenovamente testado, no entanto, nenhuma delas foi capaz de produzir aerossóis de nanopartículas que satisfazem todos os critérios ^5.

Um sistema de exposição de corpo inteiro de nanopartículas inalação de aerossóis foi fabricado, validado e utilizado para nano-TiO ₂ estudos de toxicologia de inalação. Componentes críticos: 1) romance _nano-TiO2 gerador de aerossol, 2) 0,5 m ³ corpo inteiro da câmara exposição por inalação, e 3) do monitor e sistema de controle. Nano-TiO ₂ aerossóis gerados a partir de massa seca de nano-TiO ₂ em pó (diâmetro principal de 21 nm, a densidade de 3,8 g / cm ³⁾ foram entregues na câmara de exposição, com um caudal de 90 LPM (10,8 mudanças de ar / h) . Perfis de concentração de distribuição de tamanho de partículas e massa foram medidos continuamente com uma mobilidade de varredura de partículas sizer (SMPS), e um pêndulo de baixa pressão elétrica (ELPI). A concentração de massa de aerossóis (C) foi verificada por gravimetria (mg / m ^3). A massa (M) De partículas recolhidas foi determinada como M = (M-M _{pós pré-),} onde M e M _{pré pós} são massas de filtro antes e após a amostragem (mg). A concentração de massa foi calculada como C = M / (Q * t), onde Q é a amostragem de caudais (m ³ / min), e t é o tempo de amostragem (minuto). A pressão da câmara, temperatura, umidade relativa (UR), O ₂ e concentrações de CO ₂ foram monitorados e controlados de forma contínua. Nano-TiO ₂ aerossóis recolhidas em filtros Nuclepore foram analisadas com um microscópio eletrônico de varredura (MEV) e análise de raios-X de energia dispersiva (EDX).

Em resumo, informamos que os aerossóis nano-partículas gerada e entregue à nossa câmara de exposição tem-se: 1) concentração de massa constante, 2) composição homogênea livre de contaminantes, 3) distribuição de tamanho de partículas estáveis ​​com uma aerodinâmica contagem mediananâmico diâmetro de 157 nm durante a geração de aerossol. Este sistema confiável e repetidamente cria ambientes de testes que simulam, ENM exposições ocupacionais aerossóis ambientais ou doméstica.

Protocolo

Os procedimentos operacionais de todo o corpo por inalação de nanopartículas de exposição passo-a-passo são descritas a seguir.

Nota: 1) os passos 1 e 3 deve ser realizado em um exaustor, 2) os operadores devem usar equipamento de protecção pessoal adequado (respiradores, óculos de proteção e luvas de borracha).

1. Condicionado TiO ₂ nanopartículas pós secos

1. Coloque _nano-TiO2 em pó em um recipiente não transparente.
2. Deixe a tampa do recipiente aberto.
3. Coloque o recipiente em um secador secar por pelo menos 24 horas para o condicionamento.

2. Aquecendo Aquisição de Dados e Sistema de Controle, SMPS e ELPI e todos os transdutores

1. Ligue o monitoramento do ar e sistema de aquisição de dados e interruptores para SMPS monitoramento de aerossóis (TSI Inc., Shoreview, MN) e elpi (Dekati, Tampere, Finlândia), e aquecer os sistemas por pelo menos 1 hora.
2. Ligue o aparelhointerruptores em todos os transdutores para aquecê-los por pelo menos 1 hora.

3. Carregando TiO ₂ Nanopartículas de pós secos em geradores de aerossóis

1. Abra as tampas dos cilindros sobre os geradores de aerossóis, e substituir os filtros nos geradores de aerossóis. Nota: Um gerador de aerossol possui um cilindro. O número de geradores de aerossol para ser usado depende da concentração desejada massa das partículas na câmara de exposição.
2. Pesar ~ 4 g _nano-TiO2 em pó e carregá-los em cada cilindro.
3. Substituir as tampas de cilindro.
4. Todas as áreas suspeito de TiO ₂ contaminação deve ser molhado apagado.

4. Conectando geradores de aerossóis para inalação câmara de exposição

1. Ligação todas as saídas dos geradores de aerossóis, através de um colector para um separador de ciclone, que está na entrada da câmara de inalação de exposição (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Alemanha).
2. Ligação de ar comprimido tubulação paraos dispersores Venturi nos geradores de aerossóis.

5. Conectando Monitoramento do Ar e aerossol Inlets amostragem para a câmara de exposição Inalação

1. Ligação de temperatura e umidade relativa (UR), pressão, O ₂ e CO ₂ sensores fornecidos por sistemas TSE para testar portas monitorização da atmosfera na câmara de exposição por inalação.
2. Ligação à entrada de um diluidor de aerossol a uma das portas de amostragem do aerossol na câmara de exposição por inalação, e, em seguida, ligar a sua saída para a entrada do ELPI.
3. Ligação SMPS para uma das portas de amostragem do aerossol na câmara de exposição por inalação.
4. Ligação de entrada de um monitor de concentração de partículas (Sistemas TSE) para uma das portas de amostragem do aerossol na câmara de exposição.
5. Pesar filtro de membrana PTFE (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) e carregá-filtro em um suporte de filtro de aço inoxidável (produtos In-Tox, Moriarty Nm).
6. Ligação a entrada deo suporte do filtro de aço inoxidável com um filtro previamente pesado para uma das portas de amostragem do aerossol na câmara de exposição por inalação, e ligar a sua saída a uma bomba de amostragem.

6. Ative Sistemas de Aquisição de Dados

1. Software Activate ELPI aquisição de dados, ELPIVI, verifique os parâmetros de configuração, e ligue a bomba de descarga para ~ 5 min e em seguida zerar o ELPI. Concentração de pré-exposição Record.
2. Ativar o software de aquisição de dados SMPS. Concentração de pré-exposição Record.
3. Software Activate, Daco (TSE Systems), para monitorar e controlar o fluxo de ar, a temperatura ea pressão da câmara de RH, temperatura & RH, O ₂ e CO _2.

7. Animais Experimentais carregando na câmara de exposição Inalação

1. Pesar os animais experimentais.
2. Marque os animais experimentais e gaiolas para que os animais podem ser colocados de volta nas mesmas jaulas após a exposição se needed.
3. Abra a porta da câmara de inalação de exposição, os animais experimentais e carregar nas gaiolas com fio.
4. A água pode ser fornecida aos animais.
5. Feche e prenda a porta da câmara de exposição por inalação.
6. Frequentemente observar animais através das janelas de observação da câmara de exposição para sinais de sofrimento. Os animais devem estar relaxados e se comportando normalmente. Pare a exposição se rápida / dificuldade para respirar, a aparência anormal, alterações posturais ou imobilidade são observados. Retire os animais, devolvê-los às suas gaiolas originais, entre em contato frequentar veterinário e / ou iniciar apropriado Institutional Animal Care e do Comitê Use procedimentos.

Nota: Os operadores devem usar equipamentos de proteção individual ao executar passos 8,7, 8,8 e 8,17.

8. Expor Pequenos Animais de aerossóis de nanopartículas

1. Ligar a bomba de vácuo de exaustão da câmara de inalação.
2. Executar o software de aquisição de dados, Daco, de: a) fornecimento de ar seco e filtrou-se para a câmara de exposição, b) controlar a pressão na câmara de exposição, e c) recolher os dados de exposição ao ambiente, tais como pressão, temperatura, RH, ó ₂ e CO _2.
3. Estabelecer uma pressão ligeiramente negativa (set point = -0,2 mbar) na pressão da câmara.
4. Ligue os geradores de aerossóis.
5. Executar ELPI e software de aquisição de dados SMPS para monitorar continuamente tamanho das partículas e concentração de massa relativa na câmara de exposição por inalação.
6. Quando a concentração de aerossol é estável, ou seja, o perfil de concentração no monitor ELPI chegou planalto (Normalmente: isso leva 20 min após os geradores de aerossóis estão em operação), configure o tempo de amostragem (por exemplo, 1 hr) e ligue a amostragem de aerossol bombear para coletar amostra representativa de nanopartículas com filtros.
7. Uma vez atingido o tempo de amostragem, remova os filtros e conecte o sampling portas com tampões de borracha para evitar que materiais de teste a partir de escapar da câmara de exposição.
8. Pesar os filtros, e calcular a concentração de massa médio na câmara de exposição, tal como descrito acima.
9. Se a concentração média é a concentração alvo, ajustar manualmente o fluxo de ar nos geradores para assegurar a concentração alvo seja atingida.
10. Calcular a deposição das partículas nos pulmões de animais como D = C x V _m XTX F _r, onde D = Dose, C = concentração de massa média de material de teste, V _m = volume minuto, t = tempo de exposição, e F _r = fracção de material que é depositado ou absorvido.
11. Substituir os filtros nos suportes de filtros com filtros limpos, pré-ponderados, e repita os passos 8.6 e 8.8.
12. Com base na concentração da massa real na câmara de exposição e deposição de partículas-alvo nos pulmões de animais, estimar o exp restantetempo osure como, t _permanecer = (D _alvo-D) / (C x V _m x F _r), onde _permanecem t = permanecer duração da exposição, D = Dose _alvo segmentado, C = concentração média em massa de material de teste, V _m = Volume minuto, _r F = fracção de material que é depositado ou absorvido.
13. Desligue o gerador de aerossol, quando t _permanecem é atingido.
14. Antes de retirar os animais a partir da câmara de exposição, lave a câmara de inalação com o ar filtrado até que a concentração de partículas indicado no monitor está perto da concentração de partículas de pré-exposição da câmara.
15. Desligue a bomba de vácuo de exaustão da câmara.
16. Pare de software de aquisição de dados, Daco.
17. Após a exposição, observar os animais para verificar a respiração normal e comportamento, e documento que nenhum outro estudo complicações exist. Se corrimento nasal, dificuldades respiratórias ou outras complicações bem-estar animal são observados, entre em contato frequentar veterinário e / ou iniciar apropriado Institutional Animal Care e do Comitê Use procedimentos.
18. Pare ELPI e software de aquisição de dados SMPS.

9. Criando Relatório de Ensaio

9.1 Condições de ensaio incluem

1. Descrição do sistema de geração de aerossol e os seus parâmetros operacionais utilizados no presente ensaio.
2. Descrição do aparelho de exposição incluindo projecto, tipo, dimensões e seus parâmetros operacionais utilizados durante a exposição.
3. Equipamento para a medição de temperatura, a humidade, tamanho de partícula, e a concentração real.
4. Tratamento do ar de exaustão e do método de abrigar os animais na câmara de ensaio, quando utilizado.

9.2 Dados atmosfera de exposição incluem

1. Taxas de fluxo de ar através do equipamento de inalação.
2. Temperatura e umidade deo ar.
3. Actual concentração (analítica ou gravimétrica) na zona de amostragem aerosol que é perto das gaiolas dos animais.
4. Distribuição de tamanho de partículas, e calculou contagem média de diâmetro aerodinâmico e o desvio padrão geométrico.
5. Explicação para a concentração câmara pretendida e / ou tamanho de partícula não poderia ser alcançado (se aplicável), e os esforços levados para cumprir estes aspectos das orientações.

9.3 Outras

1. Um pouco de pressão negativa na sala de inalação contendo facilidade deve ser mantida para evitar que materiais de teste de escapar laboratório exposição por inalação.
2. Limpe a câmara de exposição diária para eliminar as influências dos dejetos animais.
3. ELPI, SMPS e outros instrumentos devem ser limpos e calibrados com base nos manuais do usuário.

Resultados

Um estudo de inalação tipicamente envolve a manutenção de um animal experimental, por um ambiente de teste é conhecida e constante, mas expondo o animal experimental para uma concentração definida de um material de teste ^8,9. O sistema de inalação de nanopartículas de corpo inteiro é mostrado na Figura 1. A câmara de corpo inteiro foi operado numa base de fluxo dinâmico, onde havia um fluxo contínuo de 90 LPM de ar através da câmara. Este fluxo de ar fornecido 10,8 trocas de a...

Discussão

Reunimos e aqui descrito em um sistema de corpo inteiro de nanopartículas aerosol inalação de exposição. A funcionalidade do sistema foi validado com nanopartículas de técnicas de caracterização de aerossóis state-of-the-art. Com um novo sistema de geração de aerossol de nanopartículas, este sistema de inalação pode fornecer um bem caracterizado, nanopartículas atmosfera de ensaio aerossol controlada e uniforme com a temperatura relativamente consistente, a humidade, o fluxo de ar, e o teor de oxigénio ...

Materiais

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