Desenvolvimento de uma câmara de teste de toxicidade de inalação somente nariz que fornece quatro concentrações de exposição de partículas nanométricas

Resumo

Uma câmara de toxicidade de inalação somente nariz capaz de testar a toxicidade de inalação em quatro concentrações de exposição diferente foi desenhada e validada para a uniformidade do campo de fluxo e a contaminação cruzada entre os portos de exposição para cada concentração. Aqui, apresentamos um protocolo para confirmar que a câmara projetada é eficaz para testes de toxicidade de inalação.

Resumo

Usando uma análise numérica baseada no computarizados dinâmica dos fluidos, uma câmara de toxicidade de inalação somente nariz com quatro concentrações diferentes de exposição é projetada e validada para a uniformidade do campo de fluxo e a contaminação cruzada entre os portos de exposição para cada concentração. Os valores de campo de fluxo projetado são comparados com os valores de medição de exposição portas localizados horizontalmente e verticalmente. Para este efeito, partículas de cloreto de sódio nanoescala são geradas como teste de partículas e apresentou à câmara de inalação para avaliar a contaminação cruzada e a concentração de manutenção entre as câmaras, para cada grupo de concentração. Os resultados indicam que a câmara de inalação multiconcentration projetado pode ser usada na toxicidade de inalação animais testes sem contaminação cruzada entre grupos de concentração. Além disso, a câmara de toxicidade de inalação multiconcentration projetado também pode ser convertida em uma câmara de inalação de single-concentração. Testes suplementares com gás, vapor orgânico ou não-nanoescala partículas irão garantir o uso da câmara no teste de inalação de outros artigos de teste.

Introdução

Testes de toxicidade de inalação são o método mais confiável para avaliar os riscos de agentes químicos, partículas, fibras e nanomateriais^1,2,3. Assim, mais agências reguladoras exigem a apresentação de toxicidade por inalação por dados de teste, quando a exposição a produtos químicos, partículas, fibras e nanomateriais é via inalação^{4,5,6,7 ,8}. Atualmente, existem dois tipos de sistemas de toxicidade de inalação: exposição de corpo inteiro e nariz somente sistemas. Um sistema de teste de toxicidade por inalação padrão, todo o corpo ou somente nariz, requer pelo menos quatro câmaras para expor animais como ratos e camundongos para quatro diferentes concentrações, ou seja, controle de ar fresco e concentrações baixa, moderada e alta^{7 , 8}. a organização para cooperação econômica e desenvolvimento (OCDE) teste diretrizes sugerem que a concentração alvo selecionado deverá permitir a identificação dos órgãos (com o alvo) e demonstração de uma resposta clara concentração^{7 ,8}. O nível de alta concentração deve resultar em um nível claro de toxicidade, mas não causar mortalidade ou sinais persistentes que podem levar à morte ou evitar uma avaliação significativa do resultados^7,8. Realizável nível ou alta concentração máxima dos aerossóis pode ser alcançada ao mesmo tempo atender o padrão de distribuição de tamanho de partícula. O nível de concentração moderada deve ser espaçado para produzir uma gradação de efeitos tóxicos entre aquele de baixa e alta concentrações^7,8. O nível de baixa concentração, que de preferência seria um NOAEC (concentração não observado-efeitos adversos), deve produzir pouco ou nenhum sinal de toxicidade^7,8. Câmara de corpo inteiro expõe os animais em uma condição de desenfreada em gaiolas com fio, enquanto a nariz somente câmara expõe um animal em uma condição contido no tubo confinado. A contenção impede a perda de aerossol por vazamento em torno do animal. Devido ao grande volume da câmara de corpo inteiro, requer um grande número de artigos do teste para ser exposto aos animais experimentais, enquanto o sistema de retenção do tubo no sistema de exposição somente nariz dificulta a circulação de animais e pode causar desconforto ou asfixia. No entanto, as orientações da OCDE inalação toxicidade teste reguladoras preferem o uso de inalação somente nariz sistemas^4,5,6,7,8.

No entanto, acomodando um sistema de quatro câmaras, ou todo o corpo ou somente de nariz, é caro, espaço-consumindo e requer um sistema de limpeza e circulação de ar interno. Além disso, um sistema de quatro câmaras também pode exigir geradores de artigo de teste separado para expor os animais para as concentrações desejadas e um aparelho de medição separada para monitorar as concentrações de artigo de teste. Portanto, desde testes de toxicidade de inalação padrão envolve um investimento significativo, um sistema de exposição de corpo inteiro ou somente nariz mais conveniente e econômico precisa ser desenvolvido para uso em instalações de pequena investigação. Durante a criação de uma câmara de inalação, fluidos computacional, Modelagem dinâmica (CFD) é também frequentemente usada para atingir a partícula, gás ou vapor uniformidade^{9,10,11,12,13} . Avaliação por análise numérica e validação de resultados experimentais já foi realizados para a câmara de exposição de corpo inteiro para ratos¹⁰. Por exemplo, a trajetória de fluxo e partículas do ar ter sido modelada usando CFD, e a uniformidade de distribuição de partículas foi medida em nove partes do corpo inteiro câmara¹⁰. Além disso, a câmara somente nariz foi avaliada por análise numérica por CFD¹³. Depois disso, foi realizada avaliação para a câmara de exposição somente nariz, comparando os resultados da análise numérica, com um estudo experimental utilizando nanopartículas¹³.

Este estudo apresenta um sistema de câmara de inalação somente nariz que pode expor os animais experimentais para quatro diferentes concentrações em uma câmara. Inicialmente concebido usando CFD e uma análise numérica, o sistema proposto é comparado com um estudo experimental utilizando partículas de cloreto de sódio nanoescala para validar a uniformidade e a contaminação cruzada. Os resultados aqui apresentados indicam que a câmara somente nariz apresentada que pode expor os animais de quatro diferentes concentrações pode ser usada para estudos de exposição de animais em pequena escala acadêmico e instalações de pesquisa. A análise numérica é definida da seguinte maneira, da mesma forma como a definição de experimento. Para single-concentração exposição, o fluxo de aerossol para a torre interior é definido como 48 L/min e o fluxo de bainha para a torre exterior é definido como 20 L/min. Para a exposição de multiconcentration, o fluxo de aerossol para a torre interna de entrada é 11 L/min para cada fase. A pressão diferencial de saída mantém-se em -100 Pa para manter um bom fluxo de exaustão e impedir o escapamento. Supor que os detentores de animais são fechados e vazio.

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Protocolo

1. análise numérica métodos

1. Realizar a análise do campo de fluxo no interior da câmara de acordo com a forma geométrica, conforme descrito na Figura 1 e tabela 1¹⁴.
   Nota: Uma análise numérica do campo de fluxo de acordo com a forma geométrica prevê o fluxo do aerossol e avalia-lo como um dispositivo testável.
2. Projeto da câmara com colunas de 4 estágios x 12, 48 portas no total, onde o núcleo é dividido em uma torre de interior e exterior, como descrita na figura 1B.
   Nota: Cada fase tem 12 portas de exposição para a colocação dos animais experimentais. Satisfazer a recomendação sugerida pelo documento de orientação da OCDE (GD) 39⁶.
3. Para a exposição de single-concentração, coloque a placa de mistura no topo da torre interna para misturar o material de teste e garantir uma concentração uniforme entre os estágios. Para a exposição multiconcentration, separe a torre interna em quatro estágios e concentrações de exposição por um disco de separação.
   Nota: A placa de mistura

2. preparação da avaliação experimental

1. Câmara
   1. Dividir a câmara em três partes: a entrada, bainha e escape, conforme mostrado no diagrama esquemático (Figura 2).
      Nota: A entrada é onde o aerossol flui para a câmara interna, e a bainha é o espaço entre as torres de interiores e exteriores para fluxo de ar extra.
   2. O aerossol (ou teste artigo) à torre interior e animais experimentais, enquanto a exalação de animais que contém excedente aerossol flui para fora através de gases de escape, juntamente com o ar de bainha de abastecimento.
      Nota: Os detentores de animais são fechados e vazio.
   3. Manter a pressão interna da constante câmara usando um ventilador e um inversor, como a pressão interna do plenário é controlada pelo fluxo de ar a bainha.
   4. Equipamento para medir a uniformidade da concentração de aerossóis (ou artigo) de teste na câmara de mistura, localizada em frente à câmara de exposição nariz somente no caso de exposição single-concentração de design.
      Nota: A uniformidade do aerossol de teste pode ser avaliada pela sua distribuição concentração e tamanho número de partícula. Amostras de concentração individual câmara devem desviar a concentração média de câmara por não mais do que ± 10% para gases e vapores e por não mais do que ± 20% para aerossóis líquidos ou sólidos^{4,5,6,7 ,8}. Assim, quando as partículas de teste não são constantes, o fluxo de aerossol pode ser ignorado através do exaustor.
   5. Verifique se há vazamentos verificar a confiabilidade do teste e garantir a segurança, confirmando um sistema fechado com ±500 Pa que é mantido por 30 min.
      Nota: O escapamento pode ser verificado por bolhas de sabão.
2. Monitoramento e controle ambiental
   1. Definir a taxa de afluência total do aerossol (single/multi) e bainha ar para 48 L/min ou 44 L/min (single ou multi, respectivamente) e 20 L/min, respectivamente e manter a pressão interna da câmara constante no Pa de −100 nas configurações de controle da Interface do usuário.
   2. Manter a temperatura e a umidade a 23 ° C e 45%, respectivamente. Use um humidificador para controlar a humidade do ar de exposição.
   3. Realizar um experimento em um ambiente controlado isothermal-isohumidity para dar cumprimento a OECD inalação toxicidade diretrizes^4,6,7,8.
3. Medição do fluxo de uniformidade
   1. Fornece ar limpo de 48 L/min para a câmara de inalação através de um suprimento de ar limpo, incluindo um filtro HEPA, controlado por um controlador de fluxo de massa (MFC).
      Nota: O ar limpo é feito após a filtragem com um filtro HEPA.
   2. Estabilize o fluxo usando a câmara de mistura em caso de exposição single-concentração.
   3. Anexe um bocal de abastecimento para uma porta que injeta ar fresco ou o aerossol de teste (ou artigo) no caso da exposição multiconcentration.
   4. Medir a velocidade de fluxo por porta usando um medidor de fluxo de massa.
4. Geração de partículas
   1. Gere as nanopartículas de NaCl usando um cinco-jato atomizador para avaliar o projeto de câmara de inalação.
      Nota: Use uma solução de NaCl de 0.1%wt para gerar as nanopartículas de NaCl.
   2. Regular o MFC para controlar a quantidade de produção a 48 L/min do aerossol de NaCl misturado ar na concentração única e a 12 L/min do NaCl aerossol-misto de ar a multiconcentration todos os quatro estágios.
      Nota: Cada porta da câmara somente nariz recebe 1 L/min (i.e., 48 portas/nariz-somente câmara (quatro estágios); 48 portas/quatro estágios; 12 portos/estágio).
   3. Fornece ar limpo para diluição no bypass.
      Nota: O diâmetro mediano de contagem e desvio-padrão geométrico de nanopartículas de NaCl encontram 76 nm e 1.4 mantém, respectivamente.
5. Medição de uniformidade das partículas
   1. Medir a distribuição de tamanho de partícula do NaCl nanopartículas emitidas a partir os bicos injetores usando uma varredura dimensionador de partícula de mobilidade (SMPS) são compostas por um analisador diferencial mobilidade (DMA) e um contador de partículas de condensação (CPC).
   2. Use um neutralizador de aerossol de Am para remover a carga estática das partículas e reduzir a deposição de partículas nas paredes, melhorando assim a eficiência de medição¹⁸.
   3. Manter a relação entre o aerossol e bainha de caudal de ar de DMA em 01:10 para manter a taxa de fluxo do aerossol e a taxa de fluxo de ar de bainha em 1 L/min e 10 L/min, respectivamente.

3. teste de uniformidade de fluxo

1. Exposição de concentração multi
   1. Defina a velocidade de fluxo dos bicos de injeção através do fornecimento de ar limpo a 11 L/min através da entrada do aerossol. 11 Selecione porta bocais para cada quatro estágios.
   2. Medir a taxa de fluxo para conectar o medidor de vazão ao bocal do selecionado.
   3. Repita a etapa 3.1.2 3 x para verificar a reprodutibilidade.
2. Exposição individual-concentração
   1. Defina a velocidade de fluxo dos bicos de injeção através do fornecimento de ar limpo em 48 L/min através da entrada do aerossol. Selecione aleatoriamente 24 bicos de porta entre as 48 portas. Medida 3 x para verificar a reprodutibilidade.

4. teste de uniformidade de partículas

1. Exposição multiconcentration
   1. Defina a distribuição de tamanho de partícula dos bicos injetores, fornecendo as partículas geradas em 11 L/min através da entrada de aerossol (faça isso como descrito na secção 2).
   2. Selecionados aleatoriamente seis bocais de porta entre os quatro estágios; medida 3 x para verificar a reprodutibilidade.
2. Exposição individual-concentração
   1. Defina a distribuição de tamanho de partícula dos bicos injetores, fornecendo as partículas geradas em 20 L/min e ar puro a 28 L/min, perfazendo um total de 48 L/min através da entrada de aerossol (conforme descrito em 2.4 e 2.5).
   2. Selecione aleatoriamente seis bocais de porta entre os quatro estágios.
   3. Medir a concentração de partículas, para conectar o SMPS ao bocal do selecionado.
   4. Repita a etapa 4.2.3 3 x para verificar a reprodutibilidade.

5. teste contaminação cruzada

1. Conjunto de três estágios, no caso da exposição multiconcentration.
2. Conecte dois geradores com concentrações diferentes de solução e uma linha de ar limpo para as três etapas respectivas.
3. Defina a distribuição de tamanho de partícula dos bicos injetores, fornecendo as partículas geradas e ar puro em 11 L/min através da entrada de aerossol (conforme descrito em 2.4 e 2.5).
4. Selecionado aleatoriamente um bocal porta de todas as três fases.
5. Medir a concentração de partículas, para conectar o SMPS para a porta selecionada.
6. Repita o passo 5.5 x 15 para verificar a reprodutibilidade.

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Resultados

Montagem experimental

A Figura 1 mostra um diagrama esquemático de um sistema de câmara de inalação somente nariz, incluindo um gerador de partículas com um MFC, câmara somente nariz e instrumentos de medição de partículas para o monitoramento da qualidade do ar, controlador e módulo de escape, baseado no secção 2 do protocolo.

Proje...

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Discussão

Testes de toxicidade de inalação é atualmente o melhor método para avaliar materiais aerossol (partículas e fibras), vapores e gases inalados pelo sistema respiratório humano^14,15. Existem dois métodos de exposição por inalação: todo o corpo e nariz somente. No entanto, um sistema único nariz minimiza a exposição por rotas noninhalation, tais como pele e olhos e permite testar com quantidades mínimas do artigo de teste, tornando-se o método prefer...

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Materiais

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