Разработка нос только ингаляционной токсичности испытательной камеры, что обеспечивает четыре экспозиции концентрации нано размера частиц

Резюме

Нос только ингаляционной токсичности камеры способны испытаний ингаляционной токсичностью в четырех различных воздействия концентрации был разработан и апробирован для равномерности потока поля и перекрестного загрязнения между портами воздействия для каждой концентрации. Здесь мы представляем протокол для подтверждения, что разработанные камеры является эффективным для ингаляционной токсичности тестирования.

Аннотация

Используя численный анализ, основанный на компьютерной гидродинамики, нос только ингаляционной токсичности камере с четырех различных воздействия концентраций разработаны и проверены для равномерности потока поля и перекрестного заражения среди экспозиции портов для каждого концентрация. Значения полей разработан потока сравниваются с измеренными значениями от воздействия портов, расположенных горизонтально и вертикально. Для этой цели наноразмерных частиц натрия хлорида генерируются как тест частиц и представил в ингаляции камеру для оценки загрязнения и концентрации обслуживания среди камер, для каждой группы концентрации. Результаты показывают, что разработанные multiconcentration ингаляции палата может использоваться в животных ингаляционной токсичности, тестирование без перекрестного заражения среди групп концентрации. Кроме того разработан multiconcentration ингаляционной токсичности камеры также может быть преобразован в камере сингл концентрация ингаляции. Дальнейшие испытания с газом, органических паров или не наноразмерных частиц обеспечит использование камеры в тестировании вдыхание других статей теста.

Введение

Ингаляционная токсичность тестирование является наиболее надежным методом для оценки рисков химических агентов, частицы, волокон и наноматериалов^1,2,3. Таким образом наиболее регулирующие органы требуют представления ингаляционной токсичности проверочных данных, когда воздействие химических веществ, частицы, волокон и наноматериалов через вдыхание^{4,5,6,7 ,8}. В настоящее время существует два типа систем ингаляционной токсичности: облучения всего тела и нос только систем. Стандартный ингаляционной токсичности тест системы, всего тела или только для носа, требует по крайней мере четырех камер подвергать животных, таких как крыс и мышей до четырех различных концентраций, а именно управления свежего воздуха и низкой, средней и высокой концентрации^{7 , 8}. Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) теста, руководящие принципы показывают, что концентрации отдельных целевых должны позволить выявление целевой органа(ов) и демонстрации ответа четкого концентрации^{7 ,8}. Высокая концентрация уровень должен привести четкое уровня токсичности, но не причиной смертности или постоянные знаки, которые могут привести к смерти или предотвратить эффективной оценки результатов^7,8. Максимальная достижимая уровня или высокой концентрация аэрозолей можно добраться при соблюдении стандарта распределения размера частиц. Этажность средней концентрации должны интервалом производить градации токсических эффектов между низкой и высокой концентрации^7,8. Уровня низкой концентрации, что было бы предпочтительно КННВ, равной (неблагоприятное воздействие концентрации), следует производить мало или нет признаков токсичности^7,8. Всего тела Палата предоставляет животных в состоянии безудержного в проводной клетки, в то время как нос только Палата предоставляет животного в сдержанной состоянии в замкнутых трубки. Сдержанность предотвращает потерю аэрозоля путем утечки вокруг животного. Из-за большого объема камеры всего тела он требует большое количество тестовых статей подвергаться воздействию экспериментальных животных, в то время как сдержанность трубки в нос только воздействия системы препятствует движению животных и может вызвать дискомфорт или удушья. Тем не менее нормативных руководящих принципов испытаний ОЭСР ингаляционной токсичности предпочитают использовать только нос ингаляции систем^4,5,6,,78.

Однако, вмещающий 4 камерная система, всего тела или только нос, дорого, космос потребителями и требует встроенный очистки и циркуляции воздуха. Кроме того 4 камерная система также может потребовать отдельный тест статья генераторов подвергать животных до требуемой концентрации и отдельные измерения аппарат для мониторинга концентрации статьи теста. Таким образом так как стандартные ингаляционной токсичности тестирование включает значительные инвестиции, более удобным и экономичным облучения всего тела или только нос системе необходимо быть разработан для использования в небольших исследовательских учреждениях. При проектировании камеру ингаляции, вычислительной жидкость моделирования динамики (CFD) также часто используется для достижения частиц, газа или пара единообразия^{9,10,11,12,13} . Оценки численного анализа и проверки на экспериментальные результаты уже была выполнена для облучения всего тела камеры для мышей¹⁰. Например был смоделирован траектории воздушного потока и частиц, с помощью CFD, и равномерности распределения частиц были измерены в девяти частях тела камеры¹⁰. Кроме того нос только камеры были оценены путем численного анализа CFD¹³. После этого сравнивая результаты численного анализа с экспериментального исследования с использованием наночастиц¹³была выполнена оценки для носа только экспозиции камеры.

Это исследование представляет только нос ингаляции камерная система, которая может разоблачить подопытных животных для четырех различных концентраций в одной камере. Первоначально разработанный, с помощью CFD и численного анализа, предлагаемая система затем сравнивается с экспериментального исследования с использованием наноразмерных частиц натрия хлорида для проверки однородности и перекрестного загрязнения. Представленные здесь результаты указывают, что представленные нос только камеры, которые могут подвергнуть животных для четырех различных концентрациях может использоваться для исследования животных воздействия в мелких академических и исследовательских учреждений. Численный анализ устанавливается следующим образом, так же, как параметр эксперимент. Для одного концентрация экспозиции потока аэрозоля к башне внутренний равен 48 Л/мин и оболочка потока к башне внешней равным 20 Л/мин. Для multiconcentration воздействия аэрозольного потока к башне внутренний ввода является 11 Л/мин для каждого этапа. Перепада давления выход держит в -100 Па поддерживать плавный поток выхлопных газов и предотвращения утечки. Предположим, Держатели для животных являются закрытыми и пустой.

протокол

1. Численные методы

1. Выполните анализ поля потока внутри камеры в зависимости от геометрической формы, как описано в Рисунок 1 и Таблица 1¹⁴.
   Примечание: Численный анализ потока поля в зависимости от геометрической формы предсказывает потока аэрозоля и оценивает его как устройство для тестирования.
2. Дизайн камеры с 4 стадии x 12 колоннами, 48 портов в общей сложности, где ядро делится на внутренний и внешний башня, как описано в Рисунок 1B.
   Примечание: Каждый этап имеет 12 экспозиции портов для размещения экспериментальных животных. Удовлетворить рекомендации, предложенные в документе ОЭСР руководства (GD) 39⁶.
3. Для одного концентрация воздействия место пластину смешивания в верхней части внутренней башни, чтобы смешать испытательным материалом и обеспечения единообразного концентрации через этапы. Для multiconcentration воздействия разделяйте внутренний башня на четыре этапа и воздействия концентрации путем разделения диска.
   Примечание: Смешивания пластина

2. Подготовка экспериментальной оценки

1. Палата
   1. Разделить на три части камеры: впускной, оболочка и выхлопных газов, как показано в схематической диаграмме (рис. 2).
      Примечание: Вход, где аэрозоля впадает внутренней камере, и оболочка является пространство между внутренней и наружной башни для дополнительных воздушного потока.
   2. Поставка аэрозоля (или статьи) внутренний башня и экспериментальных животных, во время выдоха от животных, содержащий излишков аэрозоля вытекает через выхлопных вместе с воздухом оболочка.
      Примечание: Держатели для животных являются закрытыми и пустой.
   3. Держите внутриглазное давление с помощью вентилятора и инвертор, Постоянная палата, как внутренняя Пленум давление контролируется оболочка потока воздуха.
   4. Проектирование оборудования для измерения единообразие испытания аэрозоля (или статьи) концентрации в смесительную камеру, напротив нос только экспозиции камеры в случае одного концентрация воздействия.
      Примечание: Единообразие Испытание аэрозоля может оцениваться его номер концентрации и размер частиц. Отдельные палаты концентрация пробы должны отклоняться от средней камере концентрации не более, чем ±10% для газов и паров, а не более чем на ±20% для жидких или твердых аэрозолей^{4,5,6,7 ,8}. Таким образом когда частицы испытания не являются постоянными, аэрозольного потока могут быть пропущены через вытяжной вентилятор.
   5. Проверить наличие протечек для проверки достоверности теста и обеспечения безопасности, подтвердив в закрытой системе с ±500 Па, которая поддерживается на 30 мин.
      Примечание: Утечки могут быть проверены мыло восходящей.
2. Экологического контроля и мониторинга
   1. Установите уровень общий приток аэрозоля (сингл/multi) и ножны воздуха 48 Л/мин или 44 Л/мин (одного или нескольких, соответственно) и 20 Л/мин, соответственно и держать внутриглазное давление Палаты постоянно −100 ПА в параметрах элемента управления пользовательского интерфейса.
   2. Поддержание температуры и влажности при 23 ° C и 45%, соответственно. Используйте увлажнитель для контроля влажности воздуха воздействия.
   3. Провести эксперимент в изотермической isohumidity контролируемой среде соблюдать ОЭСР ингаляционной токсичности руководящих принципов^4,6,7,8.
3. Измерение равномерности потока
   1. Подачи чистого воздуха 48 Л/мин в палату ингаляции через чистого воздуха, включая фильтр HEPA, контролируемых контроллера массового расхода (MFC).
      Примечание: Чистый воздух производится после фильтрации с фильтром HEPA.
   2. Стабилизации потока, используя смесительную камеру в случае одного концентрация воздействия.
   3. Прикрепите насадкой питания к одному порту, который вводит воздух свежий управления или испытание аэрозоля (или статьи) в случае multiconcentration воздействия.
   4. Измерение скорости потока на порт с помощью массовый расходомер.
4. Частиц поколение
   1. Генерировать NaCl наночастиц с помощью пяти джет форсунки оценить дизайн камеры ингаляции.
      Примечание: Для получения наночастиц NaCl используйте 0.1%wt раствор NaCl.
   2. Регулировать MFC для контроля производства на 48 Л/мин смешанного воздуха в одном концентрации аэрозоля NaCl и 12 Л/мин NaCl аэрозоля смешанные воздуха в multiconcentration каждые четыре этапа.
      Примечание: Каждый порт нос только камеры получает 1 Л/мин (т.е., 48 портов/нос только палата (четыре этапа); 48 портов/четыре этапа 12 портов/ступень).
   3. Подачи чистого воздуха для разбавления в обход.
      Примечание: Количество медиана и геометрические стандартное отклонение наночастиц NaCl находятся в пределах 76 Нм и 1.4 поддерживать, соответственно.
5. Единообразие измерение частиц
   1. Измерьте распределение по размерам частиц NaCl, наночастицы, излучаемый форсунки с помощью сканирования мобильность частиц Сайзер (SMPS) состоит из дифференциальных мобильности анализатор (DMA) и счетчик частиц конденсации (КПК).
   2. Используйте нейтрализатор аэрозолей утра чтобы удалить статический заряд частицы и уменьшения осаждения частиц на стенах, тем самым повышая эффективность измерений¹⁸.
   3. Сохранить соотношение аэрозоля и ножны DMA скорость воздушного потока в 1:10 для держать скорость потока аэрозоля и оболочка скорость потока воздуха на 1 Л/мин и 10 Л/мин, соответственно.

3. поток единообразия тест

1. Мульти концентрации экспозиции
   1. Установите скорость потока сопла впрыски, поставляя чистого воздуха в 11 Л/мин через входное аэрозоля. Выберите порт 11 сопла для каждого четыре стадии.
   2. Измерьте скорость потока для подключения расходомера к выбранную насадку.
   3. Повторите шаг 3.1.2 3 x для проверки воспроизводимости.
2. Одноместный концентрация экспозиции
   1. Установите скорость потока сопла впрыски, поставляя чистого воздуха на 48 Л/мин через входное аэрозоля. Случайным образом выберите 24 порта сопла среди 48 портов. Мера 3 x для проверки воспроизводимости.

4. частица единообразия тест

1. Multiconcentration воздействие
   1. Установите распределение по размерам частиц сопла впрыски, поставляя сгенерированный частиц в 11 Л/мин через входное аэрозоля (делать это, как описано в разделе 2).
   2. Случайно выбранных шесть портов сопла среди четырех этапов; мера 3 x для проверки воспроизводимости.
2. Одноместный концентрация экспозиции
   1. Установите распределение по размерам частиц сопла впрыски, поставляя сгенерированный частицы в 20 Л/мин и чистый воздух в 28 Л/мин, что в общей сложности 48 Л/мин через входное аэрозоля (как описано в 2.4 и 2.5).
   2. Случайным образом выберите шесть портов сопла среди четырех этапов.
   3. Измерение концентрации частиц, соединиться выбранную насадку ИПКТ.
   4. Повторите шаг 4.2.3 3 x для проверки воспроизводимости.

5. перекрестное загрязнение тест

1. Установите три этапа в случае multiconcentration воздействия.
2. Подключение двух генераторов с концентрациями различных раствора и чистый воздух линия для трех соответствующих этапов.
3. Установите распределение по размерам частиц сопла впрыски, поставляя сгенерированный частиц и чистый воздух в 11 Л/мин через входное аэрозоля (как описано в 2.4 и 2.5).
4. Случайно выбранных один порт сопло из всех трех этапов.
5. Измерение концентрации частиц, для подключения к выбранному порту ИПКТ.
6. Повторите шаг 5.5 15 x для проверки воспроизводимости.

Результаты

Экспериментальные установки

На рисунке 1 показана схема нос только ингаляции камерная система, включая генератор частиц с MFC, нос только камеры и инструментов для измерения частиц для мониторинга качества воздуха, контр?...

Обсуждение

Ингаляционной токсичности тестирование в настоящее время является лучшим методом для оценки аэрозольных материалы (частиц и волокон), паров и газов, вдыхаемого на дыхательную систему человека^14,15. Существует два способа воздействия ингаляции: всего тела...

Материалы

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