ナノサイズ粒子の 4 つの暴露濃度は、鼻専用の吸入毒性試験室の開発

要約

4 つの異なる暴露濃度で吸入毒性テストの鼻専用の吸入毒性槽設計、フロー フィールドの均一性と各濃度の暴露ポート間の交差汚染を検証します。ここでは、設計されたチャンバーが吸入毒性試験に有効であることを確認するためのプロトコルを提案する.

要約

コンピューター流体力学に基づく数値解析を使用して、4 つの異なる暴露濃度と鼻専用の吸入毒性室は設計および各フロー フィールドの均一性と露出ポート間で交差汚染検証され濃度。設計フロー フィールドの値は、水平方向と垂直方向に位置する露出ポートからの測定値と比較されます。この目的のためナノスケールの塩化ナトリウム粒子がテスト粒子として生成され、室、各濃度のグループの間で交差汚染と集中メンテナンスを評価する吸入室に導入します。結果は、動物吸入毒性濃度グループ間のクロス汚染なし試験で設計された multiconcentration 吸入室を使用できるを示します。さらに、設計された multiconcentration 吸入毒性のチャンバーは、単一濃度吸入室に変換もできます。ガス、有機性蒸気、または非ナノ粒子による更なる検査テストの他の記事の吸入試験で区域の使用になります。

概要

吸入毒性試験、化学物質、粒子、繊維、ナノ材料^1,2,3のリスクを評価するため最も信頼性の高い方法です。したがって、最も規制機関は、吸入毒性化学物質、粒子、繊維、およびナノ材料への暴露は吸入^{4,5,6,7 を介して、試験データの提出を必要と ,8}。現在は、吸入毒性システムの 2 種類があります: 全身および鼻専用の露光装置。標準的な吸入毒性テスト システム、全身または鼻だけ、ラットやマウスを 4 つの異なる濃度、すなわち、新鮮な空気のコントロールと低、中、高濃度⁷などの動物を公開する少なくとも 4 つの部屋が必要です。^,8します組織の経済協力と開発機構 (OECD) のテスト ガイドラインの推奨ターゲット統轄の同定と明確な濃度応答^{7 のデモに選択したターゲット濃度が許可される。 ,8}。高濃度レベルが毒性の明確なレベルが死亡または死につながる可能性がありますまたは結果^7,8の有意義な評価を防ぐ永続的な徴候を引き起こさない。最大達成可能なレベルまたは高濃度エアロゾル粒子サイズ分布の標準を満たしながらアクセスできます。中程度の濃度レベルは、低、高濃度^7,8の間の有毒な効果のグラデーションを生成する間隔必要があります。NOAEC (なし-観察--影響濃度) ができれば、低濃度毒性^7,8のほとんど、あるいは全くのサインとなります。鼻専用室閉じ込められた管で拘束された状態で動物を公開中、全身室は有線ケージで気ままな状態で動物を公開します。拘束は、動物の周りの漏れによるエアロゾルの損失を防ぎます。全身室大量鼻専用の露光装置で管の拘束が動物の動きを妨げる、不快感や窒息の原因に実験動物にさらされるテスト記事の大規模な数が必要です。それにもかかわらず、規制 OECD 吸入毒性試験ガイドラインは鼻だけ吸入システム^4,5,6,7,8の使用を好みます。

4 商工会議所システム、全身または鼻専用のいずれかを収容、高価に、スペースを消費し、内蔵空気洗浄と循環システムが必要です。さらに、4 室システムはまた動物目的濃度とテスト記事の濃度を監視する独立した測定装置を公開する別のテスト記事ジェネレーターを要求できます。したがって、多額の投資を含む標準的な吸入毒性試験、のでより便利で経済的な全身または鼻だけ暴露システムは小規模の研究施設で使用するために開発される必要があります。計算流体力学 (CFD) モデリングは粒子を達成するためにも頻繁に使用されるガス、または均一性^{9,10、11,12,13}を蒸気吸入室を設計するとき.全身曝露装置を用いたマウス¹⁰については、数値解析による評価と実験によって検証が既に実行されました。たとえば、cfd、空気の流れと粒子軌道をモデル化されている、粒子分布の均一性は、全身商工会議所¹⁰の 9 の部分で測定されています。また、鼻専用のチャンバーは CFD¹³数値解析によって評価されています。その後、¹³ナノ粒子を用いた実験的研究と数値解析結果との比較によって鼻暴露チャンバーの評価を行った。

本研究は、一室で 4 つの異なる濃度に実験動物を公開することができます鼻専用吸入チャンバー システムを示します。最初に CFD と数値解析を用いた設計、提案システム、ナノスケール塩化ナトリウム粒子を使用した均一性と交差汚染の検証実験と比較されます。ここに示された結果を示す小規模な学術・研究施設動物曝露研究 4 つの異なる濃度に動物を公開することができます提示の鼻専用室が使えます。数値解析は次のように、実験の設定と同じ方法で設定されます。単一濃度暴露内部タワーへのエアロゾル流は 48 L/分に設定し、外側のタワーへのシース流が 20 L/分に設定されています。Multiconcentration 露出のため入力内部タワーへのエアロゾル流は 11 L/分を各ステージです。-100 でコンセントの差圧を保つ滑らかなを維持するために Pa の流れを排気し、漏れを防止します。動物の所有者は閉じられ、空と仮定します。

プロトコル

1. 数値解析手法

1. 前述の図 1と表 1の¹⁴の幾何学的形状に合わせて室内流れ場の解析を実行します。
   注: 幾何学的な図形によると流れ場の数値解析、エアロゾルの流れを予測してテスト デバイスとして評価。
2. 図 1 bに記載されているコアに分かれたが、内側と外側のタワーとして、合計 48 ポートの 4 段階 x 12 列を持つ部屋の設計。
   注: 各段階が実験動物を配置するための 12 の露出ポートです。OECD ガイダンス文書 (GD) 39⁶によって提案された推薦を満たします。
3. 単一濃度暴露試験材料をミックスしてさまざまな段階を通して均一な濃度を確保する内部タワーの上部にミキシング プレートを配置します。Multiconcentration 露出のため分離ディスクによって 4 つの段階と暴露濃度に内部タワーを分離します。
   注: 混合プレート

2. 実験的評価の準備

1. 商工会議所
   1. 商工会議所の 3 つの部分を分ける: 入口、鞘と排気、スケマティック ダイアグラム (図 2) に示すように。
      注: 入口は、エアロゾルが内側のチャンバーに流入、鞘が余分な空気の流れを内側と外側の塔の間のスペース。
   2. 供給余剰エアロゾルを含む動物から呼気中内部タワーと実験動物にエアロゾル (またはテスト) シース空気と共に排気を通して流れ出します。
      注: 動物の所有者は閉じられ、空します。
   3. 鞘の空気の流れによって内部チャンバー圧力を制御、送風機とインバーターを使用して商工会議所の定数の内部圧力をしてください。
   4. 単一濃度曝露の場合鼻暴露室前にある混合室でテスト エアロゾル (または記事) 濃度の均一性を計測する装置を設計します。
      注: テスト粒子の均一性は、その粒子数濃度と粒径分布によって評価できます。個々 の室内濃度サンプルは、ガスや蒸気、± 10% 以上、液体または固体のエアロゾル^{4,5,6,7 の ± 20% 以上平均室内濃度から逸脱すべき ,8}。したがって、テスト粒子が一定でない場合は、排気ファンをエアロゾル流を省略できます。
   5. 漏れテストの信頼性を確認し、± 500 Pa で 30 分間保持されているクローズド システムを確認することにより安全性の確保を確認します。
      注: 漏れは石鹸の泡立ちでチェックできます。
2. 環境管理とモニタリング
   1. エアロゾル (シングル/マルチ) の総流入率を設定し、48 L/分または 44 L/分の空気をシース (シングルまたはマルチ、それぞれ)、20l/分、それぞれ、ユーザー インターフェイスのコントロール設定で −100 Pa でチャンバーの内圧を一定に保つと。
   2. それぞれ、23 ° C、45% の湿度・温度を維持します。露出の空気の湿度を制御するため加湿器を使用します。
   3. OECD ・吸入毒性ガイドライン^4,6,7、8に準拠する等温 isohumidity 制御環境で実験を行います。
3. フローの均一性測定
   1. 48 L/分マスフロー コント ローラー (MFC) によって制御される HEPA フィルターを含むきれいな空気供給を通じて吸入室にきれいな空気を供給します。
      注: きれいな空気は HEPA フィルターとフィルター処理された後に行われます。
   2. 単一濃度曝露の場合混合室を使用してフローを安定させます。
   3. Multiconcentration 露出の場合、新鮮な制御空気またはテスト エアロゾル (または記事) を注入する 1 つのポートに供給ノズルを取り付けます。
   4. 質量流量計を使用してポートごとの流速を測定します。
4. パーティクルの発生
   1. 5 ジェット噴霧器を使用して吸入室の設計を評価する NaCl 粒子を生成します。
      注: は、NaCl のナノ粒子を生成するのに 0.1%wt NaCl 水溶液を使用します。
   2. 単一の濃度の空気を混合 NaCl エアロゾルの 48 L/分で生産量を制御する MFC を規制し、NaCl エアロゾル混合の 12 L/分で空気、multiconcentration ですべての 4 つの段階。
      注: 鼻専用の部屋のすべてのポートは、1 L/分 (すなわち、48 ポート/鼻専用室 (4 段); 48 ポート/4 段 12 ポート/ステージ) を受け取ります。
   3. バイパスにおける希釈のためきれいな空気を供給します。
      注: カウント メジアン径や NaCl 粒子の幾何学的な標準偏差は圏内 76 nm と 1.4 を維持、それぞれ。
5. 粒子の均一性測定
   1. 差動静電分級装置 (DMA) と凝縮粒子カウンター (CPC) から成るナノ粒子の走査移動粒子 sizer (SMPS) を使用して噴射ノズルから放出される塩化ナトリウムの粒度分布を測定します。
   2. 午前エアロゾル中和剤を使用して粒子の帯電を削除し、測定効率¹⁸が向上の壁に沈着を減らします。
   3. エアロゾルの比を維持して 1:10 それぞれ 1 L/min で 10 L/分、エアロゾル流量と鞘空気流量を保つことで、DMA の空気流量をシースします。

3. フローの均一性試験

1. マルチ濃度暴露
   1. 噴射ノズルの流速を設定するには、エアロゾル口 11 L/分できれいな空気を供給します。11 ポート ノズルごとに 4 つの段階を選択します。
   2. 選択したノズルに流量計を接続する流量を測定します。
   3. 3.1.2 手順を繰り返します 3 x 再現性を確認します。
2. 単一濃度暴露
   1. 噴射ノズルの流速を設定するには、エアロゾル口 48 L/分できれいな空気を供給します。48 ポート間で 24 ポート ノズルをランダムに選択します。再現性を確認する 3 x を測定します。

4. 粒子の均一性試験

1. Multiconcentration 露出
   1. 噴射ノズルの粒度分布を設定するには、エアロゾル口 (セクション 2 で説明としてこれを行う) 11 L/分で生成された粒子を供給します。
   2. ランダムに 4 つの段階の間で六つのポート ノズルを選択再現性を確認する 3 x を測定します。
2. 単一濃度暴露
   1. 噴射ノズルの粒度分布を設定するには、20 L/分で生成された粒子、(2.4 および 2.5 の説明) のエアロゾル口 48 L/分の合計を作る 28 L/分できれいな空気を供給します。
   2. 4 つの段階の間で六つのポート ノズルをランダムに選択します。
   3. 選択したノズルに SMPS を接続する粒子濃度を測定します。
   4. 4.2.3 手順を繰り返します 3 x 再現性を確認します。

5. クロス汚染試験

1. Multiconcentration 露出の場合 3 つの段階を設定します。
2. 異なる液濃度ときれいな空気ライン 3 つのそれぞれの段階に 2 つの発電機を接続します。
3. 噴射ノズルの粒度分布を設定するには、生成された粒子と 11 L/分 (2.4 および 2.5 の説明) のエアロゾルの入口を通してきれいな空気を供給します。
4. すべての 3 つのステージから 1 つポート ノズルがランダムに選択。
5. SMPS を選択したポートに接続する、粒子濃度を測定します。
6. 再現性を確認するステップ 5.5 15 x を繰り返します。

結果

実験の設定

図 1は、MFC、鼻専用の室内空気質、コント ローラー、および排気モジュールに基づいて監視するため粒子測定器と粒子ジェネレーターを含む鼻専用吸入チャンバー方式の模式図を示していますプロトコルのセクション 2。

数値解析設計

ディスカッション

吸入毒性試験は現在噴霧材料 (粒子・繊維)、蒸気、および人間の呼吸器系^14,15で吸入ガスを評価する最良の方法です。吸入露出方法は 2 つあります: 全身と鼻だけ。ただし、鼻のみのシステムは皮膚、目などの noninhalation ルートによって露出を最小限に抑えるし、それに OECD 吸入毒性試験ガイドラインで推奨される最寄りの露出方法、テスト記事の?...

資料

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