Name: development of a nose-only inhalation toxicity test chamber that provides four exposure concentrations of nano-sized particles
Uploaded: 2019-03-18T12:30:00
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这项研究得到了工业技术创新计划 (10052901) 的支持, 该计划是韩国韩国韩国工业技术评价研究所开发商业中的高效纳米材料吸入毒性测试系统。贸易、工业 & 能源部。

1. 数值分析方法
<ol><li>根据几何形状对腔内的流场进行分析, 如图 1和表 114 所示。 注: 根据几何形状对流场进行数值分析, 可预测气溶胶的流动, 并将其评估为可测试的装置。</li>
	<li>设计具有4个阶段 x 12个柱的腔体, 共48个端口, 其中的核心分为内塔和外塔, 如图 1 b 所示。 注: 每个阶段有12个曝光端口用于放置实验动...

<ol>
	<li>Phalen, R. F., Phalen, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Methods+in+Inhalation+Toxicology.">Methods in Inhalation Toxicology.</a> Inhalation Exposure Methods. , 69-84 (1997).</li><li>Moss, O. R., James, R. A., Asgharian, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Influence+of+exhaled+air+on+inhalation+exposure+delivered+through+a+directed-flow+nose-only+exposure+system.">Influence of exhaled air on inhalation exposure delivered through a directed-flow nose-only exposure system.</a> Inhalation Toxicology. 18, 45-51 (2006).</li><li>White, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fluid Mechanics. , (2004).</li><li>OECD TG 403. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> OECD guideline of the testing of chemicals 403: Acute inhalation toxicity testing. , (2009).</li><li>OECD TG 436. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> OECD guideline of the testing of chemicals 436: Acute inhalation toxicity - Acute Toxic Class Method. , (2009).</li><li>OECD GD 39. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Series on testing and assessment Number 39: Guidance document on acute Inhalation toxicity testing. , (2009).</li><li>OECD TG 412. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> OECD guideline of the testing of chemicals 412: Subacute inhalation toxicity testing. , (2018).</li><li>OECD TG 413. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> OECD guideline of the testing of chemicals 413: Subchronic inhalation toxicity testing. , (2018).</li><li>Cannon, W. C., Blanton, E. F., McDonald, K. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+flow-past+chamber:+an+improved+nose-only+exposure+system+for+rodents.">The flow-past chamber: an improved nose-only exposure system for rodents.</a> American Industrial Hygiene Association Journal. 44, 923-928 (1983).</li><li>Oldham, M. J., Phalen, R. F., Robinson, R. J., Kleinman, M. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+of+a+portable+whole-body+mouse+exposure+system.">Performance of a portable whole-body mouse exposure system.</a> Inhalation Toxicology. 16, 657-662 (2004).</li><li>Oldham, M. J., Phalen, R. F., Budiman, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+Predicted+and+Experimentally+Measured+Aerosol+Deposition+Efficiency+in+BALB/C+Mice+in+a+New+Nose-Only+Exposure+System.">Comparison of Predicted and Experimentally Measured Aerosol Deposition Efficiency in BALB/C Mice in a New Nose-Only Exposure System.</a> Aerosol Science and Technology. 43, 970-997 (2009).</li><li>Tuttle, R. S., Sosna, W. A., Daniels, D. E., Hamilton, S. B., Lednicky, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+assembly,+and+validation+of+a+nose-only+inhalation+exposure+system+for+studies+of+aerosolized+viable+influenza+H5N1virus+in+ferrets.">Design, assembly, and validation of a nose-only inhalation exposure system for studies of aerosolized viable influenza H5N1virus in ferrets.</a> Virology Journal. 7, 135 (2010).</li><li>Jeon, K., Yu, I. J., Ahn, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+newly+developed+nose-only+inhalation+exposure+chamber+for+nanoparticles.">Evaluation of newly developed nose-only inhalation exposure chamber for nanoparticles.</a> Inhalation Toxicology. 24 (9), 550-556 (2012).</li><li>Ji, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Twenty-Eight-Day+Inhalation+Toxicity+Study+of+Silver+Nanoparticles+in+Sprague-Dawley+Rats.">Twenty-Eight-Day Inhalation Toxicity Study of Silver Nanoparticles in Sprague-Dawley Rats.</a> Inhalation Toxicology. 19, 857-871 (2007).</li><li>Ostraat, M. L., Swain, K. A., Krajewski, J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=SiO2+Aerosol+Nanoparticle+Reactor+for+Occupational+Health+and+Safety+Studies.">SiO2 Aerosol Nanoparticle Reactor for Occupational Health and Safety Studies.</a> Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 5, 390-398 (2008).</li><li>Pauluhn, J., Thiel, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+simple+approach+to+validation+of+directed-flow+nose-only+inhalation+chambers.">A simple approach to validation of directed-flow nose-only inhalation chambers.</a> Journal of Applied Toxicology. 27, 160-167 (2007).</li></ol>

吸入毒性试验目前是评估人类呼吸系统14、15吸入的雾化材料 (颗粒和纤维)、蒸汽和气体的最佳方法。吸入接触有两种方法: 全身和只鼻。然而, 只使用鼻子的系统最大限度地减少了非吸入途径 (如皮肤和眼睛) 的接触, 并允许以最少数量的测试物品进行检测, 使其成为经合组织吸入毒性测试指南所建议的首选接触方法:急性4、<sup c...

吸入毒性试验是评估化学剂、颗粒、纤维和纳米材料的风险的最可靠方法,1、2、3。因此, 大多数监管机构要求在接触化学品、颗粒、纤维和纳米材料时提交吸入毒性测试数据, 特别是通过吸入 4、5、6、7 ,8。目前, 有两种类型的吸入毒性系统: 全身接触系统和仅有鼻子接触系统。标准的吸入毒性测试系统, 无论是全身还是仅鼻, 都需要至少四个室, 使大鼠和小鼠等动物接触到四种不同的浓度,即新鲜空气控制和低、中、高浓度7,8. 经济合作与发展组织 (经合组织) 的测试准则表明, 选定的目标集中应允许确定目标机关并表明明确的集中反应7 ,8。高浓度水平应导致明显的毒性水平, 但不会导致死亡或可能导致死亡或妨碍对结果7、8 进行有意义的评价的持续迹象。在达到粒径分布标准的同时, 可以达到气溶胶的最大可实现水平或高浓度。中等浓度水平应间隔, 以产生低浓度和高浓度7,8之间的毒性作用的分级。低浓度水平, 最好是 noaec (无观测的反效应浓度), 应产生很少或根本没有毒性的迹象 7,8。全身室在有线笼子中无节制地暴露动物, 而只有鼻子的室在密闭管中暴露动物在约束的条件下。这种约束可防止动物周围泄漏的气溶胶流失。由于整个身体室的大容量, 它需要大量的测试物品暴露在实验动物, 而约束管在只鼻子暴露系统阻碍动物的运动, 并可能导致不适或窒息。然而, 经合组织的监管吸入毒性测试准则倾向于使用仅用于鼻的吸入系统4、5、6、7、8。
然而, 容纳四室系统, 无论是全身或只鼻子, 是昂贵的, 消耗空间, 并需要一个内置的空气清洁和循环系统。此外, 四室系统还可以要求单独的测试物品生成器将动物暴露在所需的浓度下, 并需要单独的测量装置来监测测试物品的浓度。因此, 由于标准吸入毒性测试涉及大量投资, 需要开发一个更方便、更经济的全身或仅鼻子接触系统, 供小型研究设施使用。在设计吸入室时, 计算流体动力学 (cfd) 建模也经常用于实现颗粒、气体或蒸汽均匀性9、10、11、12、13.对10例小鼠全身暴露室进行了数值分析和实验验证。例如, 利用 CFD 对气流和粒子轨迹进行了建模, 并测量了整个体室 10的九个部分的颗粒分布均匀性。此外, 还通过 CFD13的数值分析对仅鼻腔进行了评价。在此基础上, 通过将数值分析结果与使用纳米粒子13进行的实验研究进行了比较, 对仅探位曝光室进行了评价。
这项研究提出了一个只鼻吸入室系统, 可以暴露实验动物在一个室的四种不同浓度。最初设计使用 CFD 和数值分析, 然后将该系统与使用纳米氯化钠颗粒的实验研究进行比较, 以验证均匀性和交叉污染。本文的研究结果表明, 在小型学术和研究设施中, 可将动物暴露在四种不同浓度下的仅鼻腔可用于动物接触研究。数值分析设置如下, 与实验设置的方式相同。对于单浓度曝光, 内塔的气溶胶流量设置为 48 lp/min, 外塔的护套流量设置为 20 L/min。对于多浓度曝光, 每个阶段内塔输入的气溶胶流量为 11 lp. min。出口差压保持在-100 帕, 以保持平稳的排气流量, 防止泄漏。假设动物持有人是封闭的和空的。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:572px;" width="573">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">FLUENT V.17.2&#160;</td>
			<td style="width:71px;">ANSYS</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;">Software</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">mass flow meter (MFM)</td>
			<td style="width:71px;">TSI</td>
			<td align="right" style="width:119px;">4043</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">SMPS (scanning mobility particle sizer)</td>
			<td style="width:71px;">Grimm&#160;</td>
			<td style="width:119px;">SMPS+C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">5-Jet atomizer&#160;</td>
			<td style="width:71px;">HCTM</td>
			<td style="width:119px;">5JA-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mass flow controller (MFC)</td>
			<td style="width:71px;">Horiba</td>
			<td style="width:119px;">S48-32</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

development of a nose-only inhalation toxicity test chamber that provides four exposure concentrations of nano-sized particles

利用基于计算机流体动力学的数值分析, 设计并验证了一种具有四种不同接触浓度的仅鼻吸入毒性室, 以确定每个气体的流场均匀性和接触口之间的交叉污染。浓度。设计的流场值与水平和垂直暴露端口的测量值进行比较。为此, 纳米氯化钠颗粒作为试验颗粒产生, 并引入吸入室, 以评估每个浓度组的交叉污染和燃烧室之间的浓度维持。结果表明, 所设计的多浓度吸入室可用于动物吸入毒性试验, 而不受浓度组交叉污染。此外, 设计的多浓度吸入毒性室也可以转换为单浓度吸入室。进一步测试气体、有机蒸气或非纳米颗粒将确保在吸入试验物品时使用该室。

实验设置
图 1显示了一个仅用于鼻的吸入室系统的示意图, 其中包括带有 mfc 的粒子发生器、仅用于鼻的室和用于监测空气质量、控制器和排气模块的粒子测量仪器, 该仪器基于协议第2节。
数值分析设计
<strong class="xfig...

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Development of a Nose-only Inhalation Toxicity Test Chamber That Provides Four Exposure Concentrations of Nano-sized Particles

设计并验证了一个仅用于鼻吸入毒性的室, 该室能够检测四种不同接触浓度下的吸入毒性, 以确保每种浓度的接触端口之间的流场均匀性和交叉污染。在这里, 我们提出了一个协议, 以确认设计的室是有效的吸入毒性测试。

提供纳米颗粒四种曝光浓度的单鼻子吸入毒性试验室的研制

Using a numerical analysis based on computerized fluid dynamics, a nose-only inhalation toxicity chamber with four different exposure concentrations is ...

我们提出了一个测试协议，符合经合组织关于单浓度和多浓度接触吸入毒性测试的准则。多浓度吸入室，可以测试多达四个暴露浓度一次，将更经济的小型研究机构。要开始测试单浓度室，请密封该室，并在 500 和负 500 帕斯卡仪表上检查其泄漏，每个表为 30 分钟。然后，将清洁空气温度设置为 23 摄氏度和 45% 的相对湿度。以每分钟 48 升和 20 升的速度开始流经气溶胶入口和护套。将排气压差设置为负 100 帕斯卡。流量稳定后，从每个级别测量三个随机选择的端口的流量速度，以确认流量是否均匀。流量应约为每分钟一升。重复测量两次。接下来，停止气流，将0.1%的重量氯化钠溶液加载到气溶胶生成系统中。以清洁空气作为载体气体，以每分钟 20 升的速度开始气溶胶生成。以每分钟 28 升清洁空气稀释气溶胶。设置颗粒尺寸测量系统，从室的每个级别随机选择三个端口。在每个选定端口测量粒子大小分布三次。要开始设置多浓度室，请检查其泄漏情况，将清洁空气供应设置为 23 摄氏度和 45% 的相对湿度。设置排气，以保持负 100 帕斯卡的差压。然后，将清洁空气供应连接到顶部舱室的端口，然后以每分钟 11 升的速度开始将清洁空气流过车厢。流量稳定后，测量顶部舱内每个可用端口的流速三次。对其他三个隔间重复此过程。然后，将0.1%的重量氯化钠溶液加载到气溶胶发生器中。配置气溶胶稀释系统，以每分钟 11 升的速度产生气溶胶流量。将气溶胶入口连接到顶部舱室，等待流量稳定，然后从该舱室随机选择六个端口。使用颗粒尺寸测量系统测量每个端口的颗粒大小分布三次。对每个隔间重复此过程。完成后，用清洁空气冲洗隔间 30 分钟。然后，将清洁空气入口连接到顶部隔间，以每分钟 11 升的速度将清洁空气流过。配置气溶胶稀释系统，以每分钟 11 升的速度进行低浓度和高浓度气溶胶流量。将低浓度线连接到第二高隔间，将高浓度线连接到底部隔间。等待 10 分钟，使流量稳定下来。然后，从三个舱室中随机选择一个端口，并测量选定端口的气溶胶浓度 15 次，以检查是否交叉污染。单浓度和多浓度暴露室在室的每个水平水平均表现出良好的流量均匀性。规范化流接近系统建模期间计算的值。在单浓度室中也垂直观察到良好的流量均匀性。多浓度室每个舱室只有一级端口，因此不适用直接的垂直均匀性测量。两个腔室的粒子浓度也水平均匀，单浓度室垂直均匀。多浓度室不同隔间中的气溶胶浓度在15次测量中变化相对较小，表明各舱之间的交叉污染最小。在整个过程中检查可重复性非常重要，尤其是在实验叉污染测试性能评估测试期间。通过将实验结果与腔室系统的计算流体动力学建模进行比较，可以扩展性能评价测试。

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