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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Development of a Nose-only Inhalation Toxicity Test Chamber That Provides Four Exposure Concentrations of Nano-sized Particles at JoVE.com

Denna forskning stöddes av industriell teknik innovationsprogrammet (10052901), utveckling av mycket användbar nanomaterial inhalationstoxicitet testar systemet i handel, via Korea utvärdering industriella högskolan av koreanska Ministeriet för handel, industri och energi.

1. numerisk analys metoder
<ol><li>Utför analysen av fältet flöde inne i kammaren enligt geometriska formen, som beskrivs i figur 1 och tabell 114. Obs: En numerisk analys av fältet flöde enligt den geometriska formen förutspår flödet av aerosoler och utvärderar det som en testbara enhet.</li>
	<li>Utformning i kammaren med 4 stadier x 12 kolumner, 48 portar totalt, där kärnan är indelad i en inre och yttre tower, som beskrivs i <stro...

<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>

Inandning toxicitetstester är för närvarande den bästa metoden för att utvärdera aerosolized material (partiklar, fibrer), ångor och gaser som inandas av de mänskliga andningsorgan14,15. Det finns två metoder för exponering av inandning: hela kroppen och näsa-bara. Dock ett system med enbart näsa minimerar exponering av noninhalation rutter, till exempel hud och ögon, och tillåter testning med minimala mängder test artikeln, vilket gör det till de...

Inandning toxicitetstester är den mest tillförlitliga metoden för att bedöma riskerna med kemikalier, partiklar, fibrer och nanomaterial1,2,3. Alltså kräver mest tillsynsmyndigheter inlämnande av inhalationstoxicitet testdata när exponering för kemikalier, partiklar, fibrer och nanomaterial är via inandning4,5,6,7 ,8. För närvarande finns det två typer av inandning toxicitet system: hela kroppen och näsa-bara exponering system. Ett standard inandning toxiciteten testsystem, antingen hela kroppen eller näsa-bara, kräver minst fyra avdelningar att exponera djur som råttor och möss till fyra olika koncentrationer, nämligen frisk luftkontroll och låg, måttlig och höga koncentrationer7 , 8. the organisation för ekonomiskt samarbete och utveckling (OECD) test riktlinjer föreslår att den valda målkoncentration bör möjliggöra identifiering av den mål organ(med) och demonstration av en tydlig koncentration-respons7 ,8. Hög koncentrationsnivå bör resultera i en tydlig grad av toxicitet men inte orsaka dödlighet eller ihållande tecken som kan leda till döden eller förhindra en meningsfull utvärdering av resultat7,8. Den högsta uppnåeliga nivåerna eller hög koncentrationen av aerosoler kan nås samtidigt som den uppfyller standarden partikel storlek distribution. På måttlig koncentration marknadsnivå(er) ingår bör vara placerade för att producera en gradering av toxiska effekter mellan det låga och höga koncentrationer7,8. Nivån låg koncentration, vilket skulle helst vara en NOAEC (no-observed-adverse-effect concentration), bör producera små eller inga tecken på toxicitet7,8. Hela kroppen kammaren utsätter djur i en ohämmad skick i fast burar, medan endast näsa-kammaren exponerar ett djur i en återhållen skick i trånga röret. Fasthållningsanordningen förhindrar förlust av aerosol genom läckage runt djuret. På grund av den höga volymen av hela kroppen kammaren kräver det ett stort antal test artiklar att utsättas för försöksdjur, medan återhållsamhet av röret i systemet endast näsa-exponering hindrar djurförflyttningar och kan orsaka obehag eller kvävning. Dock föredrar de reglerande OECD inandning toxicity provningsriktlinjer användningen av endast näsa-inandning system4,5,6,7,8.
Rymmer ett fyra-kammaresystem, antingen hela kroppen eller enbart näsa, är dock dyra, utrymmeskrävande, och kräver ett inbyggt system för rengöring och cirkulation. Dessutom kan ett fyra-kammaresystem också kräva separat test artikel generatorer att exponera djur till de önska koncentrationerna, och en separat mätning apparatur att övervaka testkoncentrationerna artikel. Eftersom standard inandning Toxicitetstestning innebär betydande investeringar, måste ett mer bekvämt och ekonomiskt hela kroppen eller endast näsa-exponering system därför utvecklas för användning i små forskningsresurser. När du utformar en inandning kammare, computational fluid dynamics (CFD) modellering används också ofta för att uppnå partikel, gas eller ånga enhetlighet9,10,11,12,13 . Utvärdering av numeriska analyser och validering av experimentella resultat har redan utförts för den hela kroppen exponeringskammare för möss10. Till exempel luft flöde och partikel banan har varit modelleras med CFD och likformigheten av partikel fördelning har mätts i nio delar av hela kroppen kammare10. Näsa-bara kammaren har också utvärderats av numerisk analys av CFD13. Efter det utfördes utvärdering för den näsa-bara exponeringskammare genom att jämföra resultaten numerisk analys med en experimentell studie använder nanopartiklar13.
Denna studie presenterar en näsa-bara inandning kammaresystem som kan exponera försöksdjur till fyra olika koncentrationer i ena kammaren. Ursprungligen har utformats med hjälp av CFD och en numerisk analys, jämförs det föreslagna systemet sedan med en experimentell studie använder nanoskala natriumklorid partiklar för att validera enhetlighet och korskontaminering. Resultaten presenteras här indikerar att presenteras endast näsa-kammaren som kan utsätta djur för fyra olika koncentrationer kan användas för exponeringen hos djur studier i småskaliga akademiska och forskningsanläggningar. Numerisk analys är inställd enligt följande, på samma sätt som inställningen experiment. För singel-koncentration exponering, aerosol flödet till inre tornet är inställd på 48 L/min och slida flödet till yttre tornet är inställd på 20 L/min. För multiconcentration exponering är aerosol flödet till inre tornet ingång 11 L/min för varje etapp. Utlopp differenstrycket håller på -100 Pa att upprätthålla en slät avgasflöde och förhindra läckage. Anta djurhållare är stängda och tömma.

<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

Använder en numerisk analys baserat på datoriserade fluiddynamik, är en näsa-bara inandning toxicitet kammare med fyra olika exponering koncentrationerna utformat och validerad för flöde fält enhetlighet och korskontaminering bland exponering portar för varje koncentrationen. Designade flöde fältvärdena jämförs med uppmätta värden från exponering hamnar vågrätt och lodrätt. För detta ändamål nanoskala natriumklorid partiklar genereras som test partiklar och infördes till inandning kammaren att utvärdera korskontaminering och koncentration underhåll bland kamrarna, för varje koncentration. Resultaten indikerar att designade multiconcentration inandning kammaren kan användas i djurens inhalationstoxicitet testning utan korskontaminering mellan koncentrationen grupper. Dessutom kan designade multiconcentration inandning toxicitet kammaren också omvandlas till en enda-koncentration inandning kammare. Ytterligare tester med gas, organiska ångor eller icke-nanoskala partiklar kommer att säkerställa användningen av kammaren för inandning testning av andra test artiklar.

Experimental set-up
Figur 1 visar en Schematisk bild av en näsa-bara inandning kammaresystem, inklusive en partikel generator med en MFC, endast näsa-kammare och partikel mätning instrument för övervakning av luftkvaliteten, controller och avgaser modul, baserat på avsnitt 2 av protokollet.
Numerisk analys design
<p class="jove_content...

Watch this Scientific Journal Video about Development of a Nose-only Inhalation Toxicity Test Chamber That Provides Four Exposure Concentrations of Nano-sized Particles at JoVE.com

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

En näsa-bara inandning toxicitet kammare kan testa inhalationstoxicitet vid fyra olika exponering ritades och validerad för flöde fält enhetlighet och korskontaminering mellan exponering portar för varje koncentration. Här presenterar vi ett protokoll för att bekräfta att designade kammaren är effektivt för inandning toxicitetstester.

Utveckling av en näsa-bara inandning toxicitet provkammare som ger fyra exponering koncentrationerna av Nano-storlek partiklar

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

Vi presenterar ett testprotokoll som överensstämmer med OECD:s riktlinjer för testning av inhalationstoxicitet för exponering med enkel och multipel koncentration. Inandningskammaren med flera koncentrationer, som kan testa upp till fyra exponeringskoncentrationer på en gång, kommer att vara mer ekonomisk för små forskningsinstitut. För att börja testa en enkoncentrationskammare, försegla kammaren och kontrollera den för läckor vid 500 och negativa 500 pascals mätare i 30 minuter vardera.Ställ sedan in den rena lufttemperaturen på 23 grader Celsius och 45%relativ luftfuktighet. Börja flöda ren luft genom aerosolinloppet och skidan vid 48 respektive 20 liter per minut. Ställ in avgastrycksdifferensen på minus 100 pascal.När flödet har stabiliserats, mät flödeshastigheterna vid tre slumpmässigt utvalda portar från varje nivå för att bekräfta att flödet är enhetligt. Flödeshastigheten bör vara ungefär en liter per minut. Upprepa måtten två gånger till.Därefter stoppa luftflödet, och ladda en 0,1%by weight natriumkloridlösning i aerosolgenereringssystemet. Starta aerosolgenerering med 20 liter per minut med ren luft som bärargasen. Späd aerosolen med 28 liter per minut ren luft.Ställ in ett system för mätning av partikelstorlek, och välj slumpmässigt tre portar från varje nivå i kammaren. Mät partikelstorleksfördelningen vid varje vald port tre gånger. För att börja ställa in en kammare med flera koncentrationer, kontrollera den för läckor och ställ in ren lufttillförsel till 23 grader Celsius och 45%relativ luftfuktighet.Ställ in avgaserna för att upprätthålla ett differentialtryck på negativa 100 pascal. Anslut sedan en ren lufttillförsel till en port i det övre facket, och börja flöda ren luft genom facket på 11 liter per minut. När flödet har stabiliserats, mät flödeshastigheten vid varje tillgänglig port i det övre facket tre gånger.Upprepa denna process för de andra tre facken. Sedan laddar du in en 0,1%viktprocent natriumkloridlösning i aerosolgeneratorn. Konfigurera aerosolspädningssystemet för att producera ett aerosolflöde med 11 liter per minut.Anslut aerosolinloppet till det övre facket, vänta på att flödet stabiliseras och välj slumpmässigt sex portar från det facket. Mät partikelstorleksfördelningen vid var och en av dessa portar tre gånger med hjälp av partikelstorleksmätningssystemet. Upprepa denna process för varje fack.Spola facken med ren luft i 30 minuter när de är kompletta. Anslut sedan en ren luftinlopp till det övre facket, och flöda ren luft genom det i 11 liter per minut. Konfigurera aerosolspädningssystemet för aerosolflöden med låg koncentration och hög koncentration vid 11 liter per minut.Anslut lågkoncentrationslinjen till det näst högsta fack och högkoncentrationslinjen till bottenfacket. Vänta 10 minuter för flödena att stabiliseras. Välj sedan slumpmässigt en port från var och en av de tre avdelningarna och mät aerosolkoncentrationen vid de valda portarna 15 gånger vardera för att kontrollera om korskontaminering sker.Både enkoncentrations- och multikoncentrationsexponeringskamrarna visade god flödesenhetlighet vid varje horisontell nivå i kammaren. De normaliserade flödena låg nära de värden som beräknades vid modelleringen av systemet. Bra flöde enhetlighet observerades också vertikalt i en-koncentration kammaren.Flerkoncentrationskammaren har endast en nivå av portar per fack, så direkta vertikala enhetlighetsmätningar var inte tillämpliga. Partikelkoncentrationen var också enhetlig horisontellt för båda kamrarna, och var enhetlig vertikalt för enkoncentrationskammaren. Aerosolkoncentrationerna i olika avdelningar i flerkoncentrationskammaren visade relativt liten variation på 15 mätningar, vilket indikerar minimal korskontaminering mellan avdelningarna.Det är viktigt att kontrollera reproducerbarhet under hela förfarandet, särskilt under experimentell korskontaminering test prestanda utvärdering test. Prestandautvärderingstester kan utökas genom att jämföra det experimentella resultatet med beräkningsvätskedynamikens modellering av kammarsystemet.

Research

JoVE Journal

Engineering

Encapsulation and Permeability Characteristics of Plasma Polymerized Hollow Particles

Inkapsling och permeabilitet egenskaper Plasma polymeriserade ihåliga partiklar

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma ...

Measurement of Coherence Decay in GaMnAs Using Femtosecond Four-wave Mixing

The application of femtosecond four-wave mixing to the study of fundamental properties of diluted magnetic semiconductors ((s,p)-d hybridization, ...

Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Karakterisering av Rekombinationsställen Effekter i ett flytande Jonisering avdelningen Används för Dosimetry av en strålkirurgisk Accelerator

Most modern radiation therapy devices allow the use of very small fields, either through beamlets in Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) or via ...

Development of a 3D Graphene Electrode Dielectrophoretic Device

Utveckling av en 3D Grafen elektrod dielektroforetisk Device

The design and fabrication of a novel 3D electrode microdevice using 50 &#181;m thick graphene paper and 100 &#181;m double sided tape is described. The ...

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Metoder för att mäta Orientering och rotationshastighet av 3D-tryckt Partiklar i Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Using Synchrotron Radiation Microtomography to Investigate Multi-scale Three-dimensional Microelectronic Packages

Använda Synchrotron Radiation Microtomography att undersöka Multi skala Tredimensionella Microelectronic paket

Synchrotron radiation micro-tomography (SR&#181;T) is a non-destructive three-dimensional (3D) imaging technique that offers high flux for fast data ...

Fabrication and Operation of Acoustofluidic Devices Supporting Bulk Acoustic Standing Waves for Sheathless Focusing of Particles

Tillverkning och användning av Acoustofluidic Devices Stöd Bulk Acoustic stående vågor för Sheathless Fokusering av partiklar

Acoustophoresis refers to the displacement of suspended objects in response to directional forces from sound energy. Given that the suspended objects must ...

Testing of Nanoparticle Release from a Composite Containing Nanomaterial Using a Chamber System

Testning av nanopartiklar Release från en komposit innehållande Nanomaterial med hjälp av en kammarsystem

With the rapid development of nanotechnology as one of the most important technologies in the 21st century, interest in the safety of consumer products ...

Studying Dynamic Processes of Nano-sized Objects in Liquid using Scanning Transmission Electron Microscopy

Studera dynamiska processer av Nano stora objekt i Liquid använder Scanning transmissionselektronmikroskopi

Samples fully embedded in liquid can be studied at a nanoscale spatial resolution with Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) using a ...

A 3D-printed Chamber for Organic Optoelectronic Device Degradation Testing

En 3D-tryckt kammare för organiska optoelektroniska enhet nedbrytning testning

In this manuscript, we outline the manufacture of a small, portable, easy-to-use atmospheric chamber for organic and perovskite optoelectronic devices, ...