为开展纳米级二氧化钛（TiO2）吸入毒理学研究，建立了一套全身暴露的纳米颗粒气溶胶吸入暴露系统。该系统可提供满足以下条件的纳米TiO2气溶胶测试环境：1）质量浓度稳定；2）组分均匀且无污染物；3）在气溶胶生成过程中粒径分布保持稳定。
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摘要
摘要
对于操作可气溶胶化工程纳米材料（ENM）的人员而言，吸入是最可能的暴露途径。为了正确开展纳米颗粒吸入毒理学研究，容纳实验动物的暴露舱内的气溶胶必须满足以下条件：1）在整个暴露期间，浓度保持稳定并维持在目标水平；2）成分均匀，不含污染物；3）粒径分布稳定，几何平均直径< 200 nm，几何标准偏差 σg < 2.5 5。由于纳米颗粒极易发生团聚，生成含纳米颗粒的气溶胶极具挑战性。这主要是因为颗粒间作用力极强，并会形成尺寸达数十甚至数百微米的大型分形结构6，难以将其分散。研究人员已测试了多种常见的气溶胶发生器，包括雾化器、流化床、文丘里抽吸器和Wright粉尘进样器；然而，这些装置均无法产生满足上述所有标准的纳米颗粒气溶胶5。
一种全身性纳米颗粒气溶胶吸入暴露系统被设计、验证并用于纳米TiO₂2 吸入毒理学研究。关键组分：1）新型纳米TiO₂2 气溶胶发生器；2）0.5 m3 全身吸入暴露舱；以及3）监测与控制系统。Nano-TiO2 由块状干燥纳米二氧化钛产生的气溶胶2 粉末（一次粒径为21 nm，振实密度为3.8 g/cm³）3) 以90 LPM（每小时10.8次空气交换）的流速送入暴露室。使用扫描电迁移粒径谱仪（SMPS）和电气低压冲击器（ELPI）连续测量颗粒物粒径分布和质量浓度谱。气溶胶质量浓度（C) 通过重量法验证（mg/m3）。质量（M所收集颗粒的质量被确定为 M = (M后- M预处理），其中 M预处理 和 M术后 采样前后滤膜的质量mg）。质量浓度计算公式为 C = M/(Q*t)， 其中 Q 采样流速（m3/分钟), 和 t 为采样时间（分钟）。腔室压力、温度、相对湿度（RH）、O2 和 CO2 浓度被持续监测和控制。纳米TiO₂2 使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线（EDX）分析采集在Nuclepore滤膜上的气溶胶。
综上所述，我们报道了生成并输送至暴露室的纳米颗粒气溶胶具有以下特性：1）稳定的质量浓度；2）均匀且无污染物的组分；3）稳定的粒径分布，在气溶胶生成过程中计数中值空气动力学直径为157 nm。该系统能够可靠且可重复地创建模拟职业、环境或家庭中暴露于工程纳米材料（ENM）气溶胶的测试环境。
方案
全身纳米颗粒吸入暴露的逐步操作流程如下所述。
注意：1）步骤1和3应在通风橱中进行；2）操作人员必须佩戴适当的个人防护装备（呼吸器、护目镜和橡胶手套）。
1. TiO的预处理2 纳米颗粒干粉
- 将纳米TiO2粉末置于不透明容器中。
- 保持容器盖子打开。
- 将容器放入干燥干燥器中，至少放置24小时进行预处理。
2. 预热数据采集与控制系统、SMPS、ELPI及所有传感器
- 打开空气监测和数据采集系统，以及气溶胶监测仪器SMPS（TSI Inc., Shoreview, MN）和ELPI（Dekati, Tampere, Finland）的电源开关，并预热系统至少1小时。
- 打开所有传感器的电源开关，并预热至少1小时。
3. 将TiO2纳米颗粒干粉装入气溶胶发生器
- 打开气溶胶发生器的筒盖，更换气溶胶发生器中的滤膜。注意：每个气溶胶发生器包含一个筒体。所需使用的气溶胶发生器数量取决于暴露舱内颗粒物的目标质量浓度。
- 称取约 4 g 纳米 TiO....
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结果
吸入暴露研究通常涉及将实验动物置于已知且恒定的测试环境中，并使其暴露于特定浓度的测试物质中8,9。全身体吸入纳米颗粒暴露系统如图1所示。全身体暴露室在动态气流条件下运行，室内保持90 LPM的持续气流。该气流提供每小时10.8次空气交换，超过美国环境保护署（Environmental Protection Agency）对急性吸入暴露所要求的最低空气交换次数（10.0）7。进气端采用三级空气过滤系统，包括聚结过滤器、高效聚结过滤器和活性炭过滤器（Atlas Copco，瑞典），以去除空气中的水分、灰尘、油蒸气以及（碳氢化合物）气味。另设一套三级空气过滤系统，包括前置纸质过滤器、活性炭过滤器和高效微粒空气（HEPA）过滤器，用于保护排气质量流量控制器。根据西弗吉尼亚大学的要求，排气真空泵出口处采用由TSE Systems设计的四级空气过滤系统。暴露室可容纳8个由TSE Systems提供的不锈钢丝材质动物笼。暴露室内同时暴露的实验动物最大数量为16只大鼠或64只小鼠。实验动物总体积不超过暴露室容积的5%，以确保测试气氛的稳定性，此要求符合美国<.......
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讨论
本文构建并描述了一套整体暴露式纳米颗粒气溶胶吸入暴露系统。该系统的功能已通过先进的纳米颗粒气溶胶表征技术进行了验证。借助一种新型的纳米颗粒气溶胶发生系统，该吸入暴露系统可为实验动物提供温度、湿度、气流和氧气含量相对稳定且受控的、特性明确且均匀的纳米颗粒气溶胶测试环境。该暴露系统特别适用于需要大量动物或长期暴露的实验研究。在此大型整体暴露舱中，实验动物可自由活动，舒适度较高，热应激被降至最低。该暴露系统的主要局限性在于实验动物完全处于暴露舱的气溶胶环境中，可能同时存在经口和经皮等其他暴露途径。此外，在整体暴露系统中，由于进气流量较大，需要消耗较大量的原始材料。例如，在本系统中，暴露舱体积为0.5 m3时，进气流量为90 LPM；而12通道的仅头部暴露吸入暴露系统的进气流量仅为12 LPM。因此，在规划吸入暴露实验时，必须考虑原始材料的成本及其可获得性。
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披露
本报告中的发现和结论仅代表作者观点，并不代表国家职业安全与健康研究所的立场。提及任何公司名称或产品，并不意味着美国国家职业安全卫生研究所（NIOSH）对此表示认可，也不表示其他替代产品不可获得，或在经过适当评估后无法替代。
致谢
列出致谢和资助来源。
NIH-ES015022 和 ES018274（TRN）
美国国家科学基金会合作协定 1003907（VCM）
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 吸入暴露系统 | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germany | ||
| 空气监测系统 | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germany | ||
| 二氧化钛 Aeroxide P25 | Evonik, Germany | ||
| 扫描迁移率粒径谱仪-3936L75 | TSI Inc., Shoreview, MN | ||
| 低压电撞击器，标准 10 LPM | Dekati, Tampere, Finland | ||
| 超微量天平，XP2U | METTLER TOLEDO, Switzerland | ||
| 场发射扫描电子显微镜-S-4800 | Hitachi, Japan | ||
| 能量色散X射线分析 | Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, N.J. | ||
| Nuclepore 聚碳酸酯滤膜 | Whatman, Clinton, PA | ||
| PTFE 膜滤器 | Pall corporation, Ann Arbor, Michigan |
参考文献
- Bide, R. W., Armour, S. J., Yee, E. Allometric respiration/body mass data for animals to be used for estimates of inhalation toxicity to young adult humans. J. Appl. Toxicol. 20 (4), 273-290 (2000).
- Guyton, A. C. Analysis of respiratory....
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