开发一种可提供四种纳米颗粒暴露浓度的单鼻吸入毒性试验舱

摘要

设计并验证了一种可同时在四个不同暴露浓度下进行吸入毒性测试的仅鼻暴露吸入毒性舱，该装置已针对各浓度暴露端口的流场均匀性及交叉污染进行了验证。本文介绍了一项确认该设计舱体适用于吸入毒性测试的实验方案。

摘要

基于计算流体动力学的数值分析，设计并验证了一种具有四种不同暴露浓度的单鼻暴露吸入毒性试验舱，用于评估各浓度组暴露端口之间的流场均匀性及交叉污染情况。将设计的流场数值与水平和垂直位置上各暴露端口的实际测量值进行比较。为此，采用纳米级氯化钠颗粒作为测试颗粒，将其引入吸入舱内，以评估各浓度组之间舱室的交叉污染情况及浓度维持能力。结果表明，所设计的多浓度吸入毒性试验舱可用于动物吸入毒性试验，且各浓度组之间无交叉污染。此外，该多浓度吸入毒性试验舱亦可转换为单浓度吸入试验舱。通过气体、有机蒸气或非纳米级颗粒的进一步测试，将有助于验证该试验舱在其他测试物质吸入试验中的适用性。

引言

吸入毒性测试是评估化学物质、颗粒物、纤维和纳米材料风险的最可靠方法^1,2,3。因此，当化学物质、颗粒物、纤维和纳米材料的暴露途径为吸入时，大多数监管机构均要求提交吸入毒性测试数据^4,5,6,7,8。目前，吸入毒性系统主要有两种类型：全身体暴露系统和仅鼻部暴露系统。标准的吸入毒性测试系统，无论是全身体暴露还是仅鼻部暴露，均需至少四个暴露舱，用于使大鼠和小鼠暴露于四种不同浓度下，即新鲜空气对照组以及低、中、高三个浓度组^7,8。经济合作与发展组织（OECD）的测试指南建议，所选的目标浓度应能够识别出靶器官，并显示出明确的浓度-反应关系^7,8。高浓度水平应产生明显的毒性效应，但不应导致动物死亡或出现可....

方案

1. 数值分析方法

1. 根据图1和表1¹⁴中描述的几何形状，对腔室内部的流场进行分析。
   注意：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。
2. 设计腔室为4层×12列，共48个端口，其核心分为内塔和外塔，如图1B所示。
   注意：每层设有12个暴露端口，用于放置实验动物。应满足经合组织（OECD）指南文件（GD）39⁶中提出的建议。
3. 对于单浓度暴露，将混合板置于内塔顶部，以混合测试物质并确保各层之间的浓度均匀；对于多浓度暴露，通过分隔盘将内塔分为四层，以实现不同暴露浓度的分离。
   注意：混合板

2. 实验评估的准备

1. 腔室
   1. 将腔室分为三个部分：进气口、鞘气层和排气口，如示意图所示（图2）。
      注：进气口是气溶胶流入内腔的位置，鞘气层是内外塔之间用于额外气流通过的空间。
   2. 将气溶胶（或测试物质）输送至内塔及实验动物，而动物呼....

结果

实验装置

图1展示了基于本方案第2节的单鼻吸入暴露系统示意图，包括带有质量流量控制器（MFC）的气溶胶发生器、单鼻暴露腔、用于监测空气质量的颗粒物测量仪器、控制器和排气模块。

数值分析设计

图2展示了用于多浓度暴露（图2A）和单浓度暴露（图2B）的仅鼻部吸入暴露舱的结构示意图。对照用的新鲜空气进气口位于顶部，而低、中、高浓度进气口如图2A

讨论

目前，吸入毒性测试是评估人类呼吸系统吸入的气溶胶材料（颗粒物和纤维）、蒸气和气体的最佳方法^14,15。吸入暴露方法有两种：全身体暴露和仅鼻部暴露。然而，仅鼻部暴露系统可最大限度减少通过皮肤和眼睛等非吸入途径的暴露，并允许使用极少量的受试物质进行测试，因此被经济合作与发展组织（OECD）吸入毒性测试指南推荐为首选暴露方法，适用于急性^4,6、亚急性⁷和亚慢性⁸毒性测试。

标准的吸入毒性实验系统需要四个染毒室（新鲜空气对照组以及低、中、高三个浓度组），因此该操作成本较高、占用空间大，并且需要配备试验物质发生系统和环境控制系统。然而，本文介绍的多浓度吸入染毒室在未来可为小型研究机构提供更为经济的解决方案。该多浓度吸入染毒室基于单浓度染毒室，通过数值分析方法设计和开.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
FLUENT V.17.2	ANSYS		软件
质量流量计 (MFM)	TSI	4043
SMPS（扫描迁移粒径谱仪）	Grimm	SMPS+C
五喷嘴雾化器	HCTM	5JA-1000
质量流量控制器 (MFC)	Horiba	S48-32