Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation Exposures

Summary

Ein Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation Anlage wurde für die Nano-Titandioxid aufgebaut (TiO

Abstract

Inhalation ist die wahrscheinlichste Expositionsweg für Einzelpersonen, die mit aerosolisierbaren entwickelt Nano-Materialien (ENM). Um richtig durchführen Nanopartikel Inhalationstoxikologiestudien, die Aerosole in einer Kammer die Unterbringung der Versuchstiere muss: 1) eine stetige Konzentration auf einem gewünschten Niveau für die gesamte Exposition Zeitraum aufrechterhalten, 2) eine homogene Zusammensetzung frei von Verunreinigungen, und 3) eine stabile Größenverteilung mit einem geometrischen mittleren Durchmesser <200 nm und einer geometrischen Standardabweichung σ _g <2,5 ^5. Die Erzeugung von Aerosolen, die Nanopartikel enthalten ist eine ziemliche Herausforderung, weil Nanopartikel leicht agglomerieren. Dies ist vor allem aufgrund der sehr starken Kräfte zwischen den Teilchen und die Bildung von großen fraktale Strukturen in Dutzenden oder Hunderten von Mikrometern Größe ^6, die nur schwer aufgebrochen werden sollen. Mehrere gemeinsame Aerosolpackungen, einschließlich Vernebler, Wirbelschichten, Venturi Sauger und der Wright Staubaufgabe, wirerneut getestet, jedoch war keiner in der Lage, Nanopartikel Aerosole, die alle Kriterien erfüllen ⁵ produzieren.

Ein Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation System hergestellt wurde, validiert und verwendet für die _Nano-TiO2 Inhalationstoxikologiestudien. Kritische Komponenten: 1) neue _nano-TiO2 Aerosol-Generator, 2) 0,5 m ³ Ganzkörper-Inhalation Kammer, und 3) Monitor und Steuerung. Nano-TiO ₂ Aerosole Trockendichte nano-TiO _2-Pulver (primäre Durchmesser von 21 nm, eine Schüttdichte von 3,8 g / cm ³⁾ erzeugt wurden, in die Bestrahlungskammer mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 90 LPM (10,8 Luftwechsel / h) zugeführt . Korngrößenverteilung und Massenkonzentration Profile wurden kontinuierlich mit einem Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) und einer elektrischen niedrig (ELPI) gemessen. Das Aerosol Massenkonzentration (C) wurde gravimetrisch (mg / m ³⁾ überprüft. Die Masse (M) Der gesammelten Partikel als M = (M _{post-M vor),} wobei M und M _pre-Pfosten sind Massen des Filters vor und nach der Probenahme (mg) bestimmt. Die Massenkonzentration wurde berechnet als C = M / (Q * t), wobei Q Abtasten Strömungsrate (m ³ / min) ist, und T ist die Abtastzeit (Minute). Die Kammer Druck, Temperatur, relative Feuchte (RH), O ₂ und CO _{2-Konzentrationen} wurden kontinuierlich überwacht und gesteuert. _Nano-TiO2 Aerosolen auf Filtern gesammelt Nuclepore wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und Energie Röntgenanalyse (EDX) analysiert.

Zusammenfassend berichten wir, dass die Nano-Partikel Aerosole erzeugt und geliefert, unser Engagement Kammer haben: 1) stetig Massenkonzentration; 2) homogene Zusammensetzung frei von Verunreinigungen, 3) stabil Partikelgrößenverteilungen mit einem Count-Median Aerodynamiknamischen Durchmesser von 157 nm bei Aerosol-Erzeugung. Dieses System zuverlässig und immer wieder schafft Test Atmosphären, die Arbeits-, Umwelt-oder inländischen ENM Aerosol Belichtungen zu simulieren.

Protocol

Die Ganzkörper-Nanopartikel Inhalation Schritt-für-Schritt-Arbeitsanweisungen werden wie folgt beschrieben.

Anmerkung: 1) die Schritte 1 und 3 sollten in einem Abzug durchgeführt werden; 2) Betreiber muss geeignete persönliche Schutzausrüstung tragen (Atemschutzmasken, Schutzbrillen und Gummihandschuhen).

1. Conditioning _TiO2 Nanopartikel Trockenpulver

1. Zeigen nano-TiO _2-Pulver in einem undurchsichtigen Behälter.
2. Lassen Sie den Behälterdeckel offen.
3. Stellen Sie den Behälter in einer trockenen Exsikkator für mindestens 24 Stunden für die Konditionierung.

2. Aufwärmen Data Acquisition and Control System, SMPS und ELPI und alle Wandler

1. Schalten Sie die Luftüberwachung und Datenerfassungssystem und Power-Schalter für Aerosol-Überwachung SMPS (TSI Inc., Shoreview, MN) und ELPI (Dekati, Tampere, Finnland), und wärmen die Systeme für mindestens 1 Stunde.
2. Schalten Sie den StromSchalter in allen Wandlern zu erwärmen sie sich für mindestens 1 Stunde.

3. Lädt _TiO2 Nanopartikel Trockenpulver in Aerosol-Generatoren

1. Öffnen Sie die Zylinder Kappen auf den Aerosol-Generatoren, und ersetzen Sie die Filter in der Aerosol-Generatoren. Hinweis: Ein Aerosol-Generator hat einen Zylinder. Die Anzahl der Aerosolgeneratoren eingesetzt werden, hängt von der gewünschten Gehalts an Partikeln in Bestrahlungskammer.
2. Wiegen ~ 4 g nano-TiO _2-Pulver und laden Sie sie in jedem Zylinder.
3. Ersetzen Sie die Zylinderkappen.
4. Alle Bereiche Verdacht von _TiO2 Verunreinigung sollte feucht abgewischt werden.

4. Anschließen Aerosol Generatoren zur Inhalation Exposure Kammer

1. Schließen Sie alle Filialen der Aerosol-Generatoren über einen Verteiler zu einem Zyklon, die am Eingang der inhalativen Exposition Kammer (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Deutschland) ist.
2. Verbinden Druckluft Schlauch andie Venturi Dispergierern in der Aerosol-Generatoren.

5. Anschließen Air Überwachung und Aerosol Sampling Eingänge zu der inhalativen Exposition Kammer

1. Verbinden und relative Feuchtigkeit (RH), Druck, O ₂ und CO _2-Sensoren von TSE Systems lieferte die Atmosphäre Monitoring-Ports auf der inhalativen Exposition Kammer testen.
2. Den Eingang eines Aerosols Dilutor einem der Aerosolabscheidung Ports auf der inhalativen Exposition Kammer, und dann verbinden Sie dessen Ausgang mit dem Eingang des ELPI.
3. Verbinden SMPS einem der Aerosolabscheidung Ports auf der inhalativen Exposition Kammer.
4. Verbinden Einlass einer Partikelkonzentration Monitor (TSE Systems) an einer der Aerosolprobenahme Ports auf der Bestrahlungskammer.
5. Wiegen PTFE-Membranfilter (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) und laden in einem Edelstahl-Filterhalter (In-Tox-Produkte, Moriarty NM) Filter.
6. Verbinden Sie den Eingang desdie Edelstahl-Filterhalter mit einem vorher gewogenen Filter, einem der Aerosolabscheidung Ports auf der inhalativen Exposition Kammer und verbinden dessen Ausgang zu einer Probenahme Pumpe.

6. Aktivieren Datenerfassungssysteme

1. Activate ELPI Software zur Datenerfassung, ELPIVI, überprüfen Sie Setup-Parameter, und schalten Sie die Pumpe bündig für ~ 5 min und dann die Null ELPI. Nimm Vorbelichtung Konzentration.
2. Aktivieren SMPS Datenerfassungs-Software. Nimm Vorbelichtung Konzentration.
3. Software aktivieren, Daco (TSE Systems), für die Überwachung und Steuerung des Luftstroms, der Temperatur und RH Kammer Druck, Temperatur & RH, O ₂ und CO _2.

7. Lädt Versuchstiere in der inhalativen Exposition Kammer

1. Wiegen Sie die Versuchstiere.
2. Markieren Sie die Versuchstiere und Käfigen, so dass die Tiere zurück in den gleichen Käfig gesetzt werden nach der Belichtung, wenn needed.
3. Öffnen Sie die Tür der inhalativen Exposition Kammer und laden Versuchstieren in der drahtgebundenen Käfigen.
4. Wasser kann für die Tiere zur Verfügung gestellt werden.
5. Schließen und sichern Sie die Tür der inhalativen Exposition Kammer.
6. Häufig beobachten Tiere durch die Exposition Kammer Sichtfenster für Anzeichen von Leiden. Die Tiere sollten entspannt sein und normal verhalten. Stoppen Sie die Exposition durch rapid / Atemnot, sind abnorme Erscheinung, Fehlhaltungen oder Immobilität beobachtet. Entfernen Sie die Tiere, sie zurück zu ihrer ursprünglichen Käfige, wenden behandelnden Tierarztes und / oder initiieren entsprechende Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss Verfahren.

Hinweis: Die Betreiber müssen persönliche Schutzausrüstung zu tragen, wenn die Schritte 8.7, 8.8 und 8.17.

8. Offenlegen Kleintiere zu Nanopartikel Aerosole

1. Schalten Sie den Auspuff Vakuumpumpe der inhalativen Exposition Kammer.
2. Führen Sie Software zur Datenerfassung, Dako, um: a) liefern gefilterte trockene Luft auf die Exposition Kammer, b) über den Druck in der Kammer Exposition, und c) sammeln die Daten der Exposition Umwelt, wie Druck, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, O ₂ und CO _2.
3. Stellen Sie einen leicht negativen Druck (Sollwert = -0.2 mbar) in der Kammer Druck.
4. Schalten Sie die Aerosol-Generatoren.
5. Führen ELPI und SMPS Datenerfassungs-Software kontinuierlich zu überwachen Partikelgröße und relative Massenkonzentration in der inhalativen Exposition Kammer.
6. Wenn die Aerosol-Konzentration stabil ist, dh die Konzentration Profil auf ELPI Monitor erreicht Plateau (Normalerweise: Diese dauert 20 min nach der Aerosol-Generatoren in Betrieb sind), die Abtastzeit gesetzt (z. B. 1 Stunde) und schalten Sie den Aerosolabscheidung zu pumpen, um repräsentative Stichprobe von Nanopartikeln mit Filtern zu sammeln.
7. Sobald die Abtastzeit erreicht ist, entfernen Sie die Filter und stecken Sie das sampling Ports mit Gummi-Stecker an Testmaterialien entweicht die Belichtung Kammer zu verhindern.
8. Wiegen Sie die Filter, und berechnet den Mittelwert Massenkonzentration in der Belichtungskammer wie oben beschrieben.
9. Wenn die mittlere Konzentration ist von der gezielten Konzentration, manuelle Einstellung der Luftstrom in den Generatoren, um sicherzustellen, die gezielte Konzentration erreicht wird.
10. Berechnen Partikelabscheidung in der tierischen Lunge als D = C x V _m xtx F _r, wobei D = Dosis, C = mittlere Massenkonzentration von Testmaterial, V _m = Atemminutenvolumen, t = Expositionsdauer und F _r = Bruchteil des Materials Das ist hinterlegt oder absorbiert.
11. Ersetzen Sie die Filter in den Filterhalter mit sauberem, pre-gewichtete Filter und wiederholen Sie die Schritte 8.6 und 8.8.
12. Basierend auf dem realen Massenkonzentration in der Exposition Kammer und gezielte Partikelabscheidung in der tierischen Lunge, schätzen die verbleibenden exposure Zeit _bleiben t = (D _gezielte-D) / (C x V x F _{r m),} wo t = _bleiben bleiben Expositionsdauer, D = _gezielte gezielte Dosis, C = mittlere Massenkonzentration von Testmaterial, V _m = Minutenvolumen, F _r = Anteil des Materials, das abgeschieden oder absorbiert wird.
13. Schalten Sie den Aerosol-Generator, wenn t _bleiben erreicht ist.
14. Vor dem Entfernen der Tiere aus der Exposition Kammer, spülen Sie die Inhalation Kammer mit der gefilterten Luft, bis die Partikelkonzentration im Monitor angezeigt ist in der Nähe des Vorbelichtung Partikelkonzentration in der Kammer.
15. Schalten Sie die Kammer Auspuff Vakuumpumpe.
16. Stoppen Sie Software zur Datenerfassung, Dako.
17. Nach der Belichtung Tiere beobachten zu normalen Atmung und Verhalten zu überprüfen und zu dokumentieren, dass keine andere Studie Komplikationen exIST. Wenn Nasenausfluss, Atemnot oder andere Tierschutz Komplikationen beobachtet werden, kontaktieren behandelnden Tierarztes und / oder initiieren entsprechende Institutional Animal Care und Verwenden Ausschuss Verfahren.
18. Stoppen ELPI und SMPS Datenerfassungs-Software.

9. Erstellen Prüfbericht

9.1 Prüfbedingungen sind

1. Beschreibung der Aerosol-Erzeugung und seine Betriebsparameter in diesem Test verwendet.
2. Beschreibung der Exposition einschließlich Gestaltung, Typ, Abmessungen und seine Betriebsparameter während der Belichtung verwendet.
3. Geräte zur Messung von Temperatur, Feuchte, Partikelgröße und tatsächliche Konzentration.
4. Behandlung der Abluft und Art der Unterbringung der Tiere in der Prüfkammer, wenn verwendet.

9.2 Exposure Atmosphäre Daten enthalten

1. Luftmengen durch das Einatmen Ausrüstung.
2. Temperatur und Luftfeuchtigkeitdie Luft.
3. Actual (analytische oder gravimetrisch)-Konzentration in der Aerosol-Probenahme-Zone, die in der Nähe der Tierkäfige ist.
4. Korngrößenverteilung und berechnet Zählung des aerodynamischen Durchmessers und geometrischen Standardabweichung.
5. Erläuterung, warum die gewünschte Kammer Konzentration und / oder Partikelgröße konnte nicht erreicht (falls zutreffend), und die Anstrengungen unternommen, um mit diesen Aspekten der Leitlinien entsprechen.

9.3 Sonstige

1. Etwas Unterdruck in dem Raum mit Inhalation Einrichtung sollte beibehalten werden, um Test-Materialien entweicht Inhalation Labor zu verhindern.
2. Reinigen Sie die Belichtung Kammer täglich, um die Einflüsse der tierischen Abfälle zu beseitigen.
3. ELPI, SMPS und andere Instrumente gereinigt und kalibriert werden basierend auf den Bedienungsanleitungen.

Representative Results

Inhalationsvorrichtung Expositionsstudie typischerweise Aufrechterhaltung eines Versuchstieres auf eine bekannte und konstante Testumgebung während Aussetzen des Versuchstieres auf eine definierte Konzentration einer Prüfsubstanz ^8,9. Die Ganzkörper-Nanopartikel Inhalation ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Ganzkörper-Kammer wurde auf einer dynamischen Basis Strömung betrieben, wo ein 90 LPM kontinuierlicher Luftstrom durch die Kammer. Dieser Luftstrom bereitgestellt 10,8 Luftwechsel / h, die die minimale Anzahl der Luftwechsel (10,0) durch die US Environmental Protection Agency für akute inhalative Expositionen ⁷ erforderlich übersteigt. Ein 3-Stufen Luftfilter-System, einschließlich einer Koaleszierfilters ein hoher Wirkungsgrad und eine Koaleszenzfilters Aktivkohlefilter (Atlas Copco, Schweden) wurde am Zuluft für die Entfernung von Wasser, Staub und Öldämpfe und (Kohlenwasserstoff) Gerüche verwendet. Ein 3-Stufen Luftfilter-System, einschließlich einer Pre-Papierfilter, einem Aktivkohlefilter und einem HEPA-filter wurde verwendet, um Abgasmassenstrom Controller schützen. Per West Virginia University Wunsch wurde ein 4-Stufen Luftfilter-System von TSE Systems entwickelt wurde am Auslass des Auspuffs Vakuumpumpe eingesetzt. Die Belichtung Kammer hat eine Kapazität von 8 Gehäuse Tierkäfige, die aus rostfreiem Stahldraht hergestellt wurden und geliefert von TSE-Systeme. Die maximale Zahl der Versuchstiere in der Atmosphäre in der Kammer eingetaucht ist Belichtung 16 Ratten oder 64 Mäusen. Das Gesamtvolumen der Versuchstiere nicht mehr als 5% des Volumens der Kammer, um die Stabilität eines Tests Atmosphäre, die durch die US Environmental Protection Agency für akute inhalative Expositionen ⁷ erforderlich zu gewährleisten.

Ein Nanopartikel Aerosol-Generator wurde entwickelt und getestet, ^3,10. Es besteht aus einem vibrierenden Wirbelbett Zylinder (5) mit einer Ablenkplatte (4), einer vibrierenden Venturi Disperger (6) und einem Zyklonabscheider, wie in Abbildung 2 dargestellt. Ein Vibrator (10) mit dem zylin befestigter (5) mechanische Schwingungen erzeugt. Ein Filter (2) sitzt auf dem Edelstahl Luftverteiler (1) in den Zylinder. Nanopartikel-Pulver (3), um Aerosol ruht auf dem Filter. Das Venturi-Dispergierer (6) an der Austrittsöffnung am oberen Ende des Zylinders verbunden ist. Der Venturi Disperser eine Verengung in einem Rohr. Ein Hochgeschwindigkeits-Luftstrom bläst über die Verengung in der Venturi Dispergiervorrichtung kann ein Vakuum in dem Zylinder, die das saubere und trockene Luft in den Zylinder zu ziehen aus der Luft Zuführkanäle auf beiden proximalen und distalen Enden durch eine Aktivkohle und HEPA Filter (9). Das Venturi-Dispergierer Auslass mit dem Einlass eines Zyklonabscheider (7) verbunden ist. Der Auslass des Zyklonabscheiders mit dem Einlaß der Bestrahlungskammer verbunden. In diesem Aerosol-Generation-System, schwingen Scherströmungen und mehrere Impaktionen genutzt werden, um größere Agglomerate, mehrere Partikelabscheidern verwendet, um die große Agglomerate zu entfernen, und mehrere Verdünnungen zur Minimierung zerstreuenRe-Agglomeration der Partikel. Die Teilchengröße und Massenkonzentration kann durch manuelles Einstellen der Schwingungen und Luftdurchsatzes durch trockene Pulverschicht über Ventile (8) und (11) gesteuert werden.

_TiO2 Aerosole aus _nano-TiO2 bulk Trockenpulver (Aeroxide _TiO2 P25, Evonik, Deutschland) wurden verdünnt und an die Inhalation Kammer bei 90 LPM generiert. Die Testergebnisse wurden mit dem Atmosphären ELPI überwacht und manuell, um eine konsistente und bekannten Exposition für jedes Versuchstier Gruppe versichern angepasst. Darüber hinaus sollte ein Schein-Gruppe, bestehend aus der gleichen Anzahl von Versuchstieren immer in die Studie aufgenommen werden. Die Steuerung Versuchstiere ausgesetzt, um gefilterte Luft anstelle von Aerosolpartikeln und die Ergebnisse aus dieser Sham-Gruppe verwendet, die biologischen Wirkungen der Nanopartikel Test Aerosols auf der Versuchstiere bewerten würde zu reinigen.

1. Chamber Druck

Abbildung 3 dargestellt ist, wurde durch die Steuerung der Kammer-und Abluft Flussraten, um ein Auslaufen der Testsubstanz in die umgebende Labor verhindern gehalten. Im Idealfall ist der Raum mit der inhalativen Exposition Kammer sollte bei einem leicht negativen Druck.

2. Die Luftmengen, Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit

Die Zu-und Abluft Flussraten wurden von Mass Flow Controllern gesteuert. Wie in Abbildung 4 dargestellt, war der Einlass Luftdurchsatz 89,9 ± 0,3 LPM und Abluft Flussrate betrug 111,9 ± 0,9 LPM. Die Temperatur und der relativen Feuchtigkeit wurden mit einer Temperatur und RH Wandlers überwacht und bei 22,6 ± 0,4 ° C und 6,9 ± 0,6%, durch Steuern der Raumlufttemperatur und ein Humidifier, wie in 5 gezeigt. Nach Pauluhn & Mohr Untersuchungen unter der relativen Feuchte zwischen 3 und 80%, toleriert Ratten entweder Feuchtigkeit Atmosphäre ohne besondere Effekte ^4.

3. Chamber O ₂ und CO _{2-Konzentrationen}

Die O ₂ und CO _{2-Konzentrationen} wurden kontinuierlich mit einem O ₂ und einem CO _{2-Gas-Analysatoren} überwacht. Wie in 6 gezeigt, wurde O ₂ bei 20,79 ± 0,03% stabil, und CO _{2-Konzentration} betrug 580 ± 25 ppm.

4. Aerosol Characterization

Aerosol zur Inhalation verwendet wird allgemein in Echtzeit durch zwei Parameter, die die Größe Verteilungsfunktion und eine Konzentration Parameter beschreiben ist. Ein kontinuierlicher Strom von der Testatmosphäre wurde aus den Zonen unmittelbar oberhalb der Tierkäfige in der Kammer durch eine Probe gezogenLinie zum Analysegerät.

4.1 Particle Size Distribution

7A ist die Teilchengrößenverteilung mit einem Standard 10 LPM ELPI gemessen. Die Zahl des aerodynamischen Durchmessers der Partikel 157 nm. 7B ist die Teilchengrößenverteilung mit TSI 3936L75 SMPS gemessen. Der Graf Median Mobilität Durchmesser der Partikel beträgt 145 nm mit einer geometrischen Standardabweichung von 2,3. 7C zeigt die Partikelgröße Wechsel während der Inhalation Studien. Die Teilchengröße ist relativ stabil während der gesamten Belichtungszeit.

4.2 Aerosolkonzentration

Die Echtzeit-Massenkonzentration Profil der nano-TiO _2-Teilchen in den Zonen unmittelbar oberhalb der Käfige mit einer ELPI überwacht. 8A ist die Partikelkonzentration während 4 Stunden / Tag Inhalation. Währenddie Inhalation, die tatsächlichen Konzentrationen gemessen wurden mittels gravimetrischer Methoden wurden drei vor vier Messungen, für die Berechnung inhalierten Dosis. Die Partikel wurden mit 47 mm PTFE Membranfilter gesammelt. Ein XP2U Mikrowaage (Mettler Toledo, Schweiz) wurde verwendet, um die Füllstoffe wiegen.

Die intra-day und inter-Tag Variabilität der nano-TiO _{2-Konzentration} in der inhalativen Exposition Kammer wurden basierend auf gravimetrischen Konzentrationen von 29 einzelnen 4 h / Tag Einatmung (gezielte Konzentration = 6,0 mg / m ³⁾ bestimmt. Jeder intra-day mittlere Konzentration und die relative Standardabweichung (RSD) wurden basierend auf 3 oder 4 gravimetrische Messungen während dieser 4 Stunden Inhalation, wie in 8B gezeigt berechnet. Die intra-day-Konzentration hat einen Mittelwert von 5,3 bis 6,6 mg / m ³ mit RSD zwischen 0,02 und 0,17. Die mittlere Konzentration inter-Tag und seine RSD wurden basierend auf 29 individuellen Mittelwert berechnet intra-day gravimetrischen Konzentrationen. Die inter-Tag mittlere Konzentration beträgt 6,0 mg / m ³ mit einer RSD von 0,06. Sie wies darauf hin, dass unser System stabil und reproduzierbar _nano-TiO2 Testatmosphären für akute inhalative Expositionen bieten.

4.3 Aerosol Morphologie und Elemental Composition

Strukturen und chemischen Zusammensetzungen der Partikel sind von entscheidender Bedeutung in toxikologischen Studien. _TiO2 Proben wurden auf 47-mm Nuclepore Polycarbonat Filter (Whatman, Clinton, PA) gesammelt. Die Filter wurden in vier gleich große Abschnitte geschnitten, zwei Schnitte wurden auf Aluminium-Stubs mit Silber-Paste (Kolloidales Silber Flüssigkeit, Electron Microscopy Sciences, Hatfield, PA) montiert. Die abgeschiedenen _{TiO2-Partikel} angesehen wurden unter Verwendung eines Hitachi 4800 Feldemission Rasterelektronenmikroskop (FE-REM, Hitachi, Japan), und darüber hinaus anhand energiedispersiven Röntgenanalyse (SEM-EDX; Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, NJ) bei 20 keV. TiO2 Aerosolproben und Abbildung 10 ist ein Spektrum für die _TiO2 Aerosolproben. Mehr als hundert Teilchen wurden mit dem SEM-EDX untersucht, um sicherzustellen, dass Partikel auf dem Filter wurden wirklich von Titan und Sauerstoff, ein Indiz für _{TiO2-Partikel.} In Abbildung 10 ist der Kohlenstoff aus dem Filter und der Gold / Palladium ist aus der Beschichtung. Basierend auf den SEM-EDX Ergebnisse, bestand alle Teilchen untersucht von Titan und Sauerstoff nur, was zeigt, dass sie wirklich waren _{TiO2-Partikel.}

5. Gleichmäßigkeit der Verteilung

Pflege der entsprechenden Umgebungsparameter im Inneren der Kammer nicht ausreichend, wenn die Konzentration der Testverbindung variiert von Standort zu Standort ^3. Die Nanopartikel-Konzentrationen wurden an vier verschiedenen Orten in den Bereichen oberhalb der Käfige in der Bestrahlungskammer gemessen.

Masse der Partikel an einer Stelle, M _i, gravimetrisch mit Filter Stichprobe und eine Mikrowaage gemessen. Die mittlere Masse der in die Stichprobe Teilchen

Die relative Abweichung der Massenkonzentration an der Stelle i von der mittleren Konzentration

Die maximale relative Abweichung der Konzentrationen an verschiedenen Messorten von der mittleren Konzentration <6%. Dies ist innerhalb der Toleranzgrenzen für Gruppe Berechnung.

6. Berechnet Particle Deposition in Tierlungen Wenn das Tier inhaliert bekannten Konzentration der Prüfsubstanz Atmosphäre während der Belichtungszeit und der Aufnahme oder abgeschiedenen Fraktion bekannt ist, kann die Menge des abgelagerten Testmaterial berechnet werden:

wobei D = Dosis, C = Konzentration von Testmaterial, V _m = Atemminutenvolumen, t = Expositionsdauer und F _r = Bruchteil des Materials, das abgeschieden oder absorbiert wird.

Durchschnittliche Werte für das Minutenvolumen, kann V _m von Körpermasse anhand empirischer allometrisches Scaling Formeln ^1,2 abgeschätzt werden. Zum Beispiel, unter der Annahme einer Ratte einen Atemminutenvolumen V _m = 200 ml / min, Konzentration Belichtung C = 6,2 mg / m ^3, t = Expositionsdauer4 Std., Bruchteil des Materials Deposition F _r = 0,1, dann die berechnete Lungendeposition D = 30 ug.

Abbildung 1. Einatmen Exposure Fazilität 1 = Exposure Kammer;. 2 = Elektrische Niedrigdruckimpaktor; 3 = Aerosol-Generator, 4 = Scanning Mobility Particle Sizer.

Abbildung 2. Schematische Darstellung von Nano-TiO2 Aerosolgenerators 1 = Luftverteiler;. 2 = Filter, 3 = TiO ₂ Pulver, 4 = Schallwand, 5 = Zylinder; 6 = Venturi Disperser; 7 = Zyklonabscheider; 8 = Ventil (Verdünnungsluft) ; 9 = Kohle & HEPA-Filter, 10 = Vibrator; 11 = Ventil (Luft durch trockenes Pulver).

Abbildung 3. Kammerdruck. Ein leicht negativer Druck in der Kammer wurde auf -0,2 mbar gehalten (gezielte Druck). Sobald der Druck vor der gezielten Druck (Spikes), die Steuerung der Druck auf die gezielte Druck eingestellt.

Abbildung 4. Kammer-und Abluft Flussraten. Mittlerer Einlass Luftdurchsatz = 89,9 LPM und Abluft Volumenstrom = 111,9 LPM einen leicht negativen Druck in der Kammer zu halten.

Abbildung 5. Chamber Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit. Die mittlere Temperatur tur = 22,6 ± 0,4 ° C, während die RH beträgt 6,9 ± 0,6%.

Abbildung 6. Chamber O ₂ und CO _2. Die O ₂ ist 20.79% und CO ₂ beträgt 580 ppm.

Abbildung 7. . _TiO2 Aerosolgrößenverteilung A) ELPI zählen aerodynamischen Durchmesser D _p = 157 nm; B) SMPS, zählen Median Mobilität Durchmesser D _g = 145 nm mit einer geometrischen Standardabweichung σ _g von 2,3 C) Partikelgröße gegen die Zeit. von ELPI. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .

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8A. 4 Std. _TiO2 Aerosolmasse Konzentration.

8B. _TiO2 Aerosolmasse Konzentrationen von 29-individuelle 4 Std. Inhalation.

Abbildung 9. REM-Aufnahmen von _TiO2 Aerosol. A) Typische Partikelverteilung auf 47 mm-Filter. B) Roter Pfeil, um 1.78. C) Gelber Pfeil, 159 nm. Klicke hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .

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Abbildung 10. Ein Spektrum von TiO ₂ Aerosolprobe. Der Kohlenstoff wird von dem Filter und das Gold / Palladium aus der Beschichtung. Basierend auf den SEM-EDX Ergebnisse, bestand alle Teilchen untersucht von Titan und Sauerstoff nur, was zeigt, dass sie wirklich waren _{TiO2-Partikel.}

Discussion

Wir haben zusammengestellt und hier in einem Ganzkörper-Nanopartikel Aerosol Inhalation System beschrieben. Die Funktionalität des Systems wurde mit state-of-the-art Nanopartikel Aerosol Charakterisierung Techniken validiert. Mit einem neuartigen Nanopartikel Aerosol-Generation-System, kann diese Inhalation System eine gut charakterisierte, kontrollierte und einheitliche Nanopartikel Aerosolprüfung Atmosphäre mit relativ konstante Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftströmung, und der Sauerstoffgehalt für Versuchstiere zu stellen. Die Belichtung ist die effizienteste für eine große Anzahl von Tieren, oder Langzeitstudien. In diesem großen Ganzkörper-Kammer sind Versuchstiere hemmungslos, komfortabel und Hitzestress wird minimiert. Der größte Nachteil bei der Belichtung ist, dass die Versuchstiere in der Atmosphäre in der Bestrahlungskammer eingetaucht sind. Andere Routen der Exposition wie orale und dermale Exposition auftreten kann. Auch in der Ganzkörper-System wird viel Schüttgut erforderlich because von größeren Einlass Durchfluss. Zum Beispiel, in diesem System mit einem 0,5 m ³ Exposition Kammer, ist der Einlass Luftdurchsatz 90 LPM, während bei einem 12-Port-nose-only Inhalation System, ist der Einlass Luftdurchsatz 12 LPM. Daher müssen Kosten und die Verfügbarkeit von Schüttgütern bei der Planung Inhalation Studien werden.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Inhalation exposure system	TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germany
Air monitoring system	TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germany
Titanium dioxide Aeroxide P25	Evonik, Germany
Scanning mobility particle sizer-3936L75	TSI Inc., Shoreview, MN
Electric low pressure impactor, Standard 10 LPM	Dekati, Tampere, Finland
Ultra Micro Balance, XP2U	METTLER TOLEDO, Switzerland
Field Emission Scanning Electron Microscope-S-4800	Hitachi, Japan
Energy dispersive X-ray analysis	Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, N.J.
Nuclepore polycarbonate filters	Whatman, Clinton, PA
PTFE membrane filters	Pall corporation, Ann Arbor, Michigan