Entwicklung einer Testkammer nur Nase einatmen Toxizität, die vier Exposition Konzentrationen von Nanopartikel bietet

Zusammenfassung

Eine nur Nase einatmen Toxizität Kammer in der Lage testen Inhalation Toxizität bei vier unterschiedlichen Belichtungen Konzentrationen wurde entworfen und für den Fluss Feld Gleichförmigkeit und Kreuzkontaminationen zwischen den Häfen der Exposition für jede Konzentration validiert. Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zu bestätigen, dass die gestaltete Kammer für Inhalation Toxizitätstests wirksam ist.

Zusammenfassung

Verwenden eine numerische Analyse basierend auf computergestützte Strömungssimulation, eine nur Nase einatmen Toxizität Kammer mit vier unterschiedlich belichteten Konzentrationen entworfen und validiert für Flow Bereich Einheitlichkeit und Cross-Kontamination der Exposition Häfen für jeden Konzentration. Die gestaltete Fluss Feldwerte werden mit den gemessenen Werten von Exposition Häfen befindet sich horizontal und vertikal verglichen. Zu diesem Zweck sind nanoskalige Natriumchlorid Partikel als Testkörper generiert und eingeführt, um die Inhalation Kammer, die Cross-Kontamination und Konzentration Wartung unter den Kammern, für jede Konzentration zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die gestaltete multiconcentration Inhalation Kammer in tierischen Inhalation Toxizitätstests ohne Cross-Kontamination unter Konzentration Gruppen verwendet werden kann. Gestaltete multiconcentration Inhalation Toxizität Kammer kann darüber hinaus auch zu einer einzigen Konzentration Einatmen Kammer umgewandelt werden. Weitere Tests mit Gas, organische Dämpfe oder nicht-nanoskalige Partikel sorgen für die Verwendung der Kammer bei der Inhalation Testung von anderen Test-Artikeln.

Einleitung

Inhalation Toxizitätstests ist die zuverlässigste Methode für die Bewertung der Risiken von Chemikalien, Partikel, Fasern und Nanomaterialien^1,2,3. Die meisten Aufsichtsbehörden erfordern daher, die Einreichung der Inhalation Toxizitätstests Daten wird die Exposition gegenüber Chemikalien, Partikel, Fasern und Nanomaterialien über Inhalation^{4,5,6,7 ,8}. Derzeit gibt es zwei Arten von Inhalation Toxizität Systeme: Ganzkörper- und Nase nur Belichtung Systeme. Ein Testsystem der standard Inhalation Toxizität, Ganzkörper- oder nur Nase, erfordert mindestens vier Kammern Tiere wie Ratten und Mäuse in vier unterschiedlichen Konzentrationen, nämlich Frischluftregelung und niedrig, Mittel und hohen Konzentrationen⁷ verfügbar machen ^{, 8}. die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) Test Richtlinien deuten darauf hin, dass die ausgewählten Zielkonzentration, die Identifizierung von der Ziel-Organ und Demonstration von eine klare Konzentration Antwort^{7 ermöglichen soll ,8}. Die hohe Konzentration sollte eine klare Grad der Toxizität führen aber nicht verursachen Sterblichkeit oder anhaltende Zeichen, die zu Tod führen oder verhindern, dass eine sinnvolle Auswertung der Ergebnisse^7,8. Die maximale erreichbare Ebene oder hohe Konzentration der Aerosole kann unter Berücksichtigung des Partikel Größe Vertrieb Standards erreicht werden. Mäßiger Konzentration Ebene(n) sollten gesperrt werden, um eine Abstufung der toxischen Wirkungen zwischen der niedrigen und hohen Konzentrationen^7,8zu produzieren. Die niedrige Konzentration-Ebene, die vorzugsweise eine NOAEC (keine-beobachtet-negative-Effekt-Konzentration) wäre, sollte wenig oder gar keine Zeichen von Toxizität^7,8produzieren. Die Ganzkörper-Kammer macht Tiere in einem hemmungslosen Zustand in verkabelten Käfigen, während die Nase nur Kammer ein Tier in einem zurückhaltenden Zustand in der engen Röhre macht. Die Zurückhaltung verhindert den Verlust des Aerosols durch Leckage rund um das Tier. Aufgrund der hohen Anzahl der Ganzkörper-Kammer erfordert es eine große Anzahl von Test-Artikeln an Versuchstieren, ausgesetzt werden, während die Zurückhaltung des Rohres in die Nase nur Expositionssystem Tierbewegung behindert und dazu führen, Beschwerden oder ersticken dass kann. Dennoch bevorzugen die regulatorischen OECD Inhalation Toxizität Prüfungsrichtlinien die Verwendung von nur Nase einatmen Systeme^4,5,6,7,8.

Jedoch Platz für ein vier-Kammer-System, Ganzkörper- oder nur Nase, ist teuer, raumgreifende und erfordert ein integriertes Luftsystem Reinigung und Zirkulation. Ein vier-Kammer-System kann darüber hinaus auch separate Test Artikel Generatoren, Tiere die gewünschten Konzentrationen und eine separate Messung Apparat zur Überwachung der Testkonzentrationen Artikel verfügbar zu machen benötigen. Da standard Inhalation Toxizitätstests erhebliche Investitionen erfordert, muss deshalb eine bequeme und kostengünstige Ganzkörper- oder Nase nur Expositionssystem für den Einsatz in kleinen Forschungseinrichtungen entwickelt werden. Beim Entwerfen einer Inhalation Kammer computational Fluid Dynamics (CFD) Modellierung auch häufig verwendet, um Partikel zu erreichen gas oder Dampf Einheitlichkeit^{9,10,11,12,13} . Bewertung durch numerische Analysen und Validierung von experimentellen Ergebnissen wurde bereits für die Ganzkörper-Exposition Kammer für Mäuse¹⁰durchgeführt. Zum Beispiel die Luft Durchfluss und Partikel Flugbahn haben mithilfe von CFD modelliert worden, und die Einheitlichkeit der Partikelgrößenverteilung in neun Teile der Ganzkörper-Kammer¹⁰gemessen wurde. Auch ist die Nase nur Kammer durch numerische Analyse von CFD¹³ausgewertet worden. Danach erfolgte die Bewertung für die Nase nur Exposition Kammer durch Vergleich der numerischen Analyse-Ergebnisse mit einer experimentellen Studie mit Nanopartikeln¹³.

Diese Studie bietet eine nur Nase einatmen-Kammer-System, die Versuchstiere in vier unterschiedlichen Konzentrationen in einer Kammer verfügbar machen kann. Zunächst mit CFD und eine numerische Analyse gestaltet, wird das vorgeschlagene System dann mit einer experimentellen Studie mit nanoskaligen Natriumchlorid Partikeln, um die Einheitlichkeit und Cross-Kontamination zu validieren verglichen. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass die vorgestellte Nase nur Kammer, die Tiere zu vier verschiedenen Konzentrationen verfügbar machen kann für tierischen Belichtung Studien in kleinen akademischen und Forschungseinrichtungen genutzt werden kann. Die numerische Analyse ist wie folgt auf die gleiche Weise wie die Experiment-Einstellung festgelegt. Für Single-Konzentration Belichtung der Aerosol-Fluss in den inneren Turm ist bis 48 L/min eingestellt und die Scheide-Fluss zum äußeren Turm ist bis 20 L/min eingestellt. Für multiconcentration Exposition ist der Aerosol-Fluss auf den inneren Turm Eingang 11 L/min für jede Stufe. Die Steckdose Differenzdruck hält bei-100 Pa weiterhin einen reibungslosen Fluss Auspuff und Auslaufen zu verhindern. Übernehmen Sie die Tierhaltern sind geschlossen und leer.

Protokoll

1. numerische Analyse-Methoden

1. Führen Sie die Analyse des Strömungsfeldes im Inneren der Kammer entsprechend der geometrischen Form, wie in Abbildung 1 und Tabelle 1¹⁴beschrieben.
   Hinweis: Eine numerische Analyse des Strömungsfeldes entsprechend der geometrischen Form prognostiziert die Strömung des Aerosols und wertet es als testbare Gerät.
2. Gestaltung die Kammer mit 4 Stufen X 12 Spalten, 48 Ports insgesamt, wo der Kern in einen inneren und äußeren Turm als unterteilt ist in Abbildung 1 bbeschrieben.
   Hinweis: Jede Stufe hat 12 Exposition Häfen für die Platzierung der Versuchstiere. Erfüllen Sie die Empfehlung, die von der OECD-Leitlinien Dokument (GD) 39⁶vorgeschlagen.
3. Platzieren Sie für die Single-Konzentration Belichtung die Rührschüssel Platte am oberen Rand der inneren Turm zu mischen das Testmaterial und gewährleisten eine gleichmäßige Konzentration über die Bühnen. Trennen Sie für multiconcentration Belichtung die inneren Turm in vier Etappen und Exposition Konzentrationen durch eine Trennung-Scheibe.
   Hinweis: Der Mix Platte

2. Vorbereitung der experimentelle evaluation

1. Kammer
   1. Die Kammer in drei Teile unterteilt: den Einlass, Scheide und Auspuff, wie in dem schematischen Diagramm (Abbildung 2).
      Hinweis: Der Einlass ist wo das Aerosol in der inneren Kammer fließt, und die Scheide ist der Raum zwischen der inneren und äußeren Türme für zusätzlichen Luftstrom.
   2. Versorgung der Aerosol (oder Testartikel) an den inneren Turm und Versuchstiere, während der Ausatmung von den Tieren, die überschüssiges Aerosol enthält, durch den Auspuff zusammen mit der Scheide Luft fließt.
      Hinweis: Die Tierhaltern sind geschlossen und leer.
   3. Halten des Innendrucks der Kammer-Konstante mit einem Gebläse und Wechselrichter, da der innere Plenum Druck durch den Mantel Luftstrom gesteuert wird.
   4. Design-Ausstattung, die Einheitlichkeit der Testkonzentration Aerosol (oder Artikel) in der Mischkammer befindet sich vor der Nase nur Exposition Kammer bei einer Single-Konzentration zu messen.
      Hinweis: Die Einheitlichkeit des Test-Aerosols kann durch seine Nummer Konzentration und Größe Partikelverteilung ausgewertet werden. Einzelne Kammer Konzentration Proben sollten von der mittleren Kammer-Konzentration von nicht mehr als ±10 % für Gase und Dämpfe und von nicht mehr als ±20 % für flüssige oder feste Aerosole^{4,5,6,7 abweichen. ,8}. So, wenn der Testkörper nicht konstant sind, kann die Aerosol-Strömung durch die Abzugshaube umgangen werden.
   5. Überprüfen Sie auf Leckagen überprüfen die Zuverlässigkeit des Tests und Sicherheit bestätigt ein geschlossenes System mit ±500 Pa, die für 30 min beibehalten wird.
      Hinweis: Die Leckage kann durch Seife blubbern überprüft werden.
2. Umwelt Kontrolle und Überwachung
   1. Legen Sie den gesamten Zuflussrate des Aerosols (Single/Multi) und Mantel Luft bei 48 L/min bzw. 44 L/min (Einzel- oder Multi, bzw.) und 20 L/min, bzw., und den inneren Druck der Kammer konstant zu halten, bei −100 Pa in den Einstellungen der Benutzeroberfläche.
   2. Pflegen Sie die Temperatur und Luftfeuchtigkeit bei 23 ° C und 45 %, beziehungsweise. Verwenden Sie einen Luftbefeuchter, um die Luftfeuchtigkeit die Belichtung steuern.
   3. Führen Sie ein Experiment in einer isothermen-Isohumidity-kontrollierten Umgebung zur Einhaltung der OECD Inhalation Toxizität Leitlinien^4,6,7,8.
3. Durchflussmessung Einheitlichkeit
   1. Zuluft 48 L/min sauber an die Inhalation Kammer durch eine saubere Luft-Versorgung, einschließlich einen HEPA-Filter durch ein mass Flow Controller (MFC) gesteuert.
      Hinweis: Die saubere Luft erfolgt nach dem mit einem HEPA-Filter filtern.
   2. Stabilisieren Sie den Fluss mit Hilfe der Mischkammer bei einer Single-Konzentration.
   3. Ein Port, der frische Steuerluft oder die Testaerosol (oder Artikel) spritzt zuordnen Sie eine Versorgung Düse bei einer multiconcentration.
   4. Die Strömungsgeschwindigkeit pro Port mit einem mass-Flow-Meter zu messen.
4. Partikelerzeugung
   1. Generieren Sie NaCl Nanopartikel mit einem fünf-Jet-Zerstäuber, um das Einatmen-Kammer-Design zu bewerten.
      Hinweis: Verwenden Sie ein 0.1%wt NaCl-Lösung, um NaCl-Nanopartikeln zu generieren.
   2. Die MFC um die Menge der Produktion bei 48 L/min von der NaCl-Aerosol vermischt Luft in die einzelnen Konzentration Steuern zu regulieren und bei 12 L/min die NaCl Aerosol vermischt Luft in die Multiconcentration alle vier Stufen.
      Hinweis: Jedem Port der Nase nur Kammer erhält 1 L/min (d. h. 48 Ports/Nase-nur Kammer (4-stufig) 48 Ports/vierstufige; 12 Anschlüsse/Bühne).
   3. Sauberen Luft für die Verdünnung im Bypass zu liefern.
      Hinweis: Der Graf mittlere Durchmesser und geometrische Standardabweichung von NaCl Nanopartikeln liegen 76 nm und 1.4 beizubehalten, beziehungsweise.
5. Teilchen Einheitlichkeit Messung
   1. Messung der Partikelgrößenverteilung der NaCl Nanopartikel aus den Einspritzdüsen mit ein Scan Mobility Particle Sizer (SMPS) emittiert, bestehend aus einem differential Mobility-Analysator (DMA) und eine Kondensation Partikelzähler (CPC).
   2. Verwenden Sie eine Uhr Aerosol Neutralisator, um die statische Aufladung der Partikel zu entfernen und reduzieren die Partikelabscheidung an den Wänden, wodurch die Messung Effizienz¹⁸.
   3. Pflegen Sie das Verhältnis des Aerosols und Scheide Luftdurchsatz des DMA am 01:10 Aerosol Volumenstrom und Scheide Luftmenge bei 1 L/min und 10 L/min, bzw. halten.

(3) Flow Einheitlichkeit test

1. Multi-Konzentration Exposition
   1. Stellen Sie die Strömungsgeschwindigkeit der Einspritzdüsen durch liefert sauberen Luft bei 11 L/min durch den Aerosol-Einlass ein. 11 Port Düsen für jeden der vier Stufen auswählen.
   2. Messen Sie den Durchfluss um die gewählte Düse des Durchflussmessers herstellen.
   3. Wiederholen Sie Schritt 3.1.2 3 X um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen.
2. Single-Konzentration Exposition
   1. Stellen Sie die Strömungsgeschwindigkeit der Einspritzdüsen durch liefert sauberen Luft bei 48 L/min durch den Aerosol-Einlass ein. Nach dem Zufallsprinzip wählen Sie 24 Port Düsen unter den 48 Ports aus. Messen Sie 3 X um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen.

(4) Partikel Einheitlichkeit test

1. Multiconcentration Exposition
   1. Die Partikelgrößenverteilung von den Einspritzdüsen durch Versorgung der erzeugten Partikel bei 11 L/min durch den Aerosol-Einlass (tun dies als in Abschnitt 2 beschrieben) festgelegt.
   2. Zufällig ausgewählten sechs Port Düsen unter den vier Stufen; Messen Sie 3 X um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen.
2. Single-Konzentration Exposition
   1. Die Partikelgrößenverteilung von den Einspritzdüsen durch die Lieferung der erzeugten Partikel bei 20 L/min und saubere Luft bei 28 L/min, so dass insgesamt 48 L/min durch den Aerosol-Einlass (wie in 2.4 und 2.5) festgelegt.
   2. Nach dem Zufallsprinzip wählen Sie sechs Port Düsen unter den vier Stufen.
   3. Messen Sie die Partikelkonzentration, um die gewählte Düse die SMPS herstellen.
   4. Wiederholen Sie Schritt 4.2.3 3 X um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen.

(5) Cross-Kontamination test

1. Set drei Stufen bei einer multiconcentration.
2. Verbinden Sie zwei Generatoren mit unterschiedlichen Lösungskonzentrationen und eine saubere Luftlinie zur jeweiligen dreistufig.
3. Die Partikelgrößenverteilung von den Einspritzdüsen durch Versorgung der erzeugten Partikel und saubere Luft bei 11 L/min durch den Aerosol-Einlass (wie in 2.4 und 2.5) festgelegt.
4. Zufällig eine Port-Düse aus allen drei Phasen.
5. Messen Sie die Partikelkonzentration, um die SMPS mit den ausgewählten Anschluss zu verbinden.
6. Wiederholen Sie Schritt 5.5 15 X um die Reproduzierbarkeit zu überprüfen.

Ergebnisse

Experimenteller Aufbau

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der Nase nur Einatmen-Kammer-System, einschließlich eines Teilchen-Generators mit MFC, Nase nur Kammer, und Partikel Messgerät zur Überwachung der Luftqualität, Controller und Auspuff-Modul, basierend auf Abschnitt 2 des Protokolls.

Numerische Analyse design

Diskussion

Inhalation Toxizitätstests ist derzeit die beste Methode für die Bewertung der Aerosol Materialien (Partikel und Fasern), Dämpfe und Gase eingeatmet durch die menschlichen Atemwege^14,15. Es gibt zwei Methoden, Inhalation Exposition: Ganzkörper- und nur für die Nase. Jedoch eine Nase-only-System minimiert die Exposition durch Noninhalation Strecken, wie Haut und Augen, und ermöglicht Tests mit minimalen Mengen an Testartikel, so dass es die bevorzugte Belichtungsm...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
FLUENT V.17.2	ANSYS		Software
Massendurchflussmesser (MFM)	TSI	4043
SMPS (Scanning Mobility Partikelgrößenmessgerät)	Grimm	SMPS+C
5-Jet Zerstäuber	HCTM	5JA-1000
Massendurchflussregler (MFC)	Horiba	S48-32