A tutto il corpo nanoparticelle aerosol impianto esposizione per inalazione è stato costruito per dimensioni nanometriche di biossido di titanio (TiO 2) Studi di tossicologia per inalazione. Questo sistema fornisce nano-TiO 2 Aerosol atmosfere di test che hanno: 1) una concentrazione costante di massa, 2) una composizione omogenea e priva di contaminanti, e 3) la distribuzione delle dimensioni delle particelle stabili durante la generazione di aerosol.
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Articolo metodologico
Tutto il corpo Nanoparticelle Aerosol esposizioni inalatorie
In questo articolo
Sommario
Abstract
L'inalazione è la via di esposizione più probabile per le persone che lavorano con aerosolizable ingegnerizzato nano-materiali (ENM). Per svolgere adeguatamente nanoparticelle studi tossicologici per inalazione, l'aerosol in una camera di alloggiamento degli animali sperimentali devono avere: 1) una concentrazione costante mantenuta ad un livello desiderato per l'intero periodo di esposizione; 2) una composizione omogenea e priva di contaminanti e 3) una stalla distribuzione dimensionale con un diametro geometrico medio <200 nm e una deviazione standard geometrica σ g <2,5 5. La formazione di aerosol contenenti nanoparticelle è abbastanza impegnativo, perché le nanoparticelle facilmente agglomerato. Ciò è in gran parte dovuto al molto forti forze inter-particelle e la formazione di grandi strutture frattali in decine o centinaia di micron di dimensione 6, che sono difficili da demolire. Diversi aerosol comuni, tra nebulizzatori, letti fluidi, aspiratori Venturi e l'alimentazione polvere Wright, abbiamonuovamente testato, tuttavia, nessuno era in grado di produrre aerosol di nanoparticelle che soddisfano tutti i criteri 5.
Una nanoparticella aerosol sistema di esposizione per inalazione di tutto il corpo è stato fabbricato, validato ed utilizzato per la nano-TiO2 studi di tossicologia per inalazione. Componenti critici: 1) romanzo nano-TiO2 generatore di aerosol, 2) 0,5 m 3 di tutto il corpo per inalazione camera di esposizione, e 3) il monitoraggio e il sistema di controllo. Nano-TiO2 aerosol generati da carichi solidi nano-TiO2 polveri (diametro principale di 21 nm, densità di 3,8 g / cm 3) sono state consegnate nella camera di esposizione ad una portata di 90 LPM (10,8 ricambi d'aria / ora) . Dimensioni e distribuzione di massa profili di concentrazione di particelle sono stati misurati in continuo con una scansione mobilità particella sizer (SMPS), ed una bassa pressione urto elettrico (ELPI). La concentrazione di massa di aerosol (C) è stato verificato gravimetrica (mg / m 3). La massa (M) Delle particelle raccolte stato determinato come M = (M alberino pre-M), dove M e M pre alberino sono masse del filtro prima e dopo il campionamento (mg). La concentrazione di massa è stato calcolato come C = M / (Q * t), dove Q è campionamento portata (m 3 / min), e t è il tempo di campionamento (minuto). La camera di pressione, temperatura, umidità relativa (RH), O 2 e concentrazioni di CO 2 sono stati monitorati e controllati continuamente. Nano-TiO2 aerosol raccolti su filtri Nuclepore sono stati analizzati con un microscopio elettronico a scansione (SEM) e raggi X (EDX) analisi a dispersione di energia.
In sintesi, si segnala che le nano-particelle di aerosol generato e consegnato alla nostra camera di esposizione sono: 1) la concentrazione di massa costante, 2) composizione omogenea e priva di contaminanti; 3) distribuzioni granulometriche stabili con una aerodinamica conta-medianadiametro namic di 157 nm durante la generazione di aerosol. Questo sistema affidabile e ripetutamente crea atmosfere di prova che simulano le esposizioni professionali, aerosol ENM ambientali o domestici.
Protocollo
Le procedure operative di tutto il corpo per inalazione di nanoparticelle di esposizione passo-passo sono descritte come segue.
Nota: 1) i punti 1 e 3 devono essere eseguite sotto cappa; 2) gli operatori devono indossare dispositivi di protezione adeguati (respiratori, occhiali di protezione e guanti di gomma).
1. Condizionata TiO2 Nanoparticelle polveri secche
- Posizionare nano-TiO2 polveri in un contenitore non trasparente.
- Lasciare il coperchio del contenitore aperto.
- Mettere il recipiente in un essiccatore asciutto per almeno 24 ore per il condizionamento.
2. Il riscaldamento di acquisizione dati e di controllo, SMPS e ELPI e tutti i trasduttori
- Accendere il monitoraggio dell'aria e sistema di acquisizione dati e di interruttori di alimentazione SMPS monitoraggio aerosol (TSI Inc., Shoreview, MN) e Elpi (Dekati, Tampere, Finlandia), e riscaldare il sistema per almeno 1 ora.
- Attivare l'alimentazioneinterruttori in tutti i trasduttori per riscaldarsi per almeno 1 ora.
3. Caricamento di TiO2 Nanoparticelle polveri secche in aerosol
- Aprire i coperchi dei cilindri sui generatori di aerosol, e sostituire i filtri nei generatori aerosol. Nota: Un generatore di aerosol ha un cilindro. Il numero delle bombolette aerosol da utilizzare dipende dalla concentrazione di massa desiderata delle particelle nella camera di esposizione.
- Pesare ~ 4 g nano-TiO2 polveri e caricarli in ogni cilindro.
- Sostituire i tappi dei cilindri.
- Tutte le aree sospette di TiO2 contaminazione deve essere bagnato spazzati.
4. Collegamento aerosol per inalazione camera di esposizione
- Collegare tutte le uscite dei generatori aerosol tramite un collettore ad un separatore a ciclone che è al ingresso della camera di esposizione per inalazione (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germania).
- Collegare il tubo di aria compressa ai dispersori Venturi nei generatori aerosol.
5. Collegamento di monitoraggio dell'aria e Aerosol Ingressi di campionamento per l'inalazione camera di esposizione
- Temperatura e di umidità relativa (RH), pressione, O 2 e CO 2 sensori forniti da TSE sistemi per testare le porte monitoraggio atmosferico sulla camera di esposizione per inalazione Connect.
- Collegare l'ingresso di un diluitore aerosol ad una delle porte di campionamento aerosol sulla camera di esposizione per inalazione, e poi collegare la sua uscita all'ingresso del ELPI.
- Collegare SMPS a una delle porte di campionamento di aerosol sulla camera di esposizione per inalazione.
- Collegare ingresso di un monitor di concentrazione di particelle (TSE Systems) a una delle porte di campionamento aerosol sulla camera di esposizione.
- Pesare PTFE filtro a membrana (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) e caricare il filtro in un porta filtro in acciaio inox (prodotti In-Tox, Moriarty NM).
- Collegare l'ingresso diil portafiltro acciaio inossidabile con un filtro di pre-pesato con una delle porte di campionamento aerosol sulla camera di esposizione per inalazione, e collegare il suo sbocco ad una pompa di campionamento.
6. Attivare Sistemi di Acquisizione Dati
- Attiva ELPI software di acquisizione dati, ELPIVI, controllare i parametri di configurazione, e accendere la pompa di scarico per ~ 5 min e poi azzerare il ELPI. Concentrazione pre-esposizione Record.
- Attivare il software di acquisizione dati SMPS. Concentrazione pre-esposizione Record.
- Software Attiva, Daco (TSE Systems), per il monitoraggio e il controllo della portata d'aria, la temperatura e la pressione in camera di umidità relativa, temperatura e umidità relativa, O 2 e CO 2.
7. Caricamento di animali sperimentali nella camera di esposizione inalatoria
- Pesare gli animali da esperimento.
- Segna gli animali sperimentali e gabbie in modo che gli animali possano essere rimessi nelle stesse gabbie dopo l'esposizione se needed.
- Aprire la porta della camera di esposizione per inalazione, e caricare gli animali da esperimento nelle gabbie cablate.
- L'acqua può essere previsto per gli animali.
- Chiudere e bloccare la porta della camera di esposizione per inalazione.
- Osservare frequentemente gli animali attraverso le finestre di osservazione camera di esposizione per i segni di sofferenza. Gli animali devono essere rilassate e di comportarsi normalmente. Fermare l'esposizione se rapida / respiro affannoso, aspetto anomalo, anomalie posturali o immobilità sono osservati. Rimuovere gli animali, rimetterli nelle loro gabbie originali, contattare frequentando veterinario e / o avviare appropriato Animal Care and Utilizzare procedure di comitato.
Nota: Gli operatori devono indossare dispositivi di protezione individuale durante l'esecuzione di operazioni 8.7, 8.8 e 8.17.
8. Esponendo Piccoli Animali di aerosol di nanoparticelle
- Accendere la pompa di aspirazione gas di scarico della camera di esposizione per inalazione.
- Eseguire il software di acquisizione dati, Daco, a: a) fornire aria secca filtrata alla camera di esposizione, b) controllano la pressione nella camera di esposizione, e c) raccogliere i dati dell'ambiente di esposizione, quali pressione, temperatura, umidità relativa, O 2 e CO 2.
- Stabilire una pressione leggermente negativa (set point = -0.2 mbar) in camera di pressione.
- Accendere i generatori di aerosol.
- Esegui ELPI e software di acquisizione dati SMPS per monitorare continuamente la dimensione delle particelle e la concentrazione di massa relativa nella camera di esposizione per inalazione.
- Quando la concentrazione di aerosol è stabile, cioè il profilo di concentrazione sul monitor del ELPI raggiunto plateau (Normalmente: questo richiede 20 minuti dopo i generatori aerosol sono in funzione), impostare il tempo di campionamento (per esempio, 1 ora) e accendere il campionamento dell'aerosol pompa per raccogliere campione rappresentativo di nanoparticelle con filtri.
- Una volta raggiunto il tempo di campionamento, rimuovere i filtri e inserire il SAmpling porti con tappi in gomma per evitare che materiali di prova di fuggire la camera di esposizione.
- Pesare i filtri, e calcolare la concentrazione di massa medio nella camera di esposizione come descritto sopra.
- Se la concentrazione media è spento la concentrazione mirata, regolare manualmente il flusso dell'aria nei generatori di assicurare la concentrazione mirata è raggiunta.
- Calcola il deposito di particelle nei polmoni degli animali come D = C x V m XTX F r, dove D = dose, C = concentrazione di massa media del materiale di prova, V m = volume minuto, t = durata di esposizione, e F r = frazione di materiale che si deposita o assorbito.
- Sostituire i filtri nei portafiltri con filtri puliti, pre-pesate, e ripetere i punti 8.6 e 8.8.
- Sulla base della concentrazione di massa reale nella camera di esposizione e deposito di particelle mirata nei polmoni animali, stimare la restante exptempo osure come, t rimangono = (D mirata-D) / (C x V x m F r), dove rimangono t = rimanere durata dell'esposizione, D = mirato dosaggio mirato, C = concentrazione media di massa del materiale di prova, V m = Volume minuto, F r = frazione di materiale che viene depositato o assorbita.
- Spegnere il generatore di aerosol, quando viene raggiunto t rimangono.
- Prima di togliere gli animali dalla camera di esposizione, lavare la camera di esposizione per inalazione con l'aria filtrata finché la concentrazione di particelle indicato nel monitor è vicino alla concentrazione di particelle pre-esposizione nella camera.
- Spegnere la pompa di scarico camera a vuoto.
- Arrestare il software di acquisizione dati, Daco.
- Dopo l'esposizione, osservare gli animali per verificare la normale respirazione e di comportamento, e il documento che nessun altro complicazioni studio exist. Se secrezione nasale, difficoltà respiratoria o altre complicazioni benessere degli animali si osservano, contattare frequentando veterinario e / o avviare appropriato Animal Care and Utilizzare procedure di comitato.
- Smettere ELPI e software di acquisizione dati SMPS.
9. Creazione di report di prova
9.1 Condizioni di prova includono
- Descrizione del sistema di generazione di aerosol e suoi parametri operativi utilizzato in questa prova.
- Descrizione dell'apparecchiatura di esposizione inclusi progettazione, tipo, dimensioni e dei suoi parametri di funzionamento utilizzato durante l'esposizione.
- Attrezzatura per misurare la temperatura, l'umidità, granulometria e concentrazione effettiva.
- Trattamento dell'aria di scarico e il metodo di accogliere gli animali nella camera di prova quando viene utilizzato.
9.2 Dati atmosfera di esposizione comprendono
- Tassi di flusso d'aria attraverso l'apparecchiatura di inalazione.
- Temperatura e umidità dil'aria.
- Concentrazione effettiva (analitica o gravimetrico) nella zona di campionamento dell'aerosol che si trova vicino le gabbie degli animali.
- Distribuzione granulometrica delle particelle, e calcolato conteggio diametro mediano aerodinamico e la deviazione standard geometrica.
- Spiegazione del perché la concentrazione di camera desiderata e / o la dimensione delle particelle non potrebbe essere raggiunto (se applicabile), e l'impegno assunto di rispettare tali aspetti delle linee guida.
9.3 Altro
- Lievemente pressione negativa nella struttura inalazione contenente stanza deve essere mantenuta per impedire la fuoriuscita di materiali di prova inalazione laboratorio esposizione.
- Pulire la camera di esposizione giornaliera per eliminare le influenze dei rifiuti animali.
- ELPI, SMPS e gli altri strumenti devono essere puliti e calibrati in base ai manuali d'uso.
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Risultati
Uno studio di esposizione per inalazione in genere comporta il mantenimento di un animale da esperimento in un ambiente di test noto e costante, esponendo l'animale sperimentale di una concentrazione definita di un materiale di prova 8,9. La nanoparticella sistema di esposizione per inalazione corpo intero è mostrato in Figura 1. La camera di corpo intero è stato operato su base flusso dinamico dove c'era un 90 LPM flusso continuo di aria attraverso la camera. Questo flusso d'aria...
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Discussione
Abbiamo montato e descritto qui in un corpo intero-nanoparticella aerosol sistema di esposizione per inalazione. La funzionalità del sistema è stato validato con state-of-the-art tecniche di caratterizzazione di nanoparticelle di aerosol. Con una nanoparticella sistema di generazione di aerosol romanzo, questo sistema di esposizione per inalazione può fornire un ben caratterizzato, nanoparticelle aerosol atmosfera di prova controllato ed uniforme con la temperatura relativamente costante, l'umidità, il flusso d'...
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Dichiarazioni
I risultati e le conclusioni di questo rapporto sono quelle degli autori e non rappresentano necessariamente il punto di vista dell 'Istituto Nazionale per la sicurezza e la salute. La menzione di nomi di società o di prodotti non implica l'approvazione da NIOSH, né implica che i prodotti alternativi non sono disponibili, o in grado di essere sostituito dopo la valutazione del caso.
Ringraziamenti
Lista riconoscimenti e fonti di finanziamento.
NIH-ES015022 e ES018274 (TRN)
Accordo NSF-Cooperative 1003907 (VCM)
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Sistema di esposizione per inalazione | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germania | ||
| Sistema di monitoraggio dell'aria | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Germania | ||
| Biossido di titanio Aeroxide P25 | Evonik, Germania | ||
| Misuratore di particelle per la mobilità a scansione-3936L75 | TSI Inc., Shoreview, MN | ||
| Impattatore elettrico a bassa pressione, Standard 10 LPM | Dekati, Tampere, Finlandia | ||
| Ultra Micro Balance, XP2U | METTLER TOLEDO, Svizzera | ||
| Microscopio elettronico a scansione a emissione di campo-S-4800 | Hitachi, Giappone | ||
| Analisi a raggi X a dispersione di energia | Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, N.J. | ||
| Filtri in policarbonato nucleporo | Whatman, Clinton, PA | ||
| Filtri a membrana PTFE | Pall corporation, Ann Arbor, Michigan |
Riferimenti
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- Wong, B. A. Inhalation Exposure Systems: Design, Methods and Operation. Toxicologic Pathology. 35, 3-14 (2007).
- Nanoparticle Aerosol Generator. US patent. , 13/317, 472 (2011).
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Ristampe e permessi
Tag
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