Uso del generatore di aerosol capillare nella produzione continua di aerosol controllato per studi non clinici

Summary

Il protocollo descrive le impostazioni e l'uso di un generatore di aerosol capillare per la produzione continua di aerosol controllato da una soluzione liquida multispecie, adatta per la somministrazione costante di aerosol di grandi volumi (ad esempio, studi di inalazione in vivo ).

Abstract

Il generatore di aerosol capillare (CAG) viene azionato con il principio di evaporazione termica del liquido attraverso il riscaldamento dell'e-liquid nella fase iniziale, seguito da nucleazione e condensazione regolate attraverso una miscela di flusso d'aria per generare aerosol, come in una sigaretta elettronica (EC). Il CAG è particolarmente utile per generare aerosol di grandi volumi in modo continuo, per casi come studi tossicologici per inalazione in vivo , in cui l'uso di EC non è fattibile. Gli effetti termici della generazione di aerosol dal CAG sono simili in termini di temperatura applicata in una CE, consentendo così agli investigatori di valutare i vapori degli e-liquid su scala e riproducibilità. Poiché il funzionamento del CAG consente agli utenti di controllare parametri critici come la portata dell'e-liquid, le temperature di riscaldamento e i flussi d'aria di diluizione, consente agli investigatori di testare varie formulazioni di e-liquid in un dispositivo ben controllato. Le proprietà, come la dimensione delle particelle di aerosol, hanno dimostrato di essere regolate con la portata d'aria rispetto al flusso di e-liquid e alla composizione dell'e-liquid. La CAG, tuttavia, è limitata nel valutare le questioni comuni relative alla CE, come il surriscaldamento dei suoi elementi. Cerchiamo di dimostrare che il CAG può generare aerosol riproducibile e continuo, valutando le caratteristiche chimiche e fisiche dell'aerosol con una formulazione e-liquid scelta. Il protocollo descrive i parametri operativi della portata del liquido, delle portate dell'aria di diluizione e delle procedure operative necessarie per ottimizzare la concentrazione di aerosol e la dimensione delle particelle necessarie per uno studio tossicologico in vivo . Presentando i risultati rappresentativi del protocollo e discutendo le sfide e le applicazioni del lavoro con un CAG, dimostriamo che CAG può essere utilizzato in modo riproducibile. La tecnologia e il protocollo, che sono stati sviluppati da lavori precedenti, servono come base per le future innovazioni per le indagini sulla generazione di aerosol controllate in laboratorio.

Introduction

Gli e-liquid comuni contengono una miscela di glicole propilenico, glicerolo, acqua, nicotina e aromi selezionati. La composizione di un aerosol generato da un dispositivo EC dipende non solo dalla formulazione liquida, ma anche dal materiale, dal design e dalle caratteristiche del dispositivo. Di conseguenza, molti dispositivi EC possono introdurre una grande variabilità nella produzione di aerosol¹, compresa la produzione specifica del dispositivo di livelli elevati di costituenti indesiderati, variazione del volume del soffio, variazione del flusso d'aria dovuta a fori di ventilazione bloccati e "soffio a secco" (quando il contenitore del liquido è quasi vuoto, causando il surriscaldamento del dispositivo perché parte dell'energia erogata non viene utilizzata per l'evaporazione del liquido)² . Inoltre, la ricarica, la ricarica e la pulizia dei dispositivi EC durante gli studi di inalazione a lungo termine diventerebbero un enorme vincolo aggiuntivo in termini di logistica³. Per questi motivi, altri generatori di aerosol dovrebbero essere presi in considerazione per la produzione su larga scala di aerosol e una corretta valutazione delle formulazioni liquide, evitando variazioni legate al dispositivo nella composizione dell'aerosol e diminuendo il carico di lavoro ^4,5. Tuttavia, gli aerosol generati dai dispositivi dovrebbero rimanere parte delle strategie di valutazione del rischio, poiché i livelli di alcuni componenti nei dispositivi CE potrebbero essere più elevati di quelli dei generatori di aerosol standardizzati controllati in laboratorio a causa delle specificità di riscaldamento/raffreddamento dei dispositivi ^6,7,8.

A causa delle limitate informazioni sui requisiti normativi attualmente disponibili, i metodi di valutazione per la potenziale tossicità degli aerosol generati dalle sigarette elettroniche (CE) sono ancora in evoluzione ^9,10,11. Tuttavia, un'accurata valutazione in vitro e in vivo richiede la generazione di volumi di aerosol ben caratterizzati e riproducibili nel tempo. Produrre aerosol da un dispositivo CE con un regime di soffiaggio controllato sarebbe certamente il processo più rappresentativo dal punto di vista del consumo dell'utente. Per gli studi di tossicità regolamentare, considerando una varietà di possibili formulazioni liquide che gli utenti possono spesso preparare da soli e, allo stesso tempo, modificando alcune caratteristiche del dispositivo (ad esempio, l'energia erogata), l'uso di dispositivi CE per l'esecuzione di studi tossicologici a esposizione ripetuta a lungo termine non è solo impegnativo ma anche potenzialmente inadeguato.

Il generatore di aerosol capillare (CAG) - sviluppato da Philip Morris^12,13 e ulteriormente perfezionato dalla Virginia Commonwealth University¹⁴ - funziona sul principio di creare un getto di flusso di vapore caldo da un capillare riscaldato elettricamente, che viene successivamente raffreddato con aria ambiente, causando la formazione di nucleo di particelle e la successiva condensazione, portando alla formazione di aerosol. Poiché gli stessi processi fisici portano alla formazione di aerosol nelle CE (a parte l'erogazione del liquido al capillare da parte di una pompa nel CAG, che, in una CE, viene solitamente sostituita da forze capillari che agiscono sul materiale traspirante che preleva il liquido dal serbatoio nella CE), le caratteristiche degli aerosol generati da CAG sono molto simili a quelle degli aerosol CE¹⁴ (Figura 1 ). Il CAG consente la produzione di grandi volumi di aerosol, con pochi requisiti di movimentazione; è quindi particolarmente adatto per studi inalatori in vivo.

Il CAG è un dispositivo da laboratorio costituito da un tubo capillare riscaldato semplicemente collegato a un regolatore di temperatura e a un serbatoio di liquido tramite una pompa peristaltica (Figura 2A). Il capillare (160 mm, 21 G, acciaio inossidabile) è riscaldato da quattro elementi riscaldanti, tutti incorporati in un blocco di alluminio (Figura 2B). La temperatura è in genere impostata a 250-275 °C per imitare le condizioni di riscaldamento della bobina di un dispositivo EC¹⁵. Il liquido pompato attraverso il capillare viene riscaldato e trasformato in vapore caldo che esce dalla punta del capillare. L'assemblaggio CAG (Figura 2C) richiede elementi aggiuntivi per miscelare il vapore generato con aria fredda e formare un aerosol. La brusca miscelazione del vapore caldo supersaturo con un flusso d'aria fredda provoca la nucleazione e la successiva condensazione, portando alla formazione di aerosol (Figura 2C). Nel nostro progetto CAG (Figura 3), un ulteriore flusso d'aria riscaldata raffredda prima il corpo esterno e successivamente circola lungo i blocchi riscaldanti per riscaldare il flusso d'aria, impedendo, allo stesso tempo, la condensazione del riflusso liquido sulla punta del capillare e stabilizzando lo scoppio del getto di vapore. Inoltre, crea una schermatura indesiderata dei vapori caldi, influenzando così il processo di nucleazione. Per questo motivo, la portata applicata per questo flusso d'aria dovrebbe essere minima e adattarsi allo scopo dell'applicazione. Questo flusso d'aria sarà chiamato "flusso d'aria riscaldato" in tutto questo manoscritto, anche se deve essere chiaro che questo flusso viene riscaldato passivamente dai blocchi riscaldanti e non di proposito dall'utente.

La portata d'aria di raffreddamento ha una forte influenza sulla dimensione delle particelle di aerosol generate. Nella produzione di aerosol per studi di inalazione in vivo , il flusso d'aria di diluizione determinerà la dose di esposizione e potrebbe dover essere ulteriormente diluito prima di raggiungere la camera di esposizione. Oltre alla composizione chimica degli aerosol, è essenziale caratterizzare la distribuzione granulometrica dell'aerosol (PSD) per garantire che l'aerosol generato sia simile a quello generato dalle CE e all'interno dell'intervallo di dimensioni delle particelle per inalazione raccomandato dalle linee guida dell'OCSE (spesso parametrizzato dall'ipotesi di log-normalità della PSD con diametro aerodinamico mediano di massa [MMAD] e deviazione geometrica standard [GSD]).

L'MMAD degli aerosol generati può variare ampiamente a seconda del design del dispositivo, delle proprietà fisico-chimiche liquide della formulazione (ad esempio, densità, viscosità e tensione superficiale), della portata d'aria e della temperatura che detta le condizioni termodinamiche 14,16,17. Per gli esperimenti di esposizione in vivo, il flusso d'aria è generalmente costituito da aria condizionata e filtrata a 22 ± 2 °C e 60% ± 5% di umidità relativa. L'aerosol generato può quindi essere ulteriormente diluito a seconda delle esigenze dello studio, per raggiungere le concentrazioni target nell'atmosfera di prova. Viene quindi consegnato tramite tubazioni di vetro alla camera di esposizione al fine di ridurre la perdita di filtrazione. Nei risultati qui presentati, le impostazioni di temperatura e flusso d'aria sono stabilite per dimostrare che il CAG può essere utilizzato per la produzione continua di un aerosol controllato con PSD coerente e inalabile e concentrazioni definite per studi di inalazione in vivo.

Nel protocollo, descriveremo come: 1) assemblare il CAG, 2) determinare i parametri necessari per generare aerosol dal CAG, 3) eseguire la generazione di aerosol e 4) analizzare i costituenti fisici e chimici di interesse per l'aerosol. Per queste serie preliminari, consideriamo una soluzione liquida basata su una miscela di componenti che formano aerosol: glicole propilenico (PG), glicerolo (VG), acqua e nicotina alle frazioni di massa prescritte. Infine, condivideremo dati di esempio per la valutazione di una miscela multispecie complessa generata nei nostri esperimenti (che coinvolge i suddetti costituenti mescolati con componenti aromatici aggiuntivi). Discuteremo i risultati e le sfide complessive insieme all'applicabilità di questo approccio sperimentale per la valutazione di tali miscele.

Protocol

1. Assemblaggio del sistema CAG

1. Assemblaggio di CAG
   1. Posizionare il capillare nella scanalatura capillare dei blocchi riscaldanti in alluminio, con l'estremità di uscita sporgente di circa 5 mm.
   2. Stringere leggermente le viti delle due metà dei blocchi riscaldanti in alluminio.
   3. Assemblare gli elementi riscaldanti (a) e la termocoppia (b) nei blocchi riscaldanti in alluminio (c), con i fili sporgenti attraverso il tappo posteriore in alluminio (d) (Figura 4A).
   4. Assicurarsi che i fili degli elementi riscaldanti siano collegati a un adattatore e assicurarsi che siano dritti.
   5. Assemblare il tubo peek interno (g) con il tubo SS esterno (e). Assicurarsi che i raccordi push-in (f) da 2 x 4 mm siano fissati saldamente sul tubo SS esterno (e) (Figura 4B).
   6. Posizionare gli O-ring (3 x 30 mm) sulle due scanalature del tubo peek interno (g) e inserire il tubo PEEK interno (g) nel tubo SS esterno (e) dall'estremità anteriore.
   7. Posizionare gli elementi riscaldanti in alluminio assemblati sul supporto posteriore SS (i), con il cappuccio posteriore in alluminio rivolto verso il supporto posteriore SS, e far scorrere il gruppo tubo PEEK interno / SS esterno sopra gli elementi riscaldanti in alluminio per adattarlo saldamente al supporto posteriore SS (i) (Figura 4C).
   8. Posizionare il cappuccio frontale in alluminio (h) sopra l'elemento riscaldante in alluminio, all'interno del tubo interno in PEEK. Assicurarsi che il capillare sia leggermente sporgente dal cappuccio anteriore in alluminio. Installare le tre viti di piombo SS (j) attorno al supporto posteriore SS e stringere saldamente.
   9. Posizionare l'adattatore PEEK (k) sul frontale del tubo peek interno. Assicurarsi che l'adattatore PEEK si adatti alla scanalatura anteriore del tubo peek interno. Posizionare l'Utilità di pianificazione da 25 mm (l) sopra l'adattatore PEEK e attraverso le tre viti di piombo SS. Stringere a mano i dadi sopra l'utilità di pianificazione in modo che l'adattatore PEEK sia stretto (Figura 4D).
   10. Collegare gli elementi riscaldanti al regolatore di temperatura e il capillare alla pompa peristaltica e alla soluzione liquida di prova.
   11. Collegare l'aria compressa per il flusso d'aria riscaldata al CAG tramite i raccordi push-in 2 x 4 mm (Figura 4B, [f]).
   12. Assemblare il CAG al pezzo di vetro e collegare i flussi d'aria di raffreddamento CAG e di prima diluizione (aria lavorata; Figura 3). Aggiungere una seconda voce del flusso di diluizione quando necessario, nonché porte di campionamento dell'aerosol e una giunzione a T regolatoria (Figura 5).
2. Procedura di pulizia CAG
   1. Rimuovere il CAG dalla configurazione del gruppo vetro CAG e pulire il vetro con salviette asciutte fino a quando il vetro non è visibilmente asciutto.
   2. Osservare l'uscita capillare dal CAG per l'ostruzione. Se la deposizione di particelle può essere osservata sull'uscita del capillare, cambiare il capillare. Allo stesso modo, dopo aver notato una ridotta erogazione di aerosol, sostituire il capillare con uno nuovo.
   3. Smontare il CAG seguendo i passaggi da 1.1.9 a 1.1.1.
   4. Riassemblare il CAG seguendo i passaggi da 1.1.1 a 1.1.9 una volta modificato il capillare.

2. Calcolo della concentrazione e della diluizione dell'aerosol CAG

1. Calcolo teorico del TDF
   1. Calcola il TDF in base alla concentrazione della formulazione liquida (qui chiamata soluzione madre/ concentrazione) e l'LFR:
      
      TDF: flusso d'aria di diluizione totale (L/min)
      C_Stock: concentrazione di stock 2%, p/p)
      LFR: Portata liquida (g/min)
      C_Target: concentrazione target (μg/L)
   2. Utilizzando una soluzione con il 2% (p/p) di nicotina, con una concentrazione target di aerosol di nicotina a 15 μg/L e un LFR di 0,35 g/min, si supponga che la resa al 100% sarà la seguente:
      
      
2. Calcolo teorico della LFR
   1. Calcolare l'LFR in base alla concentrazione della soluzione madre liquida e del TDF:
      
      LFR: portata liquida (g/min)
      C_Target: concentrazione target (μg/L)
      TDF: flusso d'aria di diluizione totale (L/min)
      C_Stock: concentrazione di stock (%, p/p)
   2. Utilizzando una soluzione con nicotina al 2% (p/p), con una concentrazione target di aerosol di nicotina a 15 μg/L e un TDF di 300 L/min, si supponga che una resa del 100% sarà la seguente:
      
      
3. Calcolo della resa effettiva (%) sulla base di dati sperimentali
   1. Sulla base dei calcoli teorici di cui sopra, eseguire le prime esecuzioni ingegneristiche per quantificare l'effettiva concentrazione del costituente aerosol (C_Actual) e ottenere la resa effettiva (AY) dell'aerosol CAG. Eseguire un'ulteriore messa a punto della concentrazione di aerosol utilizzando gli stessi calcoli per la regolazione di TDF o LFR.
      
      AY: rendimento effettivo (%)
      C_Effettivo: concentrazione effettiva del costituente aerosol (μg/L)
      TDF: flusso d'aria di diluizione totale (L/min)
      C_Stock: concentrazione di stock (%, p/p)
      LFR: portata liquida (g/min)
   2. L'uso di una soluzione contenente il 2% (p/p) di nicotina, con una concentrazione di aerosol di nicotina misurata di 15 μg/L, TDF di 320 L/min e LFR di 0,35 g/min, produrrà la seguente nicotina AY:
      
      

3. Generazione di aerosol CAG

1. Avvio della generazione di aerosol
   1. Pesare e registrare il valore del liquido di prova, dell'agitatore magnetico e della bottiglia con un valore più vicino a 0,01 g. Le formulazioni liquide di riserva sono preparate con i componenti descritti nella Tabella 1.
   2. Fornire le rispettive impostazioni del flusso d'aria (±5%) (Figura 5):
      Aria compressa per flusso riscaldato: 2 L/min
      Portata di raffreddamento: 10 L/min
      Portata di prima diluizione: 150 L/min
      Portata seconda diluizione: 160 L/min
      Flusso rifiuti: 172 L/min
   3. Impostare il set-point di controllo della temperatura sul regolatore di temperatura digitale a 250 °C e iniziare il riscaldamento del CAG.
   4. Posizionare la soluzione madre liquida con una barra magnetica su un agitatore magnetico. Posizionare il tubo di ingresso dalla pompa peristaltica nella soluzione di prova.
   5. Accendere la pompa peristaltica e impostare il flusso su LFR ±5% (g/min).
   6. Quando la temperatura CAG raggiunge 250 ± 1 °C, iniziare la generazione di aerosol avviando la pompa peristaltica per erogare il liquido di prova al CAG.
   7. Controllare se l'aerosol viene generato vicino alla punta capillare e registrare il tempo necessario per calcolare la portata di massa. Se non viene generato aerosol, controllare nuovamente tutte le apparecchiature e le impostazioni. Se ancora non viene generato aerosol, è altamente probabile che il capillare sia bloccato e debba essere sostituito.
2. Durante la generazione di aerosol
   1. Scaricare il liquido che condensa nel setup del vetro ogni 60 min, per garantire una generazione di aerosol costante e stabile.
3. Fermare la generazione di aerosol
   1. Rimuovere il tubo dalla bottiglia della soluzione di prova e passare il liquido di prova all'acqua deionizzata e registrare il tempo per il calcolo della portata di massa.
   2. Attendere che il vapore acqueo esca dal capillare, spegnere il regolatore di temperatura e tenere accesa la pompa peristaltica per almeno 10 minuti per lavare e pulire il capillare.
   3. Pesare e registrare il valore del liquido di prova e della bottiglia con l'approssimazione di 0,01 g e calcolare la portata massica utilizzando la seguente equazione:
      
   4. Spegnere l'aria compressa utilizzata come flusso riscaldato.
   5. Se necessario, rimuovere il CAG dalla configurazione di assemblaggio e pulire il tubo di vetro con salviette asciutte e rimontare il CAG.

4. Determinazione analitica dei costituenti

NOTA: il campionamento dell'aerosol viene eseguito in due posizioni: a) sull'aerosol non diluito (sia l'aria di prima diluizione che il secondo flusso di diluizione vengono disattivati durante il campionamento non diluito) e b) sull'aerosol diluito con tutte le diluizioni fornite (Figura 5). Sono disponibili fino a tre porte di campionamento in ciascuna delle posizioni di campionamento, a e b, consentendo la raccolta simultanea di ACM e altre apparecchiature / sonde per l'analisi delle caratteristiche dell'aerosol. La linea di campionamento è installata perpendicolarmente alla direzione del flusso di aerosol e collegata a una pompa per vuoto che consente di aspirare un certo volume di aerosol (a seconda della portata della pompa e della durata del campione).

1. Determinazione della massa raccolta di aerosol (ACM)
   NOTA: La fase particolata dell'aerosol è intrappolata su un tampone filtrante in fibra di vetro (diametro: 44 mm, ritenzione granulometrica: 1,6 μm). I pesi ACM prima e dopo il campionamento vengono misurati con portafiltri per ridurre al minimo le perdite di pesatura dovute all'evaporazione dei componenti volatili.
   1. Posizionare un filtro nel portafiltro e posizionare i tappi del filtro.
   2. Pesare il portafiltro con un valore più vicino di 0,0001 g con il filtro prima della raccolta del campione e documentare il peso.
   3. Collegare il portafiltro contenente il filtro al flusso di aerosol e avviare la raccolta del campione.
   4. Dopo la raccolta del campione, pesare il filtro con il portafiltro e i tappi e documentare il peso finale.
   5. Calcolare l'ACM utilizzando la seguente formula:
      
      ACM: concentrazione di ACM (μg/L)
      Wb: peso del filtro e del portafiltro prima del campionamento (g) con l'approssimazione di 0,0001 g
      Wa: peso del filtro e del portafiltro dopo il campionamento (g) fino ad un'approssimazione di 0,0001 g
      V_aerosol: Volume di aerosol (L) che passa attraverso il filtro, calcolato utilizzando:
      Tempo di campionamento (min) x flusso di campionamento (L/min)
   6. Rimuovere il tampone filtrante dal portafiltro e depositarlo in un flaconcino di vetro da 25 ml contenente 5 ml di etanolo. Estrarre l'ACM agitando il tampone filtrante su uno shaker da laboratorio per 30 minuti a 400 giri/min.
   7. Centrifugare il flaconcino di vetro da 25 mL per 5 minuti a 290 x g e raccogliere il surnatante per la quantificazione di PG/VG e la fase particolata della nicotina.
2. Determinazione della concentrazione di nicotina (o sapore)
   NOTA: l'aerosol è intrappolato su una colonna campione contenente terra diatomacea a pori larghi appositamente lavorata, una matrice chimicamente inerte per l'uso in un intervallo di pH da 1 a 13 (Figura 6).
   1. Preparare la colonna del campione entro 15 minuti prima di iniziare la raccolta del campione di aerosol.
      1. Per determinare le concentrazioni di nicotina, aggiungere 2 ml di acido solforico 0,5 M. Per determinare i sapori, aggiungere 2 ml di isopropanolo.
   2. Controllare il flusso di campionamento.
      1. Accendere la pompa per vuoto e, utilizzando l'apparecchiatura di flusso calibrata che fornisce una precisione di 1 ccm / min, controllare la portata con una colonna di campionamento collegata alla linea di campionamento. Regolare il flusso con la valvola a spillo nell'intervallo di 700 ccm/min ± 5%.
      2. Spegnere la pompa per vuoto.
   3. Raccolta di campioni
      1. Aggiungere i due adattatori alla colonna campione in base al lato di ingresso e di uscita (Figura 6). Collegare il tubo alla linea di campionamento del vuoto tramite l'adattatore di uscita.
      2. Collegare l'assembly della colonna campione alla porta di campionamento tramite l'adattatore di ingresso.
      3. Avviare la raccolta dei campioni accendendo la pompa per vuoto.
      4. Registrare l'ora di inizio del campionamento.
      5. Dopo un tempo di campionamento preimpostato, 10 minuti al punto di campionamento non diluito A e 30 minuti al punto di campionamento diluito B, spegnere la pompa per vuoto e registrare il tempo.
      6. Rimuovere la colonna di esempio dalla porta di campionamento.
      7. Rimuovere gli adattatori dalla colonna del campione e sigillare la colonna del campione con una membrana a film per evitare perdite dovute all'evaporazione o alla contaminazione. Etichettare la colonna del campione in base al nome del campione corrispondente.
      8. Conservare la colonna del campione sigillata in frigorifero (2-8 °C) fino all'analisi.
   4. Determinazione delle concentrazioni di carbonile
      NOTA: I carbonili sono intrappolati su un tampone filtrante in vetro collegato in serie a un micro-impinger riempito con 2,4-dinitrofenilidrazina (DNPH) disciolto in acetonitrile.
3. Preparazione per la cattura
   1. Riempire il micro-impinger con 10 mL di 15 mM DNPH in acetonitrile.
      1. Preparare un tampone filtrante (cfr. paragrafo 4.1).
      2. Controllare il flusso di campionamento
   2. Accendere la pompa per vuoto e controllare la portata della linea di campionamento utilizzando un'apparecchiatura di flusso calibrata che fornisce una precisione di 1 ccm / min. Regolare il flusso con la valvola a spillo nell'intervallo di 700 ccm/min ± 5%.
      1. Spegnere la pompa per vuoto.
   3. Raccolta dei campioni
      1. Collegare il portafiltro collegato al micro-impinger alla porta di campionamento.
      2. Collegare la linea di campionamento del vuoto all'uscita del microintruglio.
      3. Avviare la raccolta dei campioni accendendo la pompa per vuoto.
      4. Registrare l'ora di inizio del campionamento.
      5. Dopo un tempo di campionamento preimpostato, 10 minuti al punto di campionamento non diluito a e 30 minuti al punto di campionamento diluito b, spegnere la pompa per vuoto e registrare il tempo.
      6. Scollegare la trappola di campionamento dalla porta di campionamento.
      7. Svuotare l'impinger in un flaconcino di vetro. Caricare la soluzione DNPH a 10 ml con acetonitrile.
      8. Determinare il peso del tampone filtrante ed estrarlo nella soluzione DNPH-acetonitrile agitando. Scartare il tampone filtrante dopo l'estrazione.
      9. Prendere un'aliquota di 1 mL della soluzione carbonil-DNPH e aggiungere 50 μL di piridina per stabilizzare la soluzione.
      10. Conservare le aliquote in un congelatore a ≤-12 °C fino all'analisi.

Results

Riproducibilità degli aerosol CAG
Per dimostrare la riproducibilità dell'aerosol generato da CAG, è stata utilizzata una soluzione liquida di base contenente PG, VG, nicotina, acqua ed etanolo (rispettivamente 71,72%, 17,93%, 2%, 5,85% e 2,5%) su 10 cicli di generazione di aerosol separati. I parametri di aerosolizzazione e campionamento sono riassunti nella Tabella 2. La caratterizzazione chimica degli aerosol generati da CAG ha confermato l'elevato grado di riproducibilità dei risultati ottenuti utilizzando il sistema. Negli stessi flussi d'aria di riscaldamento, raffreddamento e diluizione, nonché nelle stesse condizioni di campionamento, le concentrazioni di ACM, nicotina, VG e PG erano stabili durante i cicli di generazione di aerosol, con la deviazione standard relativa del 2,48%, 3,28%, 3,43% e 3,34% di ACM, Nicotina, VG e PG rispettivamente (Figura 7).

Le concentrazioni di otto carbonili , vale a dire acetaldeide, acetone, acroleina, butirraldeide, crotonaldeide, formaldeide, metil etilchetone e propionaldeide, sono state misurate durante tre cicli consecutivi di generazione di aerosol CAG. Come previsto con gli aerosol generati in condizioni controllate costanti, le rese di tutti gli analiti carbonilici sono rimaste basse (Tabella 3), non raggiungendo i limiti di quantificazione (LOQ) del metodo analitico per la maggior parte dei composti. Solo l'acetaldeide e la formaldeide avevano rese superiori al LOQ. Le concentrazioni di formaldeide nel campione di aerosol diluito hanno mostrato un'elevata variabilità (±32%) a causa della volatilità di questo analita e delle rese vicine al LOQ. I dati hanno confermato l'assenza di prodotti di degradazione termica liquida negli aerosol generati da CAG. L'aggiunta di una miscela di sapori ha avuto un'influenza sulla composizione carbonile dell'aerosol. Nel caso di specie, i tenori di acetaldeide e butirraldeide sono stati drasticamente aumentati, passando da valori prossimi al LOQ a 2,06 e 1,56 μg/L, rispettivamente, nell'aerosol diluito destinato ad entrare nella camera di esposizione. Questi dati evidenziano l'effetto della composizione della miscela aromatica sulla composizione aerosol e sottolineano la necessità di indagare la potenziale tossicità di alcune sostanze aromatizzanti in una formulazione e-liquid in una fase precoce, prima della valutazione finale negli studi di esposizione a lungo termine in vivo .

PSD degli aerosol generati da CAG
La PSD degli aerosol generati da CAG è stata misurata sotto diversi flussi di raffreddamento e prima diluizione per valutare l'impatto di queste condizioni sulle caratteristiche fisiche dell'aerosol generato dalla soluzione liquida di base contenente solo PG, VG, acqua e nicotina. Questa procedura è essenziale per identificare le condizioni appropriate per la produzione di aerosol con dimensioni delle particelle nell'intervallo respirabile.

Nel presente studio, i flussi di raffreddamento e di prima diluizione sono stati modificati in fasi di 10 L/min per mantenere lo stesso volume totale di flusso di aerosol (Tabella 4). Il flusso del liquido (0,5 ml/min), il flusso riscaldato (2 L/min) e il flusso di seconda diluizione (150 L/min) sono stati mantenuti costanti. I campioni di aerosol sono stati prelevati dal punto di campionamento diluito b (Figura 5). La PSD è stata determinata utilizzando un misuratore di particelle aerodinamico che misura le dimensioni delle particelle da 0,5 a 20 μm, a una portata di campionamento di 5 L / min e diluito in modo appropriato per l'uso con le apparecchiature. MMAD e GSD sono stati segnalati dal misuratore di particelle aerodinamico per ogni ciclo di generazione di aerosol.

L'aumento del flusso di raffreddamento e la contemporanea diminuzione del flusso di prima diluizione hanno avuto un impatto sulla dimensione delle particelle di aerosol (Tabella 4). La maggiore influenza sulla dimensione delle particelle è stata osservata quando si cambia il flusso di raffreddamento da 10 a 20 L / min e il primo flusso di diluizione da 160 a 150 L / min. L'MMAD è più che raddoppiato in queste condizioni da 1,47 a 4,03 μm. La dimensione media delle particelle di aerosol ha continuato a crescere con l'aumento delle portate di raffreddamento, anche se a rapporti inferiori a quelli osservati tra 10 e 20 L / min. La distribuzione del diametro aerodinamico delle particelle di aerosol è stata chiaramente spostata verso diametri più grandi quando si confrontano gli aerosol generati a 10 L / min di flusso di raffreddamento con quelli generati a 20-50 L / min (Figura 8).

Intrappolare l'efficienza degli aromi e-liquid
Come discusso in precedenza, a causa della loro volatilità, vari costituenti liquidi sono continuamente inclini al trasferimento di massa gas-liquido a seconda delle condizioni termodinamiche locali. Inoltre, i metodi analitici hanno una certa capacità di intrappolare tali costituenti. Le misurazioni effettive della resa ci consentono di misurare la capacità dei metodi chimici per il rilevamento e la quantificazione accurati di costituenti selezionati (ad esempio, a causa del loro potenziale di condensazione o reazioni, alcuni costituenti potrebbero non raggiungere la loro destinazione, cioè la camera di esposizione in caso di studi di inalazione). Pertanto, quando si valutano varie formulazioni di e-liquid aromatizzate, è essenziale essere in grado di determinare il metodo di intrappolamento più efficiente per la valutazione chimica dell'aerosol. Successivamente, questo ci consente di misurare la velocità di trasferimento per ciascun componente, che è dettata dalle perdite spesso presenti dovute al trasporto di aerosol dal luogo di generazione alla camera di esposizione. Nel caso di specie, è stato effettuato uno studio supplementare con un liquido contenente una miscela di sostanze aromatizzanti. L'aerosol è stato generato con i parametri CAG elencati nella Tabella 2 e intrappolato dopo la diluizione (posizione b, Figura 5), con la portata di campionamento impostata a 0,7 L/min per 30 min. L'intrappolamento è stato eseguito su colonne di campionamento precondizionate con 2 ml di isopropanolo. Le cartucce sono state eluite con isopropanolo poco dopo il completamento del periodo di intrappolamento, fino a quando non sono stati recuperati 20 ml della soluzione. La Corte ha scoperto che l'efficienza di intrappolamento dovrebbe generalmente essere studiata e determinata per ciascun componente del sapore.

Per il 70% dei componenti del sapore studiati, abbiamo avuto tassi di recupero >60%, che era ben correlato con i punti di ebollizione (volatilità) dei sapori. Ciò implica che gli studi tossicologici per inalazione contenenti miscele complesse devono essere eseguiti con particolare attenzione al trasferimento e alla consegna di aerosol al sito di esposizione.

Figura 1: Principio di funzionamento del generatore di aerosol capillare (CAG). Il liquido viene pompato in un capillare riscaldato elettricamente che fornisce esplosioni di vapori caldi supersaturi, che vengono raffreddati dal flusso d'aria, causando improvvisa nucleazione e condensazione, portando alla formazione di aerosol. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Configurazione sperimentale tipica cag ed elementi chiave. (A) Vista generale dell'assieme CAG, che mostra la pompa peristaltica che collega la soluzione liquida al CAG, al condotto dell'aria di diluizione e al processo di formazione dell'aerosol. (B) Vista dettagliata del CAG, con elementi capillari e riscaldanti. (C) Vista della sezione trasversale della configurazione di generazione di aerosol dell'assieme CAG. Dettagli dei flussi d'aria di raffreddamento e diluizione. Il tubo di vetro ha due scomparti separati. Il flusso di raffreddamento viene spinto verso il CAG ed entra in contatto con il vapore generato dal liquido per produrre l'aerosol. Il flusso di diluizione viene spinto verso l'aerosol formato per diluire quest'ultimo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Dettagli del dispositivo CAG: vista della sezione trasversale. Il flusso di riscaldamento viene introdotto intorno agli elementi riscaldanti per il raffreddamento del corpo CAG esterno, impedendo la condensazione del riflusso del liquido sulla punta del capillare e per stabilizzare lo scoppio del getto di vapore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Assemblaggio CAG. Il capillare e l'elemento riscaldante (A) vengono inseriti in un tubo interno in PEEK e questo gruppo viene inserito in un tubo esterno in acciaio inossidabile (B). Il gruppo è tappato e fissato saldamente su un supporto utilizzando viti di piombo in acciaio inossidabile (C, D). Il capillare sporgente dalla parte posteriore è collegato tramite tubo alla pompa peristaltica e alla formulazione del liquido. Abbreviazioni: SS, acciaio inossidabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Impostazioni di generazione di aerosol CAG per esperimenti di esposizione in vivo . Il campionamento dell'aerosol per l'analisi avviene in due posizioni: a) aerosol non diluito: la prima fase di diluizione viene disattivata durante il campionamento; b) aerosol diluito, poco prima di entrare nella camera di esposizione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Colonna campione con adattatori collegati. Prima del campionamento, la colonna del campione è precondizionata con acido solforico 0,5 M per l'analisi della nicotina o isopropanolo per l'analisi del sapore. L'adattatore di ingresso è collegato al flusso di aerosol generato da CAG e l'adattatore di uscita alla pompa per vuoto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Caratterizzazione e riproducibilità degli aerosol generati da CAG. Concentrazione di concentrazioni di ACM, nicotina, PG e VG su 10 generazioni di aerosol sperimentali separate con la stessa soluzione a base liquida. ACM, 1105,45 ± 27,4 μg/L; Nicotina, 20,16 ± 0,7 μg/L; VG, 227,15 ± 7,8 μg/L; PG, 656,59 ± 22,0 μg/L. Le barre di errore rappresentano la deviazione standard. Abbreviazioni: ACM, massa raccolta aerosol; PG, glicole propilenico; VG, glicerolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Alterazioni nella distribuzione granulometrica dell'aerosol generato sotto varie portate di raffreddamento. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

	BASE (PG/VG/N)	SAPORE (PG/VG/N/F)
Componente	PG/VG/N (g/1000g)	PG/VG/N/F (g/1000g)
Acido benzoico	3.33	3.33
PG	240.00	238.91
Acqua	150.00	150.00
Acido lattico	3.33	3.33
Acido acetico	3.33	3.33
Mix di sapori miscelati	0.00	1.20
Glicerina	560.01	559.90
Nicotina	40.00	40.00
Somma	1000.00	1000.00

Tabella 1: Componenti di formulazione di stock di e-liquid¹⁸

Protocollo di aerosolizzazione			Protocollo di campionamento
Parametri	Non diluito	Diluito	Parametri	Posizione non diluita A	Posizione diluita B
Temperatura CAG (°C)	250
Portata pompa (mL/min)	0.5	0.5	Tempo di campionamento (min)	10	30
Flusso d'aria riscaldato (L/min)	2	2	Flusso di campionamento (ACM) (L/min)	0.7	1.5
Flusso d'aria di raffreddamento (L/min)	10	10	Flusso di campionamento Extrelut (L/min)	0.7	0.7
1a diluizione dell'aria (L/min)	NA	150	Flusso di campionamento Carbonili (L/min)	0.7	0.7
2a diluizione dell'aria (L/min)	NA	160
Rifiuti (L/min)	NA	172

Tabella 2: Parametri di generazione, diluizione e campionamento dell'aerosol

Carbonili	Liquido di base (PG/VG/Nicotina)		Aroma soluzione madre ad alta concentrazione con nicotina (PG/VG/Nicotina/Aromi)
	Campione di aerosol non diluito μg/L	Campione di aerosol diluito μg/L	Campione di aerosol non diluito μg/L	Campione di aerosol diluito μg/L
Acetaldeide	0,834 ± 0,096	0.119*	45.346 ± 1.134	2.058 ± 0.202
Acetone	< LOQ	< LOQ	< LOQ	< LOQ
Acroleina	< LOQ	< LOQ	< LOQ	< LOQ
Butirraldeide	< LOQ	< LOQ	36.475 ± 0.996	1.557 ± 0.179
Crotonaldeide	< LOQ	< LOQ	0,052 ± 0,001	< LOQ
Formaldeide	0,731 ± 0,072	0,072 ± 0,023	0,158 ± 0,007	0,026 ± 0,004
Metil etilchetone	< LOQ	< LOQ	0,570 ± 0,015	< LOQ
Propionaldeide	< LOQ	< LOQ	0,085 ± 0,001	< LOQ

Tabella 3: Determinazione dei carbonili nell'aerosol generato da CAG. I valori medi di tre generazioni di aerosol vengono eseguiti con la stessa soluzione di base liquida da sola e con una miscela di aromi. Solo un campione su tre cicli aveva valori superiori al limite inferiore di quantificazione (LOQ) del metodo.

Impostazioni (L/min)		Diametro della goccia di aerosol
Flusso di raffreddamento	1° flusso di diluizione	MMAD (μm)	GSD ·
10	160	1,47 ± 0,04	2,07 ± 0,01
20	150	4,03 ± 0,18	2,13 ± 0,04
30	140	4.74 ± 0.04	1,89 ± 0,02
40	130	5,35 ± 0,04	1,80 ± 0,01
50	120	5,23 ± 0,03	1,76 ± 0,01

Tabella 4: Determinazione della dimensione delle particelle di aerosol (diametro delle gocce) in diverse condizioni di flusso d'aria. Abbreviazioni: MMAD, diametro aerodinamico mediano di massa; GSD, deviazione standard geometrica.

Discussion

La generazione di aerosol con CAG aiuta a ridurre la variabilità dei processi di aerosolizzazione specifici del dispositivo EC, consentendo una valutazione obiettiva e controllabile della formulazione e-liquid aerosolizzata stessa. Gli aerosol generati da CAG hanno dimostrato di essere rappresentativi degli aerosol generati da EC⁷. Possono essere generati in modo riproducibile con la stessa composizione e caratteristiche e sono quindi particolarmente adatti per studi di esposizione a lungo termine in vivo che richiedono grandi volumi di aerosol per un lungo periodo di tempo⁸.

La configurazione CAG è relativamente semplice da assemblare e facile da mantenere. Tuttavia, i parametri operativi, come la portata del liquido e le rispettive portate d'aria rimangono fondamentali per la produzione di aerosol controllato, che richiede l'ottimizzazione del metodo in base allo scopo di applicazione dell'aerosol generato da CAG.

I risultati presentati nel presente studio mostrano che la velocità del flusso d'aria di raffreddamento ha un chiaro effetto sulla distribuzione delle dimensioni delle particelle di aerosol. Il flusso d'aria di raffreddamento ha un impatto diretto non solo sulla nucleazione dei vapori generati ma anche sulla condensazione, a causa del raffreddamento del tubo interno in cui scorre l'aerosol generato. Inoltre, l'aerosol denso è soggetto a sostanziali effetti di coagulazione. Combinati, questi processi sono complessi e la loro interazione e influenza sulla formazione di aerosol sono piuttosto difficili da generalizzare per gli specifici e-liquid, temperature e flussi. La composizione supplementare del flusso d'aria (secco o umidificato con una percentuale fissa di umidità relativa), in particolare il contenuto di acqua, influenzerà il calore e lo scambio di massa, portando non solo alla crescita modulata della condensazione delle particelle di aerosol, ma anche alla condensazione delle pareti. Pertanto, le modifiche ai parametri di questo metodo sono considerate ai fini dell'uso in termini di controllo della PSD ^17,19.

La presenza di sostanze chimiche con bassa solubilità o alti punti di ebollizione potrebbe limitare l'efficacia dell'aerosol generato da CAG a causa della precipitazione all'interno del capillare e dell'intasamento del capillare nel tempo. A seconda delle sostanze chimiche presenti nell'aerosol, la temperatura per il funzionamento del CAG deve essere regolata per generare il vapore. Inoltre, la stabilità della formulazione liquida deve essere valutata regolarmente. L'aggiunta di costituenti, compresi gli aromi, con diversi punti di ebollizione avrà un'influenza sulla composizione finale dell'aerosol¹⁴ e sulla partizione gas-liquido. Potrebbe essere necessario adattare la temperatura capillare e il flusso d'aria di riscaldamento per prevenire il riflusso e la deposizione di liquidi vicino al capillare caldo, che potrebbe comportare la generazione di prodotti incontrollati di degradazione termica (come i carbonili) a causa della lunga durata di ritenzione del liquido ad alta temperatura. Inoltre, il controllo della temperatura utilizzata per generare il vapore nel capillare ha un impatto su dove il vapore inizia a formarsi nel capillare: maggiore è la temperatura, prima si forma il vapore. Con una temperatura capillare più elevata, il vapore che esce dal capillare impiegherà più tempo per essere raffreddato dal flusso d'aria di raffreddamento e, quindi, inizierà a nucleare e condensarsi in un aerosol più lontano dalla punta capillare, contribuendo a evitare un effetto di riflusso¹⁹.

Gli attuali studi tossicologici in vivo sugli e-liquid sono limitati nella riproduzione di aerosol di sigarette elettroniche a causa della complessità logistica per soddisfare la scala di aerosol richiesta, come in uno studio dell'OCSE TG 413²⁰. Il protocollo presentato in questo studio fornisce una panoramica sull'assemblaggio CAG e sulle impostazioni utilizzate da Philip Morris International per la generazione di aerosol negli studi di esposizione a lungo termine in vivo ¹⁸. Questi dati possono servire come un buon punto di partenza per un'ulteriore messa a punto in un altro ambiente di laboratorio (ad esempio, sistemi di somministrazione di farmaci²¹) o per l'adattamento a requisiti specifici di un particolare studio.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Tappo anteriore in alluminio	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	Costruito appositamente, 1 x
blocco riscaldante in alluminio, diametro scanalatura 0,4 mm	Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA	B-505432	2 x
tappo posteriore in alluminio	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	1 x
tamponi filtranti in vetro Cambridge	GE Healthcare UK Limited	9703-9654	44 mm di diametro
Capillare 21 G SS, 160 mm	Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA	304H21RW 1	x
salviettine asciutte	Contec Inc. , SC, USA	Salviette Prosat saturate con materiale per la pulizia a base di alcol isopropilico
Flussometro	TSI, Shoreview, MI, USA	Serie 4100, 0-20 L/min	o
equivalente Calibratore Gilibrator-2	Sensidyne, San Pietroburgo FL, USA	Gilian Gilibrator-2	Calibratore di flusso d'aria
Giunti in vetro	Labo Service, Kontich, Belgio	QVF
Tubazioni in vetro	Labo Service, Kontich, Belgio	QVF	Tubo 25 e 40 mm
Elementi riscaldanti	Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA	LDC01864	4 x
Lubrificante per grasso ad alta temperatura	Lubriplate Lubricant Company, NJ, USA	Grasso multiuso per alte temperature	Manutenzione CAG
Tubo interno in PEEK	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	1 x
Agitatore magnetico	IKA-Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germania	C-MAG HS 4	o equivalente
Micro impingers	Labo Service, Kontich, Belgio	Tubo
	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	1 x
adattatore PEEK	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	Costruito appositamente, 1 x
Pompa peristaltica	Watson-Marlow Fluid Technology Group, Falmouth, Regno Unito	Watson-Marlow 530 U	o
equivalente Raccordo a innesto	Festo Pte Ltd	NPQM-DK-M5-Q4-P10	1 x
Colonna campione Cartuccia Extrelut NT3	Merk Sigma-Aldrich	115095
SS 25 mm tappo di montaggio	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	Costruito appositamente, 1 x
vite di comando SS M8	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	3 x
dado SS M8	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su misura	3 x
SS supporto posteriore	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Svizzera	Costruito su	misura Costruito appositamente, 1 x
Regolatore di temperatura	Cole Parmer GmbH, Wertheim, Germania	Digi-Sense TC 9600	o equivalente
Termocoppia tipo K	RS Components GmbH, Wä denswil, Svizzera	814-0147	1 x