全身ナノ粒子エアロゾル吸入暴露

サマリー

全身ナノ粒子エアロゾル吸入暴露施設は、ナノサイズの二酸化チタン（酸化チタンのために構築した ₂）の吸入毒性試験。このシステムは、ナノ酸化チタンを提供する _{2エアゾール試験雰囲気：1）安定した質量濃度、汚染のない2）均一な組成物、及びエアロゾル生成中3）安定した粒度分布。}

要約

吸入すると、設計エアロゾル化ナノ材料（ENM）を扱う個人のための最も可能性の高い暴露経路である。適切にナノ粒子の吸入毒性試験を実行するには、チャンバハウジングにおけるエアロゾルは、実験動物が持っている必要があります：1）安定した濃度は全体の暴露期間のために必要なレベルに維持、2）均質な汚染物質の構成、3）安定した<200 nmおよび幾何標準偏差は_G <2.5 ^5σ幾何平均径のサイズ分布。簡単に凝集粒子ので、ナノ粒子を含有するエアロゾルの発生が非常に困難である。これは非常に強力な粒子間力と数十または分割することが困難なサイズ⁶ミクロン、数百人の中で大規模なフラクタル構造の形成によるところが大きい。ネブライザー、流動床、ベンチュリアスピレーターとライトダストフィードを含むいくつかの一般的なエアロゾル発生器は、我々再テストしたが、いずれも、すべての基準^5を満たして^いるナノ粒子エアロゾルを生成することができませんでした。

全身ナノ粒子エアロゾル吸入暴露システムは、製造され検証され、ナノTiO _2の吸入毒性試験に利用されました。重要なコンポーネント：1）小説ナノTiO _2のエアロゾル発生、2）0.5メートル³全身吸入暴露室、3）監視および制御システム。バルク乾燥ナノTiO _2の粉末（21nmで3.8グラム/ cm ^3の嵩密度の一次径）から生成されたナノTiO _2のエアロゾルは90 LPM（10.8換気/時間）の流量で露光チャンバ内に配信された。粒度分布と質量濃度プロファイルを走査型モビリティ粒サイザー（SMPS）、電気低圧インパクタ（ELPI）を用いて連続的に測定した。エアロゾル質量濃度（C）は （ ミリグラム/ m ^3）で重量測定法で確認した。質量（M）集めた粒子はM _前とM _ポストサンプリング（mg）を前後のフィルタの質量であるM =（M _ポスト M _前 ）として決定した。質量濃度は次のように計算されたC = M Qは流量^（3メートル/分 ） をサンプリングしている/（Q * t）は、tはサンプリング時間（ 分 ）である。チャンバ圧力、温度、相対湿度（RH）、O ₂及びCO ₂濃度を連続的に監視し、制御した。 Nucleporeフィルター上に集め、ナノTiO _2のエアロゾルは、走査型電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線（EDX）分析で分析した。

1）安定した質量濃度を、汚染物質のフリー2）均一な組成物、3）カウント中位空力安定した粒度分布を要約すると、我々は我々の曝露チャンバーに生成され、配信ナノ粒子エアロゾルが持っていることを報告エアロゾル生成時に157ナノメートルの直径namic。このシステムは、確実に、繰り返し、労働環境や国内ENMエアロゾル曝露を模擬試験雰囲気を作成します。

プロトコル

全身ナノ粒子吸入暴露ステップごとの操作手順は、次のように記載されている。

注 ：1）手順1と3はドラフト内で行うべきである、2）演算子は（呼吸器、ゴーグル、ゴム手袋）適切な個人保護具を着用しなければならない。

1。エアコン_の TiO ₂ナノ粒子乾燥粉末

1. 不透明な容器にナノTiO _2の粉末を置きます。
2. 容器の蓋を開いたままにします。
3. コンディショニングのために少なくとも24時間乾燥し、デシケーター中で容器を置きます。

2。データ収集と制御システム、SMPSとELPIとすべてトランスデューサウォーミングアップ

1. 空気の監視やデータ収集システムとエアロゾルのモニタリングSMPS（TSI社、ショアビュー、ミネソタ州）とELPI（Dekati、タンペレ、フィンランド）のための電源スイッチをオンにして、少なくとも1時間のシステムをウォームアップ。
2. 電源を入れるすべてのトランスデューサ内のスイッチは、少なくとも1時間のためにそれらをウォームアップする。

3。エアロゾル発生器へ_の TiO ₂ナノ粒子の乾燥粉末のロード

1. エアロゾル発生器のシリンダーキャップを開き、エアゾール発生器のフィルタを交換してください。注：Oneエーロゾル発生器が一つの気筒を有する。使用するエアロゾル発生器の数は、露光チャンバ内の粒子の所望の質量濃度に依存する。
2. 〜4グラムのナノTiO _2の粉末を秤量し、各気筒でそれらをロードします。
3. シリンダーキャップを交換してください。
4. すべてのエリアでは、TiO _2の汚染の疑いが拭い濡らさなければならない。

4。吸入暴露チャンバーにエアロゾル発生器を接続する

1. 吸入暴露室（TSEシステムズ社、バートホンブルク、ドイツ）の入口であるサイクロンセパレータマニホールドを経由してエアロゾル発生器のすべてのコンセントに接続してください。
2. 圧縮空気配管に接続しエアロゾル発生器におけるベンチュリ分散機。

5。吸入暴露室に大気モニタリングやエアロゾルサンプリングインレットを接続

1. 温度と相対湿度（RH）、圧力、吸入暴露室で大気モニタリングポートをテストし東証システムから供給されるO _{2＆CO 2}センサーを接続します。
2. 吸入暴露チャンバーでエアロゾルのサンプリングポートの1つにエアロゾル希釈器の入口を接続し、ELPIの入口にその出口を接続します。
3. 吸入暴露チャンバーでエアロゾルのサンプリングポートのいずれかにSMPSを接続します。
4. 曝露チャンバーにエアロゾルのサンプリングポートのいずれかに粒子濃度モニタ（東証システム）の入口に接続します。
5. PTFEメンブレンフィルター（P / N 66149、ポール·コーポレーション、アナーバー、ミシガン州）を計量し、ステンレス製フィルターホルダー（インToxの製品、モリアーティNM）にフィルタをロードします。
6. の入口を接続吸入暴露チャンバーでエアロゾルのサンプリングポートのいずれかにフィルタ予め秤量、サンプリングポンプにその出口を接続してください。ステンレス製フィルターホルダー

6。データ収集システムをアクティブに

1. アクティブELPIデータ収集ソフト、ELPIVIは 、設定パラメータをチェックして、約5分間水洗ポンプをオンにしてから、ELPIをゼロ。録音前暴露濃度。
2. SMPSデータ集録ソフトウェアをアクティブにします。録音前暴露濃度。
3. O _{2、CO 2、}空気流量、温度およびRHチャンバ圧力、温度およびRHの監視および制御するためのソフトウェア、DACO（TSEシステム）を活性化する。

7。吸入暴露チャンバー内に実験動物のロード

1. 実験動物を計量。
2. 動物が暴露した後、同じケージ内に戻すことができるように、実験動物とケージをマークする旧姓なded。
3. 吸入暴露室の扉を開き、有線ケージに実験動物をロードします。
4. 水は、動物のために提供されてもよい。
5. 吸入暴露室のドアを閉じ、固定します。
6. 頻繁に苦痛の兆候曝露室観察窓から動物を観察する。動物は、リラックスして正常に動作しなければならない。急速に/呼吸こじつけ場合露出を停止、外観異常、姿勢異常や不動が観察される。動物を外し、元のケージに戻し、出席獣医師に連絡し、/または適切な動物実験を開始し、委員会の手順を使用します。

注：ステップ8.7、8.8と8.17を実行する際にオペレータは個人用保護具を着用しなければならない。

8。ナノ粒子エアロゾルに小動物を公開する

1. 吸入暴露室の排気真空ポンプの電源をオンにします。
2. にデータ収集ソフトウェア、DACOを実行して、a）b）は、露光チャンバ内の圧力を制御し、及びc）は圧力、温度、RH、O、露光環境のデータを収集し、露光室に濾過乾燥空気を供給する_{2、CO 2。}
3. チャンバ圧力でわずかに負圧を（セットポイント= -0.2ミリバール）を確立。
4. エアロゾル発生器の電源をオンにします。
5. 連続的に吸入暴露チャンバ内の粒子サイズおよび相対質量濃度を監視するためにELPIとSMPSデータ収集ソフトウェアを実行する。
6. エアロゾル濃度が安定しているとき、ELPIモニタ上の濃度プロファイルは、（通常：エアゾール発生器が動作中になった後、これは20分かかります）プラトーに達した、つまり （例えば、1時間）サンプリング時間を設定し、エアロゾルのサンプリングをオンにするフィルタを使用してナノ粒子の代表的なサンプルを収集するためにポンプ。
7. サンプリング時間に達すると、フィルタを削除し、saのを差し込む暴露室から逃げるの試験材料を防ぐためにゴム製のプラグでポートをmpling。
8. フィルタを秤量し、上記のように露光チャンバ内の平均質量濃度を算出する。
9. 平均濃度が目標濃度オフになっている場合は、手動でターゲット濃度が達成されていることを確認するために発電機で空気の流れを調整します。
10. 時刻t =露光時間D = C×垂直_メートル XTX F _rは 、試験材料のD =用量、C =平均質量濃度、V _mは分時拍出量、などの動物の肺における粒子堆積を計算し、F _はr =画分の材料それは、堆積又は吸収される。
11. クリーン、プレ加重フ​​ィルタをフィルターホルダーにフィルターを交換し、ステップ8.6と8.8を繰り返します。
12. 動物の肺の曝露室と標的粒子沈着の本当の質量濃度に基づき、残りのEXPを見積もる、tは_残るとしてosure時間=（D _{ターゲット} -D）/（C X V _M X F _R）tは_残る 、=暴露期間まま、D _{ターゲット} =ターゲット用量、C =試験材料の質量濃度、V _Mを意味する =分容積、F _R材料=分数堆積または吸収される。
13. _残るトンに達したときにエアロゾル発生器の電源をオフにします。
14. モニターに示されている粒子濃度がチャンバー内の暴露前粒子濃度に近くなるまで、曝露室から動物を削除する前に、濾過された空気を吸入暴露室をフラッシュします。
15. チャンバー排気真空ポンプの電源をオフにします。
16. データ収集ソフト、DACOを停止します。
17. 暴露後、正常な呼吸と動作を確認するために動物を観察し、文書のない他の研究合併症EXそのイスト。鼻汁、呼吸困難または他の動物愛護合併症が認められた場合には、主治医の獣医師および/に連絡するか、適切な動物実験を開始し、委員会の手順を使用します。
18. ELPIとSMPSデータ収集ソフトウェアを停止します。

9。テストレポートの作成

9.1試験条件は、

1. このテストで使用エーロゾル発生システム及びその動作パラメータの説明。
2. 露光中に使用される設計、種類、寸法およびその動作パラメータを含む露光装置の説明。
3. 測定温度、湿度、粒子サイズ、および実際の濃度ための機器。
4. 排気と使用した場合の試験室に動物を収容する方法の治療。

9.2露出の雰囲気のデータが含まれる

1. 吸入装置のエアフロー率。
2. の温度と湿度空気。
3. 動物ケージの近くにあるエアロゾルのサンプリングゾーンの実際（分析または重量）の濃度。
4. 粒度分布、および計算されたカウントメディアン空気力学的直径および幾何標準偏差。
5. なぜ希望チャンバー濃度および/または粒子サイズなどの説明は（該当する場合）を達成し、そして努力がガイドラインのこれらの側面に準拠するために取ることができませんでした。

その他9.3

1. 吸入設備を含む部屋の中でわずかに負圧が吸入暴露室から逃げるの試験材料を防ぐために維持されるべきである。
2. 動物性廃棄物の影響を排除するために、毎日暴露室を清掃してください。
3. ELPI、SMPSや他の楽器を洗浄し、ユーザマニュアルに基づいて校正する必要があります。

結果

吸入暴露試験では、通常、試験材料^8,9の定義された濃度に実験動物を露出させ、既知および一定テスト環境で実験動物を維持することが含まれます。全身吸入ナノ粒子露光装置は、 図1に示されている。チャンバを通る空気の連続流90 LPMがあった場合に全身チャンバは、動的フローに基づいて運転した。この空気の流れは、急性吸入暴露⁷のために米国環境保護庁が必要とする空気交換の最小数（10.0）を超える10.8空気の変化/時間を提供した。合体フィルタ、高効率合体フィルターと活性炭フィルター（アトラスコプコ、スウェーデン）を含む3段エアフィルターシステムは、水、ほこりや油蒸気の除去と（炭化水素）悪臭のために入口空気で使用されていた。プレペーパーフィルター、チャコールフィルターとHEPA Fiなどの3段エアフィルターシステムLTERは、排気ガス流量コントローラを保護するために使用された。ウェストバージニア大学の要求ごとに、東証システムによって設計4段エアフィルターシステムは、排気真空ポンプの出口で使用されていました。露光チャンバは、ステンレス鋼線から成り、TSEシ...

ディスカッション

私たちは、組み立てと全身ナノ粒子エアロゾル吸入暴露系で、ここで説明している。システム機能は、最先端のナノ粒子のエアロゾルの特性評価技術で検証した。新規なナノ粒子のエーロゾル発生システムと、この吸入露光システムは、比較的一貫した温度、湿度、空気の流れ、および実験動物のための酸素含有量を十分に特徴づけられ、制御された均一なナノ粒子のエアロゾル試験雰囲気を提供することができる。露光システムは、動物の多数、または長期研究のための最も効率的である。この大全身チャンバ内に、実験動物は、気ままな快適な熱応力が最小化されている。露光の主な制限は、実験動物は、露光チャンバ内の雰囲気中に浸漬されることである。このような経口および経皮暴露として暴露他のルートが発生する可能性があります。また、全身系では、バルク材料が多量に必要とされるbecauより大きな入口流量のそれ。 12ポート鼻部吸入暴露システムでは、吸気流量が12 LPMである間、例えば0.5 m ^3の露光チャンバと、このシステムでは、吸気流量は、90 LPMである。吸入暴露試験を計画する際にそのため、バルク材料のコストと可用性を考慮する必要があります。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
吸入暴露システム	TSE Systems GmbH, バート・ホンブルク, ドイツ
空気モニタリングシステム	TSE Systems GmbH, バート・ホンブルク, ドイツ
酸化チタン エアロキシド P25	エボニック, ドイツ
スキャニングモビリティ パーティクルサイザー-3936L75	TSI Inc., Shoreview, MN
電動低圧インパクター, スタンダード 10 LPM	Dekati, Tampere, Finland
Ultra Micro Balance, XP2U	Mettler Toledo, Switzerland
Field Emission Scanning Electron Microscope-S-4800	日立製作所, 日本
エネルギー分散型X線分析	Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, N.J.
核細孔ポリカーボネート	フィルターWhatman、クリントン、PA
PTFEメンブレンフィルター	コーポレーション、ミシガン

ポール州アナーバー