Een hele lichaam aërosol inhalatie blootstelling faciliteit nanodeeltjes werd gebouwd voor nano-sized titaandioxide (TiO 2) Inhalatie toxicologisch onderzoek. Dit systeem nano-TiO 2 Aërosoltest sferen die zijn: 1) een constante massaconcentratie, 2) een homogene samenstelling vrij van verontreinigingen, en 3) een stabiele deeltjesgrootteverdeling tijdens aerosolvorming.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Whole-Body Nanoparticle Aerosol Inademing blootstellingen
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Inademing is de meest waarschijnlijke blootstellingsroute voor mensen werken met aerosolizable gemanipuleerde nano-materialen (ENM). Aan nanodeeltjes inhalatie toxicologisch onderzoek goed uit te voeren, de aërosolen in een kamer waar de proefdieren moeten: 1) een constante concentratie gehandhaafd op een gewenst niveau voor de gehele periode de blootstelling; 2) een homogene samenstelling vrij van verontreinigingen, en 3) een stabiele grootteverdeling met een geometrische gemiddelde diameter van <200 nm en een geometrische standaardafwijking σ g <2.5 5. Het genereren van aërosolen met nanodeeltjes is heel uitdagend, omdat nanodeeltjes gemakkelijk agglomeraat. Dit is grotendeels te wijten aan sterke krachten tussen de deeltjes en de vorming van grote fractalstructuren in tientallen of honderden micron 6, die moeilijk te worden opgebroken worden. Een aantal gemeenschappelijke aërosols, waaronder vernevelaars, wervelbedden, Venturi afzuigers en de Wright stof voer, weopnieuw getest, maar niemand was in staat om nanodeeltjes aërosolen die aan alle criteria voldoen 5 produceren.
Een hele lichaam aërosol inhalatie blootstelling systeem nanodeeltjes werd gefabriceerd, gevalideerd en gebruikt voor nano-TiO2 inhalatie toxicologische studies. Kritische componenten: 1) nieuwe nano-TiO2 Aërosolgenerator; 2) 0,5 m 3 whole-body exposure kamer inademing, en 3) de monitor en controlesysteem. Nano-TiO2 aërosolen gegenereerd bulk droge nano-TiO2 poeder (primaire diameter van 21 nm, stortdichtheid van 3,8 g / cm 3) werden in de blootstellingskamer bij een stroomsnelheid van 90 LPM (10,8 luchtverversing / hr) . Deeltjesgrootteverdeling en massaconcentratie profielen werden continu gemeten met een scanning mobiliteit deeltje Sizer (SMPS), en een elektrische lage druk impactor (ELPI). De aërosolmassa concentratie (C) werd gravimetrisch geverifieerd (mg / m 3). De massa (M) Van de verzamelde deeltjes werd bepaald als M = (M na pre M), waarbij M en M pre Post zijn massa van het filter vóór en na de monstername (mg). De massaconcentratie werd berekend als C = M / (Q * t), waarbij Q bemonstering debiet (m3 / min), en t de bemonsteringstijd (minuut). De kamerdruk, temperatuur, relatieve vochtigheid (RH), O2 en CO2 concentraties werden gecontroleerd en continu gecontroleerd. Nano-TiO2 aërosolen op Nuclepore filters opgevangen werden geanalyseerd met een scanning elektronenmicroscoop (SEM) en energie-dispersieve X-stralen (EDX) analyses.
Samengevat, melden wij dat de nano-deeltjes aërosolen opgewekt en geleverd aan onze belichtingskamer hebben: 1) steady massaconcentratie; 2) homogene samenstelling vrij van verontreinigingen; 3) stabiele deeltjesgrootteverdelingen met een count-mediaan aerodynamische diameter van 157 nm tijdens aërosol generatie. Dit systeem betrouwbaar en herhaaldelijk testen creëert sferen die beroeps, ENM aerosol milieu of woning te simuleren.
Protocol
De nanodeeltjes inademing stap voor stap werkwijzen hele lichaam worden beschreven als volgt.
Opmerking: 1) de stappen 1 en 3 moeten worden uitgevoerd in een zuurkast, 2) de marktdeelnemer moet de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen te dragen (maskers, brillen en handschoenen).
1. Conditioning TiO 2 Nanoparticle Dry Poeders
- Plaats nano-TiO2 poeder in een ondoorzichtig container.
- Laat het deksel open is.
- Plaats de container op een droge exsiccator gedurende ten minste 24 uur voor de conditionering.
2. Warming-up Data Acquisition and Control System, SMPS en ELPI en All transducers
- Schakel de monitoring van de lucht-en data-acquisitiesysteem en power schakelaars voor aerosol bewaking SMPS (TSI Inc, Shoreview, MN) en ELPI (Dekati, Tampere, Finland), en warm de systemen gedurende ten minste 1 uur.
- Schakel de stroom inschakelaars in alle omzetters om ze op te warmen gedurende ten minste 1 uur.
3. Laden TiO2 nanodeeltjes droge poeders in aërosols
- Open de cilinder doppen op de aërosols, en vervang de filters in de aërosols. Opmerking: Een aerosol generator heeft een cilinder. Het aantal aërosols worden gebruikt afhankelijk van de gewenste massaconcentratie van de deeltjes in blootstellingskamer.
- Weeg ~ 4 g nano-TiO2 poeders en laad ze in elke cilinder.
- Vervang de cilinder kappen.
- Alle gebieden vermoeden van TiO 2 besmetting moeten worden nat afgeveegd.
4. Aansluiten Aerosol Generators om Inademing Blootstelling Chamber
- Sluit de uitgangen van de aërosols via een verdeelstuk naar een cycloon die aan de inlaat van de blootstellingskamer inhalatie (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Duitsland).
- Sluit perslucht slang aande Venturi verspreidingen in de aërosols.
5. Aansluiten Air Monitoring en Aerosol Sampling inlaten aan de Inademing Blootstelling Kamer
- Sluit temperatuur & relatieve vochtigheid (RV), druk, O 2 en CO 2-sensoren door TSE-systemen geleverd aan de controle poorten sfeer te testen op de blootstelling kamer inademing.
- Sluit de inlaat van een aerosol dilutor een van de aerosol bemonsteringsopeningen op blootstellingskamer inademing en sluit de uitlaat naar de inlaat van de ELPI.
- Sluit SMPS een van de aerosol bemonsteringsopeningen op blootstellingskamer inademing.
- Sluit inlaat van een deeltjesconcentratie monitor (TSE Systems) aan een van de aerosol monstertrekpoorten de blootstellingskamer.
- Weeg PTFE membraanfilter (P / N 66149, Pall Corporation, Ann Arbor, Michigan) en laad filter in een roestvrij stalen filterhouder (In-Tox producten, Moriarty NM).
- Sluit de inlaat vande roestvrij stalen filterhouder met een vooraf gewogen filter om een van de aerosol bemonsteringsopeningen op blootstellingskamer inademing en sluit de uitlaat een aanzuigpomp.
6. Activeer Data Acquisition Systems
- Activeren ELPI data-acquisitie software, ELPIVI, check setup parameters, en zet de spoelpomp voor ~ 5 min. en vervolgens nul de ELPI. Concentratie Record pre-exposure.
- Activeer SMPS data-acquisitie software. Concentratie Record pre-exposure.
- Activeren software, Daco (TSE Systems), voor het bewaken en besturen van luchtdebiet, temperatuur en RV ruimte druk, temperatuur en relatieve vochtigheid, O 2 en CO 2.
7. Laden Proefdieren in de Inademing Blootstelling Kamer
- Weeg de proefdieren.
- Markeer de proefdieren en kooien, zodat de dieren terug in dezelfde kooien kan worden gezet na de opname als needed.
- Open de deur van de blootstelling kamer inademing, en laadt proefdieren in de bedrade kooien.
- Water kan komen voor dieren.
- Sluiten en zet de deur van de blootstelling kamer inademing.
- Vaak observeren dieren door de belichtingskamer observatievensters voor tekenen van nood. Dieren moet worden versoepeld en gedragen normaal. Stop de blootstelling bij snelle / moeilijke ademhaling, zijn abnormale verschijning, posturale afwijkingen of immobiliteit waargenomen. Verwijder de dieren, breng ze terug naar hun oorspronkelijke kooien, contact met behandelende dierenarts en / of initiëren geschikte Institutional Animal Care en gebruik Comite procedures.
Opmerking: Exploitanten moeten persoonlijke beschermingsmiddelen dragen als u de stappen 8.7, 8.8 en 8.17.
8. Blootstellen Kleine dieren te Nanoparticle Aerosols
- Zet de uitlaat vacuümpomp van de blootstelling kamer inademing.
- Voer data acquisitie software, Daco om: a) leveren gefilterde droge lucht in de blootstellingskamer, b) regelen de druk in de blootstellingskamer, en c) het verzamelen van de gegevens van de blootstelling milieu, zoals druk, temperatuur, relatieve vochtigheid, O 2 en CO2.
- Instelling van een licht negatieve druk (setpoint = -0,2 mbar) in de kamer druk.
- Schakel de aërosols.
- Run ELPI en SMPS data-acquisitie software om voortdurend te controleren deeltjesgrootte en relatieve massa concentratie in de blootstellingskamer inademing.
- Wanneer de aerosol concentratie stabiel is, dat wil zeggen de concentratie profiel op ELPI beeldscherm bereikt plateau (Normaal: dit duurt 20 minuten na de aërosols in gebruik zijn), het opzetten van de sampling tijd (bijvoorbeeld 1 uur) en zet de spuitbus bemonstering pompen om representatieve steekproef verzamelen van nanodeeltjes met filters.
- Zodra de sample tijd is bereikt, verwijder de filters en de stekker van de sampling poorten met rubberen pluggen om testmateriaal te verhinderen te ontsnappen aan de blootstelling kamer.
- Weeg de filters, en berekent het gemiddelde massaconcentratie in de blootstellingskamer zoals hierboven beschreven.
- Als de gemiddelde concentratie van de gerichte concentratie, handmatig de luchttoevoer in te stellen in de generatoren te zorgen voor de gerichte concentratie wordt bereikt.
- Bereken depositie van deeltjes in de dierlijke longen als D = C x V m XTX F r, waarbij D = Dosis, C = gemiddelde massa concentratie van testmateriaal, V m = minuut volume, t = duur van de blootstelling, en F r = fractie van het materiaal die wordt afgezet of geabsorbeerd.
- Vervang de filters in de filterhouders met schone, pre-gewogen filters, en herhaal de stappen 8.6 en 8.8.
- Op basis van de werkelijke massaconcentratie in de belichtingskamer en gerichte depositie van deeltjes in de dierlijke longen, een schatting van de resterende expComposure tijd, t blijven = (D gerichte-D) / (C x V m x F r), waarbij t blijven = blijven blootstellingsduur, D gerichte = gerichte dosis, C = gemiddelde massa concentratie van testmateriaal, V m = Minuutvolume, F r = fractie materiaal die wordt afgezet of geabsorbeerd.
- Schakel de aërosolgenerator wanneer t blijven is bereikt.
- Voor het verwijderen van de dieren uit de blootstelling kamer, spoelen de belichtingskamer inademing met de gefilterde lucht totdat de deeltjes concentratie aangegeven in de monitor dicht bij de pre-exposure deeltjes concentratie in de kamer.
- Schakel de kamer uitlaat vacuümpomp.
- Stop data-acquisitie software, Daco.
- Na blootstelling, dieren observeren om normale ademhaling en het gedrag controleren, en document dat geen andere studie complicaties exist. Als loopneus, ademhalingsproblemen of andere complicaties welzijn van dieren in acht worden genomen, contact met behandelende dierenarts en / of initiëren geschikte Institutional Animal Care en gebruik Comite procedures.
- Stop ELPI en SMPS data-acquisitie software.
9. Het creëren van Test Report
9.1 Test voorwaarden omvatten
- Beschrijving van de aërosol-systeem en de operationele parameters die in deze test.
- Beschrijving van het apparaat blootstelling met inbegrip van ontwerp, type, afmetingen en de operationele parameters die worden gebruikt tijdens de belichting.
- Apparatuur voor het meten van temperatuur, vochtigheid, deeltjesgrootte en feitelijke concentratie.
- Behandeling van de afgevoerde lucht en de wijze van huisvesting van de dieren in de testkamer bij gebruik.
9.2 Blootstelling sfeer gegevens bevatten
- Luchtstroom door de inhalatieapparatuur apparatuur.
- Temperatuur en vochtigheid vande lucht.
- Werkelijke (analytisch of gravimetrische)-concentratie in de aerosol bemonsteringszone die in de buurt van het dier kooien.
- Deeltjesgrootteverdeling en berekend tellen mediane aerodynamische diameter en de geometrische standaarddeviatie.
- Verklaring waarom de gewenste kamer concentratie en / of deeltjesgrootte kon niet worden bereikt (indien van toepassing), en de inspanningen genomen om te voldoen aan deze aspecten van de richtlijnen.
9.3 Andere
- Licht negatieve druk in de kamer bevattend inhalatie faciliteit moet worden gehandhaafd om testmaterialen kunnen ontsnappen blootstelling lab inademing.
- Maak dagelijks blootstellingskamer de invloeden van het dierlijk afval te elimineren.
- ELPI, SMPS en andere instrumenten moeten worden gereinigd en gekalibreerd op basis van de gebruiksaanwijzingen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Een studie inademing meestal gaat het handhaven van een proefdier in een bekende en constante testomgeving terwijl het blootstellen van het proefdier naar een gedefinieerde concentratie van een testmateriaal 8,9. De nanodeeltjes inademing belichtingssysteem hele lichaam wordt getoond in figuur 1. Het hele lichaam kamer werd geopereerd aan een dynamische stroom basis waar er was een 90 LPM continue luchtstroom door de kamer. Deze luchtstroom verstrekt 10,8 luchtwisselingen / uur waarop het min...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
We hebben samengesteld en hier in een hele lichaam nanodeeltje aërosol inhalatie blootstelling systeem beschreven. Het systeem functionaliteit is gevalideerd met state-of-the-art nanodeeltjes aërosolkarakterisering technieken. Met een nieuwe nanodeeltjes aërosol generatie systeem, kan deze blootstelling systeem inhalatie van een goed gekarakteriseerd, gecontroleerde en uniforme nanodeeltjes aërosoltest sfeer te bieden met een relatief constante temperatuur, vochtigheid, luchtstroom, en het zuurstofgehalte voor proefdier...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De bevindingen en conclusies in dit rapport zijn die van de auteurs en vertegenwoordigen niet noodzakelijk de standpunten van het Nationaal Instituut voor Veiligheid en Gezondheid. De vermelding van een bedrijfsnamen of producten impliceert geen goedkeuring van NIOSH, noch sluit het alternatieve producten niet beschikbaar zijn, of niet in staat om te worden vervangen na een passende evaluatie.
Dankbetuigingen
Lijst dankbetuigingen en financieringsbronnen.
NIH-ES015022 en ES018274 (TRN)
Overeenkomst NSF-Cooperative 1003907 (VCM)
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Inhalatie-expositiesysteem | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Duitsland | ||
| Luchtbewakingssysteem | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Duitsland | ||
| Titaandioxide Aeroxide P25 | Evonik, Duitsland | ||
| Scanning mobility deeltjesgroottemeter-3936L75 | TSI Inc., Shoreview, MN | ||
| Elektrische lage-drukimpactor, Standaard 10 LPM | Dekati, Tampere, Finland | ||
| Ultra Micro Balance, XP2U | METTLER TOLEDO, Zwitserland | ||
| Veld emissie scannende elektronenmicroscoop-S-4800 | Hitachi, Japan | ||
| Energie-dispersieve röntgenanalyse | Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, N.J. | ||
| Nuclepore polycarbonaatfilters | Whatman, Clinton, PA | ||
| PTFE membraanfilters | Pall corporation, Ann Arbor, Michigan |
Referenties
- Bide, R. W., Armour, S. J., Yee, E. Allometric respiration/body mass data for animals to be used for estimates of inhalation toxicity to young adult humans. J. Appl. Toxicol. 20 (4), 273-290 (2000).
- Guyton, A. C. Analysis of respiratory patterns in laboratory animals. Am. J. Physiol. 150, 70-77 (1947).
- Knuckles, T. L., Yi, J., Frazer, D. G., Leonard, H. D., Chen, B. T., Castranova, V., Nurkiewicz, T. R. Nanoparticle inhalation alters systemic arteriolar vasoreactivity through sympathetic and cyclooxygenase-mediated pathways. Nanotoxicology. , 1-12 (2011).
- Pauluhn, J., Mohr, U. Repeated 4-week inhalation exposure of rats: effect of low-, intermediate, and high-humidity chamber atmosphere. Exp. Toxic Pathol. , 178-187 (1999).
- Schmoll, L. H., Elzey, S., Grassian, V. H., O'Shaughnessy, P. T. Nanoparticle aerosol generation methods from bulk powders for inhalation exposure studies. Nanotoxicology. 3, 265-275 (2009).
- To, D., Yin, X., Sundaresan, S., Dave, R. N. Deagglomeration of nano-particle aggregates via rapid expansion of high pressure suspensions. AIChE J. 55 (11), 2756-3032 (2009).
- U.S. Environmental Protection Agency (US EPA). Health effects test guidelines: OPPTS., 870.1300. Acute inhalation toxicity. EPA. , 712-C-98-193(1998).
- Wong, B. A. Automated feedback control of an inhalation exposure system with discrete sampling intervals: testing, performance, and modeling. Inhal. Toxicol. 15, 729-743 (2003).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
