Ontwikkeling van een neus-alleen inademing toxiciteit testkamer waarmee vier blootstellingsconcentraties voor de Nano-sized deeltjes

Samenvatting

Een alleen-neus inademing toxiciteit kamer geschikt voor het testen van de inhalatietoxiciteit bij vier verschillende blootstellingsconcentraties werd ontworpen en gevalideerd voor stroom veld uniformiteit en versleping tussen de havens van de blootstelling voor elke concentratie. Hier presenteren we een protocol om te bevestigen dat de ontworpen kamer effectief voor het testen van de toxiciteit van de inhalatie is.

Samenvatting

Met behulp van een numerieke analyse gebaseerd op geautomatiseerde vloeistofdynamica, is een alleen-neus inademing toxiciteit kamer met vier verschillende blootstellingsconcentraties ontworpen en gevalideerd voor stroom veld uniformiteit en versleping tussen de havens van de blootstelling voor elk concentratie. De veldwaarden ontworpen stroom worden vergeleken met de gemeten waarden uit blootstelling havens gelegen horizontaal en verticaal. Voor dit doel, zijn de nanoschaal natriumchloride deeltjes gegenereerd als test deeltjes en ingevoerd om de inademing zaal om te evalueren van de kruisbesmetting en concentratie onderhoud onder de kamers, voor elke concentratie-groep. De resultaten wijzen erop dat de zaal ontworpen multiconcentration inademing in dierlijke inhalatietoxiciteit testen zonder kruisbesmetting tussen concentratie groepen kan worden gebruikt. De zaal van de toxiciteit ontworpen multiconcentration inademing kan bovendien ook worden geconverteerd naar een single-concentratie inademing kamer. Verdere testen met gas, organische damp of niet-nanoschaal deeltjes, zorgt het gebruik van de kamer bij het testen van de inhalatie van andere test-artikelen.

Inleiding

Inademing toxiciteitstests, is de meest betrouwbare methode voor de beoordeling van de risico's van chemische agentia, deeltjes, vezels en nanomaterialen^1,2,3. Dus, meest regelgevende agentschappen vereisen de indiening van de inhalatietoxiciteit testgegevens wanneer de blootstelling aan chemische stoffen, deeltjes, vezels en nanomaterialen via inhalatie^{4,5,6,7 is ,8}. Momenteel zijn er twee soorten inademing toxiciteit systemen: gehele lichaam en neus-only blootstelling systemen. Een standaard inademing toxiciteit testsysteem, zoals het hele lichaam of alleen-neus, vereist ten minste vier holtes bloot dieren zoals ratten en muizen aan vier verschillende concentraties, namelijk de controle van de frisse lucht en laag, normaal en hoge concentraties^{7 , 8}. de organisatie voor economische samenwerking en ontwikkeling (OESO) test richtsnoeren suggereren dat de concentratie van de geselecteerde doel mag de identificatie van de target organ(s) en aantoning van een duidelijke concentratie antistofrespons^{7 ,8}. De hoge concentratie moet leiden tot een duidelijke toxiciteit maar niet leiden tot sterfte of persistente tekenen die kunnen leiden tot de dood of een zinvolle evaluatie van de resultaten^7,8te voorkomen. De maximaal haalbare niveau of hoge concentratie van de aërosolen kan worden bereikt met inachtneming van de deeltjes-grootte distributie-standaard. De gematigde concentratie niveau (s) moet worden verdeeld om te produceren een gradatie van toxische effecten tussen die van de lage en hoge concentraties^7,8. Het niveau van lage concentratie, dat zou bij voorkeur een NOAEC (neen-observed-adverse-effect concentratie), moet produceren weinig of geen teken van toxiciteit^7,8. De zaal van het gehele lichaam blootstelt dieren in een ongebreidelde voorwaarde in bekabelde kooien, terwijl de neus-alleen kamer een dier in een ingetogen staat in de afgesloten buis bloot. De terughoudendheid voorkomt verlies van aërosol door lekkage rond het dier. Wegens het hoge volume van de kamer van het gehele lichaam vereist het een groot aantal test artikelen worden blootgesteld aan proefdieren, terwijl de terughoudendheid van de tube in de neus-alleen blootstelling systeem dierlijke verkeer belemmert en ongemak of verstikking kan veroorzaken. Toch, de regelgevende OESO inademing toxiciteit testrichtsnoeren liever het gebruik van alleen-neus inademing systemen^4,5,6,7,8.

Opvang van een vier-kamer-systeem, zoals het hele lichaam of alleen-neus, is echter duur, ruimte-consumeren, en vereist een ingebouwde lucht reinigen en circulatie systeem. Bovendien, een vier-kamer-systeem kunt ook vereisen aparte test artikel generatoren om dieren naar de gewenste concentraties, en een aparte meting apparaat om te controleren de testconcentraties artikel bloot te stellen. Daarom, aangezien standaard inademing toxiciteitstests aanzienlijke investeringen impliceert, handiger en zuinig gehele lichaam of slechts een neus blootstelling moet een systeem worden ontwikkeld voor gebruik in kleine onderzoeksfaciliteiten. Als u een inhalatie kamer ontwerpt, computational fluid dynamics (CFD) modelleren wordt ook vaak gebruikt om deeltje, gas of damp uniformiteit^{9,10,11,12,13} . Evaluatie door numerieke analyses en validatie door de experimentele resultaten is al verricht voor de gehele lichaam blootstelling kamer voor muizen¹⁰. Bijvoorbeeld, de lucht stroom en deeltje traject hebben zijn gemodelleerd met behulp van CFD, en de eenvormigheid van de deeltjesgrootte distributie is gemeten in negen delen van het gehele lichaam kamer¹⁰. Ook is de neus-alleen kamer geëvalueerd door numerieke analyse door CFD¹³. Na dat, werd evaluatie van de blootstelling van de neus-alleen kamer uitgevoerd door het vergelijken van de resultaten van de numerieke analyse met een experimentele studie met behulp van nanodeeltjes¹³.

Deze studie geeft een alleen-neus inademing kamer systeem dat proefdieren aan vier verschillende concentraties in één kamer blootstellen kan. In eerste instantie ontworpen met behulp van CFD en een numerieke analyse, wordt het voorgestelde systeem vervolgens vergeleken met een experimentele studie met behulp van nanoschaal natriumchloride deeltjes om de uniformiteit en kruisbesmetting te valideren. De resultaten die hier gepresenteerd aangeven dat de gepresenteerde neus-alleen kamer die dieren naar vier verschillende concentraties blootstellen kan kan worden gebruikt voor dierlijke blootstelling studies in kleinschalige academische en onderzoeksfaciliteiten. De numerieke analyse is als volgt ingesteld op dezelfde manier als de instelling van het experiment. Voor single-concentratie blootstelling, de aërosol-stroom naar de innerlijke toren is ingesteld op 48 L/min en de stroom van de schede naar de buitenste toren is ingesteld op 20 L/min. Voor de blootstelling van het multiconcentration is de aërosol-stroom naar de innerlijke toren ingang 11 L/min voor iedere fase. Het drukverschil uitlaat houdt op-100 Pa om een gladde gasstroom en lekkage te voorkomen. Stel de dierlijke houders zijn gesloten en leeg.

Protocol

1. numerieke analyse methoden

1. Voert de analyse van het veld van de stroom in de kamer volgens de meetkundige vorm, zoals beschreven in Figuur 1 en tabel 1¹⁴.
   Opmerking: Een numerieke analyse van het veld van de stroom naar de geometrische vorm voorspelt de stroom van het aërosol en evalueert het als een testbare apparaat.
2. Ontwerp de kamer met 4 etappes x 12 kolommen, 48 poorten in totaal, waarbij de kern is verdeeld in een binnenste en buitenste toren, als in figuur 1B beschreven.
   Opmerking: Elke fase heeft 12 poorten van de blootstelling voor het plaatsen van de proefdieren. Voldoen aan de aanbeveling die is voorgesteld door de OESO Guidance Document (GD) 39-⁶.
3. Voor de blootstelling van de single-concentratie, plaatst u de mengen plaat aan de bovenkant van de innerlijke toren te mengen van het testmateriaal en te zorgen voor een uniforme concentratie in de stadia. Voor multiconcentration blootstelling, scheiden de innerlijke toren in vier etappes en blootstellingsconcentraties door een scheiding-schijf.
   Opmerking: De mengen plaat

2. voorbereiding van de experimentele evaluatie

1. Kamer
   1. De kamer opdelen in drie delen: de inlaat, schede en uitlaat, zoals aangegeven in het schematische diagram (Figuur 2).
      Opmerking: De inlaat is waar het aërosol mondt uit in de binnenkamer, en de schede is de ruimte tussen de binnenste en buitenste torens voor extra luchtstroom.
   2. Aanbod de aërosol (of test artikel) aan de innerlijke toren en proefdieren, terwijl de uitademing van de dieren die overtollige aërosol bevat uit de uitlaat samen met de lucht van de schede stroomt.
      Opmerking: De dierlijke houders zijn gesloten en leeg.
   3. Houd de innerlijke druk van de constante van de kamer met een ventilator en een omvormer, zoals de innerlijke plenum druk wordt gecontroleerd door de luchtstroom van de schede.
   4. Het ontwerp van apparatuur voor het meten van de uniformiteit van de test aërosol (of artikel) concentratie in de mengkamer gelegen tegenover de kamer alleen-neus blootstelling in het geval van één-concentratie blootstelling.
      Opmerking: De uniformiteit van het aërosol test kan worden geëvalueerd door de deeltje nummer concentratie en grootte distributie. Individuele kamer concentratie monsters moeten afwijken van de gemiddelde kamer concentratie niet meer dan ±10% voor gassen en dampen, en niet meer dan ±20% voor vloeibare of vaste aërosolen^{4,5,6,7 ,8}. Dus wanneer de test deeltjes niet constant, kan de aërosol-stroom worden omzeild via de uitlaat-fan.
   5. Controleren op lekkages om te controleren van de betrouwbaarheid van de test en veiligheid door het bevestigen van een gesloten systeem met ±500 Pa die wordt bijgehouden voor 30 min.
      Opmerking: De lekkage kan worden gecontroleerd door zeep borrelen.
2. Milieu controle en toezicht
   1. Instellen van het percentage van de totale premie-inkomen van het aërosol (single/multi) en schede lucht bij 48 L/min of 44 L/min (één of meerdere, respectievelijk) en 20 L/min, respectievelijk, en houden de innerlijke druk van de kamer constant op −100 Pa in de instellingen van het besturingselement voor de gebruikersinterface.
   2. Handhaven van de temperatuur en de vochtigheid bij 23 ° C en 45%, respectievelijk. Gebruik een luchtbevochtiger aan de controle van de vochtigheid van de lucht van de blootstelling.
   3. Uitvoeren van een experiment in een isotherm-isohumidity-gecontroleerde omgeving om te voldoen aan de OESO inademing toxiciteit richtsnoeren^4,6,7,8.
3. Uniformiteit Stroommeting
   1. Leveren de schone lucht van de 48 L/min naar de vergaderzaal inademing via een aanvoer van schone lucht, met inbegrip van een HEPA-filter gecontroleerd door een massale Stroomregelaar (MFC).
      Opmerking: De schone lucht is gemaakt na het filteren met een HEPA-filter.
   2. Het stabiliseren van de stroom met behulp van de mengkamer in het geval van één-concentratie blootstelling.
   3. Hechten een mondstuk levering aan één poort die injecteert verse controle lucht of de test aërosol (of artikel) in het geval van multiconcentration blootstelling.
   4. Meet de stroomsnelheid per poort met behulp van een mass flow meter.
4. Deeltje generatie
   1. Genereren van NaCl nanodeeltjes met behulp van een vijf-jet verstuiver te evalueren van het ontwerp van de kamer inademing.
      Opmerking: Gebruik een 0.1%wt NaCl-oplossing voor het genereren van de NaCl-nanodeeltjes.
   2. Regelen van het MFC om te bepalen welke van de produktie op 48 L/min van de NaCl-aërosol gemengd lucht in de één concentratie en op 12 L/min van de NaCl aërosol-gemengde lucht in de multiconcentration elke vier fasen.
      Opmerking: Elke poort van de neus-alleen kamer ontvangt 1 L/min (dat wil zeggen, 48 poorten/neus-alleen kamer (vier-fase) 48 poorten/vier-fase; 12 poorten/fase).
   3. Het verstrekken van schone lucht voor verdunning in de bypass.
      Opmerking: De graaf mediaan van de diameter en de geometrische standaardafwijking van NaCl nanodeeltjes liggen op 76 nm en 1.4 behouden, respectievelijk.
5. Deeltje uniformiteit meting
   1. Het meten van de korrelgrootteverdeling van de NaCl nanodeeltjes uitgestoten uit de spuitstukken van de injectie met behulp van een scanner mobiliteit deeltje sizer (SMPS) uit een differentiële mobiliteit analyzer (DMA) en een condensatie deeltjes teller (CPC bestaat).
   2. Gebruik een Am aërosol neutralizer verwijdert de statische lading van de deeltjes en de afzetting van deeltjes op de muren, waardoor de meting efficiëntie¹⁸.
   3. Handhaven van de verhouding van het aërosol en schede lucht debiet van de DMA op 1:10 op te houden de aërosol debiet en schede lucht debiet 1 L/min en 10 L/min, respectievelijk.

3. flow uniformiteit test

1. Multi concentratie blootstelling
   1. De stroomsnelheid van de spuitopeningen van de injectie door het verstrekken van schone lucht op 11 L/min. door de inlaat van de spuitbus instellen Selecteer 11 haven sproeiers voor elk van de vier fasen.
   2. Meet de stroomsnelheid te verbinden met de stroomsnelheidsmeter de geselecteerde mondstuk.
   3. Herhaal stap 3.1.2 3 x om te controleren of de reproduceerbaarheid.
2. Single-concentratie blootstelling
   1. De stroomsnelheid van de spuitopeningen van de injectie door het verstrekken van schone lucht op 48 L/min. door de inlaat van de spuitbus instellen Willekeurig selecteren 24 poort sproeiers onder de 48 poorten. Meten 3 x om te controleren of de reproduceerbaarheid.

4. deeltje uniformiteit test

1. Multiconcentration blootstelling
   1. Stel de korrelgrootteverdeling van de spuitopeningen van de injectie door het verstrekken van de gegenereerde deeltjes op 11 L/min. door de inlaat van de aërosol (do dit als in punt 2 beschreven).
   2. Willekeurig geselecteerd uit alle zes poort sproeiers onder de vier fasen; meten 3 x om te controleren of de reproduceerbaarheid.
2. Single-concentratie blootstelling
   1. Stel de korrelgrootteverdeling van de spuitopeningen van de injectie door de levering van de gegenereerde deeltjes op 20 L/min en schone lucht op 28 L/min, tot een totaal van 48 L/min. door de inlaat van de aërosol (zoals beschreven in 2.4 en 2.5).
   2. Willekeurig zes poort sproeiers onder de vier stadia.
   3. Het meten van de concentratie van het deeltje, te verbinden met de exploitanten met AMM de geselecteerde mondstuk.
   4. Herhaal stap 4.2.3 3 x om te controleren of de reproduceerbaarheid.

5. kruisbesmetting test

1. Set drie fasen in het geval van multiconcentration blootstelling.
2. Sluit twee generatoren met andere oplossing concentraties en een schone lucht lijn naar de respectieve drie fasen.
3. Stel de korrelgrootteverdeling van de spuitopeningen van de injectie door de levering van de gegenereerde deeltjes en voor schone lucht op 11 L/min. door de inlaat van de aërosol (zoals beschreven in 2.4 en 2.5).
4. Willekeurig één poort mondstuk uit alle drie fasen.
5. Het meten van de concentratie van het deeltje, te verbinden met de exploitanten met AMM de geselecteerde poort.
6. Herhaal stap 5.5 15 x om te controleren of de reproduceerbaarheid.

Resultaten

Experimentele opstelling

Figuur 1 toont een schematisch diagram van een neus-alleen inademing kamer systeem, met inbegrip van de generator van een deeltje met een MFC, dit is een alleen-neus kamer en deeltje meetinstrument voor het toezicht op de luchtkwaliteit, controller en uitlaat module, gebaseerd op Afdeling 2 van het protocol.

Numerical an...

Discussie

Inademing toxiciteitstests is momenteel de beste methode voor het uitrekenen van aërosol materialen (deeltjes en vezels), dampen en gassen ingeademd door de menselijke ademhalingswegen^14,15. Er zijn twee methoden van inhalatie blootstelling: gehele lichaam en neus-only. Echter een neus-only systeem minimaliseert blootstelling door noninhalation routes, zoals de huid en ogen, en laat testen met minimale hoeveelheden van het test-artikel, waardoor het de voorkeur b...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
FLUENT V.17.2	ANSYS		Software
mass flow meter (MFM)	TSI	4043
SMPS (scanning mobility particle sizer)	Grimm	SMPS+C
5-Jet atomizer	HCTM	5JA-1000
Mass flow controller (MFC)	Horiba	S48-32