Gebruik van capillaire aerosolgenerator bij continue productie van gecontroleerde aerosol voor niet-klinische studies

Summary

Het protocol beschrijft de instellingen en het gebruik van een capillaire aerosolgenerator voor continue productie van gecontroleerde aerosol uit een vloeistofoplossing met meerdere soorten, geschikt voor een stabiele aerosolafgifte met groot volume (bijv. in vivo inhalatiestudies).

Abstract

De capillaire aerosolgenerator (CAG) wordt bediend met het principe van thermische vloeistofverdamping door verhitting van e-vloeistof in de beginfase, gevolgd door nucleatie en condensatie gereguleerd door een mengsel van luchtstroom om aerosolen te genereren, zoals in een elektronische sigaret (EC). De CAG is bijzonder nuttig bij het continu genereren van aerosolen van grote volumes, bijvoorbeeld in vivo inhalatietoxicologiestudies, waarbij het gebruik van EC's niet haalbaar is. De thermische effecten van het genereren van aerosol uit de CAG zijn vergelijkbaar in termen van temperatuur toegepast in een EC, waardoor onderzoekers de dampen van e-liquids op schaal en reproduceerbaarheid kunnen beoordelen. Omdat de werking van de CAG gebruikers in staat stelt om kritieke parameters zoals het debiet van e-vloeistof, verwarmingstemperaturen en verdunningsluchtstromen te regelen, kunnen onderzoekers verschillende e-vloeistofformuleringen testen in een goed gecontroleerd apparaat. Eigenschappen, zoals aerosoldeeltjesgrootte, zijn aangetoond te worden geregeld met het luchtdebiet met betrekking tot de e-vloeistofstroom en e-vloeistofsamenstelling. De CAG is echter beperkt in het beoordelen van veelvoorkomende EG-gerelateerde kwesties, zoals oververhitting van de elementen ervan. We proberen aan te tonen dat de CAG aerosol kan genereren die reproduceerbaar en continu is, door de chemische en fysische aerosolkenmerken te beoordelen met een gekozen e-liquidformulering. Het protocol beschrijft de bedrijfsparameters van vloeistofdebiet, verdunningsluchtstroomsnelheden en bedrijfsprocedures die nodig zijn om de aerosolconcentratie en deeltjesgrootte te optimaliseren die nodig zijn voor een in vivo toxicologisch onderzoek. Door de representatieve resultaten uit het protocol te presenteren en de uitdagingen en toepassingen van het werken met een CAG te bespreken, laten we zien dat CAG op een reproduceerbare manier kan worden gebruikt. De technologie en het protocol, dat is ontwikkeld op basis van eerder werk, dienen als basis voor toekomstige innovaties voor laboratoriumgestuurde aerosolgeneratieonderzoeken.

Introduction

Gewone e-liquids bevatten een mengsel van propyleenglycol, glycerol, water, nicotine en geselecteerde smaken. De samenstelling van een aerosol die wordt gegenereerd door een EC-apparaat hangt niet alleen af van de vloeibare formulering, maar ook van het materiaal, het ontwerp en de kenmerken van het apparaat. Bijgevolg kunnen veel EC-apparaten een grote variabiliteit in aerosoloutput¹ introduceren, waaronder apparaatspecifieke productie van verhoogde niveaus van ongewenste bestanddelen, variatie in pufvolume, verandering in luchtstroom als gevolg van geblokkeerde ventilatiegaten en "droog puffen" (wanneer de vloeistofcontainer bijna leeg is, waardoor het apparaat oververhit raakt omdat een deel van de geleverde energie niet wordt gebruikt voor vloeistofverdamping)² . Bovendien zou het opladen, bijvullen en reinigen van EC-apparaten tijdens langdurige inhalatiestudies een enorme extra beperking worden in termen van logistiek³. Om deze redenen moeten andere aerosolgeneratoren worden overwogen voor grootschalige productie van aerosolen en een goede evaluatie van vloeibare formuleringen, waarbij apparaatgerelateerde variaties in aerosolsamenstelling worden vermeden en de werklast wordt verminderd ^4,5. Niettemin moeten door apparaten gegenereerde aerosolen deel blijven uitmaken van risicobeoordelingsstrategieën, omdat de niveaus van bepaalde bestanddelen in EG-hulpmiddelen hoger kunnen zijn dan die in laboratoriumgestuurde gestandaardiseerde aerosolgeneratoren als gevolg van de specifieke kenmerken van de apparaten voor verwarming/koeling ^6,7,8.

Vanwege de beperkte informatie over wettelijke vereisten die momenteel beschikbaar is, evolueren de evaluatiemethoden voor de potentiële toxiciteit van aerosolen die door elektronische sigaretten worden gegenereerd (EC) nog steeds ^9,10,11. Nauwkeurige in vitro en in vivo evaluatie vereist echter het genereren van goed gekarakteriseerde en reproduceerbare volumes aerosol in de loop van de tijd. Het produceren van aerosol uit een EG-apparaat met een gecontroleerd pufregime zou zeker het meest representatieve proces zijn vanuit het oogpunt van gebruikersconsumptie. Voor toxiciteitsstudies in de regelgeving, rekening houdend met een verscheidenheid aan mogelijke vloeibare formuleringen die gebruikers vaak zelf kunnen bereiden en tegelijkertijd bepaalde kenmerken van het hulpmiddel (bijv. geleverde energie) wijzigen, is het gebruik van EC-hulpmiddelen voor het uitvoeren van toxicologische studies bij herhaalde blootstelling op lange termijn niet alleen een uitdaging, maar ook potentieel ontoereikend.

De capillaire aerosolgenerator (CAG) - ontwikkeld door Philip Morris ^12,13 en verder verfijnd door Virginia Commonwealth University¹⁴ - werkt volgens het principe van het creëren van een straal hete dampstroom uit een elektrisch verwarmd capillair, dat vervolgens wordt afgekoeld met omgevingslucht, waardoor deeltjeskernvorming en daaropvolgende condensatie ontstaan, wat leidt tot aerosolvorming. Omdat dezelfde fysische processen leiden tot aerosolvorming in EC's (afgezien van de afgifte van de vloeistof aan het capillair door een pomp in de CAG, die in een EC meestal wordt vervangen door capillaire krachten die inwerken op het vochtafvoerende materiaal dat de vloeistof uit het reservoir in de EC trekt), zijn de kenmerken van CAG-gegenereerde aerosolen zeer vergelijkbaar met die van EC-aerosolen¹⁴ (figuur 1 ). De CAG maakt de productie van grote hoeveelheden aerosol mogelijk, met weinig behandelingsvereisten; het is daarom bijzonder geschikt voor in vivo inhalatiestudies.

De CAG is een laboratoriumapparaat dat bestaat uit een verwarmde capillaire buis die eenvoudig is aangesloten op een temperatuurregelaar en via een peristaltische pomp op een vloeistofreservoir (figuur 2A). Het capillair (160 mm, 21 G, roestvrij staal) wordt verwarmd door vier verwarmingselementen, allemaal ingebed in een aluminium blok (figuur 2B). De temperatuur wordt meestal ingesteld op 250-275 °C om de spoelverwarmingsomstandigheden van een EC-apparaat na te bootsen¹⁵. De vloeistof die door het capillair wordt gepompt, wordt opgewarmd en omgezet in hete damp die uit de punt van het capillair komt. De CAG-assemblage (figuur 2C) vereist extra elementen voor het mengen van de gegenereerde damp met koude lucht en het vormen van een aerosol. Het abrupt mengen van de hete oververzadigde damp met een koude luchtstroom resulteert in nucleatie en daaropvolgende condensatie, wat leidt tot aerosolvorming (figuur 2C). In ons CAG-ontwerp (figuur 3) koelt een extra verwarmde luchtstroom eerst het externe lichaam af en circuleert vervolgens langs de verwarmingsblokken om de luchtstroom op te warmen, waardoor tegelijkertijd condensatie van de vloeistofterugstroom aan de punt van het capillair wordt voorkomen en de dampstraaluitbarsting wordt gestabiliseerd. Bovendien creëert het ongewenste afscherming van hete dampen, waardoor het nucleatieproces wordt beïnvloed. Om deze reden moet het debiet dat voor deze luchtstroom wordt toegepast minimaal zijn en passen bij het doel van de toepassing. Deze luchtstroom zal in dit manuscript "verwarmde luchtstroom" worden genoemd, hoewel het duidelijk moet zijn dat deze stroom passief wordt verwarmd door de verwarmingsblokken en niet opzettelijk door de gebruiker.

Het koelluchtdebiet heeft een sterke invloed op de grootte van de gegenereerde aerosoldeeltjes. Bij aerosolproductie voor in vivo inhalatiestudies zal de verdunningsluchtstroom de blootstellingsdosis bepalen en mogelijk verder moeten worden verdund voordat de blootstellingskamer wordt bereikt. Naast de chemische samenstelling van aerosolen, is het essentieel om aerosol deeltjesgrootteverdeling (PSD) te karakteriseren om ervoor te zorgen dat de gegenereerde aerosol vergelijkbaar is met die gegenereerd door EC's en binnen het inhalatiedeeltjesgroottebereik aanbevolen door de OESO-richtlijnen (vaak geparametriseerd door de aanname van log-normaliteit van PSD met massamediane aerodynamische diameter [MMAD] en geometrische standaardafwijking [GSD]).

De MMAD van de gegenereerde aerosolen kan sterk variëren, afhankelijk van het ontwerp van het apparaat, de fysisch-chemische vloeistofeigenschappen van de formulering (bijv. dichtheid, viscositeit en oppervlaktespanning), luchtdebiet en temperatuur die thermodynamische omstandigheden dicteren 14,16,17. Voor in vivo blootstellingsexperimenten bestaat de luchtstroom over het algemeen uit geconditioneerde, gefilterde lucht bij 22 ± 2 °C en 60% ± 5% relatieve vochtigheid. De gegenereerde aerosol kan vervolgens verder worden verdund, afhankelijk van de onderzoeksvereisten, om doelconcentraties in de testatmosfeer te bereiken. Het wordt vervolgens via glazen leidingen naar de blootstellingskamer gebracht om filtratieverlies te verminderen. In de hier gepresenteerde resultaten worden de temperatuur- en luchtstroominstellingen vastgesteld om aan te tonen dat de CAG kan worden gebruikt voor continue productie van een gecontroleerde aerosol met consistente en inhaleerbare PSD en gedefinieerde concentraties voor in vivo inhalatiestudies.

In het protocol zullen we beschrijven hoe: 1) de CAG te assembleren, 2) parameters te bepalen die nodig zijn om aerosol uit de CAG te genereren, 3) aerosolgeneratie uit te voeren en 4) fysische en chemische bestanddelen van belang in de aerosol te analyseren. Voor deze voorbereidende runs overwegen we een vloeibare oplossing op basis van een mengsel van aerosolvormende componenten: propyleenglycol (PG), glycerol (VG), water en nicotine bij voorgeschreven massafracties. Ten slotte zullen we voorbeeldgegevens delen voor de beoordeling van een complex multispecies-mengsel dat in onze experimenten is gegenereerd (waarbij de bovengenoemde bestanddelen gemengd met extra smaakbestanddelen betrokken zijn). We zullen de algemene resultaten en uitdagingen bespreken, samen met de toepasbaarheid van deze experimentele aanpak voor de beoordeling van dergelijke mengsels.

Protocol

1. CAG-systeemassemblage

1. Assemblage van CAG
   1. Plaats het capillair in de capillaire groef van de aluminium verwarmingsblokken, waarbij het uitgangseinde ongeveer 5 mm uitsteekt.
   2. Draai de schroeven van de twee helften van de aluminium verwarmingsblokken lichtjes aan.
   3. Monteer de verwarmingselementen (a) en thermokoppel (b) in de aluminium verwarmingsblokken (c), waarbij de draden door de aluminium achterdop (d) uitsteken (figuur 4A).
   4. Zorg ervoor dat de draden van de verwarmingselementen zijn aangesloten op een adapter en zorg ervoor dat ze recht zijn.
   5. Monteer de binnenste PEEK-buis (g) met de buitenste RVS-buis (e). Zorg ervoor dat de 2 x 4 mm push-in fittingen (f) stevig zijn bevestigd aan de buitenste RVS-buis (e) (figuur 4B).
   6. Plaats O-ringen (3 x 30 mm) op de twee groeven van de peek-binnenbuis (g) en steek de binnenste PEEK-buis (g) vanaf de voorkant in de buitenste RVS-buis (e).
   7. Plaats de geassembleerde aluminium verwarmingselementen op de SS-achterkant (i), met de aluminium achterdop naar de SS-achterkant gericht, en schuif de binnenste PEEK / buitenste SS-buisassemblage over de aluminium verwarmingselementen om strak te passen bij de SS-achterkant (i) (figuur 4C).
   8. Plaats de aluminium voordop (h) over het aluminium verwarmingselement, in de peek-binnenbuis. Zorg ervoor dat het capillair iets uitsteekt uit de aluminium voordop. Installeer de drie SS-spindels (j) rond de SS-achterkant en draai stevig aan.
   9. Plaats de PEEK-adapter (k) over de voorkant van de PEEK-buis. Zorg ervoor dat de PEEK-adapter op de voorgroef van de PEEK-binnenband past. Plaats de Scheduler (l) van 25 mm over de PEEK-adapter en door de drie SS-spindels. Draai de moeren met de hand vast aan de planner, zodat de PEEK-adapter strak zit (figuur 4D).
   10. Sluit de verwarmingselementen aan op de temperatuurregelaar en het capillair op de peristaltische pomp en de testvloeistofoplossing.
   11. Sluit de perslucht voor de verwarmde luchtstroom aan op de CAG via de 2 x 4 mm push-in fittingen (Figuur 4B, [f]).
   12. Monteer de CAG op het glasstuk en sluit CAG-koeling en eerste verdunningsluchtstromen (verwerkte lucht; Figuur 3). Voeg indien nodig een tweede verdunningsstroomingang toe, evenals aerosolbemonsteringspoorten en een regulerende T-splitsing (figuur 5).
2. CAG reinigingsprocedure
   1. Verwijder de CAG uit de CAG-glasmontage-opstelling en reinig het glas met droge doekjes totdat het glas zichtbaar droog is.
   2. Observeer de capillaire output van de CAG op obstructie. Als deeltjesafzetting kan worden waargenomen op de uitlaat van het capillair, verander dan het capillair. Vervang op dezelfde manier, bij het opmerken van verminderde aerosolafgifte, het capillair door een nieuw.
   3. Demonteer de CAG volgens de stappen 1.1.9 tot en met 1.1.1.
   4. Monteer de CAG opnieuw volgens de stappen 1.1.1 tot en met 1.1.9 zodra het capillair is gewijzigd.

2. Berekening van de CAG-aerosolconcentratie en verdunning

1. Theoretische berekening van TDF
   1. Bereken de TDF op basis van de concentratie van de vloeibare formulering (hier stockoplossing/concentratie genoemd) en de LFR:
      
      TDF: totale verdunningsluchtstroom (L/min)
      C_Voorraad: voorraadconcentratie 2%, w/w)
      LFR: vloeistofdebiet (g/min)
      C_Doel: streefconcentratie (μg/L)
   2. Gebruik een oplossing met 2% (w/w) nicotine, met een streefconcentratie nicotineaërosol bij 15 μg/l en een LFR van 0,35 g/min, neem aan dat 100% opbrengst het volgende zal zijn:
      
      
2. Theoretische berekening van LFR
   1. Bereken de LFR op basis van de concentratie van de vloeibare voorraadoplossing en de TDF:
      
      LFR: vloeistofdebiet (g/min)
      C_Doel: streefconcentratie (μg/L)
      TDF: totale verdunningsluchtstroom (L/min)
      C_Voorraad: voorraadconcentratie (%, w/w)
   2. Gebruik een oplossing met 2% (w/w) nicotine, met een beoogde nicotineaërosolconcentratie van 15 μg/L en een TDF van 300 L/min, ga ervan uit dat een 100% opbrengst het volgende zal zijn:
      
      
3. Berekening van de werkelijke opbrengst (%) op basis van experimentele gegevens
   1. Voer op basis van de bovenstaande theoretische berekeningen de eerste technische runs uit om de werkelijke concentratie van aerosolbestanddelen (C_Actual) te kwantificeren en de werkelijke opbrengst (AY) van de CAG-aerosol te verkrijgen. Voer verdere fijnafstelling van de aerosolconcentratie uit door dezelfde berekeningen te gebruiken voor de aanpassing van TDF of LFR.
      
      AY: werkelijke opbrengst (%)
      C_Werkelijk: werkelijke concentratie van aerosolbestanddelen (μg/l)
      TDF: totale verdunningsluchtstroom (L/min)
      C_Voorraad: voorraadconcentratie (%, w/w)
      LFR: vloeistofdebiet (g/min)
   2. Het gebruik van een oplossing die 2% (w/w) nicotine bevat, met een gemeten nicotineaërosolconcentratie van 15 μg/L, TDF van 320 L/min en LFR van 0,35 g/min, zal resulteren in de volgende nicotine-AY:
      
      

3. CAG aerosol generatie

1. Starten met het genereren van aerosolen
   1. Weeg en noteer de waarde van de testvloeistof, magneetroerder en de fles tot op 0,01 g nauwkeurig. Vloeibare stamformuleringen worden bereid met componenten beschreven in tabel 1.
   2. Geef de respectieve luchtstroominstellingen aan (±5%) (figuur 5):
      Perslucht voor verwarmde stroming: 2 L/min
      Koeldebiet: 10 L/min
      Eerste verdunningsstroom: 150 L/min
      Tweede verdunningsstroom: 160 L/min
      Afvalstroom: 172 L/min
   3. Stel het instelpunt voor temperatuurregeling op de digitale temperatuurregelaar in op 250 °C en begin met het verwarmen van de CAG.
   4. Plaats de vloeibare stamoplossing met een magnetische roerstaaf op een magneetroerder. Plaats de inlaatbuis van de peristaltische pomp in de testoplossing.
   5. Zet de peristaltische pomp aan en stel het debiet in op de LFR ±5% (g/min).
   6. Wanneer de CAG-temperatuur 250 ± 1 °C bereikt, begint u met het genereren van aerosolen door de peristaltische pomp te starten om testvloeistof aan de CAG te leveren.
   7. Controleer of de aerosol wordt gegenereerd in de buurt van de capillaire punt en noteer de tijd die nodig is om het massadebiet te berekenen. Als er geen aerosol wordt gegenereerd, controleert u alle apparatuur en instellingen opnieuw. Als er nog steeds geen aerosol wordt gegenereerd, is het zeer waarschijnlijk dat het capillair is geblokkeerd en moet worden vervangen.
2. Tijdens het genereren van aerosolen
   1. Giet de vloeistof af die condenseert in de glazen opstelling om de 60 minuten, om een constante en stabiele aerosolgeneratie te garanderen.
3. Het stoppen van het genereren van aerosolen
   1. Verwijder de slang uit de fles met testoplossing en schakel de testvloeistof over op gedeïoniseerd water en noteer de tijd voor het berekenen van het massadebiet.
   2. Wacht tot er waterdamp uit het capillair komt, schakel de temperatuurregelaar uit en houd de peristaltische pomp minstens 10 minuten aan om het capillair te spoelen en schoon te maken.
   3. Weeg en noteer de waarde van de testvloeistof en fles tot op 0,01 g nauwkeurig en bereken het massadebiet met behulp van de volgende vergelijking:
      
   4. Schakel de perslucht uit die wordt gebruikt als verwarmde stroom.
   5. Verwijder indien nodig de CAG uit de montageopstelling en reinig de glazen buis met droge doekjes en monteer de CAG opnieuw.

4. Analytische bepaling van bestanddelen

OPMERKING: Aerosolbemonstering wordt op twee posities uitgevoerd: a) op de onverdunde aerosol (zowel de eerste verdunningslucht als de tweede verdunningsstroom worden uitgeschakeld tijdens onverdunde bemonstering) en b) op de verdunde aerosol met alle opgegeven verdunningen (figuur 5). Er zijn maximaal drie bemonsteringspoorten beschikbaar op elk van de bemonsteringsposities, a en b, waardoor gelijktijdigE verzameling van ACM en andere apparatuur /sondes voor analyse van aerosolkenmerken mogelijk is. De bemonsteringsleiding wordt loodrecht op de aerosolstroomrichting geïnstalleerd en aangesloten op een vacuümpomp waarmee een bepaald volume aerosol kan worden getrokken (afhankelijk van het pompdebiet en de monsterduur).

1. Bepaling van de verzamelde massa van aerosolen (ACM)
   OPMERKING: De deeltjesfase van de aerosol wordt opgesloten op een glasvezelfilterpad (diameter: 44 mm, deeltjesgroottebehoud: 1,6 μm). ACM-gewichten voor en na bemonstering worden gemeten met filterhouders om verlies bij het wegen als gevolg van verdamping van vluchtige componenten te minimaliseren.
   1. Plaats een filter in de filterhouder en plaats de filterdoppen.
   2. Weeg de filterhouder vóór het verzamelen van het monster tot op 0,0001 g nauwkeurig af en documenteer het gewicht.
   3. Sluit de filterhouder met het filter aan op de aerosolstroom en begin met het verzamelen van monsters.
   4. Weeg na het verzamelen van het monster het filter met de filterhouder en -doppen en documenteer het eindgewicht.
   5. Bereken de ACM met behulp van de volgende formule:
      
      ACM: concentratie van ACM (μg/L)
      Wb: gewicht van het filter en de filterhouder vóór bemonstering (g) tot op 0,0001 g nauwkeurig
      Wa: gewicht van het filter en de filterhouder na bemonstering (g) tot op 0,0001 g nauwkeurig
      _V-aerosol: Volume aerosol (L) dat door het filter gaat, berekend met behulp van:
      Bemonsteringstijd (min) x bemonsteringsstroom (L/min)
   6. Verwijder het filterkussen uit de filterhouder en deponeer het in een glazen injectieflacon van 25 ml met 5 ml ethanol. Extraheer de ACM door het filterkussen op een laboratoriumschudder gedurende 30 minuten bij 400 tpm te schudden.
   7. Centrifugeer de glazen injectieflacon van 25 ml gedurende 5 minuten bij 290 x g en verzamel het supernatant voor kwantificering van PG/VG en de deeltjesfase van nicotine.
2. Bepaling van de nicotine- (of smaak)concentratie
   OPMERKING: De aerosol zit gevangen in een monsterkolom met speciaal verwerkte diatomeeënaarde met brede poriën, een chemisch inerte matrix voor gebruik in een pH-bereik van 1 tot 13 (figuur 6).
   1. Bereid de monsterkolom binnen 15 minuten voordat u begint met het verzamelen van aerosolmonsters voor.
      1. Voeg voor het bepalen van nicotineconcentraties 2 ml 0,5 m zwavelzuur toe. Voeg voor het bepalen van smaken 2 ml isopropanol toe.
   2. Controleer de bemonsteringsstroom.
      1. Schakel de vacuümpomp in en controleer met behulp van de gekalibreerde stroomapparatuur die een nauwkeurigheid tot 1 ccm / min biedt, het debiet met een monsterkolom die is aangesloten op de bemonsteringsleiding. Stel de stroom met de naaldklep in op het bereik van 700 ccm/min ± 5%.
      2. Schakel de vacuümpomp uit.
   3. Monsterverzameling
      1. Voeg de twee adapters toe aan de monsterkolom volgens de in- en uitlaatzijde (figuur 6). Sluit de buis aan op de vacuümbemonsteringsleiding via de uitlaatadapter.
      2. Sluit de monsterkolomassemblage aan op de bemonsteringspoort via de inlaatadapter.
      3. Begin met het verzamelen van monsters door de vacuümpomp in te schakelen.
      4. Noteer de starttijd van de bemonstering.
      5. Schakel na een vooraf ingestelde bemonsteringstijd, 10 min op onverdund bemonsteringspunt A en 30 min op verdund bemonsteringspunt B, de vacuümpomp uit en noteer de tijd.
      6. Verwijder de monsterkolom uit de bemonsteringspoort.
      7. Verwijder de adapters uit de monsterkolom en sluit de monsterkolom af met een filmmembraan om verliezen als gevolg van verdamping of verontreiniging te voorkomen. Label de monsterkolom op basis van de bijbehorende voorbeeldnaam.
      8. Bewaar de verzegelde monsterkolom in een koelkast (2-8 °C) tot de analyse.
   4. Bepaling van carbonylconcentraties
      OPMERKING: Carbonylen worden gevangen op een glasfilterpad dat in serie is verbonden met een micro-impinger gevuld met 2,4-dinitrofenylhydrazine (DNPH) opgelost in acetonitril.
3. Voorbereiding voor het vangen
   1. Vul de micro-impinger met 10 ml 15 mM DNPH in acetonitril.
      1. Bereid een filterblok voor (zie punt 4.1).
      2. Controleer de bemonsteringsstroom
   2. Schakel de vacuümpomp in en controleer het debiet van de bemonsteringsleiding met behulp van een gekalibreerde stroomapparatuur die een nauwkeurigheid van 1 ccm / min biedt. Stel de stroom met de naaldklep in op het bereik van 700 ccm/min ± 5%.
      1. Schakel de vacuümpomp uit.
   3. Bemonsteringsverzameling
      1. Sluit de filterhouder die is gekoppeld aan de micro-impinger aan op de bemonsteringspoort.
      2. Sluit de vacuümbemonsteringsleiding aan op de uitlaat van de micro-impinger.
      3. Begin met het verzamelen van monsters door de vacuümpomp in te schakelen.
      4. Noteer de starttijd van de bemonstering.
      5. Schakel na een vooraf ingestelde bemonsteringstijd, 10 min op onverdund bemonsteringspunt a en 30 min op verdund bemonsteringspunt b, de vacuümpomp uit en noteer de tijd.
      6. Koppel de bemonsteringsvang los van de bemonsteringspoort.
      7. Leeg de impinger in een glazen injectieflacon. Vul de DNPH-oplossing aan tot 10 ml met acetonitril.
      8. Bepaal het gewicht van het filterkussen en extraheer het in de DNPH-acetonitriloplossing door te schudden. Gooi het filterkussen na extractie weg.
      9. Neem een aliquot van 1 ml van de carbonyl-DNPH-oplossing en voeg 50 μL pyridine toe om de oplossing te stabiliseren.
      10. Bewaar de aliquots in een vriezer bij ≤-12 °C tot de analyse.

Results

Reproduceerbaarheid van CAG-aerosolen
Om de reproduceerbaarheid van de door CAG gegenereerde aerosol aan te tonen, werd een basisvloeistofoplossing met respectievelijk PG, VG, nicotine, water en ethanol (respectievelijk 71,72%, 17,93%, 2%, 5,85% en 2,5%) gebruikt gedurende 10 afzonderlijke aerosolgeneratieruns. De aerosolisatie- en bemonsteringsparameters zijn samengevat in tabel 2. Chemische karakterisering van de CAG-gegenereerde aerosolen bevestigde de hoge mate van reproduceerbaarheid van de resultaten verkregen met behulp van het systeem. Onder dezelfde verwarmings-, koelings- en verdunningsluchtstromen en dezelfde bemonsteringsomstandigheden waren de concentraties van ACM, nicotine, VG en PG stabiel over de aerosolgeneratieruns, met de relatieve standaardafwijking van respectievelijk 2,48%, 3,28%, 3,43% en 3,34% van ACM, Nicotine, VG en PG (figuur 7).

De concentraties van acht carbonylen - namelijk aceetaldehyde, aceton, acroleïne, butyraldehyde, crotonaldehyde, formaldehyde, methylethylketon en propionaldehyde - werden gemeten tijdens drie opeenvolgende CAG-aerosolgeneratieruns. Zoals verwacht bij aerosolen die onder constante gecontroleerde omstandigheden werden gegenereerd, bleven de opbrengsten van alle carbonylanalyten laag (tabel 3) en bereikten ze niet de bepaalbaarheidsgrenzen (LOQ) van de analysemethode voor de meeste verbindingen. Alleen aceetaldehyde en formaldehyde hadden een opbrengst boven de LOQ. Formaldehydeconcentraties in het verdunde aerosolmonster vertoonden een hoge variabiliteit (±32%) als gevolg van de vluchtigheid van deze analyt en opbrengsten in de buurt van de LOQ. De gegevens bevestigden de afwezigheid van vloeibare thermische afbraakproducten in cag-gegenereerde aerosolen. Toevoeging van een mengsel van smaken had invloed op de carbonylsamenstelling van de aerosol. In het onderhavige geval werden de gehalten aan aceetaldehyde en butyraldehyde drastisch verhoogd, van waarden dicht bij de LOQ tot respectievelijk 2,06 en 1,56 μg/l in de verdunde aerosol die bedoeld was om de blootstellingskamer binnen te komen. Deze gegevens benadrukken het effect van de samenstelling van het smaakmengsel op de samenstelling van aerosolen en benadrukken de noodzaak om de potentiële toxiciteit van bepaalde smaakstoffen in een e-liquidformulering in een vroeg stadium te onderzoeken, vóór de definitieve beoordeling in in vivo langetermijnblootstellingsstudies.

PSD van de cag-gegenereerde aerosolen
De PSD van de CAG-gegenereerde aerosolen werd gemeten onder verschillende koel- en eerste verdunningsstromen om de impact van deze omstandigheden op de fysieke kenmerken van de aerosol gegenereerd uit de basisvloeistofoplossing die alleen PG, VG, water en nicotine bevat, te evalueren. Deze procedure is van essentieel belang voor het vaststellen van geschikte omstandigheden voor de productie van aerosolen met deeltjesgrootten in het respirabele bereik.

In deze studie werden de afkoelings- en eerste verdunningsstromen in stappen van 10 l/min gewijzigd om hetzelfde totale volume aerosolstroom te behouden (tabel 4). De vloeistofstroom (0,5 ml/min), de verwarmde stroom (2 l/min) en de tweede verdunningsstroom (150 l/min) werden constant gehouden. Aërosolmonsters werden genomen van het verdunde bemonsteringspunt b (figuur 5). PSD werd bepaald met behulp van een aerodynamische deeltjesgrootter die deeltjesgroottes van 0,5 tot 20 μm meet, bij een monsterdebiet van 5 L / min en op de juiste manier verdund voor gebruik met apparatuur. De MMAD en GSD werden gerapporteerd door de aerodynamische deeltjesgrootter voor elke aerosolgeneratierun.

De toename van de koelstroom en de gelijktijdige afname van de eerste verdunningsstroom hadden een impact op de deeltjesgrootte van aerosolen (tabel 4). De grootste invloed op de deeltjesgrootte werd waargenomen bij het veranderen van de koelstroom van 10 naar 20 l/min en de eerste verdunningsstroom van 160 naar 150 l/min. De MMAD verdubbelde onder deze omstandigheden meer dan van 1,47 naar 4,03 μm. De gemiddelde deeltjesgrootte van aerosolen bleef groeien met de toenemende koeldebieten, zij het in lagere verhoudingen dan die waargenomen tussen 10 en 20 L / min. De verdeling van de aerodynamische diameter van de aerosoldeeltjes werd duidelijk verschoven naar grotere diameters bij vergelijking van aerosolen gegenereerd bij 10 L /min koelstroom met die gegenereerd bij 20-50 L / min (figuur 8).

Vangefficiëntie van e-liquid smaken
Zoals eerder besproken, zijn verschillende vloeibare bestanddelen vanwege hun vluchtigheid continu gevoelig voor gas-vloeistofmassaoverdracht, afhankelijk van de lokale thermodynamische omstandigheden. Bovendien hebben analytische methoden een bepaald vermogen om dergelijke bestanddelen te vangen. Met metingen van de werkelijke opbrengst kunnen we het vermogen van chemische methoden voor nauwkeurige detectie en kwantificering van geselecteerde bestanddelen meten (bijvoorbeeld vanwege hun condensatiepotentieel of reacties kunnen sommige bestanddelen hun bestemming niet bereiken, d.w.z. de blootstellingskamer in het geval van inhalatiestudies). Bij het beoordelen van verschillende gearomatiseerde e-liquid formuleringen is het dus essentieel om de meest efficiënte vangmethode voor chemische beoordeling van de aerosol te kunnen bepalen. Vervolgens kunnen we hiermee de overdrachtssnelheid voor elk bestanddeel meten, die wordt bepaald door de vaak aanwezige verliezen als gevolg van aerosoltransport van de plaats van generatie naar de blootstellingskamer. In het onderhavige geval werd een aanvullend onderzoek uitgevoerd met een vloeistof die een mengsel van smaakstoffen bevatte. Aerosol werd gegenereerd met de CAG-parameters vermeld in tabel 2 en gevangen na verdunning (positie b, figuur 5), waarbij het bemonsteringsdebiet gedurende 30 minuten op 0,7 l/min was ingesteld. Het vangen werd uitgevoerd op bemonsteringskolommen die waren geconditioneerd met 2 ml isopropanol. De patronen werden kort na het voltooien van de vangperiode geëlueerd met isopropanol, totdat 20 ml van de oplossing was teruggewonnen. We ontdekten dat de vangefficiëntie over het algemeen moet worden onderzocht en bepaald voor elk smaakbestanddeel.

Voor 70% van de onderzochte smaakbestanddelen hadden we herstelpercentages >60%, wat goed gecorreleerd was met de kookpunten (volatiliteit) van de smaken. Dit feit impliceert dat toxicologische inhalatiestudies die complexe mengsels bevatten, moeten worden uitgevoerd met speciale aandacht voor de overdracht en afgifte van aerosolen op de blootstellingsplaats.

Figuur 1: Werkingsprincipe van de capillaire aerosolgenerator (CAG). De vloeistof wordt in een elektrisch verwarmd capillair gepompt dat uitbarstingen van hete oververzadigde dampen levert, die worden afgekoeld door de luchtstroom, waardoor plotselinge nucleatie en condensatie ontstaat, wat leidt tot aerosolvorming. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Typische CAG-experimentele opstelling en belangrijkste elementen. (A) Algemeen beeld van de CAG-assemblage, met de peristaltische pomp die de vloeibare voorraadoplossing verbindt met het CAG-, verdunningsluchtkanaal en aerosolvormingsproces. (B) Gedetailleerd overzicht van de CAG, met capillaire en verwarmingselementen. (C) Dwarsdoorsnede van de cag-assemblage aerosolgeneratieopstelling. Details van de koel- en verdunningsluchtstromen. De glazen buis heeft twee aparte compartimenten. De koelstroom wordt naar de CAG geduwd en komt in contact met de door vloeistof gegenereerde damp om de aerosol te produceren. De verdunningsstroom wordt naar de gevormde aerosol geduwd om de laatste te verdunnen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: CAG-apparaatdetails: dwarsdoorsnede. De verwarmingsstroom wordt rond de verwarmingselementen geïntroduceerd voor het koelen van het externe CAG-lichaam, het voorkomen van condensatie van de vloeistofterugstroom aan de punt van het capillair en voor het stabiliseren van de dampstraaluitbarsting. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: CAG-assemblage. Het capillaire en verwarmingselement (A) wordt in een binnenste PEEK-buis ingebracht en deze assemblage wordt in een buitenste roestvrijstalen buis (B) geschoven. De montage is afgedekt en stevig bevestigd op een steun met behulp van roestvrijstalen spindels (C, D). Het capillair dat uit het achterste uiteinde steekt, is via slangen verbonden met de peristaltische pomp en vloeibare formulering. Afkortingen: RVS, roestvrij staal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5: CAG aerosolgeneratie-instellingen voor in vivo blootstellingsexperimenten . Aerosolbemonstering voor analyse vindt plaats op twee posities: a) onverdunde aerosol - de eerste verdunningsstap wordt tijdens de bemonstering uitgeschakeld; b) verdunde aerosol, vlak voordat de blootstellingskamer wordt betreden. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6: Voorbeeldkolom met aangesloten adapters. Vóór de bemonstering wordt de monsterkolom vooraf bepaald met 0,5 M zwavelzuur voor nicotineanalyse of isopropanol voor smaakanalyse. De inlaatadapter is aangesloten op de cag-gegenereerde aerosolstroom en de uitlaatadapter op de vacuümpomp. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 7: CAG-gegenereerde aerosolkarakterisering en reproduceerbaarheid. Concentratie van ACM-, nicotine-, PG- en VG-concentraties over 10 afzonderlijke experimentele aerosolgeneratie loopt met dezelfde vloeibare basisoplossing. ACM, 1105,45 ± 27,4 μg/L; Nicotine, 20,16 ± 0,7 μg/L; VG, 227,15 ± 7,8 μg/L; PG, 656,59 ± 22,0 μg/l. Foutbalken vertegenwoordigen de standaarddeviatie. Afkortingen: ACM, aerosol verzamelde massa; PG, propyleenglycol; VG, glycerol. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8: Veranderingen in de deeltjesgrootteverdeling van aerosolen die worden gegenereerd onder verschillende koeldebieten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

	BASIS (PG/VG/N)	SMAAK (PG/VG/N/F)
Bestanddeel	PG /VG / N (g / 1000g)	PG / VG / N / F (g/ 1000g)
Benzoëzuur	3.33	3.33
PG	240.00	238.91
Water	150.00	150.00
Melkzuur	3.33	3.33
Azijnzuur	3.33	3.33
Gemengde smaakmix	0.00	1.20
Glycerine	560.01	559.90
Nicotine	40.00	40.00
Som	1000.00	1000.00

Tabel 1: E-liquid voorraadformuleringscomponenten¹⁸

Aerosolisatie protocol			Bemonsteringsprotocol
Parameters	Onverdund	Verdund	Parameters	Onverdunde locatie A	Verdunde locatie B
CAG temperatuur (°C)	250
Pompdebiet (ml/min)	0.5	0.5	Bemonsteringstijd (min)	10	30
Verwarmde luchtstroom (L/min)	2	2	Bemonsteringsstroom (ACM) (L/min)	0.7	1.5
Koelluchtstroom (L/min)	10	10	Bemonsteringsstroom Extrelut (L/min)	0.7	0.7
1e luchtverdunning (L/min)	NA	150	Bemonsteringsstroom Carbonylen (L/min)	0.7	0.7
2e luchtverdunning (L/min)	NA	160
Afval (L/min)	NA	172

Tabel 2: Parameters voor het genereren, verdunnen en bemonsteren van aerosolen

Carbonylen	Basisvloeistof (PG/VG/Nicotine)		Smaakvoorraadoplossing hoge concentratie met nicotine (PG/VG/Nicotine/Smaakstoffen)
	Onverdund aerosolmonster μg/L	Verdund aerosolmonster μg/L	Onverdund aerosolmonster μg/L	Verdund aerosolmonster μg/L
Acetaldehyde	0,834 ± 0,096	0.119*	45.346 ± 1.134	2.058 ± 0.202
Aceton	< LOQ	< LOQ	< LOQ	< LOQ
Acroleïne	< LOQ	< LOQ	< LOQ	< LOQ
Butyraldehyde	< LOQ	< LOQ	36.475 ± 0.996	1.557 ± 0.179
Crotonaldehyde	< LOQ	< LOQ	0,052 ± 0,001	< LOQ
Formaldehyde	0,731 ± 0,072	0,072 ± 0,023	0,158 ± 0,007	0,026 ± 0,004
Methyl ethylketon	< LOQ	< LOQ	0,570 ± 0,015	< LOQ
Propionaldehyde	< LOQ	< LOQ	0,085 ± 0,001	< LOQ

Tabel 3: Bepaling van carbonylen in de door CAG gegenereerde aerosol. Gemiddelde waarden van drie aerosolgeneraties lopen alleen met dezelfde vloeibare basisoplossing en met een smaakmengsel. Slechts één monster over drie runs had waarden die hoger waren dan de ondergrens van kwantificering (LOQ) van de methode.

Instellingen (L/min)		Aerosol druppel diameter
Koelstroom	1e verdunningsstroom	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

Tabel 4: Bepaling van de deeltjesgrootte van aerosolen (druppeldiameter) onder verschillende luchtstroomomstandigheden. Afkortingen: MMAD, massamediane aerodynamische diameter; GSD, geometrische standaarddeviatie.

Discussion

Het genereren van aerosolen met CAG helpt de variabiliteit van EC-apparaatspecifieke aerosolisatieprocessen te verminderen, waardoor een objectieve en controleerbare beoordeling van de aerosolized e-liquid-formulering zelf mogelijk is. Cag-gegenereerde aerosolen zijn representatief gebleken voor de aerosolen die worden gegenereerd door EC's⁷. Ze kunnen reproduceerbaar worden gegenereerd met dezelfde samenstelling en kenmerken en zijn daarom bijzonder geschikt voor in vivo langetermijnblootstellingsstudies die grote hoeveelheden aerosol gedurende een lange periode vereisen⁸.

De CAG-opstelling is relatief eenvoudig te monteren en te onderhouden. De bedrijfsparameters, zoals het vloeistofdebiet en de respectieve luchtdebieten, blijven echter van cruciaal belang voor de productie van gecontroleerde aerosol, wat methode-optimalisatie vereist op basis van het doel van de toepassing van de door CAG gegenereerde aerosol.

De resultaten die in de huidige studie worden gepresenteerd, tonen aan dat het koelluchtdebiet een duidelijk effect heeft op de deeltjesgrootteverdeling van aerosolen. De koelluchtstroom heeft niet alleen een directe invloed op de nucleatie van de gegenereerde dampen, maar ook op condensatie, vanwege de koeling van de interne buizen waarin de gegenereerde aerosol stroomt. Bovendien is de dichte aerosol gevoelig voor aanzienlijke stollingseffecten. Gecombineerd zijn deze processen complex en hun interactie en invloed op aerosolvorming zijn vrij moeilijk te generaliseren voor de specifieke e-liquids, temperaturen en stromen. Aanvullende luchtstroomsamenstelling (droog of bevochtigd met een vast percentage relatieve vochtigheid) - in het bijzonder het watergehalte - zal de warmte- en massa-uitwisseling beïnvloeden, wat niet alleen leidt tot gemoduleerde condensatiegroei van aerosoldeeltjes, maar ook tot wandcondensatie. Wijzigingen in de parameters van deze methode worden dus geacht te worden gebruikt voor het beheersen van de PSD^17,19.

De aanwezigheid van chemicaliën met een lage oplosbaarheid of hoge kookpunten kan de effectiviteit van cag-gegenereerde aerosol beperken als gevolg van neerslag in het capillair en verstopping van het capillair in de loop van de tijd. Afhankelijk van de chemicaliën die in de aerosol aanwezig zijn, moet de temperatuur voor het bedienen van de CAG worden aangepast om de damp te genereren. Bovendien moet de stabiliteit van de vloeibare formulering regelmatig worden beoordeeld. Toevoeging van bestanddelen, inclusief smaken, met verschillende kookpunten zal een invloed hebben op de uiteindelijke aerosolsamenstelling¹⁴ en gas-vloeistofverdeling. Het kan nodig zijn om de capillaire temperatuur en de verwarmingsluchtstroom aan te passen om terugstroming en vloeistofafzetting in de buurt van het hete capillair te voorkomen, wat kan leiden tot het genereren van ongecontroleerde producten van thermische degradatie (zoals carbonylen) vanwege de lange duur van het vasthouden van de vloeistof bij een hoge temperatuur. Bovendien heeft het regelen van de temperatuur die wordt gebruikt om de damp in het capillair te genereren invloed op waar de damp zich in het capillair begint te vormen - hoe hoger de temperatuur, hoe eerder de damp wordt gevormd. Bij een hogere capillaire temperatuur zal de damp die uit het capillair komt langer nodig hebben om te worden afgekoeld door de koelluchtstroom en zal daarom beginnen te nucleeren en condenseren tot een aerosol verder weg van de capillaire punt, waardoor een terugstroomeffect wordt voorkomen¹⁹.

De huidige e-liquid in vivo toxicologische studies zijn beperkt in het reproduceren van e-sigaretaërosolen vanwege de logistieke complexiteit om te voldoen aan de schaal van aerosol die vereist is, zoals in een OESO TG 413-studie²⁰. Het protocol dat in deze studie wordt gepresenteerd, geeft een overzicht van de CAG-assemblage en -instellingen die bij Philip Morris International worden gebruikt voor aerosolgeneratie in in vivo langetermijnblootstellingsstudies¹⁸. Deze gegevens kunnen dienen als een goed uitgangspunt voor verdere afstemming in een andere laboratoriumomgeving (bijv. medicijnafgiftesystemen²¹) of voor aanpassing aan specifieke vereisten van een bepaald onderzoek.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Aluminium front cap	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	Doelmatig gebouwd, 1 x
Aluminium heating block, groove diameter 0.4mm	Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, VS	B-505432	2 x
Aluminium rear cap	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	1 x
Cambridge glass filter pads	GE Healthcare UK Limited	9703-9654	44 mm diameter
Capillary 21 G SS, 160 mm	Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, VS	304H21RW	1 x
Dry wipes	Contec Inc., SC, VS	Prosat Wipes saturated with isopropyl alcohol	reinigingsmateriaal
Flowmeter	TSI, Shoreview, MI, VS	4100 Series, 0-20 L/min	of equivalent
Gilibrator-2 calibrator	Sensidyne, St-Petersburg FL, VS	Gilian Gilibrator-2	Luchtstroom kalibrator
Glass Couplings	Labo Service, Kontich, België	QVF
Glass piping	Labo Service, Kontich, België	QVF	Pijp 25 en 40 mm
Heating elements	Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, VS	LDC01864	4 x
High heat grease	Lubriplate Lubricant Company, NJ, VS	High temperature multipurpose grease	CAG onderhoud
Inner PEEK tube	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	1 x
Magnetic stirrer	IKA-Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Duitsland	C-MAG HS 4	of equivalent
Micro impingers	Labo Service, Kontich, België	Custom Built
Outer SS tube	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	1 x
PEEK adaptor	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	Doelmatig gebouwd, 1 x
Peristaltic pump	Watson-Marlow Fluid Technology Group, Falmouth, VK	Watson-Marlow 530 U	of equivalent
Push-in fitting	Festo Pte Ltd	NPQM-DK-M5-Q4-P10	1 x
Sample Column Extrelut NT3 cartridge	Merk Sigma-Aldrich	115095
SS 25 mm assembly cap	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	Doelmatig gebouwd, 1 x
SS M8 lead screw	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	3 x
SS M8 nut	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	3 x
SS rear backing	Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Zwitserland	Custom Built	Doelmatig gebouwd, 1 x
Temperature controller	Cole Parmer GmbH, Wertheim, Duitsland	Digi-Sense TC 9600	of equivalent
Thermocouple type K	RS Components GmbH, Wädenswil, Zwitserland	814-0147	1 x