Zbudowano urządzenie do inhalacji aerozolu z nanocząsteczkami całego ciała do badań toksykologicznych nad inhalacją dwutlenku tytanu (TiO2). System ten zapewnia atmosfery testowe aerozolu nano-TiO2, które mają: 1) stałe stężenie masy; 2) jednorodny skład wolny od zanieczyszczeń; oraz 3) stabilny rozkład wielkości cząstek podczas wytwarzania aerozolu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Narażenie na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Wdychanie jest najbardziej prawdopodobną drogą narażenia dla osób pracujących z aerozolizowalnymi nanomateriałami inżynieryjnymi (ENM). W celu prawidłowego przeprowadzenia badań toksykologicznych inhalacji nanocząstek, aerozole w komorze, w której przebywają zwierzęta doświadczalne, muszą: 1) mieć stałe stężenie utrzymywane na pożądanym poziomie przez cały okres narażenia; 2) jednorodny skład wolny od zanieczyszczeń; oraz 3) stabilny rozkład wielkości < średniej geometrycznej średnicy 200 nm i geometrycznym odchyleniu standardowym σg < 2,5 5. Wytwarzanie aerozoli zawierających nanocząstki jest dość trudne, ponieważ nanocząstki łatwo się aglomerują. Wynika to w dużej mierze z bardzo silnych oddziaływań międzycząsteczkowych i powstawania dużych struktur fraktalnych o wielkości dziesiątek lub setek mikronów w rozmiarze 6, które są trudne do rozbicia. Przetestowano kilka popularnych generatorów aerozoli, w tym nebulizatory, złoża fluidalne, aspiratory Venturiego i źródło pyłu Wrighta; Żaden z nich nie był jednak w stanie wytworzyć aerozoli nanocząsteczkowych, które spełniałyby wszystkie kryteria 5.
System ekspozycji na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała został stworzony, zatwierdzony i wykorzystany do badań toksykologicznych inhalacyjnych nano-TiO2. Kluczowe komponenty: 1) nowatorski generator aerozoli nano-TiO2; 2) 0,5m3 komora do inhalacji całego ciała; oraz 3) system monitorowania i kontroli. Aerozole Nano-TiO2 wytworzone z suchych proszków nano-TiO2 (średnica pierwotna 21 nm, gęstość nasypowa 3,8 g/cm3) zostały dostarczone do komory ekspozycyjnej przy natężeniu przepływu 90 l/min (10,8 wymiany powietrza/godz.). Rozkład wielkości cząstek i profile koncentracji masowej mierzono w sposób ciągły za pomocą skanera do pomiaru wielkości cząstek (SMPS) i elektrycznego impaktora niskociśnieniowego (ELPI). Stężenie masowe aerozolu (C) zweryfikowano grawimetrycznie (mg/m3). Masę (M) zebranych cząstek określono jako M = (Mpost-M pre), gdzie Mpre i Mpost są masami filtra przed i po pobraniu próbki (mg). Stężenie masowe obliczono jako C = M/(Q*t), gdzie Q oznacza natężenie przepływu próbki (m3/min), a t jest czasem pobierania próbek (minuta). Ciśnienie w komorze, temperatura, wilgotność względna (RH), stężenia O2 i CO2 były monitorowane i kontrolowane w sposób ciągły. Aerozole Nano-TiO2 zebrane na filtrach Nuclepore analizowano za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) i analizy rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX).
Podsumowując, informujemy, że nanocząsteczkowe aerozole generowane i dostarczane do naszej komory ekspozycyjnej mają: 1) stałe stężenie masy; 2) jednorodny skład wolny od zanieczyszczeń; 3) Stabilny rozkład wielkości cząstek o medianie średnicy aerodynamicznej 157 nm podczas wytwarzania aerozolu. System ten niezawodnie i wielokrotnie tworzy atmosfery testowe, które symulują narażenie na aerozole ENM w miejscu pracy, środowisku lub w gospodarstwie domowym.
Protokół
Procedury operacyjne dotyczące ekspozycji na nanocząstki całego ciała krok po kroku są opisane następująco.
Uwaga: 1) kroki 1 i 3 powinny być wykonywane pod wyciągiem; 2) Operatorzy muszą nosić odpowiednie środki ochrony osobistej (respiratory, gogle i rękawice gumowe).
1. Kondycjonowanie TiO2 Nanocząsteczkowe Suche Proszki
- Umieść proszki nano-TiO2 w nieprzezroczystym pojemniku.
- Pozostaw pokrywę pojemnika otwartą.
- Umieścić pojemnik w suchym eksykatorze na co najmniej 24 godziny w celu kondycjonowania.
2. Rozgrzewka System Akwizycji i Kontroli Danych, SMPS i ELPI oraz wszystkie przetworniki
- Włącz system monitorowania powietrza i akwizycji danych oraz wyłączniki zasilania do monitorowania aerozoli SMPS (TSI Inc., Shoreview, MN) i ELPI (Dekati, Tampere, Finlandia) i rozgrzej systemy przez co najmniej 1 godzinę.
- Włącz wyłączniki zasilania we wszystkich przetwornikach, aby rozgrzać je przez co najmniej 1 godzinę.
3. Ładowanie suchych proszków nanocząstek TiO2 do generatorów aerozoli
- Otwórz nasadki butli w generatorach aerozoli i wymień filtry w generatorach aerozoli. Uwaga: Jeden generator aerozolu ma jeden cylinder. Liczba generatorów aerozolu, które należy zastosować, zależy od pożądanego stężenia masowego cząstek w komorze ekspozycyjnej.
- Zważ ~4 g proszków nano-TiO2 i załaduj je do każdego cylindra.
- Załóż nasadki butli.
- Wszystkie obszary podejrzane o zanieczyszczenie TiO2 należy przetrzeć na mokro.
4. Podłączanie generatorów aerozoli do komory inhalacyjnej
- Podłączyć wszystkie wyloty generatorów aerozoli za pomocą kolektora do separatora cyklonowego, który znajduje się na wlocie komory inhalacyjnej (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Niemcy).
- Podłączyć rurkę sprężonego powietrza do dyspergatorów Venturiego w generatorach aerozoli.
5. Podłączanie wlotów do monitorowania powietrza i pobierania próbek aerozoli do komory do inhalacji
- Podłącz czujniki temperatury i wilgotności względnej (RH), ciśnienia,O2 i CO2 dostarczone przez TSE Systems, aby przetestować porty monitorowania atmosfery w komorze narażenia na inhalacje.
- Podłączyć wlot rozcieńczalnika aerozolowego do jednego z portów pobierania próbek aerozoli w komorze do inhalacji, a następnie podłączyć jego wylot do wlotu ELPI.
- Podłączyć SMPS do jednego z portów pobierania próbek aerozoli w komorze do inhalacji.
- Podłączyć wlot monitora stężenia cząstek stałych (systemy TSE) do jednego z portów pobierania próbek aerozoli w komorze ekspozycyjnej.
- Zważ filtr membranowy z PTFE (P/N 66149, Pall corporation, Ann Arbor, Michigan) i załaduj filtr do uchwytu filtra ze stali nierdzewnej (produkty In-Tox, Moriarty NM).
- Podłączyć wlot uchwytu filtra ze stali nierdzewnej ze wstępnie zważonym filtrem do jednego z otworów do pobierania próbek aerozoli w komorze inhalacyjnej i podłączyć jego wylot do pompy do pobierania próbek.
6. Aktywacja systemów akwizycji danych
- Aktywuj oprogramowanie do akwizycji danych ELPI, ELPIVI, sprawdź parametry ustawień i włącz pompę płuczącą na ~5 minut, a następnie wyzeruj ELPI. Zapisać stężenie przed ekspozycją.
- Aktywuj oprogramowanie do akwizycji danych SMPS. Zapisać stężenie przed ekspozycją.
- Aktywuj oprogramowanie, Daco (TSE Systems), do monitorowania i kontrolowania natężenia przepływu powietrza, temperatury i wilgotności względnej w komorze, temperatury i wilgotności względnej, O2 i CO2 .
7. Ładowanie zwierząt doświadczalnych do komory inhalacyjnej
- Zważyć zwierzęta doświadczalne.
- Oznaczyć zwierzęta doświadczalne i klatki, tak aby w razie potrzeby można je było umieścić z powrotem w tych samych klatkach po narażeniu.
- Otwórz drzwi komory do inhalacji i załaduj zwierzęta doświadczalne do drucianych klatek.
- Zwierzętom można zapewnić wodę.
- Zamknąć i zabezpieczyć drzwiczki komory do inhalacji.
- Często obserwuj zwierzęta przez okna obserwacyjne komory ekspozycyjnej w poszukiwaniu oznak niepokoju. Zwierzęta powinny być zrelaksowane i zachowywać się normalnie. Należy przerwać narażenie w przypadku zaobserwowania szybkiego/utrudnionego oddychania, nieprawidłowego wyglądu, nieprawidłowości postawy lub unieruchomienia. Usunąć zwierzęta, umieścić je z powrotem w ich oryginalnych klatkach, skontaktować się z lekarzem weterynarii i/lub zainicjować odpowiednie procedury Instytucjonalnego Komitetu ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt.
Uwaga: Operatorzy muszą nosić środki ochrony osobistej podczas wykonywania kroków 8.7, 8.8 i 8.17.
8. Narażenie małych zwierząt na działanie aerozoli nanocząsteczkowych
- Włączyć pompę próżniową spalin komory do ekspozycji inhalacyjnej.
- Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych, Daco, aby: a) dostarczyć przefiltrowane suche powietrze do komory ekspozycyjnej, b) kontrolować ciśnienie w komorze ekspozycyjnej oraz c) zbierać dane dotyczące środowiska ekspozycji, takie jak ciśnienie, temperatura, wilgotność względna, O2 i CO2.
- Ustalić lekko podciśnienie (wartość zadana = -0,2 mbar) w ciśnieniu w komorze.
- Włącz generatory aerozolu.
- Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych ELPI i SMPS, aby stale monitorować wielkość cząstek i względne stężenie masowe w komorze do inhalacji.
- Gdy stężenie aerozolu jest stabilne, tj. profil stężenia na monitorze ELPI osiągnął plateau (zwykle: trwa to 20 minut po uruchomieniu generatorów aerozoli), ustaw czas pobierania próbek (na przykład 1 godzinę) i włącz pompę do pobierania próbek aerozolu, aby pobrać reprezentatywną próbkę nanocząstek za pomocą filtrów.
- Po osiągnięciu czasu pobierania próbek wyjmij filtry i zatkaj porty pobierania próbek gumowymi zatyczkami, aby zapobiec wydostawaniu się badanych materiałów z komory ekspozycyjnej.
- Zważyć filtry i obliczyć średnie stężenie masowe w komorze ekspozycyjnej, jak opisano powyżej.
- Jeśli średnie stężenie jest dalekie od stężenia docelowego, należy ręcznie wyregulować przepływ powietrza w generatorach, aby zapewnić osiągnięcie docelowego stężenia.
- Obliczyć osadzanie się cząstek w płucach zwierzęcia jako D = C x Vm x t x Fr, gdzie D = dawka, C = średnie stężenie masowe badanego materiału, Vm = objętość minutowa, t = czas trwania ekspozycji, a Fr = frakcja materiału, która jest zdeponowana lub wchłonięta.
- Wymień filtry w uchwytach filtrów na czyste, wstępnie ważone filtry i powtórz kroki 8.6 i 8.8.
- Na podstawie rzeczywistego stężenia masowego w komorze ekspozycyjnej i docelowego osadzania się cząstek w płucach zwierzęcia należy oszacować pozostały czas narażenia jako, tpozostaje = (Dukierunkowane -D) / (C x Vm x Fr), gdzie tpozostaje = pozostały czas trwania narażenia, Ddocelowy = dawka ukierunkowana, C = średnie stężenie masowe badanego materiału, Vm = objętość minutowa, Fr = frakcja materiału, która jest osadzana lub wchłaniana.
- Wyłącz generator aerozolu po osiągnięciu pozostałości.
- Przed wyjęciem zwierząt z komory naświetlającej należy przepłukać komorę naświetlania przez drogi oddechowe przefiltrowanym powietrzem, aż stężenie cząstek wskazane na monitorze zbliży się do stężenia cząstek sprzed ekspozycji w komorze.
- Wyłącz pompę próżniową wydechu komory.
- Zatrzymaj oprogramowanie do akwizycji danych, Daco.
- Po ekspozycji obserwuj zwierzęta, aby zweryfikować normalne oddychanie i zachowanie oraz udokumentuj, że nie ma innych powikłań badawczych. W przypadku zaobserwowania wydzieliny z nosa, niewydolności oddechowej lub jakichkolwiek innych komplikacji związanych z dobrostanem zwierząt, skontaktuj się z lekarzem weterynarii i/lub rozpocznij odpowiednie procedury Instytucjonalnego Komitetu ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt.
- Zatrzymaj oprogramowanie do akwizycji danych ELPI i SMPS.
9. Tworzenie raportu z testu
9.1 Warunki testowe obejmują
- Opis układu wytwarzania aerozolu i jego parametrów eksploatacyjnych zastosowanych w tym badaniu.
- Opis aparatury do naświetlania, w tym konstrukcja, typ, wymiary i parametry operacyjne stosowane podczas naświetlania.
- Sprzęt do pomiaru temperatury, wilgotności, wielkości cząstek i rzeczywistego stężenia.
- Oczyszczanie powietrza wywiewanego i sposób przetrzymywania zwierząt w komorze badawczej, gdy jest stosowany.
9.2 Dane dotyczące atmosfery ekspozycji obejmują
- Natężenie przepływu powietrza przez sprzęt do inhalacji.
- Temperatura i wilgotność powietrza.
- Rzeczywiste stężenie (analityczne lub grawimetryczne) w strefie pobierania próbek aerozolu, która znajduje się w pobliżu klatek dla zwierząt.
- Rozkład wielkości cząstek i obliczona liczba mediany średnicy aerodynamicznej i geometrycznego odchylenia standardowego.
- Wyjaśnienie, dlaczego nie udało się osiągnąć pożądanego stężenia w komorze i/lub wielkości cząstek (w stosownych przypadkach) oraz wysiłki podjęte w celu zapewnienia zgodności z tymi aspektami wytycznych.
9.3 Inne
- Należy utrzymywać nieznaczne podciśnienie w pomieszczeniu, w którym znajduje się urządzenie do inhalacji, aby zapobiec wydostawaniu się badanych materiałów z laboratorium narażenia inhalacyjnego.
- Codziennie czyść komorę ekspozycyjną, aby wyeliminować wpływ odchodów zwierzęcych.
- ELPI, SMPS i inne przyrządy należy czyścić i kalibrować w oparciu o instrukcje obsługi.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Badanie ekspozycji drogą wziewną zazwyczaj polega na utrzymywaniu zwierzęcia doświadczalnego w znanym i stałym środowisku testowym przy jednoczesnym narażeniu go na określoną koncentrację materiału testowego 8,9. System ekspozycji całego organizmu na nanocząstki drogą wziewną przedstawiono na Rysunku 1. Komora dla całego organizmu pracowała w trybie dynamicznego przepływu, w którym przez komorę przepływało powietrze z ciągłą prędkością 90 LPM. Przepływ ten zapewniał 10,8 wymian powietrza/h, co...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Zebraliśmy i opisaliśmy tutaj system ekspozycji na aerozole z nanocząsteczkami całego ciała. Funkcjonalność systemu została zweryfikowana przy użyciu najnowocześniejszych technik charakteryzacji aerozoli nanocząstek. Dzięki nowatorskiemu systemowi generowania aerozoli nanocząsteczkowych, ten system ekspozycji inhalacyjnej może zapewnić dobrze scharakteryzowaną, kontrolowaną i jednolitą atmosferę testową aerozolu nanocząsteczkowego o stosunkowo stałej temperaturze, wilgotności, przepływie powietrza i zawartości tlenu dla ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Ustalenia i wnioski zawarte w niniejszym raporcie są ustaleniami i wnioskami autorów i niekoniecznie reprezentują poglądy Narodowego Instytutu Bezpieczeństwa i Higieny Pracy. Wzmianka o jakichkolwiek nazwach firm lub produktach nie oznacza poparcia ze strony NIOSH ani nie oznacza, że alternatywne produkty są niedostępne lub nie można ich zastąpić po odpowiedniej ocenie.
Podziękowania
Lista podziękowań i źródeł finansowania.
NIH-ES015022 i ES018274 (TRN)
Umowa o współpracy NSF 1003907 (VCM)
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| System narażenia inhalacyjnego | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Niemcy | ||
| System monitorowania powietrza | TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Niemcy | ||
| Dwutlenek tytanu Aeroxide P25 | Evonik, Niemcy | ||
| Skaner cząstek mobilności-3936L75 | TSI Inc., Widok z brzegu, MN | ||
| Elektryczny impaktor niskociśnieniowy, Standard 10 l/min | Dekati, Tampere, Finlandia | ||
| Ultra Micro Balance, XP2U | METTLER TOLEDO, Szwajcaria | ||
| Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją terenową-S-4800 | Hitachi, Japonia | ||
| Analiza rentgenowska z dyspersją energii | Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, New Jersey | ||
| Filtry poliwęglanowe | Nuclepore Whatman, Clinton, PA | ||
| Filtry membranowe PTFE | Pall corporation, Ann Arbor, Michigan |
Bibliografia
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
