$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Badanie toksyczności inhalacyjnej jest najbardziej wiarygodną metodą oceny ryzyka związanego z czynnikami chemicznymi, cząstkami, włóknami i nanomateriałami1,2,3. W związku z tym większość agencji regulacyjnych wymaga przedłożenia danych z badań toksyczności inhalacyjnej, gdy narażenie na chemikalia, cząstki, włókna i nanomateriały odbywa się poprzez inhalację4,5,6,7,8. Obecnie istnieją dwa rodzaje systemów toksyczności inhalacyjnej: systemy ekspozycji na całe ciało i systemy narażenia tylko przez nos. Standardowy system badania toksyczności inhalacyjnej, obejmujący całe ciało lub tylko nos, wymaga co najmniej czterech komór, aby wystawić zwierzęta, takie jak szczury i myszy, na działanie czterech różnych stężeń, a mianowicie kontroli świeżego powietrza oraz niskich, umiarkowanych i wysokich stężeń7,8. Wytyczne testowe Organizacji Współpracy Gospodarczej i Rozwoju (OECD) sugerują, że wybrane stężenie docelowe powinno umożliwiać identyfikację docelowego narządu (narządów) i wykazanie wyraźnej odpowiedzi na stężenie7,8. Wysoki poziom stężenia powinien skutkować wyraźnym poziomem toksyczności, ale nie powinien powodować śmiertelności ani utrzymujących się objawów, które mogłyby prowadzić do zgonu lub uniemożliwić miarodajną ocenę wyników7,8. Maksymalny osiągalny poziom lub wysokie stężenie aerozoli można osiągnąć przy jednoczesnym spełnieniu normy rozkładu wielkości cząstek. Poziomy umiarkowanego stężenia powinny być rozmieszczone w taki sposób, aby uzyskać gradację skutków toksycznych między niskimi i wysokimi stężeniami7,8. Niski poziom stężenia, który najlepiej byłoby NOAEC (stężenie, przy którym nie obserwuje się szkodliwych skutków), powinien dawać niewielkie lub żadne oznaki toksyczności7,8. Komora na całe ciało wystawia zwierzęta w stanie nieskrępowanym w klatkach z drutu, podczas gdy komora tylko na nos wystawia zwierzę w stanie skrępowanym w zamkniętej tubie. Ogranicznik zapobiega utracie aerozolu w wyniku wycieku wokół zwierzęcia. Ze względu na dużą objętość komory na całe ciało, wymaga ona wystawienia dużej liczby badanych przedmiotów na kontakt ze zwierzętami doświadczalnymi, podczas gdy ograniczenie rurki w systemie ekspozycji tylko na nos utrudnia ruch zwierzęcia i może powodować dyskomfort lub uduszenie. Niemniej jednak regulacyjne wytyczne OECD dotyczące badań toksyczności inhalacyjnej preferują stosowanie systemów inhalacyjnych tylko do nosa4,5,6,7,8.
Jednak dostosowanie się do systemu czterokomorowego, zarówno na całe ciało, jak i tylko na nos, jest drogie, zajmuje dużo miejsca i wymaga wbudowanego systemu oczyszczania i cyrkulacji powietrza. Co więcej, system czterokomorowy może również wymagać oddzielnych generatorów wyrobów do badań w celu wystawienia zwierząt na działanie pożądanych stężeń oraz oddzielnej aparatury pomiarowej do monitorowania stężeń badanego przedmiotu. W związku z tym, ponieważ standardowe badanie toksyczności inhalacyjnej wiąże się ze znacznymi inwestycjami, konieczne jest opracowanie wygodniejszego i bardziej ekonomicznego systemu ekspozycji na całe ciało lub tylko przez nos, który będzie można stosować w małych ośrodkach badawczych. Podczas projektowania komory inhalacyjnej często stosuje się również modelowanie obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) w celu uzyskania jednorodności cząstek, gazów lub par9,10,11,12,13. Ocena za pomocą analiz numerycznych i walidacja na podstawie wyników eksperymentalnych została już przeprowadzona dla komory ekspozycyjnej całego ciała dla myszy10. Na przykład przepływ powietrza i trajektoria cząstek zostały zamodelowane za pomocą CFD, a jednorodność rozkładu cząstek została zmierzona w dziewięciu częściach komory całego ciała10. Również komora nosowa została oceniona za pomocą analizy numerycznej za pomocą CFD13. Następnie przeprowadzono ocenę komory naświetlania tylko przez nos, porównując wyniki analizy numerycznej z badaniem eksperymentalnym z użyciem nanocząstek13.
To badanie przedstawia system komór inhalacyjnych tylko do nosa, który może wystawić zwierzęta doświadczalne na działanie czterech różnych stężeń w jednej komorze. Początkowo zaprojektowany przy użyciu CFD i analizy numerycznej, proponowany system jest następnie porównywany z badaniem eksperymentalnym z wykorzystaniem nanoskalowych cząstek chlorku sodu w celu walidacji jednorodności i zanieczyszczenia krzyżowego. Przedstawione wyniki wskazują, że prezentowana komora nosowa, która może wystawiać zwierzęta na działanie czterech różnych stężeń, może być wykorzystywana do badań narażenia zwierząt w małych obiektach akademickich i badawczych. Analiza numeryczna jest ustawiana w następujący sposób, w taki sam sposób, jak ustawienie eksperymentu. W przypadku ekspozycji na pojedyncze stężenie przepływ aerozolu do wieży wewnętrznej jest ustawiony na 48 l/min, a przepływ osłony do wieży zewnętrznej jest ustawiony na 20 l/min. W przypadku ekspozycji wielostężeniowej przepływ aerozolu do wewnętrznego wejścia wieży wynosi 11 l/min dla każdego etapu. Różnica ciśnień na wylocie utrzymuje się na poziomie -100 Pa, aby utrzymać płynny przepływ spalin i zapobiec wyciekom. Załóżmy, że uchwyty na zwierzęta są zamknięte i puste.