Name: Narażenie na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-05-07T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 11 s
Description: Poznaj metodę narażenia na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała w badaniach toksykologicznych z użyciem dwutlenku tytanu. System generuje stabilne i jednorodne atmosfery testowe symulujące realne scenariusze ekspozycji.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Lista podziękowań i źródeł finansowania.
	 NIH-ES015022 i ES018274 (TRN)
	 Umowa o współpracy NSF 1003907 (VCM)

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
<ol>
	<li>Umieść proszki nano-TiO2 w nieprzezroczystym pojemniku.</li>
	<li>Pozostaw pokrywę pojemnika otwartą.</li>
	<li>Umieścić pojemnik w suchym eksykatorze na co najmniej 24 godziny w celu kondycjonowania.</li>
</ol>
2. Rozgrzewka System Akwizycji i Kontroli Danych, SMPS i ELPI oraz wszystkie przetworniki
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Włącz wyłączniki zasilania we wszystkich przetwornikach, aby rozgrzać je przez co najmniej 1 godzinę.</li>
</ol>
3. Ładowanie suchych proszków nanocząstek TiO2 do generatorów aerozoli
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Zważ ~4 g proszków nano-TiO2 i załaduj je do każdego cylindra.</li>
	<li>Załóż nasadki butli.</li>
	<li>Wszystkie obszary podejrzane o zanieczyszczenie TiO2 należy przetrzeć na mokro.</li>
</ol>
4. Podłączanie generatorów aerozoli do komory inhalacyjnej
<ol>
	<li>Podłączyć wszystkie wyloty generatorów aerozoli za pomocą kolektora do separatora cyklonowego, który znajduje się na wlocie komory inhalacyjnej (TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Niemcy).</li>
	<li>Podłączyć rurkę sprężonego powietrza do dyspergatorów Venturiego w generatorach aerozoli.</li>
</ol>
5. Podłączanie wlotów do monitorowania powietrza i pobierania próbek aerozoli do komory do inhalacji
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Podłączyć wlot rozcieńczalnika aerozolowego do jednego z portów pobierania próbek aerozoli w komorze do inhalacji, a następnie podłączyć jego wylot do wlotu ELPI.</li>
	<li>Podłączyć SMPS do jednego z portów pobierania próbek aerozoli w komorze do inhalacji.</li>
	<li>Podłączyć wlot monitora stężenia cząstek stałych (systemy TSE) do jednego z portów pobierania próbek aerozoli w komorze ekspozycyjnej.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>
6. Aktywacja systemów akwizycji danych
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Aktywuj oprogramowanie do akwizycji danych SMPS. Zapisać stężenie przed ekspozycją.</li>
	<li>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 .</li>
</ol>
7. Ładowanie zwierząt doświadczalnych do komory inhalacyjnej
<ol>
	<li>Zważyć zwierzęta doświadczalne.</li>
	<li>Oznaczyć zwierzęta doświadczalne i klatki, tak aby w razie potrzeby można je było umieścić z powrotem w tych samych klatkach po narażeniu.</li>
	<li>Otwórz drzwi komory do inhalacji i załaduj zwierzęta doświadczalne do drucianych klatek.</li>
	<li>Zwierzętom można zapewnić wodę.</li>
	<li>Zamknąć i zabezpieczyć drzwiczki komory do inhalacji.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
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
<ol>
	<li>Włączyć pompę próżniową spalin komory do ekspozycji inhalacyjnej.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ustalić lekko podciśnienie (wartość zadana = -0,2 mbar) w ciśnieniu w komorze.</li>
	<li>Włącz generatory aerozolu.</li>
	<li>Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych ELPI i SMPS, aby stale monitorować wielkość cząstek i względne stężenie masowe w komorze do inhalacji.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Po osiągnięciu czasu pobierania próbek wyjmij filtry i zatkaj porty pobierania próbek gumowymi zatyczkami, aby zapobiec wydostawaniu się badanych materiałów z komory ekspozycyjnej.</li>
	<li>Zważyć filtry i obliczyć średnie stężenie masowe w komorze ekspozycyjnej, jak opisano powyżej.</li>
	<li>Jeśli średnie stężenie jest dalekie od stężenia docelowego, należy ręcznie wyregulować przepływ powietrza w generatorach, aby zapewnić osiągnięcie docelowego stężenia.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wymień filtry w uchwytach filtrów na czyste, wstępnie ważone filtry i powtórz kroki 8.6 i 8.8.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wyłącz generator aerozolu po osiągnięciu pozostałości.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Wyłącz pompę próżniową wydechu komory.</li>
	<li>Zatrzymaj oprogramowanie do akwizycji danych, Daco.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Zatrzymaj oprogramowanie do akwizycji danych ELPI i SMPS.</li>
</ol>
9. Tworzenie raportu z testu
9.1 Warunki testowe obejmują
<ol>
	<li>Opis układu wytwarzania aerozolu i jego parametrów eksploatacyjnych zastosowanych w tym badaniu.</li>
	<li>Opis aparatury do naświetlania, w tym konstrukcja, typ, wymiary i parametry operacyjne stosowane podczas naświetlania.</li>
	<li>Sprzęt do pomiaru temperatury, wilgotności, wielkości cząstek i rzeczywistego stężenia.</li>
	<li>Oczyszczanie powietrza wywiewanego i sposób przetrzymywania zwierząt w komorze badawczej, gdy jest stosowany.</li>
</ol>
9.2 Dane dotyczące atmosfery ekspozycji obejmują
<ol>
	<li>Natężenie przepływu powietrza przez sprzęt do inhalacji.</li>
	<li>Temperatura i wilgotność powietrza.</li>
	<li>Rzeczywiste stężenie (analityczne lub grawimetryczne) w strefie pobierania próbek aerozolu, która znajduje się w pobliżu klatek dla zwierząt.</li>
	<li>Rozkład wielkości cząstek i obliczona liczba mediany średnicy aerodynamicznej i geometrycznego odchylenia standardowego.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
9.3 Inne
<ol>
	<li>Należy utrzymywać nieznaczne podciśnienie w pomieszczeniu, w którym znajduje się urządzenie do inhalacji, aby zapobiec wydostawaniu się badanych materiałów z laboratorium narażenia inhalacyjnego.</li>
	<li>Codziennie czyść komorę ekspozycyjną, aby wyeliminować wpływ odchodów zwierzęcych.</li>
	<li>ELPI, SMPS i inne przyrządy należy czyścić i kalibrować w oparciu o instrukcje obsługi.</li>
</ol>

<ol><li>Bide, R. W., Armour, S. J., Yee, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Allometric+respiration%2Fbody+mass+data+for+animals+to+be+used+for+estimates+of+inhalation+toxicity+to+young+adult+humans%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Toxicol%22%5BJournal%5D)">Allometric respiration/body mass data for animals to be used for estimates of inhalation toxicity to young adult humans.</a> J. Appl. Toxicol. 20 (4), 273-290 (2000).</li>
<li>Guyton, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+respiratory+patterns+in+laboratory+animals%5BTitle%5D)+AND+%22Am.+J.+Physiol%22%5BJournal%5D)">Analysis of respiratory patterns in laboratory animals.</a> Am. J. Physiol. 150, 70-77 (1947).</li>
<li>Knuckles, T. L., Yi, J., Frazer, D. G., Leonard, H. D., Chen, B. T., Castranova, V., Nurkiewicz, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+inhalation+alters+systemic+arteriolar+vasoreactivity+through+sympathetic+and+cyclooxygenase-mediated+pathways%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotoxicology%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle inhalation alters systemic arteriolar vasoreactivity through sympathetic and cyclooxygenase-mediated pathways.</a> Nanotoxicology. , 1-12 (2011).</li>
<li>Pauluhn, J., Mohr, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Repeated+4-week+inhalation+exposure+of+rats%3A+effect+of+low-%2C+intermediate%2C+and+high-humidity+chamber+atmosphere%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+Toxic+Pathol%22%5BJournal%5D)">Repeated 4-week inhalation exposure of rats: effect of low-, intermediate, and high-humidity chamber atmosphere.</a> Exp. Toxic Pathol. , 178-187 (1999).</li>
<li>Schmoll, L. H., Elzey, S., Grassian, V. H., O'Shaughnessy, P. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle+aerosol+generation+methods+from+bulk+powders+for+inhalation+exposure+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotoxicology%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle aerosol generation methods from bulk powders for inhalation exposure studies.</a> Nanotoxicology. 3, 265-275 (2009).</li>
<li>To, D., Yin, X., Sundaresan, S., Dave, R. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Deagglomeration+of+nano-particle+aggregates+via+rapid+expansion+of+high+pressure+suspensions%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE+J%22%5BJournal%5D)">Deagglomeration of nano-particle aggregates via rapid expansion of high pressure suspensions.</a> AIChE J. 55 (11), 2756-3032 (2009).</li>
<li>U.S. Environmental Protection Agency (US EPA). Health effects test guidelines: OPPTS., 870.1300. Acute inhalation toxicity. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22EPA%22">EPA</a>. , 712-C-98-193(1998).</li>
<li>Wong, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Automated+feedback+control+of+an+inhalation+exposure+system+with+discrete+sampling+intervals%3A+testing%2C+performance%2C+and+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Inhal.+Toxicol%22%5BJournal%5D)">Automated feedback control of an inhalation exposure system with discrete sampling intervals: testing, performance, and modeling.</a> Inhal. Toxicol. 15, 729-743 (2003).</li>
<li>Wong, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inhalation+Exposure+Systems%3A+Design%2C+Methods+and+Operation%5BTitle%5D)+AND+%22Toxicologic+Pathology%22%5BJournal%5D)">Inhalation Exposure Systems: Design, Methods and Operation.</a> Toxicologic Pathology. 35, 3-14 (2007).</li>
<li>Nanoparticle Aerosol Generator. US patent. , 13/317, 472 (2011).</li>
</ol>

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.

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 ...

<table><tbody><tr><td>System narażenia inhalacyjnego</td><td>TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Niemcy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>System monitorowania powietrza</td><td>TSE Systems GmbH, Bad Homburg, Niemcy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dwutlenek tytanu Aeroxide P25</td><td>Evonik, Niemcy</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Skaner cząstek mobilności-3936L75</td><td>TSI Inc., Widok z brzegu, MN</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Elektryczny impaktor niskociśnieniowy, Standard 10 l/min</td><td>Dekati, Tampere, Finlandia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ultra Micro Balance, XP2U</td><td>METTLER TOLEDO, Szwajcaria</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy z emisją terenową-S-4800</td><td>Hitachi, Japonia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Analiza rentgenowska z dyspersją energii </td><td>Princeton Gamma-Tech, Rocky Hill, New Jersey</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Filtry poliwęglanowe </td><td>Nuclepore Whatman, Clinton, PA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Filtry membranowe PTFE </td><td>Pall corporation, Ann Arbor, Michigan</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

narażenie na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała

Whole-Body Nanoparticle Aerosol Inhalation Exposures

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.

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...

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.

Narażenie na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała

Inhalation is the most likely exposure route for individuals working with aerosolizable engineered nano-materials (ENM). To properly perform nanoparticle ...

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest stworzenie instalacji do inhalacyjnego narażenia całego ciała na aerozole nanocząsteczek na potrzeby badań toksykologicznych nad wdychaniem dwutlenku tytanu w skali nano. Osiąga się to poprzez najpierw wygenerowanie aerozoli nanocząsteczek za pomocą nowatorskiego generatora aerozoli nanocząsteczek. W drugim kroku aerozole nanocząsteczek są dostarczane do komory inhalacyjnej dla całego ciała, aby stworzyć atmosfery testowe symulujące narażenie na aerozole inżynieryjnych nanomateriałów w środowisku zawodowym lub domowym.Następnie poddać zwierzęta laboratoryjne działaniu dobrze scharakteryzowanych aerozoli nano-dwutlenku tytanu, monitorując i kontrolując atmosferę testową w celu uzyskania zaprojektowanego poziomu depozycji cząstek. Wyniki uzyskane dla płuc wykazują, że generowane i dostarczane do komory ekspozycyjnej aerozole nanocząstek charakteryzują się stałymi stężeniami masy, jednorodnym składem, brakiem zanieczyszczeń oraz stabilnym rozkładem wielkości cząstek. System ten w sposób niezawodny i powtarzalny tworzy atmosfery testowe symulujące ekspozycję na aerozole inżynieryjnych nanomateriałów w środowisku zawodowym, środowiskowym lub domowym.Wizualna prezentacja tej metody jest kluczowa, ponieważ techniki generowania i charakteryzacji aerozolu nanocząstek są bardzo trudne do opanowania, a nie istnieje żaden formalny podręcznik instruktażowy. Ponadto specjalistyczna aparatura, taka jak nasz generator aerozolu nanocząstek, posiada wiele zmiennych, które muszą być odpowiednio kontrolowane, aby pomyślnie generować aerozole i charakteryzować je w czasie rzeczywistym. Procedurę zaprezentują członkowie mojego programu badawczego: dr Jing Hay, profesor badawczy, oraz pan Carol McBride, mój główny asystent badawczy Beacon.Kondycjonowanie proszków nanocząsteczek dwutlenku tytanu należy rozpocząć co najmniej jeden dzień przed badaniem inhalacyjnym. Należy stosować odpowiednie środki ochrony osobistej i pracować w dygestorium. Umieść 200 g proszków nanocząsteczek w nieprzezroczystym pojemniku, pozostawiając jego pokrywę otwartą.Następnie umieść pojemnik w suchym eksykancie przez co najmniej 24 godziny w celu kondycjonowania, przynajmniej na jedną godzinę przed rozpoczęciem eksperymentu. Włącz systemy monitorowania powietrza oraz akwizycji danych. SMPS do monitorowania aerozolu.Włącz również zasilany system ELPI, aby umożliwić rozgrzanie się tych urządzeń pod wyciągiem i pamiętaj o stosowaniu środków ochrony indywidualnej. Otwórz pokrywy cylindrów w generatorach aerozolu i wymień filtry. Następnie odważ około czterech gramów przygotowanych proszków nanocząsteczek i wsyp je do cylindra.Powtórz czynność dla każdego cylindra. Po zakończeniu tej operacji załóż nakrętki na cylindry generatorów aerozolu, a następnie przetrzyj wszystkie obszary, na których podejrzewa się zanieczyszczenie nanoproszkiem.Przenieś generator aerozolu do komory ekspozycyjnej. Podłącz wszystkie wyloty generatorów aerozolu za pomocą kolektora do separatora cyklonowego, który znajduje się przy wlocie do komory ekspozycyjnej inhalacyjnej. Następnie podłącz przewody sprężonego powietrza do dyspergatorów Venturiego w generatorach aerozolu.Aby rozpocząć, podłącz czujniki temperatury, wilgotności względnej, ciśnienia, tlenu i dwutlenku węgla do portów monitorowania atmosfery w komorze ekspozycyjnej do inhalacji. Następnie podłącz wlot rozcieńczalnika aerozolu do jednego z portów pobierania aerozolu w komorze ekspozycyjnej do inhalacji. Podłącz wylot z komory do wlotu elektrycznego impaktora niskociśnieniowego.Następnie podłącz s i PS do portu pobierania aerozolu. Podłącz również wlot monitora stężenia cząstek do oddzielnego portu pobierania aerozolu. Na tym etapie pobierz zważony filtr membranowy z P-T-F-E, który został umieszczony w stalowym uchwycie filtra.Podłącz wlot uchwytu filtra do jednego z portów pobierania aerozolu w komorze ekspozycyjnej do inhalacji, a jego wylot podłącz do pompy próżniowej. Następnie uruchom oprogramowanie do akwizycji danych ELPI i sprawdź parametry konfiguracji. W kolejnym kroku włącz zasilanie pompy próżniowej ELPI.Po tym ustawieniu zera, wykonaj LPI i zmierz stężenie przed ekspozycją. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych SMPS i zarejestruj stężenie przed ekspozycją. Uruchom również oprogramowanie do monitorowania i kontrolowania środowiska w komorze.Po zważeniu zwierząt doświadczalnych należy oznaczyć je oraz ich klatki, aby w razie potrzeby można było umieścić je w tych samych klatkach po ekspozycji, następnie otworzyć drzwi komory ekspozycyjnej inhalacyjnej i umieścić zwierzęta doświadczalne w klatkach drucianych. Zwierzętom można zapewnić wodę, a następnie zamknąć i zabezpieczyć drzwi komory ekspozycyjnej inhalacyjnej.Często obserwuj zwierzęta przez okna obserwacyjne komory. Pierwszym krokiem jest włączenie pompy próżniowej układu wyciągowego komory ekspozycyjnej inhalacyjnej. Użyj oprogramowania sterującego i służącego do akwizycji danych, aby dostarczyć przefiltrowane suche powietrze do komory ekspozycyjnej i ustalić w niej lekko ujemne ciśnienie z wartością zadaną wynoszącą -0,2 mbar.Oprogramowanie powinno również gromadzić dane dotyczące ciśnienia, temperatury, wilgotności względnej oraz poziomu tlenu i dwutlenku węgla w środowisku ekspozycji. Teraz należy włączyć generatory aerozolu. Uruchom oprogramowanie do akwizycji danych ELPI oraz SMPS, aby stale monitorować wielkość cząstek i względne stężenie masy w komorze ekspozycyjnej podczas inhalacji, gdy stężenie aerozolu jest stabilne.W ciągu około 20 minut ustaw czas pobierania próbek i włącz pompę do pobierania aerozoli, aby zebrać reprezentatywne próbki nanocząstek. Po osiągnięciu wyznaczonego czasu pobierania, w stroju ochronnym wyjmij filtry i zatkaj porty pobierania korkami gumowymi. Aby zapobiec wydostaniu się materiałów testowych z komory ekspozycyjnej, zważ filtry i oblicz średnie stężenie masy w komorze ekspozycyjnej. Jeśli średnie stężenie odbiega od wartości docelowej, ręcznie dostosuj przepływ powietrza w generatorach aerozoli, aby zapewnić osiągnięcie docelowego stężenia.Wykorzystaj te informacje do obliczenia depozycji cząstek w płucach zwierząt. Dawka jest równa średniemu stężeniu masy pomnożonemu przez objętość minutową, czas ekspozycji oraz frakcję materiału zdeponowanego lub wchłoniętego.Należy oczyścić filtry z określoną masą początkową znajdujące się w uchwytach filtrów. Ponownie umieścić zespół w komorze ekspozycyjnej. Wprowadzić nowy czas próbkowania i ponownie włączyć pompę próbkującą.Po zakończeniu czasu próbkowania wyjmij filtry i zatkaj porty. Zważ filtry i oblicz średnie stężenie masy. Określ pozostały czas ekspozycji dla zwierząt.Wykorzystując ukierunkowaną depozycję cząstek oraz zebrane informacje, pozostały czas ekspozycji oblicza się jako różnicę między dawką docelową a zmierzoną. Wartość tę należy podzielić przez średnie stężenie masy, przepływ minutowy oraz ułamek materiału zdeponowanego lub zaabsorbowanego. Po upływie tego czasu należy wyłączyć generator aerozolu.Przepłucz komorę ekspozycyjną do inhalacji filtrowanym powietrzem, aż odczyt stężenia cząstek zbliży się do stężenia w komorze przed ekspozycją. W tym momencie wyłącz pompę próżniową wyciągu z komory oraz zatrzymaj oprogramowanie sterujące i służące do akwizycji danych. Wyjmij zwierzęta doświadczalne z komory ekspozycyjnej i przenieś je z powrotem do pomieszczenia hodowlanego.Często obserwuj zwierzę i upewnij się, że zwierzę doświadczalne czuje się komfortowo. Wyłącz pozostałe oprogramowanie i sprzęt, zgodnie z tym wykresem ciśnienia w komorze. W zależności od czasu monitorowano ciśnienie w komorze i utrzymywano je na lekko ujemnym poziomie podczas eksperymentu, aby zminimalizować wyciek badanej substancji do laboratorium.Przedstawiono tutaj w kolorze czerwonym szybkość przepływu wlotowego, a w kolorze czarnym szybkość przepływu wylotowego w funkcji czasu. Różnica w szybkościach przepływu pozwoliła uzyskać pożądane podciśnienie. Cała komora ciała była obsługiwana w trybie przepływu dynamicznego, przy ciągłym przepływie powietrza przez komorę wynoszącym około 90 litrów na minutę.Zapewniło to częstotliwość wymiany powietrza na godzinę wyższą niż minimalna wymagana przez Amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (US Environmental Protection Agency) dla badań nad ostrym narażeniem inhalacyjnym. Wykres ten przedstawia, jak stabilnie utrzymywano wartości temperatury i wilgotności względnej podczas eksperymentu. Monitorowano również stężenia tlenu i dwutlenku węgla, co przedstawiono tutaj.Poziom tlenu był stabilny i wynosił około 21%. Dwutlenek węgla utrzymywał się na stałym poziomie 580 części na milion. Wielkość cząstek mierzono za pomocą ELPI. Wykres po lewej przedstawia wielkość cząstek w funkcji czasu podczas czterogodzinnej ekspozycji.Po prawej stronie znajduje się liczba cząstek. Mediana średnicy aerodynamicznej D wynosi 157 nanometrów, co widać na tym wykresie. Wielkość cząstek została zmierzona za pomocą SMPS.Poniżej przedstawiono przykład stężenia masy w czasie rzeczywistym podczas czterogodzinnej ekspozycji inhalacyjnej. Ostatecznie wyznaczono stężenia masy aerozolu dla 29 poszczególnych czterogodzinnych ekspozycji inhalacyjnych, przy czym docelowe stężenie wynoszące 6 mg/m³ zaznaczono kolorem czerwonym. Wykres ten sugeruje, że system może zapewniać stabilne i powtarzalne atmosfery testowe dwutlenku tytanu dla ostrych ekspozycji inhalacyjnych.Po opanowaniu tej techniki można ją przeprowadzić w osiem godzin, jeśli czas ekspozycji wynosi cztery godziny. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby prawidłowo monitorować i charakteryzować wszystkie atmosfery testowe. Należy pamiętać, że praca z nanomateriałami może być niezwykle niebezpieczna i wymaga zastosowania środków ostrożności, takich jak zabezpieczenia techniczne.Podczas wykonywania tej procedury należy zawsze stosować szczególne środki ostrożności oraz środki ochrony indywidualnej.

whole-body-nanoparticle-aerosol-inhalation-exposures

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

Narząd całego ciała Nanocząsteczki Aerosol Ekspozycje inhalacyjne

W tym artykule przedstawiono eksperymentalny protokół badania aerozolizacji cząstek produktu pod wpływem ścierania i warunków atmosferycznych. Przedstawiono wyniki badań nad emisją nanomateriałów inżynieryjnych w postaci aerozoli. Szczegółowy opis przebiegu eksperymentu jest szczegółowo opisany.

Protokół doświadczalny do badania aerozolizacji cząstek produktu pod wpływem ścierania i warunków atmosferycznych

Zaprojektowaliśmy i opracowaliśmy skuteczną konfigurację aerozolu nanoproszków oraz protokół działania. W ramach systemu wytworzone zostały aerozole nanocząsteczkowe o stabilnych stężeniach liczbowych i rozkładzie wielkości przez długi czas, wymagające jedynie niewielkich ilości badanego materiału (min. 200 mg).

System do tworzenia stabilnych aerozoli nanocząsteczkowych z nanoproszków

Opisana tutaj jednostka inhalacyjna może generować, pobierać próbki do charakterystyki i równomiernie deponować aerozol leku w płucach gryzoni. Umożliwia to przedkliniczne określenie skuteczności i bezpieczeństwa dawek leków zdeponowanych w płucach; kluczowe dane umożliwiające kliniczne opracowanie leków wziewnych.

Wdychanie suchego proszku i aerozoli w nebulizach farmaceutyków dostarczanych myszom przy użyciu systemu naświetlania tylko przez nos

Na całym świecie rośnie liczba użytkowników elektronicznych papierosów (e-papierosów). Niewiele jednak wiadomo na temat skutków zdrowotnych wywoływanych przez wdychane aerozole do e-papierosów. W tym artykule opisano technikę wytwarzania aerozolu w e-papierosach odpowiednią do narażenia zwierząt i późniejszych badań toksykologicznych. Takie protokoły są wymagane do ustanowienia eksperymentalnie odtwarzalnych i znormalizowanych systemów ekspozycji na e-papierosy.

Wytwarzanie aerozolu z papierosów elektronicznych przez urządzenie do waporyzacji maszynowej trzeciej generacji: zastosowanie do badań toksykologicznych

Tutaj prezentujemy protokół do budowy modelu wysięku opłucnowego u szczurów poprzez dotchawcze wkroplenie poliakrylanu/nanokrzemionki.

Model wysięku opłucnowego u szczurów przez dotchawicze wkroplenie poliakrylanu/nanokrzemionki

Komora do toksyczności inhalacyjnej tylko dla nosa, zdolna do testowania toksyczności inhalacyjnej przy czterech różnych stężeniach ekspozycji, została zaprojektowana i zatwierdzona pod kątem jednorodności pola przepływu i zanieczyszczenia krzyżowego między portami ekspozycji dla każdego stężenia. W niniejszej sprawie przedstawiamy protokół potwierdzający, że projektowana komora jest skuteczna w badaniach toksyczności inhalacyjnej.

Opracowanie komory do badania toksyczności inhalacyjnej tylko przez nos, która zapewnia cztery stężenia ekspozycji na nanocząstki

Tutaj prezentujemy protokół do przeprowadzania przenośnych ekspozycji aerozoli komórkowych i mierzenia odpowiedzi komórkowej. W metodzie wykorzystuje się komórki hodowane na granicy faz powietrze-ciecz, naśladując fizjologię in vivo. Odpowiedź komórkową na aerozole z nanocząstek miedzi obserwowano jako stres oksydacyjny poprzez wytwarzanie reaktywnych form tlenu i cytotoksyczność jako uwalnianie dehydrogenazy mleczanowej.

Nowa przenośna kaseta do naświetlania in vitro do pobierania próbek aerozoli

Prezentujemy solidny, przenośny i predykcyjny system ekspozycji in vitro do badania i monitorowania cząstek unoszących się w powietrzu pod kątem ich ostrej cytotoksyczności płucnej poprzez eksponowanie hodowanych ludzkich komórek płuc na granicy powietrze-ciecz (ALI).

Ocena ostrej toksyczności inhalacyjnej cząstek unoszących się w powietrzu poprzez wystawienie hodowanych ludzkich komórek płuc na granicy faz powietrze-ciecz

Prezentowany tutaj jest protokół pierwotnej izolacji monocytów ludzkiej krwi, jak również ich różnicowania na makrofagi i komórki dendrytyczne oraz łączenia z komórkami nabłonkowymi w wielokomórkowy model ludzkiego płuca. Porównano reakcje biologiczne kokultur złożonych z komórek odpornościowych zróżnicowanych ze świeżo wyizolowanych lub rozmrożonych monocytów, po ekspozycji na bodźce prozapalne.

Wielokomórkowy model wyrostka zębodołowego człowieka złożony z komórek nabłonka i pierwotnych komórek odpornościowych do oceny zagrożeń

Opisana jest metoda hodowli komórkowej i ekspozycji modelu oskrzelowego in vitro dla realistycznej, powtarzającej się ekspozycji inhalacyjnej na cząstki do testów toksyczności.

Model nabłonka oskrzeli na granicy faz powietrze-ciecz do realistycznego, powtarzającego się narażenia inhalacyjnego na cząstki unoszące się w powietrzu do testów toksyczności

Wkłady do waporyzacji destylatów z konopi indyjskich to urządzenia zasilane bateryjnie, które aerozolują ekstrakty zawierające wysokie stężenia kannabinoidów. Brak ustalonych modeli przedklinicznych dla tych produktów stwarza wyzwania w badaniu ich skutków fizjologicznych. Aby wypełnić tę lukę, opracowano standaryzowany przedkliniczny mysi model inhalacji dla waporyzowanych destylatów konopi.

Opracowanie przedklinicznego modelu inhalacji do testowania waporyzowanych destylatów z konopi indyjskich

Poznaj metodę narażenia na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała w badaniach toksykologicznych z użyciem dwutlenku tytanu. System generuje stabilne i jednorodne atmosfery testowe symulujące realne scenariusze ekspozycji.

Narażenie na wdychanie aerozoli nanocząsteczkowych całego ciała

Przeglądaj więcej filmów