Summary
设计并验证了一个仅用于鼻吸入毒性的室, 该室能够检测四种不同接触浓度下的吸入毒性, 以确保每种浓度的接触端口之间的流场均匀性和交叉污染。在这里, 我们提出了一个协议, 以确认设计的室是有效的吸入毒性测试。
Abstract
利用基于计算机流体动力学的数值分析, 设计并验证了一种具有四种不同接触浓度的仅鼻吸入毒性室, 以确定每个气体的流场均匀性和接触口之间的交叉污染。浓度。设计的流场值与水平和垂直暴露端口的测量值进行比较。为此, 纳米氯化钠颗粒作为试验颗粒产生, 并引入吸入室, 以评估每个浓度组的交叉污染和燃烧室之间的浓度维持。结果表明, 所设计的多浓度吸入室可用于动物吸入毒性试验, 而不受浓度组交叉污染。此外, 设计的多浓度吸入毒性室也可以转换为单浓度吸入室。进一步测试气体、有机蒸气或非纳米颗粒将确保在吸入试验物品时使用该室。
Introduction
吸入毒性试验是评估化学剂、颗粒、纤维和纳米材料的风险的最可靠方法,1、2、3。因此, 大多数监管机构要求在接触化学品、颗粒、纤维和纳米材料时提交吸入毒性测试数据, 特别是通过吸入 4、5、6、7 ,8。目前, 有两种类型的吸入毒性系统: 全身接触系统和仅有鼻子接触系统。标准的吸入毒性测试系统, 无论是全身还是仅鼻, 都需要至少四个室, 使大鼠和小鼠等动物接触到四种不同的浓度,即新鲜空气控制和低、中、高浓度7,8. 经济合作与发展组织 (经合组织) 的测试准则表明, 选定的目标集中应允许确定目标机关并表明明确的集中反应7 ,8。高浓度水平应导致明显的毒性水平, 但不会导致死亡或可能导致死亡或妨碍对结果7、8 进行有意义的评价的持续迹象。在达到粒径分布标准的同时, 可以达到气溶胶的最大可实现水平或高浓度。中等浓度水平应间隔, 以产生低浓度和高浓度7,8之间的毒性作用的分级。低浓度水平, 最好是 noaec (无观测的反效应浓度), 应产生很少或根本没有毒性的迹象 7,8。全身室在有线笼子中无节制地暴露动物, 而只有鼻子的室在密闭管中暴露动物在约束的条件下。这种约束可防止动物周围泄漏的气溶胶流失。由于整个身体室的大容量, 它需要大量的测试物品暴露在实验动物, 而约束管在只鼻子暴露系统阻碍动物的运动, 并可能导致不适或窒息。然而, 经合组织的监管吸入毒性测试准则倾向于使用仅用于鼻的吸入系统4、5、6、7、8。
然而, 容纳四室系统, 无论是全身或只鼻子, 是昂贵的, 消耗空间, 并需要一个内置的空气清洁和循环系统。此外, 四室系统还可以要求单独的测试物品生成器将动物暴露在所需的浓度下, 并需要单独的测量装置来监测测试物品的浓度。因此, 由于标准吸入毒性测试涉及大量投资, 需要开发一个更方便、更经济的全身或仅鼻子接触系统, 供小型研究设施使用。在设计吸入室时, 计算流体动力学 (cfd) 建模也经常用于实现颗粒、气体或蒸汽均匀性9、10、11、12、13.对10例小鼠全身暴露室进行了数值分析和实验验证。例如, 利用 CFD 对气流和粒子轨迹进行了建模, 并测量了整个体室 10的九个部分的颗粒分布均匀性。此外, 还通过 CFD13的数值分析对仅鼻腔进行了评价。在此基础上, 通过将数值分析结果与使用纳米粒子13进行的实验研究进行了比较, 对仅探位曝光室进行了评价。
这项研究提出了一个只鼻吸入室系统, 可以暴露实验动物在一个室的四种不同浓度。最初设计使用 CFD 和数值分析, 然后将该系统与使用纳米氯化钠颗粒的实验研究进行比较, 以验证均匀性和交叉污染。本文的研究结果表明, 在小型学术和研究设施中, 可将动物暴露在四种不同浓度下的仅鼻腔可用于动物接触研究。数值分析设置如下, 与实验设置的方式相同。对于单浓度曝光, 内塔的气溶胶流量设置为 48 lp/min, 外塔的护套流量设置为 20 L/min。对于多浓度曝光, 每个阶段内塔输入的气溶胶流量为 11 lp. min。出口差压保持在-100 帕, 以保持平稳的排气流量, 防止泄漏。假设动物持有人是封闭的和空的。
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Protocol
1. 数值分析方法
- 根据几何形状对腔内的流场进行分析, 如图 1和表 114 所示。
注: 根据几何形状对流场进行数值分析, 可预测气溶胶的流动, 并将其评估为可测试的装置。 - 设计具有4个阶段 x 12个柱的腔体, 共48个端口, 其中的核心分为内塔和外塔, 如图 1 b 所示。
注: 每个阶段有12个曝光端口用于放置实验动物。满足经合组织指导文件 (GD) 建议 396。 - 对于单浓度曝光, 将混合板放置在内塔顶部, 以混合测试材料, 并确保各阶段的均匀浓度。对于多浓度接触, 将内塔分为四个阶段, 并通过分离盘进行接触浓度。
注: 混合板
2. 实验评估的准备
-
室
- 将箱体分为三个部分: 入口、护套和排气, 如原理图所示 (图 2)。
注: 入口是气雾剂流入内腔的地方, 护套是内部塔和外塔之间的空间, 用于额外的气流。 - 向内塔和实验动物供应气雾剂 (或试验物品), 而含有剩余气溶胶的动物呼出的空气与护套空气一起流经排气口。
注: 动物持有人是封闭的和空的。 - 使用鼓风机和逆变器保持室内压力不变, 因为腔内压力由护套气流控制。
- 在单浓度曝光的情况下, 用于测量位于仅鼻子曝光室前面的混合室中试验气溶胶 (或物品) 浓度的均匀性的设计设备。
注: 试验气溶胶的均匀性可以通过其颗粒数量浓度和粒径分布来评估。对于气体和蒸汽, 单个室浓度样品应偏离平均腔内浓度不超过±10%, 液体或固体气溶胶4、5、6、7应偏离不超过±20% ,8。因此, 当测试粒子不是恒定的, 气溶胶流量可以绕过排气风扇。 - 检查泄漏, 以验证测试的可靠性, 并通过确认一个具有±500 Pa 的闭合系统来确保安全, 该系统维护时间为30分钟。
注: 泄漏可以通过肥皂冒泡检查。
- 将箱体分为三个部分: 入口、护套和排气, 如原理图所示 (图 2)。
-
环境控制和监测
- 将气溶胶 (单/多) 和护套空气的总流入率分别设置为 48 L/min 或 44 L/min (分别为单或多) 和 20 L/min, 并在用户界面的控制设置中将腔内压力保持在-100 Pa。
- 将温度和湿度分别保持在23°c 和45%。使用加湿器来控制暴露空气的湿度。
- 在等温线-异湿控制环境中进行实验, 以符合经合组织吸入毒性准则4、6、7、8。
-
流量均匀性测量
- 通过清洁空气供应 (包括由质量流量控制器 (MFC) 控制的 HEPA 过滤器) 向吸入室供应 48 L/min 清洁空气。
注: 清洁空气是在使用 HEPA 过滤器过滤后做出的。 - 在单浓度暴露的情况下, 使用混合室稳定流量。
- 在多浓度暴露的情况下, 将电源喷嘴连接到一个端口, 该端口注入新鲜的控制空气或试验气雾剂 (或物品)。
- 使用质量流量计测量每个端口的流速。
- 通过清洁空气供应 (包括由质量流量控制器 (MFC) 控制的 HEPA 过滤器) 向吸入室供应 48 L/min 清洁空气。
-
粒子生成
- 使用五射流雾化器生成氯化钠纳米颗粒, 以评估吸入室的设计。
注: 使用 0.1 wt Ncl 溶液生成 Ncl 纳米颗粒。 - 对 MFC 进行调节, 以控制氯化钠气溶胶混合空气在单浓度中的 48 L/min 和氯化钠混合空气在多浓度下的 12 l2 混合空气的产量。
注: 仅鼻室的每个港口都有 1个 L/min (即48个仅探地室 (四期); 48个端口/四阶段; 12个门/阶段)。 - 提供清洁空气, 用于旁路的稀释。
注: 氯化钠纳米粒子的计数中位直径和几何标准偏差分别保持在76纳米和1.4 以内。
- 使用五射流雾化器生成氯化钠纳米颗粒, 以评估吸入室的设计。
-
颗粒均匀性测量
- 使用由差分移动性分析仪 (DMA) 和冷凝颗粒计数器 (CPC) 组成的扫描移动性颗粒片 (SMPS) 测量注入喷嘴发出的氯化钠纳米颗粒的粒径分布。
- 使用 Am 气溶胶中和剂去除颗粒的静电, 减少颗粒在墙壁上的沉积, 从而提高测量效率 18.
- 将 DMA 的气溶胶和护套空气流量保持在 1:10, 使气溶胶流量和护套气流率分别保持在 1 L/min 和 10 L/min。
3. 流量均匀性测试
-
多浓度曝光
- 通过气雾剂入口在 11 lmmin 处提供清洁空气, 设置喷油嘴的流速。为每个四个阶段选择11个端口喷嘴。
- 测量流量, 将流量计连接到所选喷嘴。
- 重复步骤 3.1.2 3倍, 以验证重现性。
-
单浓度曝光
- 通过气雾剂入口在 48 lmmin 处提供清洁空气, 设置注射喷嘴的流速。在48个端口中随机选择24个端口喷嘴。测量 3倍, 以验证重现性。
4. 颗粒均匀性试验
-
多浓度暴露
- 通过气溶胶入口以 11 lp min 的方式提供产生的颗粒, 从而设置注射喷嘴的粒径分布 (如第2节所述)。
- 在四个阶段中随机选择六个端口喷嘴;测量 3倍, 以验证重现性。
-
单浓度曝光
- 通过在 20 L/min 供应生成的颗粒和在 28 lp min 供应清洁空气, 设置注射喷嘴的粒径分布, 通过气溶胶入口总共形成 48 lp min (如2.4 和2.5 所述)。
- 在四个阶段中随机选择六个端口喷嘴。
- 测量颗粒浓度, 将 SMPS 连接到所选喷嘴。
- 重复步骤 4.2.3 3倍, 以验证重现性。
5. 交叉污染试验
- 在多浓度暴露的情况下设置三个阶段。
- 将两台具有不同溶液浓度的发电机和一条清洁的空气管道连接到三个相应的阶段。
- 通过气溶胶入口 (如2.4 和2.5 所述), 在 11 lp min 处提供产生的颗粒和清洁空气, 从而设置注射喷嘴的粒径分布。
- 从所有三个阶段随机选择一个端口喷嘴。
- 测量颗粒浓度, 将 SMPS 连接到所选端口。
- 重复步骤 5.5 15x 以验证重现性。
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Representative Results
实验设置
图 1显示了一个仅用于鼻的吸入室系统的示意图, 其中包括带有 mfc 的粒子发生器、仅用于鼻的室和用于监测空气质量、控制器和排气模块的粒子测量仪器, 该仪器基于协议第2节。
数值分析设计
图 2显示了用于多浓度接触 (图 2a) 和单浓度接触 (图 2A) 的仅鼻吸入室的几何形状。控制新航端口位于顶部, 而根据协议第1节, 低、中、高浓度端口显示在图 2 a中。
垂直塔和水平塔中的多浓度和单浓度暴露流场分别如图 3和图 4所示。多浓度室有四个流场, 而单浓缩室有一个流场 (图 3a, b)。在单浓缩室的情况下, 从上到下的流量均匀地分散到仅鼻子的端口 (图 4 a), 而多浓度室的设计是为了向每个测试物品提供不同浓度的试验物品。通过使用一个端口提供位于内塔中间的空气喷射喷嘴的流量, 只能进入鼻口的阶段 (图 4B)。
图 5显示了每个阶段接触浓度的流场, 旨在避免每个阶段之间的交叉污染 (图 5), 其基础是议定书第1节。
数值分析设计的实验评价
使用位于水平和垂直阶段的12个端口对流动均匀性进行了评估。数值设计的流量类似于实验测量的通过位于单浓度室和多浓度室的12个水平端口的流量 (图 6 a、b和表 2)。此外, 根据议定书第3节, 数值设计的流量与实验测量的流量几乎相同, 即通过位于单集中室的12个垂直端口的流量 (图 7和表 3)。
颗粒浓度是使用两个随机选择的水平到各个阶段的端口测量的, 在单浓缩室 (图 8a和表 4) 和多浓缩室 (图 8B和表 4)。还根据《公约》第4节, 使用垂直至四个阶段的六个随机选择的端口测量颗粒浓度, 并在单浓度室显示相同的浓度 (图 9和表 4)。协议。
通过测定控制中氯化钠颗粒浓度和低浓度、高浓度的测定, 对交叉污染进行了检测。根据议定书第5节, 结果显示, 每个阶段的接触口的浓度水平保持得很好 (图 10和表 6)。
图 1: 仅探位吸入毒性试验室示意图.它分为五个区域 (生成、曝光室、测量、监测 & 控制和排气模块), 并可根据曝光类型改变产生、曝光室。(a) 单浓度接触。(b) 多浓度接触。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 仅探量吸入毒性试验室的几何形状.(a) 单浓度接触。(b) 多浓度接触。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 垂直内塔的流场.(a) 单浓度接触。(b) 多浓度接触。彩色条形图指示流场 (以米特斯秒为标准)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 水平内塔的流场.(a) 单浓度接触。(b) 多浓度接触。请点击这里查看此图的较大版本.
图 5: 多浓度室交叉污染的流场.请点击这里查看此图的较大版本.
图 6: 水平流量均匀性的比较.误差条表示 SD. (a) 单浓度暴露。(b) 多浓度接触。请点击这里查看此图的较大版本.
图 7: 垂直流动均匀性的比较.误差线代表 SD. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 8: 水平浓度均匀性的比较.误差条表示sd. (a) 单浓度暴露。(b) 多浓度接触。请点击这里查看此图的较大版本.
图 9: 垂直浓度均匀性的比较.误差线代表 SD. 请点击这里查看此图的较大版本.
图 10: 交叉污染测试的结果.误差线代表 SD. 请点击这里查看此图的较大版本.
| 单剂量 | 多剂量 | |
| 维 度 | 60毫米 | 60毫米 |
| 管开口 | 6毫米 | 6毫米 |
| 完全供应流量 | 48 LPM | 每个阶段 11 LPM |
| 每个端口的供应流量 | 下午1时 | 下午1时 |
| 每个端口的供应速度 | 0.59 m/s | 0.59 m/s |
| 萃取流量 | 48 LPM | 44 LPM 在4个阶段 |
表 1: 测试条件。
| 阶段 | 单浓度 | 多浓度 | ||
| 平均流量 | 标准偏差 | 平均流量 | 标准偏差 | |
| 1 | 0.90 | 0.03 | 0.97 | 0.06 |
| 2 | 0.94 | 0.03 | 0.98 | 0.06 |
| 3个 | 1.08 | 0.02 | 0.98 | 0.06 |
| 4个 | 1.09 | 0.03 | 0.98 | 0.06 |
表 2: 水平流量均匀性的比较。
| 阶段 | 单浓度 | |
| 平均流量 | 标准偏差 | |
| 1 | 1.00 | 0.01 |
| 2 | 1.00 | 0.01 |
| 3个 | 1.00 | 0.02 |
| 4个 | 1.00 | 0.02 |
| 5 | 1.00 | 0.01 |
| 6 | 1.00 | 0.02 |
| 7。 | 1.00 | 0.02 |
| 8 | 1.00 | 0.01 |
| 9 | 1.00 | 0.02 |
| 10 | 1.00 | 0.01 |
| 11 | 1.01 | 0.01 |
| 12 | 1.00 | 0.02 |
表 3: 垂直流动均匀性的比较。
| 阶段 | 单浓度 | 多浓度 | ||
| 平均浓度 | 标准偏差 | 平均浓度 | 标准偏差 | |
| 1 | 0.98 | 0.04 | 1.04 | 0.01 |
| 2 | 1.02 | 0.03 | 0.98 | 0.01 |
| 3个 | 1.00 | 0.04 | 1.01 | 0.01 |
| 4个 | 1.00 | 0.03 | 0.98 | 0.01 |
表 4: 水平浓度均匀性的比较。
| 阶段 | 单浓度 | |
| 平均浓度 | 标准偏差 | |
| 1 | 0.99 | 0.05 |
| 2 | 1.02 | 0.02 |
| 3个 | 0.99 | 0.03 |
| 4个 | 1.00 | 0.05 |
| 5 | 1.01 | 0.03 |
| 6 | 0.99 | 0.04 |
表 5: 垂直浓度均匀性的比较。
| 阶段 | 单浓度 | |
| 平均浓度 | 标准偏差 | |
| 1 (高) | 8, 823, 838 | 32, 882 |
| 2 (低) | 2, 100 002 | 94 922 |
| 3 (新鲜空气) | 0 | 0 |
表 6: 交叉污染试验结果。
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Discussion
吸入毒性试验目前是评估人类呼吸系统14、15吸入的雾化材料 (颗粒和纤维)、蒸汽和气体的最佳方法。吸入接触有两种方法: 全身和只鼻。然而, 只使用鼻子的系统最大限度地减少了非吸入途径 (如皮肤和眼睛) 的接触, 并允许以最少数量的测试物品进行检测, 使其成为经合组织吸入毒性测试指南所建议的首选接触方法:急性4、6、亚急性7和亚慢性 8。
标准吸入毒性系统需要四个浓缩室 (新鲜空气控制和低、中、高浓度)。因此, 操作成本昂贵, 占用空间, 需要测试物品生成和环境控制系统。然而, 本文提出的多浓度吸入室更经济地应用于小型科研院所今后的应用。在单浓度吸入室的基础上, 利用数值分析13设计和开发了所提出的多浓度吸入室。由此产生的多浓度室可以提供四种接触浓度, 包括新鲜空气控制。正如 Pauluhn 和 Thiel16所建议的那样, 每个暴露港的流速对于直接流动、只使用鼻子的吸入室是适当的。
为了根据现有的验证程序验证拟议的 CFD 和数值设计系统, 对每个浓缩阶段的曝光口流场进行了水平和垂直测量, 同时测量了颗粒数量浓度, 以评估交叉污染, 这是一个关键的步骤 (在协议第5节中描述), 浓度维护使用试验气雾剂氯化钠。设计的多浓度暴露系统显示, 每个浓缩阶段的暴露口都有一个均匀的流场, 浓度端口之间没有交叉污染, 浓度保持一致。因此, 拟议的系统可有效供希望进行吸入毒性测试和研究的小型研究设施使用。由于纳米颗粒在空气中的行为 (通过扩散沉积) 与气体或蒸汽 17非常相似, 因此该室可用于气体和有机蒸汽吸入测试。计划用有机蒸气对腔体进行测试, 并在不久的将来对非纳米级颗粒进行测试。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究得到了工业技术创新计划 (10052901) 的支持, 该计划是韩国韩国韩国工业技术评价研究所开发商业中的高效纳米材料吸入毒性测试系统。贸易、工业 & 能源部。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| FLUENT V.17.2 | ANSYS | Software | |
| mass flow meter (MFM) | TSI | 4043 | |
| SMPS (scanning mobility particle sizer) | Grimm | SMPS+C | |
| 5-Jet atomizer | HCTM | 5JA-1000 | |
| Mass flow controller (MFC) | Horiba | S48-32 |
References
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