Le protocole décrit les paramètres et l’utilisation d’un générateur d’aérosol capillaire pour la production continue d’aérosol contrôlé à partir d’une solution liquide multi-espèces, adaptée à l’administration régulière d’aérosols à grand volume (p. ex., études d’inhalation in vivo ).
Le générateur d’aérosol capillaire (CAG) fonctionne avec le principe de l’évaporation thermique du liquide par chauffage de l’e-liquide dans la phase initiale, suivie de la nucléation et de la condensation régulées par un mélange de flux d’air pour générer des aérosols, comme dans une cigarette électronique (EC). Le CAG est particulièrement utile pour générer des aérosols de grands volumes de manière continue, par exemple des études toxicologiques par inhalation in vivo , où l’utilisation de CE n’est pas possible. Les effets thermiques de la génération d’aérosols à partir du CAG sont similaires en termes de température appliquée dans un CE, ce qui permet aux chercheurs d’évaluer les vapeurs des e-liquides à l’échelle et à la reproductibilité. Comme le fonctionnement du CAG permet aux utilisateurs de contrôler des paramètres critiques tels que le débit d’e-liquide, les températures de chauffage et les débits d’air de dilution, il permet aux chercheurs de tester diverses formulations d’e-liquide dans un dispositif bien contrôlé. Il a été démontré que les propriétés, telles que la taille des particules d’aérosol, sont régulées avec le débit d’air par rapport au débit d’e-liquide et à la composition de l’e-liquide. Toutefois, l’ACG est limité dans l’évaluation des problèmes communs liés à la CE, tels que la surchauffe de ses éléments. Nous cherchons à démontrer que le CAG peut générer un aérosol reproductible et continu, en évaluant les caractéristiques chimiques et physiques des aérosols avec une formulation d’e-liquide choisie. Le protocole décrit les paramètres de fonctionnement du débit de liquide, les débits d’air de dilution et les procédures d’exploitation nécessaires pour optimiser la concentration d’aérosol et la taille des particules requises pour une étude toxicologique in vivo . En présentant les résultats représentatifs du protocole et en discutant des défis et des applications du travail avec un CAG, nous démontrons que le CAG peut être utilisé de manière reproductible. La technologie et le protocole, qui ont été développés à partir de travaux antérieurs, servent de base à de futures innovations pour les enquêtes de génération d’aérosols contrôlées en laboratoire.
Les e-liquides courants contiennent un mélange de propylène glycol, de glycérol, d’eau, de nicotine et d’arômes sélectionnés. La composition d’un aérosol généré à partir d’un dispositif EC dépend non seulement de la formulation du liquide, mais également du matériau, de la conception et des caractéristiques du dispositif. Par conséquent, de nombreux dispositifs EC peuvent introduire une grande variabilité dans la sortie d’aérosol1, y compris la production spécifique à l’appareil de niveaux élevés de constituants indésirables, la variation du volume de bouffée, la modification du débit d’air due à des trous de ventilation obstrués et la « bouffée sèche » (lorsque le récipient de liquide est presque vide, provoquant une surchauffe de l’appareil car une partie de l’énergie fournie n’est pas utilisée pour l’évaporation du liquide)2 . En outre, la charge, le remplissage et le nettoyage des appareils EC pendant les études d’inhalation à long terme deviendraient une énorme contrainte supplémentaire en termes de logistique3. Pour ces raisons, d’autres générateurs d’aérosols devraient être envisagés pour la production à grande échelle d’aérosols et l’évaluation appropriée des formulations liquides, tout en évitant les variations liées au dispositif dans la composition des aérosols et en diminuant la charge de travail 4,5. Néanmoins, les aérosols générés par les dispositifs devraient continuer à faire partie des stratégies d’évaluation des risques, car les niveaux de certains constituants dans les dispositifs EC pourraient être plus élevés que ceux des générateurs d’aérosols normalisés contrôlés en laboratoire en raison des spécificités de chauffage/refroidissement des dispositifs 6,7,8.
En raison du peu d’informations sur les exigences réglementaires actuellement disponibles, les méthodes d’évaluation de la toxicité potentielle des aérosols générés par les cigarettes électroniques (CE) continuent d’évoluer 9,10,11. Cependant, une évaluation in vitro et in vivo précise nécessite la génération de volumes d’aérosols bien caractérisés et reproductibles au fil du temps. La production d’aérosols à partir d’un dispositif EC avec un régime de bouffées contrôlées serait certainement le processus le plus représentatif du point de vue de la consommation des utilisateurs. Pour les études de toxicité réglementaires, compte tenu d’une variété de formulations liquides possibles que les utilisateurs peuvent souvent préparer eux-mêmes et, en même temps, en modifiant certaines caractéristiques des dispositifs (par exemple, l’énergie fournie), l’utilisation de dispositifs EC pour effectuer des études toxicologiques à exposition répétée à long terme est non seulement difficile, mais aussi potentiellement inadéquate.
Le générateur d’aérosol capillaire (CAG) – développé par Philip Morris12,13 et affiné par la Virginia Commonwealth University14 – fonctionne sur le principe de créer un jet de flux de vapeur chaude à partir d’un capillaire chauffé électriquement, qui est ensuite refroidi avec de l’air ambiant, provoquant la formation de noyaux de particules et la condensation ultérieure, conduisant à la formation d’aérosols. Étant donné que les mêmes processus physiques conduisent à la formation d’aérosols dans les CE (à l’exception de l’administration du liquide au capillaire par une pompe dans le CAG, qui, dans un EC, est généralement remplacé par des forces capillaires agissant sur le matériau de mèche tirant le liquide du réservoir dans l’EC), les caractéristiques des aérosols générés par le CAG sont très similaires à celles des aérosols EC14 (Figure 1 ). Le CAG permet la production de grands volumes d’aérosols, avec peu d’exigences de manipulation; il est donc particulièrement adapté aux études d’inhalation in vivo.
Le CAG est un dispositif de laboratoire constitué d’un tube capillaire chauffé simplement relié à un régulateur de température et à un réservoir de liquide via une pompe péristaltique (Figure 2A). Le capillaire (160 mm, 21 G, acier inoxydable) est chauffé par quatre éléments chauffants, tous encastrés dans un bloc d’aluminium (Figure 2B). La température est généralement réglée entre 250 et 275 °C pour imiter les conditions de chauffage des bobines d’un appareil EC15. Le liquide pompé à travers le capillaire est chauffé et transformé en vapeur chaude sortant de l’extrémité du capillaire. L’assemblage CAG (Figure 2C) nécessite des éléments supplémentaires pour mélanger la vapeur générée avec de l’air froid et former un aérosol. Le mélange brusque de la vapeur chaude sursaturée avec un flux d’air froid entraîne une nucléation et une condensation subséquente, conduisant à la formation d’aérosols (Figure 2C). Dans notre conception CAG (Figure 3), un flux d’air chauffé supplémentaire refroidit d’abord le corps externe, puis circule le long des blocs chauffants pour chauffer le flux d’air, empêchant ainsi la condensation du refoulement de liquide à l’extrémité du capillaire et stabilisant l’éclatement du jet de vapeur. De plus, il crée un blindage indésirable des vapeurs chaudes, impactant ainsi le processus de nucléation. Pour cette raison, le débit appliqué pour ce débit d’air doit être minimal et correspondre à l’objectif de l’application. Ce flux d’air sera appelé « flux d’air chauffé » tout au long de ce manuscrit, bien qu’il faille comprendre que ce flux est chauffé passivement par les blocs chauffants et non intentionnellement par l’utilisateur.
Le débit d’air de refroidissement a une forte influence sur la taille des particules d’aérosol générées. Dans la production d’aérosols pour les études d’inhalation in vivo , le débit d’air de dilution déterminera la dose d’exposition et pourrait devoir être dilué davantage avant d’atteindre la chambre d’exposition. Outre la composition chimique des aérosols, il est essentiel de caractériser la distribution granulométrique des aérosols (DSP) pour s’assurer que l’aérosol généré est similaire à celui généré par les CE et dans la plage de taille des particules d’inhalation recommandée par les lignes directrices de l’OCDE (souvent paramétrée par l’hypothèse de la log-normalité de la DSP avec le diamètre aérodynamique médian massique [MMAD] et l’écart type géométrique [GSD]).
Le MMAD des aérosols générés peut varier considérablement en fonction de la conception de l’appareil, des propriétés liquides physico-chimiques de la formulation (par exemple, densité, viscosité et tension superficielle), du débit d’air et de la température dictant les conditions thermodynamiques 14,16,17. Pour les expériences d’exposition in vivo, le flux d’air est généralement constitué d’air conditionné et filtré à 22 ± 2 °C et 60 % ± 5 % d’humidité relative. L’aérosol généré peut ensuite être dilué davantage en fonction des exigences de l’étude, afin d’atteindre les concentrations cibles dans l’atmosphère d’essai. Il est ensuite acheminé par tuyauterie en verre vers la chambre d’exposition afin de diminuer la perte de filtration. Dans les résultats présentés ici, les paramètres de température et de débit d’air sont établis pour démontrer que le CAG peut être utilisé pour la production continue d’un aérosol contrôlé avec un PSD constant et inhalable et des concentrations définies pour les études d’inhalation in vivo.
Dans le protocole, nous décrirons comment: 1) assembler le CAG, 2) déterminer les paramètres nécessaires pour générer un aérosol à partir du CAG, 3) effectuer la génération d’aérosols et 4) analyser les constituants physiques et chimiques d’intérêt dans l’aérosol. Pour ces essais préliminaires, nous envisageons une solution liquide à base d’un mélange de composants formant des aérosols: propylène glycol (PG), glycérol (VG), eau et nicotine aux fractions massiques prescrites. Enfin, nous partagerons des exemples de données pour l’évaluation d’un mélange multi-espèces complexe généré dans nos expériences (impliquant les constituants susmentionnés mélangés à des constituants aromatiques supplémentaires). Nous discuterons des résultats et des défis globaux ainsi que de l’applicabilité de cette approche expérimentale pour l’évaluation de tels mélanges.
La génération d’aérosols avec CAG aide à réduire la variabilité des processus d’aérosolisation spécifiques aux dispositifs EC, permettant une évaluation objective et contrôlable de la formulation d’e-liquide aérosolisée elle-même. Il a été démontré que les aérosols générés par le CAG sont représentatifs des aérosols générés par lesCE 7. Ils peuvent être générés de manière reproductible avec la même composition et les mêmes caractéristiques et sont donc particulièrement adaptés aux études d’exposition in vivo à long terme nécessitant de grands volumes d’aérosols sur une longue période de temps8.
La configuration CAG est relativement simple à assembler et facile à entretenir. Cependant, les paramètres de fonctionnement, tels que le débit de liquide et les débits d’air respectifs, restent critiques pour la production d’aérosol contrôlé, ce qui nécessite une optimisation de la méthode en fonction du but de l’application de l’aérosol généré par le CAG.
Les résultats présentés dans la présente étude montrent que le débit d’air de refroidissement a un effet clair sur la distribution granulométrique des aérosols. Le flux d’air de refroidissement a un impact direct non seulement sur la nucléation des vapeurs générées, mais aussi sur la condensation, en raison du refroidissement du tube interne dans lequel l’aérosol généré circule. En outre, l’aérosol dense est sujet à des effets de coagulation importants. Combinés, ces processus sont complexes et leur interaction et leur influence sur la formation d’aérosols sont assez difficiles à généraliser pour les e-liquides, les températures et les écoulements spécifiques. La composition supplémentaire du flux d’air (sec ou humidifié avec un pourcentage fixe d’humidité relative) – en particulier la teneur en eau – influencera l’échange de chaleur et de masse, conduisant non seulement à la croissance modulée de la condensation des particules d’aérosol, mais également à la condensation de la paroi. Ainsi, les modifications apportées aux paramètres de cette méthode sont réputées aux fins de l’utilisation en termes de contrôle de la DSP17,19.
La présence de produits chimiques ayant une faible solubilité ou des points d’ébullition élevés pourrait limiter l’efficacité des aérosols générés par le CAG en raison des précipitations dans le capillaire et du colmatage du capillaire au fil du temps. En fonction des produits chimiques présents dans l’aérosol, la température de fonctionnement du CAG doit être ajustée pour générer la vapeur. En outre, la stabilité de la formulation liquide doit être régulièrement évaluée. L’ajout de constituants, y compris des arômes, avec différents points d’ébullition aura une influence sur la composition finale de l’aérosol14 et la répartition gaz-liquide. Il pourrait être nécessaire d’adapter la température capillaire et le flux d’air de chauffage pour empêcher le refoulement et le dépôt de liquide près du capillaire chaud, ce qui pourrait entraîner la génération de produits incontrôlés de dégradation thermique (tels que les carbonyles) en raison de la longue durée de rétention du liquide à haute température. En outre, le contrôle de la température utilisée pour générer la vapeur dans le capillaire a un impact sur l’endroit où la vapeur commence à se former dans le capillaire – plus la température est élevée, plus la vapeur se forme tôt. Avec une température capillaire plus élevée, la vapeur sortant du capillaire mettra plus de temps à être refroidie par le flux d’air de refroidissement et commencera donc à se nucléer et à se condenser en aérosol plus loin de la pointe capillaire, ce qui aidera à éviter un effet de refoulement19.
Les études toxicologiques in vivo actuelles sur les e-liquides sont limitées dans la reproduction des aérosols de cigarettes électroniques en raison de la complexité logistique pour répondre à l’échelle des aérosols requis, comme dans une étude TG 413 de l’OCDE20. Le protocole présenté dans cette étude donne un aperçu de l’assemblage et des paramètres CAG utilisés par Philip Morris International pour la génération d’aérosols dans les études d’exposition in vivo à long terme18. Ces données peuvent servir de bon point de départ pour d’autres ajustements dans un autre environnement de laboratoire (p. ex., systèmes d’administration de médicaments21) ou pour l’adaptation aux exigences spécifiques d’une étude particulière.
The authors have nothing to disclose.
Aluminium front cap | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
Aluminium heating block, groove diameter 0.4mm | Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA | B-505432 | 2 x |
Aluminium rear cap | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | 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, USA | 304H21RW | 1 x |
Dry wipes | Contec Inc. , SC, USA | Prosat Wipes saturated with isopropyl alcohol | cleaning material |
Flowmeter | TSI, Shoreview, MI, USA | 4100 Series, 0-20 L/min | or equivalent |
Gilibrator-2 calibrator | Sensidyne, St-Petersburg FL, USA | Gilian Gilibrator-2 | Air flow calibrator |
Glass Couplings | Labo Service, Kontich, Belgium | QVF | |
Glass piping | Labo Service, Kontich, Belgium | QVF | Pipe 25 and 40 mm |
Heating elements | Phil Gunn Machine Co., Inc, VA, USA | LDC01864 | 4 x |
High heat grease | Lubriplate Lubricant Company, NJ, USA | High temperature multipurpose grease | CAG maintenance |
Inner PEEK tube | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 1 x |
Magnetic stirrer | IKA-Werke GmbH & Co. KG, Staufen, Germany | C-MAG HS 4 | or equivalent |
Micro impingers | Labo Service, Kontich, Belgium | Custom Built | |
Outer SS tube | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 1 x |
PEEK adaptor | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
Peristaltic pump | Watson-Marlow Fluid Technology Group, Falmouth, UK | Watson-Marlow 530 U | or 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, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
SS M8 lead screw | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 3 x |
SS M8 nut | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | 3 x |
SS rear backing | Mecanique Buri S.A., La Chaux-de Fonds, Switzerland | Custom Built | Purpose built, 1 x |
Temperature controller | Cole Parmer GmbH, Wertheim, Germany | Digi-Sense TC 9600 | or equivalent |
Thermocouple type K | RS Components GmbH, Wädenswil, Switzerland | 814-0147 | 1 x |