Протокол описывает настройки и использование капиллярного генератора аэрозолей для непрерывного производства контролируемого аэрозоля из многовидового жидкого раствора, подходящего для устойчивой доставки аэрозолей большого объема (например, исследования in vivo in vivo inhalation).
Капиллярный генератор аэрозолей (CAG) работает с принципом теплового испарения жидкости путем нагрева электронной жидкости в начальной фазе с последующим нуклеацией и конденсацией, регулируемыми через смесь воздушного потока для образования аэрозолей, таких как в электронной сигарете (EC). ЦАГ особенно полезен при непрерывном образовании аэрозолей больших объемов, например, в таких случаях, как ингаляционные токсикологические исследования in vivo , где использование ЭК нецелесообразно. Тепловые эффекты образования аэрозоля из ЦАГ аналогичны с точки зрения температуры, применяемой в ЕС, что позволяет исследователям оценивать пары электронных жидкостей в масштабе и воспроизводимости. Поскольку работа CAG позволяет пользователям контролировать критические параметры, такие как скорость потока электронной жидкости, температуры нагрева и потоки разрежающего воздуха, это позволяет исследователям тестировать различные составы электронной жидкости в хорошо контролируемом устройстве. Показано, что свойства, такие как размер частиц аэрозоля, регулируются скоростью потока воздуха по отношению к потоку электронной жидкости и составу электронной жидкости. CAG, однако, ограничен в оценке общих проблем, связанных с ЕС, таких как перегрев его элементов. Мы стремимся продемонстрировать, что CAG может генерировать аэрозоль, который является воспроизводимым и непрерывным, путем оценки химических и физических характеристик аэрозоля с выбранным составом электронной жидкости. Протокол описывает рабочие параметры расхода жидкости, скорости потока разрежающего воздуха и рабочие процедуры, требующие оптимизации концентрации аэрозолей и размера частиц, необходимых для токсикологического исследования in vivo . Представляя репрезентативные результаты протокола и обсуждая проблемы и приложения работы с CAG, мы демонстрируем, что CAG можно использовать воспроизводимым образом. Технология и протокол, которые были разработаны на основе предыдущих работ, служат основой для будущих инноваций в исследованиях генерации аэрозолей с лабораторным контролем.
Обычные электронные жидкости содержат смесь пропиленгликоля, глицерина, воды, никотина и отдельных ароматизаторов. Состав аэрозоля, образующегося из устройства ЕС, зависит не только от жидкой композиции, но и от материала, конструкции и характеристик устройства. Следовательно, многие устройства ЕС могут вносить большую вариабельность в выход аэрозоля1, включая производство для конкретного устройства повышенных уровней нежелательных компонентов, изменение объема затяжки, изменение воздушного потока из-за заблокированных вентиляционных отверстий и «сухое пыхтение» (когда контейнер для жидкости почти пуст, вызывая перегрев устройства, поскольку часть доставляемой энергии не используется для испарения жидкости)2 . Кроме того, зарядка, заправка и очистка устройств EC во время долгосрочных ингаляционных исследований станет огромным дополнительным ограничением с точки зрения логистики3. По этим причинам следует рассмотреть другие генераторы аэрозолей для крупномасштабного производства аэрозолей и надлежащей оценки жидких составов, избегая при этом связанных с устройством изменений в составе аэрозолей и уменьшая рабочую нагрузку 4,5. Тем не менее аэрозоли, генерируемые устройствами, должны оставаться частью стратегий оценки риска, поскольку уровни некоторых компонентов в устройствах ЕС могут быть более высокими, чем в стандартизированных генераторах аэрозолей с лабораторным управлением, в силу особенностей нагрева/охлаждения устройств 6,7,8.
Из-за ограниченности имеющейся в настоящее время информации о нормативных требованиях методы оценки потенциальной токсичности аэрозолей, образующихся электронными сигаретами (ЕС), все еще развиваются 9,10,11. Однако точная оценка in vitro и in vivo требует генерации хорошо охарактеризованных и воспроизводимых объемов аэрозоля с течением времени. Производство аэрозоля из устройства ЕС с контролируемым режимом пыхтения, безусловно, было бы наиболее репрезентативным процессом с точки зрения потребления пользователем. Для нормативных исследований токсичности, учитывая разнообразие возможных жидких составов, которые пользователи часто могут готовить самостоятельно, и в то же время изменяя некоторые характеристики устройства (например, доставляемую энергию), использование устройств ЕС для проведения долгосрочных токсикологических исследований с повторным воздействием является не только сложным, но и потенциально неадекватным.
Капиллярный генератор аэрозолей (CAG), разработанный Philip Morris12,13 и доработанный Университетом Содружества Вирджинии14, работает по принципу создания струи потока горячего пара из электрически нагретого капилляра, который впоследствии охлаждается окружающим воздухом, вызывая образование ядра частиц и последующую конденсацию, что приводит к образованию аэрозолей. Поскольку одни и те же физические процессы приводят к образованию аэрозолей в ЭК (помимо доставки жидкости в капилляр насосом в ЦАГ, который в ЭК обычно заменяется капиллярными силами, действующими на впитывающий материал, вытягивающий жидкость из резервуара в ЕС), характеристики аэрозолей, генерируемых ЦАГ, очень похожи на характеристики аэрозолей ЕС14 (рисунок 14). ). CAG позволяет производить большие объемы аэрозоля с небольшими требованиями к обращению; поэтому он особенно подходит для ингаляционных исследований in vivo.
CAG представляет собой лабораторное устройство, состоящее из нагретой капиллярной трубки, просто соединенной с регулятором температуры и резервуаром для жидкости через перистальтический насос (рисунок 2A). Капилляр (160 мм, 21 G, нержавеющая сталь) нагревается четырьмя нагревательными элементами, встроенными в алюминиевый блок (рисунок 2B). Температура обычно устанавливается на уровне 250-275 °C, чтобы имитировать условия нагрева катушки устройстваEC 15. Жидкость, прокачиваемая через капилляр, нагревается и превращается в горячий пар, выходящий из кончика капилляра. Сборка CAG (рисунок 2C) требует дополнительных элементов для смешивания образующегося пара с холодным воздухом и формирования аэрозоля. Резкое перемешивание горячего перенасыщенного пара с потоком холодного воздуха приводит к зарождению и последующей конденсации, что приводит к образованию аэрозолей (рисунок 2C). В нашей конструкции CAG (рисунок 3) дополнительный нагретый воздушный поток сначала охлаждает внешний корпус, а затем циркулирует вдоль нагревательных блоков, чтобы нагреть воздушный поток, предотвращая в то же время конденсацию обратного потока жидкости на кончике капилляра и стабилизируя взрыв струи пара. Кроме того, он создает нежелательное экранирование горячих паров, тем самым влияя на процесс нуклеации. По этой причине расход, применяемый для этого воздушного потока, должен быть минимальным и соответствовать цели приложения. Этот воздушный поток будет называться «нагретым воздушным потоком» на протяжении всей этой рукописи, хотя следует понимать, что этот поток нагревается пассивно нагревательными блоками, а не намеренно пользователем.
Скорость потока охлаждающего воздуха оказывает сильное влияние на размер образующихся аэрозольных частиц. При производстве аэрозолей для ингаляционных исследований in vivo поток разрежающего воздуха будет определять дозу воздействия и, возможно, его придется дополнительно разбавлять до достижения экспозиционной камеры. Помимо химического состава аэрозолей, важно охарактеризовать распределение частиц аэрозоля по размерам (PSD) для обеспечения того, чтобы образующийся аэрозоль был аналогичен образующемуся ЭК и находился в пределах диапазона размеров ингаляционных частиц, рекомендованного руководящими принципами ОЭСР (часто параметризуемого предположением о логарифмической нормальности PSD со средним аэродинамическим диаметром массы [MMAD] и геометрическим стандартным отклонением [GSD]).
MMAD образующихся аэрозолей может широко варьироваться в зависимости от конструкции устройства, физико-химических свойств жидкости состава (например, плотности, вязкости и поверхностного натяжения), скорости воздушного потока и температуры, диктующей термодинамические условия 14,16,17. Для экспериментов по воздействию in vivo воздушный поток обычно состоит из кондиционированного, отфильтрованного воздуха при 22 ± 2 °C и 60% ± 5% относительной влажности. Полученный аэрозоль затем может быть дополнительно разбавлен в зависимости от требований исследования для достижения целевых концентраций в испытательной атмосфере. Затем он подается по стеклянному трубопроводу в экспозиционную камеру, чтобы уменьшить потери фильтрации. В результатах, представленных здесь, установлены настройки температуры и воздушного потока, чтобы продемонстрировать, что CAG может быть использован для непрерывного производства контролируемого аэрозоля с последовательным и ингаляционным PSD и определенными концентрациями для ингаляционных исследований in vivo.
В протоколе мы опишем, как: 1) собрать CAG, 2) определить параметры, необходимые для генерации аэрозоля из CAG, 3) выполнить генерацию аэрозоля и 4) проанализировать физические и химические составляющие, представляющие интерес в аэрозоле. Для этих предварительных прогонов мы рассматриваем жидкий раствор на основе смеси аэрозоль-образующих компонентов: пропиленгликоля (PG), глицерина (VG), воды и никотина на заданных массовых долях. Наконец, мы поделимся примерными данными для оценки сложной многовидовой смеси, полученной в наших экспериментах (с участием вышеупомянутых компонентов, смешанных с дополнительными вкусовыми составляющими). Мы обсудим общие результаты и проблемы, а также применимость этого экспериментального подхода к оценке таких смесей.
Образование аэрозолей с помощью CAG помогает уменьшить изменчивость процессов аэрозоляции для конкретных устройств EC, что позволяет объективно и контролируемо оценивать саму аэрозольную электронную жидкость. Было показано, что аэрозоли, генерируемые CAG, являются репрезентативными для аэрозолей, образующихся в ЕС7. Они могут быть воспроизводимо получены с одинаковым составом и характеристиками и, следовательно, особенно пригодны для исследований долгосрочного воздействия in vivo , требующих больших объемов аэрозоля в течение длительного периода времени8.
Установка CAG относительно проста в сборке и обслуживании. Однако рабочие параметры, такие как расход жидкости и соответствующие скорости потока воздуха, остаются критическими для производства контролируемого аэрозоля, что требует оптимизации метода в соответствии с целью применения аэрозоля, генерируемого CAG.
Результаты, представленные в текущем исследовании, показывают, что скорость потока охлаждающего воздуха оказывает явное влияние на распределение частиц аэрозоля по размерам. Поток охлаждающего воздуха оказывает непосредственное влияние не только на зарождение образующихся паров, но и на конденсацию, из-за охлаждения внутренней трубки, в которой протекает образующийся аэрозоль. Кроме того, плотный аэрозоль подвержен существенным коагуляционным эффектам. В совокупности эти процессы сложны, и их взаимодействие и влияние на образование аэрозолей довольно трудно обобщить для конкретных электронных жидкостей, температур и потоков. Состав дополнительного воздушного потока (сухой или увлажненный с фиксированным процентом относительной влажности), в частности, содержание воды, будет влиять на тепло- и массообмен, приводя не только к модулированному росту конденсации аэрозольных частиц, но и к конденсации стенок. Таким образом, модификации параметров этого метода считаются предназначенными для использования с точки зрения контроля PSD17,19.
Присутствие химических веществ с низкой растворимостью или высокими температурами кипения может ограничить эффективность аэрозоля, генерируемого CAG, из-за осаждения в капилляре и засорения капилляра с течением времени. В зависимости от химических веществ, присутствующих в аэрозоле, температура для работы CAG должна быть отрегулирована для образования пара. Кроме того, следует регулярно оценивать стабильность жидкого состава. Добавление компонентов, включая ароматизаторы, с различными температурами кипения будет оказывать влияние на конечную аэрозольную композицию14 и газожидкостное разделение. Возможно, потребуется адаптировать температуру капилляра и поток нагрева воздуха для предотвращения обратного потока и осаждения жидкости вблизи горячего капилляра, что может привести к образованию неконтролируемых продуктов термической деградации (таких как карбонилы) из-за длительной продолжительности удержания жидкости при высокой температуре. Кроме того, контроль температуры, используемой для генерации пара в капилляре, влияет на то, где пар начинает образовываться в капилляре – чем выше температура, тем раньше образуется пар. При более высокой капиллярной температуре пару, выходящему из капилляра, потребуется больше времени для охлаждения потоком охлаждающего воздуха и, следовательно, он начнет нуклеаться и конденсироваться в аэрозоль дальше от кончика капилляра, помогая избежать эффекта обратного потока19.
Текущие токсикологические исследования электронных жидкостей in vivo ограничены в воспроизведении аэрозолей электронных сигарет из-за логистической сложности для удовлетворения требуемого масштаба аэрозоля, как, например, в исследовании ОЭСР TG 41320. Протокол, представленный в этом исследовании, дает обзор сборки и настроек CAG, используемых в Philip Morris International для получения аэрозолей in vivo в исследованиях долгосрочного воздействия18. Эти данные могут служить хорошей отправной точкой для дальнейшей тонкой настройки в другой лабораторной среде (например, системы доставки лекарственного средства21) или для адаптации к конкретным требованиям конкретного исследования.
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 |