该协议描述了毛细管气溶胶发生器的设置和使用,用于从多物种液体溶液中连续产生受控气溶胶,适用于稳定的大体积气溶胶输送(例如, 体内 吸入研究)。
毛细管气溶胶发生器(CAG)的原理是通过在初始阶段加热电子液体来进行热液体蒸发,然后通过气流混合物调节成核和冷凝以产生气溶胶,例如在电子烟(EC)中。CAG在连续产生大量气溶胶方面特别有用,例如 体内 吸入毒理学研究,其中EC的使用不可行。从CAG产生气溶胶的热效应在EC中施加的温度方面是相似的,因此允许研究人员在规模和再现性上评估电子液体的蒸气。由于CAG的操作允许用户控制关键参数,例如电子液体的流速,加热温度和稀释气流,因此它允许研究人员在控制良好的设备中测试各种电子液体配方。诸如气溶胶粒径之类的性质被证明可以随相对于电子液体流动和电子液体组合物的空气流速进行调节。然而,复合年利益集团在评估与欧共体有关的常见问题方面受到限制,例如其要素过热。我们试图通过使用所选的电子液体配方评估化学和物理气溶胶特性来证明CAG可以产生可重复和连续的气溶胶。该协议描述了液体流速,稀释空气流速的操作参数以及需要优化 体内 毒理学研究所需的气溶胶浓度和粒径的操作程序。通过介绍该协议的代表性结果并讨论使用CAG的挑战和应用,我们证明了CAG可以以可重复的方式使用。从先前的工作中开发的技术和协议为实验室控制的气溶胶生成研究的未来创新奠定了基础。
常见的电子液体含有丙二醇,甘油,水,尼古丁和所选香料的混合物。EC设备产生的气溶胶的组成不仅取决于液体配方,还取决于设备的材料,设计和特性。因此,许多EC设备可能会在气溶胶输出1中引入很大的可变性,包括特定于设备产生过量成分的升高,泡气体积变化,由于通风孔阻塞而导致的气流变化以及“干膨化”(当液体容器几乎空时,由于部分输送的能量不用于液体蒸发,导致设备过热)2.此外,在长期吸入研究中,充电,再填充和清洁EC设备将成为物流方面的巨大额外限制3。由于这些原因,应考虑使用其他气溶胶发生器来大规模生产气溶胶和适当评估液体配方,同时避免与设备相关的气溶胶成分变化并减少工作负荷4,5。然而,装置产生的气溶胶仍应是风险评估战略的一部分,因为由于装置的加热/冷却特性,欧共体装置中某些成分的水平可能比实验室控制的标准化气溶胶发生器中的含量高6,7,8。
由于目前关于监管要求的信息有限,电子烟(EC)产生的气溶胶潜在毒性的评估方法仍在发展9,10,11。然而,准确的 体外 和 体内 评估需要随着时间的推移产生表征良好且可重复的气溶胶体积。从具有受控膨化方案的EC设备产生气溶胶,从用户消费的角度来看,这无疑是最具代表性的过程。对于监管毒性研究,考虑到用户可能经常自己制备的各种可能的液体制剂,同时修改某些设备特性(例如,传递的能量),使用EC设备进行长期重复暴露的毒理学研究不仅具有挑战性,而且可能不足。
毛细管气溶胶发生器(CAG)由菲利普莫里斯12,13 开发并由弗吉尼亚联邦大学14进一步改进,其原理是从电加热的毛细管产生热蒸汽流,随后用环境空气冷却,导致颗粒核形成和随后的冷凝,导致气溶胶形成。由于相同的物理过程导致EC中气溶胶形成(除了通过CAG中的泵将液体输送到毛细管外,在EC中,通常被作用于芯吸材料上的毛细管力取代,从EC中的储液器中抽取液体),CAG产生的气溶胶的特性与EC气溶胶的特性非常相似14 (图1).CAG允许生产大量的气溶胶,处理要求很少;因此,它特别适用于 体内 吸入研究。
CAG是一种实验室设备,由加热的毛细管组成,只需连接到温度控制器并通过蠕动泵连接到 液体储液 器(图2A)。毛细管(160 mm,21 G,不锈钢)由四个加热元件加热,全部嵌入到铝块中(图2B)。温度通常设定在250-275°C,以模拟EC设备15的线圈加热条件。泵送通过毛细管的液体被加热并转化为从毛细管尖端流出的热蒸汽。CAG组件(图2C)需要额外的元件来将产生的蒸汽与冷空气混合并形成气溶胶。热的过饱和蒸汽与冷气流突然混合导致成核和随后的冷凝,导致气溶胶形成(图2C)。在我们的CAG设计(图3)中,额外的加热气流首先冷却外部主体,然后沿着加热块循环以加热气流,同时防止液体回流在毛细管尖端冷凝并稳定蒸汽射流爆发。此外,它还会产生不必要的热蒸汽屏蔽,从而影响成核过程。因此,应用于该气流的流速应最小,并符合应用的目的。在整个手稿中,这种气流将被称为“加热气流”,尽管必须理解这种气流是由加热块被动加热的,而不是用户故意加热的。
冷却气流速率对产生的气溶胶颗粒的大小有很大的影响。在用于 体内 吸入研究的气溶胶生产中,稀释气流将决定暴露剂量,并且在到达暴露室之前可能必须进一步稀释。除了气溶胶的化学成分外,还必须确定气溶胶粒度分布(PSD)的特征,以确保产生的气溶胶与EC产生的气溶胶相似,并且在经合组织指南建议的吸入粒度范围内(通常通过PSD与质量中值空气动力学直径[MMAD]和几何标准偏差[GSD]的对数正态性假设进行参数化)。
生成的气溶胶的MMD可以根据设备设计,配方的物理化学液体性质(例如,密度,粘度和表面张力),空气流速和温度决定热力学条件14,16,17而有很大差异。对于 体内 暴露实验,气流通常由22±2°C和60%±5%相对湿度的经过过滤的空气组成。然后可以根据研究要求进一步稀释产生的气溶胶,以达到测试气氛中的目标浓度。然后 通过 玻璃管道将其输送到暴露室,以减少过滤损失。在这里介绍的结果中,建立了温度和气流设置,以证明CAG可用于连续产生受控气溶胶,具有一致且可吸入的PSD和定义浓度,用于 体内 吸入研究。
在协议中,我们将描述如何:1)组装CAG,2)确定从CAG产生气溶胶所需的参数,3)执行气溶胶生成,以及4)分析气溶胶中感兴趣的物理和化学成分。对于这些初步运行,我们考虑基于气溶胶形成组分混合物的液体溶液:丙二醇(PG),甘油(VG),水和尼古丁在规定的质量分数。最后,我们将分享示例数据,以评估实验中产生的复杂多物种混合物(涉及上述成分与其他风味成分混合)。我们将讨论总体结果和挑战,以及这种实验方法在评估此类混合物方面的适用性。
使用CAG生成气溶胶有助于减少EC设备特定气雾化过程的可变性,从而允许对雾化电子液体配方本身进行客观和可控的评估。CAG产生的气溶胶已被证明是EC 7产生的气溶胶的代表。它们可以以相同的组成和特性可重复地产生,因此 特别适用于在 体内长期暴露于需要大量气溶胶在很长一段时间内进行的长期暴露研究8。
CAG设置相对容易组装和维护。然而,操作参数,如液体流速和相应的空气流速对于生产受控气溶胶仍然至关重要,这需要根据CAG产生的气溶胶的应用目的进行方法优化。
本研究结果表明,冷却气流速率对气溶胶粒径分布有明显影响。冷却气流不仅对产生的蒸汽成核有直接影响,而且对冷凝也有直接影响,因为产生的气溶胶在其中流动的内部管道的冷却。此外,致密的气溶胶容易产生实质性的凝血作用。综合起来,这些过程是复杂的,它们对气溶胶形成的相互作用和影响对于特定的电子液体,温度和流动是相当难以推广的。补充气流成分(干燥或加湿,相对湿度的固定百分比) – 特别是含水量 – 将影响热量和质量交换,不仅导致气溶胶颗粒的冷凝增长调节,而且导致壁冷凝。因此,对此方法参数的修改被视为用于控制PSD17,19。
低溶解度或高沸点的化学物质的存在可能会限制CAG产生的气溶胶的有效性,因为毛细管内的沉淀和毛细管随着时间的推移而堵塞。根据气溶胶中存在的化学物质,必须调整CAG操作的温度以产生蒸汽。此外,应定期评估液体制剂的稳定性。添加具有不同沸点的成分,包括香料,将对最终的气溶胶组成14 和气液分配产生影响。可能需要调整毛细管温度和加热气流,以防止回流和热毛细管附近的液体沉积,这可能导致产生不受控制的热降解产物(如羰基),因为液体在高温下保留的时间很长。此外,控制用于在毛细管中产生蒸汽的温度会影响蒸汽在毛细管中开始形成的位置 – 温度越高,蒸汽形成得越早。随着毛细管温度的升高,从毛细管流出来的蒸汽将需要更长的时间才能被冷却气流冷却,因此将开始成核并凝结成远离毛细管尖端的气溶胶,有助于避免回流效应19。
目前的电子烟 体内 毒理学研究在复制电子烟气溶胶方面受到限制,因为满足所需的气溶胶规模的后勤复杂性,例如在经合组织TG 413研究中20。本研究中介绍的方案概述了菲利普莫里斯国际公司用于 体内 气溶胶生成的CAG组装和设置长期暴露研究18。这些数据可以作为在另一个实验室环境(例如,药物递送系统21)中进一步微调或适应特定研究的特定要求的良好起点。
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 |