このプロトコルは、定常的な大容量エアロゾル送達(例えば、 インビボ 吸入研究)に適した、多種液体溶液からの制御されたエアロゾルの連続生産のためのキャピラリーエアロゾル発生器の設定および使用を記載する。
キャピラリーエアロゾル発生器(CAG)は、初期段階での電子液体の加熱による熱液体蒸発の原理で動作し、続いて気流の混合物を介して調整された核生成および凝縮により、電子タバコ(EC)などのエアロゾルを生成する。CAGは、ECの使用が不可能な in vivo 吸入毒物学研究などの事例で、連続的に大量のエアロゾルを生成するのに特に有用である。CAGからエアロゾルを生成する熱的影響は、ECに適用される温度の点で類似しているため、研究者は電子液体の蒸気を大規模かつ再現性で評価することができます。CAGの動作により、ユーザーは電子液体の流量、加熱温度、希釈空気流などの重要なパラメータを制御できるため、研究者は十分に制御されたデバイスでさまざまな電子液体製剤をテストできます。エアロゾル粒径などの特性は、電子液体流および電子液体組成物に対する空気流速によって調節されることが実証される。しかし、CAGは、その要素の過熱など、一般的なEC関連の問題を評価するのに限界があります。我々は、CAGが、選択された電子液体製剤で化学的および物理的エアロゾル特性を評価することによって、再現性および連続的なエアロゾルを生成できることを実証しようとしている。このプロトコルは、 in vivo 毒物学研究に必要なエアロゾル濃度と粒子サイズを最適化するために必要な液体流量、希釈空気流量、および操作手順の動作パラメータを記述しています。プロトコルの代表的な結果を提示し、CAGを使用する際の課題とアプリケーションについて議論し、CAGが再現可能な方法で使用できることを実証します。以前の研究から開発された技術とプロトコルは、実験室で制御されたエアロゾル生成研究のための将来の革新の基盤として機能します。
一般的な電子液体は、プロピレングリコール、グリセロール、水、ニコチン、および選択されたフレーバーの混合物を含有する。EC装置から生成されるエアロゾルの組成は、液体製剤だけでなく、装置の材料、設計、特性にも依存する。その結果、多くのEC機器は、デバイス固有の不要な成分の生成、パフ体積の変動、換気孔の閉塞による気流の変化、「ドライパフリング」(液体容器がほぼ空の場合、供給されたエネルギーの一部が液体蒸発に使用されないため、デバイスの過熱を引き起こす)2.さらに、長期吸入研究中のECデバイスの充電、補充、および洗浄は、物流の面で大きな追加制約になります3。これらの理由から、エアロゾル組成物の装置関連の変動を回避し、作業負荷を低減しながら、エアロゾルの大規模生産および液体製剤の適切な評価のために、他のエアロゾル発生器を考慮するべきである4,5。それにもかかわらず、装置の加熱/冷却特異性のために、EC装置中の特定の成分のレベルは実験室制御の標準化されたエアロゾル発生器のレベルよりも上昇する可能性があるため、装置生成エアロゾルはリスク評価戦略の一部であり続けるべきである6,7,8。
現在利用可能な規制要件に関する情報が限られているため、電子タバコ(EC)によって生成されるエアロゾルの潜在的な毒性の評価方法は依然として進化しています9,10,111。しかしながら、正確なインビトロおよびインビボ評価は、時間の経過とともに十分に特徴付けられ、再現可能な量のエアロゾルの生成を必要とする。制御された膨らみレジメンを備えたEC装置からエアロゾルを製造することは、ユーザーの消費の観点から確かに最も代表的なプロセスです。規制毒性試験では、ユーザーがしばしば自分で調製し、同時にいくつかのデバイス特性(例えば、送達エネルギー)を変更する可能性のある様々な液体製剤を考慮すると、長期間の反復暴露毒物学研究を実施するためのECデバイスの使用は困難であるだけでなく、潜在的に不十分である。
Philip Morris 12,13によって開発され、バージニアコモンウェルス大学14によってさらに洗練されたキャピラリーエアロゾル発生器(CAG)は、電気的に加熱されたキャピラリーから熱い蒸気流のジェットを作り出し、その後周囲空気で冷却され、粒子核の形成とその後の凝縮を引き起こし、エアロゾル形成につながるという原理に取り組んでいます。同じ物理的プロセスがECにおけるエアロゾル形成につながるため(ECでは、通常、EC内のリザーバから液体を引き出す吸汗材料に作用する毛細管力によって置き換えられるCAG内のポンプによる毛細血管への液体の送達は別として)、CAGによって生成されたエアロゾルの特性はECエアロゾル14の特性と非常によく似ています(図1).CAGは、処理要件をほとんど必要とせずに、大量のエアロゾルの製造を可能にします。したがって、インビボ吸入研究に特に適している。
CAGは、温度コントローラとペリスタルティックポンプ を介して 液体リザーバに簡単に接続された加熱キャピラリーチューブからなる実験装置です(図2A)。キャピラリー(160mm、21G、ステンレス鋼)は、すべてアルミニウムブロックに埋め込まれた4つの発熱体によって加熱されます(図2B)。温度は、EC装置15のコイル加熱条件を模倣するために、典型的には250〜275°Cに設定される。キャピラリーを通ってポンプで送られた液体は加熱され、キャピラリーの先端から出る熱い蒸気に変わります。CAGアセンブリ(図2C)は、生成された蒸気を冷たい空気と混合し、エアロゾルを形成するための追加の要素を必要とする。高温の過飽和蒸気と冷たい空気流の突然の混合は、核生成とその後の凝縮をもたらし、エアロゾル形成をもたらす(図2C)。当社のCAG設計(図3)では、追加の加熱空気流が最初に外部ボディを冷却し、その後加熱ブロックに沿って循環して空気流を加熱し、同時にキャピラリーの先端での液体逆流の凝縮を防ぎ、蒸気ジェットバーストを安定化させます。さらに、高温蒸気の不要な遮蔽を作成し、核生成プロセスに影響を与えます。このため、この空気流に適用される流量は最小限に抑え、アプリケーションの目的に適合する必要があります。この気流は、この原稿全体を通して「加熱気流」と呼ばれますが、この流れは加熱ブロックによって受動的に加熱され、ユーザーによって意図的に加熱されないことを理解しなければなりません。
冷却空気流量は、生成されたエアロゾル粒子のサイズに強い影響を及ぼす。 インビボ 吸入研究のためのエアロゾル製造において、希釈空気流は曝露用量を決定し、曝露チャンバに到達する前にさらに希釈されなければならないかもしれない。エアロゾルの化学組成に加えて、生成されたエアロゾルがECによって生成されたものと類似し、OECDガイドラインによって推奨される吸入粒径範囲内にあることを保証するために、エアロゾル粒径分布(PSD)を特徴付けることが不可欠である(多くの場合、質量中央値空気力学的直径[MMAD]および幾何学的標準偏差[GSD]を有するPSDの対数正規性の仮定によってパラメータ化される)。
生成されたエアロゾルのMMADは、装置設計、製剤の物理化学的液体特性(例えば、密度、粘度、および表面張力)、空気流量、および温度決定熱力学的条件14、16、17に応じて大きく変化し得る。in vivo暴露実験の場合、気流は一般に、22 ± 2 °Cおよび60%±5%の相対湿度で調整されたろ過された空気からなる。生成されたエアロゾルは、次いで、試験雰囲気中の目標濃度を達成するために、研究要件に応じてさらに希釈することができる。その後、ろ過損失を低減するために、ガラス配管を介して露光チャンバに送達されます。ここで提示された結果では、CAGが、インビボ吸入研究のために一貫した吸入可能なPSDおよび定義された濃度を有する制御されたエアロゾルの連続生産に使用できることを実証するために、温度および気流設定が確立されている。
プロトコルでは、1)CAGを組み立てる方法、2)CAGからエアロゾルを生成するために必要なパラメータを決定する方法、3)エアロゾル生成を実行する方法、および4)エアロゾルの関心のある物理的および化学的成分を分析する方法について説明します。これらの予備実行のために、我々は、エアロゾル形成成分の混合物に基づく液体溶液を検討する:プロピレングリコール(PG)、グリセロール(VG)、水およびニコチンを所定の質量分率で。最後に、我々の実験で生成された複雑な多種混合物(上記の成分と追加のフレーバー成分との混合を含む)の評価のためのサンプルデータを共有する。我々は、全体的な結果と課題を、そのような混合物の評価のためのこの実験的アプローチの適用可能性とともに議論する。
CAGでエアロゾルを生成することで、ECデバイス固有のエアロゾル化プロセスの変動性を低減し、エアロゾル化された電子液体製剤自体の客観的で制御可能な評価を可能にします。CAGで生成されたエアロゾルは、ECs7によって生成されたエアロゾルの代表であることが示されている。それらは、同じ組成および特性で再現性よく生成することができ、したがって、長期間にわたって大量のエアロゾルを必要とするインビボ長期曝露研究に特に適している8。
CAGセットアップは比較的簡単に組み立てられ、メンテナンスも簡単です。しかしながら、液体流量および各空気流量などの動作パラメータは、制御されたエアロゾルの製造にとって依然として重要であり、CAG生成エアロゾルの適用目的に応じた方法の最適化が必要である。
今回の研究で発表された結果は、冷却空気流量がエアロゾルの粒度分布に明確な影響を与えることを示している。冷却空気流は、生成されたエアロゾルが流れる内部チューブの冷却のために、生成された蒸気の核生成だけでなく、凝縮にも直接的な影響を及ぼす。さらに、緻密なエアロゾルは実質的な凝固効果を起こしやすい。これらのプロセスを組み合わせると複雑であり、それらの相互作用とエアロゾル形成への影響は、特定の電子液体、温度、および流れについて一般化することはかなり困難です。補助気流組成物(乾燥または加湿された相対湿度の一定の割合)は、特に含水率に影響を及ぼし、熱および質量交換に影響を与え、エアロゾル粒子の変調凝縮成長だけでなく、壁凝縮ももたらします。したがって、この方法のパラメータに対する修正は、PSD17、19を制御する観点からの使用目的とみなされる。
低溶解度または高沸点の化学物質の存在は、キャピラリー内の沈殿および経時的なキャピラリーの閉塞のためにCAG生成エアロゾルの有効性を制限する可能性がある。エアロゾル中に存在する化学物質に応じて、CAGを動作させるための温度を調整して蒸気を生成する必要があります。さらに、液体製剤の安定性は定期的に評価されるべきである。異なる沸点を有するフレーバーを含む構成成分の添加は、最終的なエアロゾル組成物14 および気液分配に影響を及ぼすであろう。高温の毛細血管付近の逆流や液体の堆積を防ぐために、毛細管の温度と加熱気流を適応させる必要があるかもしれません、そしてそれは高温での液体の保持の長い持続時間のために熱劣化の制御されない生成物(カルボニルのような)の生成をもたらすかもしれません。さらに、キャピラリー内の蒸気を生成するために使用される温度を制御することは、キャピラリー内の蒸気が形成され始める場所に影響を与えます – 温度が高いほど、蒸気は早く形成されます。キャピラリー温度が高いほど、キャピラリーから出てくる蒸気は冷却空気流によって冷却されるまでに時間がかかり、したがって、キャピラリー先端からさらに離れたエアロゾルに核形成および凝縮し始め、逆流効果19を回避するのに役立つ。
現在の電子液体 in vivo 毒物学研究は、OECD TG 413研究20のように、必要なエアロゾルの規模を満たすための物流上の複雑さのために、電子タバコエアロゾルの再生が制限されている。この研究で提示されたプロトコルは、in vivo 長期曝露研究におけるエアロゾル生成のためにフィリップ・モリス・インターナショナルで使用されたCAGアセンブリおよび設定の概要を提供する18。これらのデータは、別の実験室環境(例えば、薬物送達システム21)におけるさらなる微調整のための、または特定の研究の特定の要件への適応のための良い出発点として役立ち得る。
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 |