O protocolo descreve as configurações e o uso de um gerador de aerossol capilar para produção contínua de aerossol controlado a partir de uma solução líquida multiespécie, adequada para entrega constante de aerossol de grande volume (por exemplo, estudos de inalação de inalação viva ).
O gerador de aerossol capilar (CAG) é operado com o principal da evaporação térmica líquida através do aquecimento do e-líquido na fase inicial, seguido de nucleação e condensação regulada através de uma mistura de fluxo de ar para gerar aerossóis, como em um cigarro eletrônico (CE). O CAG é particularmente útil na geração de aerossóis de grandes volumes de forma contínua, por exemplo, como estudos toxicológicos de inalação in vivo , onde o uso de CEs não é viável. Os efeitos térmicos da geração de aerossol a partir do CAG são semelhantes em termos de temperatura aplicada em uma CE, permitindo assim que os pesquisadores avaliem os vapores de e-líquidos em escala e reprodutibilidade. Como o funcionamento do CAG permite que os usuários controlem parâmetros críticos, como a taxa de fluxo de e-líquido, temperaturas de aquecimento e fluxos de ar de diluição, permite aos pesquisadores testar várias formulações de e-líquido em um dispositivo bem controlado. Propriedades, como o tamanho das partículas de aerossol, demonstram-se que são reguladas com a vazão do ar no que diz respeito ao fluxo e-líquido e à composição e-líquido. O CAG, no entanto, é limitado na avaliação de questões comuns relacionadas à CE, como o superaquecimento de seus elementos. Buscamos demonstrar que o CAG pode gerar aerossol reprodutível e contínuo, avaliando as características químicas e físicas do aerossol com uma formulação e-líquida escolhida. O protocolo descreve os parâmetros operacionais da taxa de fluxo líquido, das taxas de fluxo de ar de diluição e dos procedimentos operacionais que precisam otimizar a concentração de aerossol e o tamanho das partículas necessárias para um estudo toxicológico in vivo . Apresentando os resultados representativos do protocolo e discutindo os desafios e aplicações de trabalhar com um CAG, demonstramos que o CAG pode ser usado de forma reprodutível. A tecnologia e o protocolo, que foi desenvolvido a partir de trabalhos anteriores, servem de base para futuras inovações para investigações de geração de aerossol controladas por laboratório.
Os e-líquidos comuns contêm uma mistura de propilenoglicol, glicerol, água, nicotina e sabores selecionados. A composição de um aerossol gerado a partir de um dispositivo CE depende não apenas da formulação líquida, mas também do material, design e características do dispositivo. Consequentemente, muitos dispositivos CE podem introduzir uma grande variabilidade na saída de aerossol1, incluindo a produção específica de dispositivos de níveis elevados de constituintes indesejados, variação de volume de puff, alteração no fluxo de ar devido a orifícios de ventilação bloqueados e “puffing seco” (quando o recipiente líquido está quase vazio, causando superaquecimento do dispositivo porque parte da energia entregue não é usada para evaporação líquida)2 . Além disso, o carregamento, recarga e limpeza de dispositivos EC durante estudos de inalação de longo prazo se tornaria uma enorme restrição adicional em termos de logística3. Por essas razões, outros geradores de aerossol devem ser considerados para produção em larga escala de aerossóis e avaliação adequada de formulações líquidas, evitando variações relacionadas ao dispositivo na composição do aerossol e diminuindo a cargade trabalho 4,5. No entanto, os aerossóis gerados por dispositivos devem permanecer parte das estratégias de avaliação de risco, pois os níveis de certos constituintes em dispositivos CE podem ser mais elevados do que aqueles em geradores de aerossóis padronizados controlados em laboratório devido às especificidades de aquecimento/resfriamento dos dispositivos 6,7,8.
Devido às informações limitadas sobre os requisitos regulatórios atualmente disponíveis, os métodos de avaliação para a toxicidade potencial dos aerossóis gerados pelos cigarros eletrônicos (CE) ainda estão evoluindo 9,10,11. No entanto, uma avaliação in vitro e in vivo precisa requer a geração de volumes bem caracterizados e reprodutíveis de aerossol ao longo do tempo. Produzir aerossol a partir de um dispositivo CE com um regime de sopro controlado certamente seria o processo mais representativo na perspectiva do consumo do usuário. Para estudos de toxicidade regulatória, considerando uma variedade de possíveis formulações líquidas que os usuários podem muitas vezes preparar por si mesmos e, ao mesmo tempo, modificar algumas características do dispositivo (por exemplo, energia fornecida), o uso de dispositivos CE para a realização de estudos toxicológicos de exposição repetida a longo prazo não são apenas desafiadores, mas também potencialmente inadequados.
O gerador de aerossol capilar (CAG) desenvolvido pela Philip Morris12,13 e ainda refinado pela Virginia Commonwealth University14-works com o princípio de criar um jato de fluxo de vapor quente a partir de um capilar eletricamente aquecido, que é posteriormente resfriado com ar ambiente, causando formação de núcleo de partículas e condensação subsequente, levando à formação de aerossol. Como os mesmos processos físicos levam à formação de aerossol em CE (além da entrega do líquido ao capilar por uma bomba no CAG, que, em uma CE, geralmente é substituída por forças capilares que atuam no material de pavio que retira o líquido do reservatório no CE), as características dos aerossóis gerados pelo CAG são muito semelhantes às dos aerossóis CE14 (Figura 1 ). O CAG permite a produção de grandes volumes de aerossol, com poucos requisitos de manuseio; é, portanto, particularmente adequado para estudos de inalação in vivo.
O CAG é um dispositivo de laboratório que consiste em um tubo capilar aquecido simplesmente conectado a um controlador de temperatura e a um reservatório líquido através de uma bomba peristáltica (Figura 2A). O capilar (160 mm, 21 G, aço inoxidável) é aquecido por quatro elementos de aquecimento, todos embutidos em um bloco de alumínio (Figura 2B). A temperatura é tipicamente definida em 250-275 °C para imitar as condições de aquecimento da bobina de um dispositivo EC15. O líquido bombeado através do capilar é aquecido e transformado em vapor quente saindo da ponta do capilar. O conjunto CAG (Figura 2C) requer elementos adicionais para misturar o vapor gerado com ar frio e formar um aerossol. A mistura abrupta do vapor quente supersaturado com uma corrente de ar frio resulta em nucleação e condensação subsequente, levando à formação de aerossol (Figura 2C). Em nosso projeto CAG (Figura 3), um fluxo de ar aquecido adicional primeiro esfria o corpo externo e depois circula ao longo dos blocos de aquecimento para aquecer o fluxo de ar, impedindo, ao mesmo tempo, a condensação do fluxo de recuo líquido na ponta do capilar e estabilizando a explosão do jato de vapor. Além disso, cria blindagem indesejada de vapores quentes, impactando assim o processo de nucleação. Por essa razão, a vazão aplicada para este fluxo de ar deve ser mínima e se adequar à finalidade da aplicação. Este fluxo de ar será chamado de “fluxo de ar aquecido” ao longo deste manuscrito, embora deva ser entendido que este fluxo é aquecido passivamente pelos blocos de aquecimento e não de propósito pelo usuário.
A taxa de fluxo de ar de resfriamento tem uma forte influência sobre o tamanho das partículas de aerossol geradas. Na produção de aerossol para estudos de inalação in vivo , o fluxo de ar de diluição determinará a dose de exposição e poderá ter que ser ainda mais diluído antes de chegar à câmara de exposição. Além da composição química dos aerossóis, é essencial caracterizar a distribuição do tamanho de partículas de aerossol (PSD) para garantir que o aerossol gerado seja semelhante ao gerado pelos CES e dentro da faixa de tamanho de partícula de inalação recomendada pelas diretrizes da OCDE (muitas vezes parametrizada pela presunção de log-normalidade do PSD com diâmetro aerodinâmico médio em massa [MMAD] e desvio padrão geométrico [GSD]).
O MMAD dos aerossóis gerados pode variar amplamente dependendo do design do dispositivo, propriedades líquidas físico-químicas da formulação (por exemplo, densidade, viscosidade e tensão superficial), taxa de fluxo de ar e temperatura ditando condições termodinâmicas 14,16,17. Para experimentos de exposição in vivo, o fluxo de ar geralmente consiste em ar condicionado, filtrado a 22 ± 2 °C e 60% ± 5% de umidade relativa. O aerossol gerado pode então ser diluído ainda mais dependendo dos requisitos do estudo, para atingir concentrações-alvo na atmosfera de teste. Em seguida, é entregue através de tubulação de vidro para a câmara de exposição, a fim de diminuir a perda de filtragem. Nos resultados aqui apresentados, estabelecem-se as configurações de temperatura e fluxo de ar para demonstrar que o CAG pode ser utilizado para produção contínua de um aerossol controlado com PSD consistente e inalável e concentrações definidas para estudos de inalação in vivo.
No protocolo, descreveremos como: 1) montar o CAG, 2) determinar parâmetros necessários para gerar aerossol a partir do CAG, 3) realizar geração de aerossol e 4) analisar constituintes físicos e químicos de interesse no aerossol. Para estas corridas preliminares, consideramos uma solução líquida baseada em uma mistura de componentes formadores de aerossol: propilenoglicol (PG), glicerol (VG), água e nicotina em frações de massa prescritas. Finalmente, compartilharemos dados de exemplo para avaliação de uma complexa mistura multiespécie gerada em nossos experimentos (envolvendo os constituintes acima mencionados misturados com constituintes adicionais de sabor). Discutiremos os resultados e desafios gerais, juntamente com a aplicabilidade desta abordagem experimental para avaliação dessas misturas.
A geração de aerossóis com CAG ajuda a reduzir a variabilidade dos processos específicos de aerossolização do dispositivo CE, permitindo uma avaliação objetiva e controlável da própria formulação aerossolizada de líquido eletrônico. Os aerossóis gerados pelo CAG têm se mostrado representativos dos aerossóis gerados pelosCES 7. Eles podem ser reproduzidos com a mesma composição e características e são, portanto, particularmente adequados para estudos de exposição in vivo a longo prazo que requerem grandes volumes de aerossol durante um longo período de tempo8.
A configuração CAG é relativamente simples de montar e fácil de manter. No entanto, os parâmetros operacionais, como a vazão líquida e as respectivas taxas de fluxo de ar permanecem críticos para a produção de aerossol controlado, o que requer otimização do método de acordo com a finalidade de aplicação do aerossol gerado pelo CAG.
Os resultados apresentados no presente estudo mostram que a taxa de fluxo de ar de resfriamento tem um efeito claro na distribuição do tamanho das partículas de aerossol. O fluxo de ar de resfriamento tem um impacto direto não só na nucleação dos vapores gerados, mas também na condensação, por causa do resfriamento da tubulação interna em que o aerossol gerado flui. Além disso, o aerossol denso é propenso a efeitos substanciais de coagulação. Combinados, esses processos são complexos e sua interação e influência na formação de aerossol são bastante difíceis de generalizar para os e-líquidos, temperaturas e fluxos específicos. A composição suplementar do fluxo de ar (seco ou umidificado com uma porcentagem fixa de umidade relativa)-em particular, o teor de água – influenciará o calor e a troca de massa, levando não apenas ao crescimento modulado de condensação de partículas de aerossol, mas também à condensação da parede. Assim, modificações nos parâmetros deste método são consideradas para fins de uso em termos de controle do PSD17,19.
A presença de produtos químicos com baixa solubilidade ou pontos de ebulição elevados poderia limitar a eficácia do aerossol gerado pelo CAG devido à precipitação dentro do capilar e entupimento do capilar ao longo do tempo. Dependendo dos produtos químicos presentes no aerossol, a temperatura para operar o CAG deve ser ajustada para gerar o vapor. Além disso, a estabilidade da formulação líquida deve ser avaliada regularmente. A adição de constituintes, incluindo sabores, com diferentes pontos de ebulição terá influência na composição final do aerossol14 e particionamento gás-líquido. Pode ser necessário adaptar a temperatura capilar e o fluxo de ar de aquecimento para evitar o fluxo de retorno e a deposição líquida perto do capilar quente, o que poderia resultar na geração de produtos descontrolados de degradação térmica (como os carbonilais) devido à longa duração de retenção do líquido a uma alta temperatura. Além disso, controlar a temperatura usada para gerar o vapor no capilar tem um impacto sobre onde o vapor começa a se formar no capilar – quanto mais alta a temperatura, mais cedo o vapor é formado. Com uma temperatura capilar mais alta, o vapor que sai do capilar levará mais tempo para ser resfriado pelo fluxo de ar de resfriamento e, portanto, começará a nuclear e condensar em um aerossol mais distante da ponta capilar, ajudando a evitar um efeito de backflow19.
Os atuais estudos de toxicologia e-líquido in vivo são limitados na reprodução de aerossóis de cigarro eletrônico devido à complexidade logística para atender à escala de aerossol necessária, como em um estudo da OCDE TG 41320. O protocolo apresentado neste estudo dá uma visão geral sobre a montagem do CAG e as configurações utilizadas na Philip Morris International para geração de aerossol em estudos de exposição in vivo a longo prazo18. Esses dados podem servir como um bom ponto de partida para ajuste suplementar em outro ambiente de laboratório (por exemplo, sistemas de entrega de medicamentos21) ou para adaptação a requisitos específicos de um determinado estudo.
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 |