Introduction

Une voie d’exposition majeure des matériaux avancés (AdMa) est par l’air. Pour aborder expérimentalement la sécurité de ces matériaux lors de l’inhalation, des systèmes appropriés pour l’exposition à l’air sont nécessaires. Pour l’exposition à l’air de particules sphériques, en plus des systèmes d’exposition continue, le Vitrocell® Cloud est considéré comme acceptable et pratique. En revanche, pour les AdMa tels que les matériaux 2D liés au graphène, le Cloud ne semble pas adapté. C’est pourquoi, dans le cadre du projet européen MACRAME, nous avons commencé à évaluer l’applicabilité d’un fluidiseur pour l’exposition à l’air des AdMa. Une étude antérieure de la BAuA a examiné l’applicabilité de ce système pour les fibres (Broβell et al. 2019).

Méthodes

Le fluidisateur se compose d’un tube en acier inoxydable avec un filtre au fond. Un flux d’air passe à travers ce filtre vers le haut dans le tube. La poudre à aerosoliser était placée sur le filtre. Grâce au flux d’air, la poudre forme un lit fluidisé, c’est-à-dire que les particules flottent dans le flux d’air. Pour défaire les particules entremêlées/agglomérées (améliorant ainsi le processus de fluidisation), une agitation du lit de poudre est appliquée par des vibrations verticales. Le processus est contrôlé par la quantité de poudre, le débit d’air et la fréquence et l’amplitude de la vibration.

Pour l’exposition cellulaire, des modules Vitrocell® 6/4 CF ont été utilisés. Pour améliorer l’efficacité de déposition par thermophorèse, le couvercle du module a été chauffé à 52°C. Nous avons utilisé un modèle d’interface air-liquide (ALI) composé de cellules épithéliales bronchiques humaines Calu-3 et de macrophages différenciés à partir de monocytes humains THP-1 (dTHP-1; Braakhuis et al. 2020, 2023; He et al. 2021). Nous avons exposé le modèle ALI Calu-3/dTHP-1 à trois matériaux, une nanoparticule sphérique (silice amorphe synthétique (SAS; NM-203)), et deux AdMa (graphène (NM-48001a) et oxyde de graphène (GO)). Ces matériaux ont été précédemment testés dans le Vitrocell® Cloud et Vitrocell® powderX (manuscrit en préparation). Les paramètres mesurés étaient : la fonction de barrière du monocouche Calu-3 (TEER), l’activité mitochondriale (WST-1), et la cytotoxicité (libération de LDH). La mesure des cytokines pro-inflammatoires (IL-6, IL-8 et TNF-a) est en cours.

Résultats

Caractérisation des matériaux générés par le fluidisateur

Configuration expérimentale, avec deux modules d’exposition à 3 insertions à gauche et le fluidisateur à droite.

Caractéristiques des particules de SAS, graphite, et GO. L’exposition au SAS a duré 10, 30 et 90 minutes, tandis que l’exposition au graphite et au GO a duré 120 minutes.

SMPS, analyseur de particules à mobilité dynamique; CMD, diamètre moyen en nombre; MMD, diamètre moyen en masse; APS, analyseur de particules aérodynamiques; NMAD, diamètre aérodynamique médian en nombre; MMAD, diamètre aérodynamique médian en masse; SAS, dioxyde de silicium amorphe synthétique; GO, oxyde de graphène.

Effets d’exposition des matériaux générés par le fluidisateur

Graphène

Effets de l’exposition des cellules au graphène en utilisant le fluidifiant sur WST-1 et TEER. Vert: avant l’exposition; rouge: 24 heures après l’exposition.

Effets de l’exposition des cellules au graphène en utilisant le fluidifiant sur la libération de LDH. Vert: avant l’exposition; rouge: 24 heures après l’exposition.

Les résultats sur les expositions cellulaires aux SAS et GO ne sont pas montrés.

Résumé et conclusions

• Nous avons réalisé une exposition ALI à une nanoparticule sphérique (SAS) et à deux AdMa (graphène et GO) en utilisant un fluidisateur.
• Grâce au fluidisateur, il a été possible de générer des aérosols de SAS, graphène et GO.
• Dans les études d’exposition ALI utilisant le Vitrocell® powderX, pour le SAS, une dose déposée de 21 µg/cm² et pour le graphène une dose déposée de 66 µg/cm² ont été obtenues (le GO n’a pas été testé), tandis qu’en utilisant le Vitrocell® Cloud, pour le SAS, une dose déposée de 10 µg/cm² a été obtenue (le graphène et le GO n’ont pas été testés). En utilisant le fluidisateur, les concentrations obtenues étaient de 95 mg/m³ pour le SAS, 1,7 mg/m³ pour le graphène et 5,5 mg/m³ pour le GO. En supposant une efficacité de dépôt de 10 % avec précipitation thermique, une dose déposée ciblée de 50 µg/cm² nécessiterait 940 mg/m³ (débit d’air 5 ml/min, exposition de 120 min). Cela suggère que pour les expositions ALI utilisant le fluidisateur, la dose déposée doit être considérablement augmentée.
• Des études de suivi avec un flux d’air altéré et une fréquence et amplitude de vibration modifiées sont prévues.
• Des mesures répétées des aérosols pendant la période d’exposition de 2 heures sont prévues.