李勁松　楊文慧　何春雷　李　娜　王　潔　胡凌飛　李金忠　張　珂

動物氣溶膠吸入暴露裝置的研制*

李勁松①*楊文慧①△何春雷②李娜①王潔①胡凌飛①李金忠②張珂①

目的：根據(jù)吸入藥物治療、疫苗氣溶膠免疫和吸入毒理等研究及評價的需要，研制一種可進行包括藥物、疫苗、微生物氣溶膠、PM2.5粒子及納米粒子等氣溶膠動物吸入暴露的新裝置。方法：根據(jù)小鼠、大鼠和豚鼠等實驗動物的大小、呼吸量、一次實驗的動物數(shù)量以及氣溶膠均勻性要求，設(shè)計動物氣溶膠吸入暴露系統(tǒng)；依據(jù)實驗室生物安全和防護的要求，設(shè)計暴露裝置的負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)；并對該裝置進行性能測試驗證。結(jié)果：經(jīng)實驗測試，該裝置具有動物吸入暴露、防護功能，其性能達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。結(jié)論：動物氣溶膠吸入暴露裝置可進行動物氣溶膠吸入暴露實驗，具有對實驗環(huán)境和人員的防護功能，以及對實驗過程的壓力、溫濕度和含氧量實時監(jiān)測的功能，適用于毒理、病原微生物和疫苗等氣溶膠暴露研究的實驗室。

氣溶膠；實驗動物；吸入暴露設(shè)備；設(shè)計原理

［First-author’s address］ Key Laboratory of Biological Safety of Pathogenic Microorganisms， Institute of Microbiology Epidemiology， Academy Military Medical Sciences， Beijing 100071， China.

藥物氣溶膠吸入治療、疫苗吸入免疫及各種吸入毒理學(xué)研究均需要有能夠進行定量和定性研究的動物氣溶膠吸入暴露技術(shù)平臺，而實驗動物氣溶膠吸入暴露設(shè)備則是該平臺的核心技術(shù)和設(shè)備［1-7］。目前，多數(shù)實驗室的氣溶膠吸入暴露均采用實驗動物全身氣溶膠暴露技術(shù)和設(shè)備，由于全身暴露存在消化道、破損皮膚暴露等多途徑暴露的缺陷，研究人員越來越希望使用動物呼吸道吸入暴露系統(tǒng)。動物氣溶膠吸入暴露裝置的技術(shù)復(fù)雜，難以統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，國外高級研究機構(gòu)均自行設(shè)計試制動物氣溶膠吸入暴露系統(tǒng)［8-14］。本研究項目建立了動物氣溶膠吸入暴露技術(shù)，研制出氣溶膠暴露設(shè)備，以滿足動物氣溶膠吸入暴露研究的需要。

1　動物氣溶膠吸入暴露裝置的整體設(shè)計

動物氣溶膠吸入暴露裝置由氣溶膠動物吸入暴露系統(tǒng)和負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

1.1設(shè)計原理

實驗動物氣溶膠吸入暴露是將動物的口鼻暴露在特定粒徑范圍內(nèi)氣溶膠環(huán)境下，通過動物自主呼吸吸入氣溶膠完成吸入途徑暴露的實驗過程。氣溶膠吸入暴露系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為5個子系統(tǒng)設(shè)計：即動物暴露腔、氣溶膠發(fā)生與傳輸、暴露腔環(huán)境參數(shù)監(jiān)控、空氣凈化系統(tǒng)和系統(tǒng)控制系統(tǒng)。氣溶膠吸入暴露系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.1.1子系統(tǒng)設(shè)計

該子系統(tǒng)是氣溶膠動物吸入暴露系統(tǒng)的核心，由實驗動物固定艙、氣溶膠管道及氣溶膠室3部分構(gòu)成。動物在吸入暴露時被固定于該系統(tǒng)中，經(jīng)口鼻主動吸入氣溶膠。動物暴露腔可以容納18～30個動物同時吸入暴露，分為上、中、下3層。每層及整個暴露腔均可旋轉(zhuǎn)，以便于操作（如圖2所示）。

圖1　動物暴露系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖2　氣溶膠動物暴露腔原理樣機的設(shè)計方案圖

動物固定艙采用透明醫(yī)用鋼化玻璃材質(zhì)，方便觀察，可高壓滅菌。設(shè)計橡膠塞密封結(jié)構(gòu)，將固定艙插入暴露裝置前，固定艙與暴露裝置需同時打開橡膠塞，然后插入鼠倉，實現(xiàn)固定艙與暴露裝置間的氣體交換。暴露實驗完成后，將固定艙拔出，固定艙接口與暴露裝置接口同時用硅橡膠密封蓋密封。固定艙后部設(shè)計有用來交換空氣的高效過濾器裝置，可保證固定艙在接口用硅橡膠密封蓋密封后的內(nèi)外空氣交換（如圖3所示）。

圖3　旋轉(zhuǎn)氣溶膠吸入暴露腔實物圖

1.1.2氣溶膠發(fā)生與傳輸子系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計新型氣溶膠發(fā)生器。在噴氣口高速氣流的作用下，菌液噴出口形成負(fù)壓，將發(fā)生器里的菌液吸至噴嘴處后被噴氣口高速氣流碎裂或分散成無數(shù)的氣溶膠粒子，經(jīng)噴霧口噴出。新型氣溶膠發(fā)生器有2個外接口，一個為連接氣源的供氣接口；另一個為注液和噴霧兩用接口，新型氣溶膠發(fā)生器所需達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　氣溶膠發(fā)生器技術(shù)指標(biāo)

1.1.3暴露腔環(huán)境參數(shù)監(jiān)控

暴露腔中的溫度、濕度、壓力、氧氣及二氧化碳的穩(wěn)定和變化可直接影響受試動物的生理狀態(tài)，進而影響實驗結(jié)果。為了保障動物實驗過程中溫度、濕度、壓力、氧氣及二氧化碳的穩(wěn)定，本研究引入各種因素監(jiān)測傳感器，傳感器的設(shè)計和規(guī)格均適用于動物暴露系統(tǒng)，通過自動傳輸和儲存測量值的專用接口進行電子數(shù)據(jù)的采集。各種監(jiān)測傳感器的功能為：①溫度濕度組合傳感器用于監(jiān)測實驗環(huán)境；②氧氣和二氧化碳傳感器用于測試暴露腔內(nèi)的濃度；③壓力傳感器適用于暴露單元和暴露腔內(nèi)部壓監(jiān)測。同時，傳感器的應(yīng)用和設(shè)計增加了隔離密封艙內(nèi)壓力、暴露艙內(nèi)壓力、溫度、濕度以及含氧量的實時測試功能，更加準(zhǔn)確地監(jiān)控試驗受體的實驗環(huán)境，保證實驗動物環(huán)境的溫度、濕度及含氧量符合試驗要求。

1.1.4空氣凈化系統(tǒng)子系統(tǒng)

暴露腔中排出的空氣含有高濃度的生物氣溶膠、藥物氣溶膠及其他成分氣溶膠等實驗氣溶膠，負(fù)壓隔離防護艙排除的空氣含有低濃度的實驗氣溶膠，其氣溶膠對實驗人員和實驗室環(huán)境有害，必須要嚴(yán)格控制和進行無害化處置。因此，在2個空氣排出口后部和排風(fēng)風(fēng)機前部設(shè)置一道高效粒子過濾器，必要時可設(shè)置兩道高效粒子過濾器，使排除的空氣得到凈化處置，實現(xiàn)無害化。

1.1.5系統(tǒng)控制子系統(tǒng)

氣溶膠動物吸入暴露系統(tǒng)由5個子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)、平衡方能保障整個系統(tǒng)可靠運行，完成動物的吸入暴露實驗。因此，系統(tǒng)控制子系統(tǒng)的設(shè)計充分兼顧下列因素：①動物暴露腔的溫度、濕度、氧含量及壓力等因素；②氣溶膠發(fā)生與傳輸?shù)膰婌F流量、噴霧壓力等因素；③空氣凈化系統(tǒng)啟動時間、凈化時間等因素。綜合其各種影響因素分模塊進行系統(tǒng)設(shè)計，按動態(tài)監(jiān)測和實驗程序進行系統(tǒng)集成（如圖4所示）。

圖4　電路控制設(shè)計圖

1.2負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)的設(shè)計

（1）負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)是為了操作人員及其周圍環(huán)境的安全，具有負(fù)壓、氣密隔離及空氣自循環(huán)消毒凈化的一種生物安全防護系統(tǒng)。為了使用者的操作便捷性和安全性，負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)主體樣機的設(shè)計外殼采用雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽為316不銹鋼一體成型結(jié)構(gòu)，全部采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼拉絲板材焊接完成，設(shè)計大直徑折彎圓角，方便清洗和消毒，同時避免氣流死角，保障負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)內(nèi)部無菌環(huán)境，防止實驗過程中交叉污染的可能。外部采用冷軋鋼板噴塑。采用負(fù)壓雙層箱體保護結(jié)構(gòu)，且整個回風(fēng)通道相對于外界始終處于負(fù)壓狀態(tài)，能有效地將污染氣溶膠密封在負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)內(nèi)，使負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)進一步對操作人員和環(huán)境的保護構(gòu)成了有效的安全保障系統(tǒng)。采用鷗翼式雙開門設(shè)計，設(shè)計上開門結(jié)構(gòu)、磁吸式密封膠條密封以及失壓報警功能，保證密封安全，方便用戶操作。

（2）負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)設(shè)計有高效過濾排風(fēng)系統(tǒng)和光氫離子消毒系統(tǒng)。高效過濾排風(fēng)系統(tǒng)可將操作區(qū)域內(nèi)的污染空氣經(jīng)高效過濾器過濾凈化達(dá)到無害處置后排放，并安裝消音裝置減小噪音，保護操作者的身體健康和環(huán)境均有良好效果。同時，在負(fù)壓隔離艙內(nèi)對稱安裝有2臺光氫離子凈化器，對負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)自動消毒，光氫離子凈化器不僅能夠分解有機物為二氧化碳與水，并具有較高的殺滅微生物功能。

2　動物氣溶膠吸入暴露裝置的試制與系統(tǒng)集成

2.1裝置的試制

動物氣溶膠吸入暴露裝置是按照國際和國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計生產(chǎn)，可完成嚙齒實驗動物的吸入暴露狀態(tài)下的氣溶膠吸入毒理實驗，實驗包括急性、亞急性、慢性及亞慢性。

有可調(diào)空氣攪拌功能保證氣溶膠分布均勻，氣溶膠可充分混合輸送給受染動物，氣溶膠濃度的均勻定量和可靠運轉(zhuǎn)，整個實驗過程，暴露腔內(nèi)的溫度、濕度、壓差和氧濃度全過程實時監(jiān)控。上位機控制系統(tǒng)控制氣溶膠動物吸入暴露實驗，可隨時觀察并記錄相關(guān)參數(shù)。動態(tài)顯示其數(shù)值與實時曲線、實時報警與記錄、歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線自動保存記錄以及歷史報表查詢，并可進行打印，且數(shù)據(jù)導(dǎo)出簡便。

負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)內(nèi)腔容積1 m3；316不銹鋼內(nèi)膽，且具有透明觀察口，能現(xiàn)場觀察動物的活動情況。負(fù)壓隔離艙的壓力為-5～-50 Pa，可防止氣溶膠泄漏污染實驗室環(huán)境。負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)內(nèi)置光氫離子發(fā)生器，可設(shè)置消毒時間，消毒完成后自動關(guān)閉。

本研究研制的產(chǎn)品與國際同類產(chǎn)品相比，創(chuàng)新性地引入可傳遞式鼠艙、暴露裝置主體旋轉(zhuǎn)平臺，并采用高性能的隔離密封系統(tǒng)，集成實施暴露艙壓力、溫度、濕度及含氧量的監(jiān)測功能。動物氣溶膠吸入暴露裝置已由青島眾瑞智能儀器有限公司設(shè)計和生產(chǎn)，完成了產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和備案，并已應(yīng)用于疫苗吸入評價和藥物吸入評價實驗中（如圖5所示）。

圖5　負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)成品圖

該裝置具有智能化操作的特點，可減少人工操作的環(huán)節(jié)，整個裝置操作簡單，操作界面簡潔明了（如圖6所示）。

圖6　實驗運行狀態(tài)與結(jié)束狀態(tài)顯示屏界面圖

2.2裝置的技術(shù)特點

動物氣溶膠吸入暴露裝置的技術(shù)特點：①提供最多18只大鼠、小鼠或豚鼠的單一濃度吸入式暴露；

3　動物氣溶膠吸入暴露裝置的性能驗證

3.1負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)氣密性測試

實驗前在隔離密封艙外使用Andersen 2級采樣器對艙外進行本底采樣，采樣時間為5 min。啟動密封艙后，在艙內(nèi)發(fā)生氣溶膠實驗?zāi)Ｊ骄迟|(zhì)沙雷氏菌的氣溶膠，濃度為106cfu/ml，噴霧10 min后，使用采樣器在艙內(nèi)及艙外出風(fēng)口同時采樣，重復(fù)實驗3次。使用噬菌體phiX174作為模擬病毒氣溶膠，依照上述操作重復(fù)實驗3次。

發(fā)生106cfu/ml粘質(zhì)沙雷氏菌發(fā)生液后，對隔離密封艙艙內(nèi)和艙外的粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠濃度進行檢測，通過計算3次實驗過濾效率依次為99.94%、99.98%及99.93%，平均過濾效率為（99.95±0.00）%（見表2）。

表2　粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠氣密性測試結(jié)果(cfu/m3)

發(fā)生106cfu/ml噬菌體phiX174發(fā)生液后，對隔離密封艙艙內(nèi)和艙外的噬菌體phiX174氣溶膠濃度進行檢測，通過計算3次實驗過濾效率均為100%，平均過濾效率為100%（見表3）。

表3　噬菌體phiX174氣溶膠氣密性測試結(jié)果(cfu/m3)

3.2氣溶膠分布均勻性測試

對建立的動物氣溶膠暴露系統(tǒng)，進行所有氣溶膠粒子和生物氣溶膠粒子分布是否均勻的評價。使用粘質(zhì)沙雷氏菌8039作為指示微生物模擬細(xì)菌氣溶膠，TSI3321氣溶膠測試儀測試了所有粒子分布情況，Andersen 6級微生物采樣器檢測生物粒子氣溶膠的分布情況。

發(fā)生粘質(zhì)沙雷氏菌濃度為2×106cfu/ml，在噴霧16 min、32 min及59 min時對暴露裝置上、中、下3層同時用Andersen6級采樣30 s，在噴霧10 min、26 min及50 min時對上、中、下3層用TSI3321采樣10 min。通過統(tǒng)計學(xué)分析，粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠Anderen6級采樣器對生物粒子的采樣結(jié)果為上、中、下3層之間濃度無明顯差異，TSI3321采樣器對總粒子數(shù)的采樣結(jié)果為上、中、下3層之間有輕微差異。重復(fù)采樣3次的實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7　粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠均勻度TSI3321測試結(jié)果柱狀圖

3.3實驗系統(tǒng)消毒效果測試

啟動密封艙后，在艙內(nèi)發(fā)生氣溶膠實驗?zāi)Ｊ骄迟|(zhì)沙雷氏菌的氣溶膠，濃度為106cfu/ml，噴霧10 min后，消毒前艙內(nèi)氣溶膠本底濃度為（58634±40632 cfu/m3，開啟消毒設(shè)備，運行消毒功能30 min和60 min時對艙內(nèi)進行采樣，采樣器為Anderen2級采樣器，采樣時間為5 min。消毒后30 min和60 min艙內(nèi)氣溶膠濃度檢測結(jié)果均為0。由此可見艙內(nèi)的粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠在消毒功能運行30 min時便被徹底殺滅，本裝置的光觸媒消毒系統(tǒng)對模式細(xì)菌氣溶膠的消毒效率達(dá)到100%，重復(fù)實驗3次（見表4）。

表4　粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠消毒效果測試平皿菌落數(shù)(cfu/min)結(jié)果

噬菌體phiX174氣溶膠作為病毒氣溶膠指示物測得的裝置消毒效果顯示，消毒前艙內(nèi)氣溶膠本底濃度為（2686±1679）cfu/m3，消毒后30 min和60 min艙內(nèi)氣溶膠濃度檢測結(jié)果均為0。由此可見，艙內(nèi)的噬菌體phiX174氣溶膠在消毒功能運行30 min時便被徹底殺滅，本裝置的光觸媒消毒系統(tǒng)對模式病毒氣溶膠的消毒效率同樣達(dá)到100%（見表5）。

表5　噬菌體phiX174氣溶膠消毒效果測試平皿菌落數(shù)結(jié)果(cfu/min)

4　結(jié)論

本研究研發(fā)出一款功能完善的動物氣溶膠吸入暴露裝置，該裝置具有負(fù)壓隔離防護系統(tǒng)，以及壓力、溫濕度及含氧量實時監(jiān)測功能，創(chuàng)新性地引入了可傳遞式鼠倉和暴露裝置主體旋轉(zhuǎn)平臺。動物氣溶膠吸入暴露裝置對微生物氣溶膠的平均過濾效率≥99.99%，對模式微生物氣溶膠的消毒效果均為100%，表明該裝置對實驗人員和實驗室環(huán)境安全防護性能優(yōu)越。該裝置氣溶膠分布均勻，粘質(zhì)沙雷氏菌氣溶膠濃度在上、中、下3層之間無明顯差異，總粒子數(shù)的采樣結(jié)果為3層之間有輕微差異，表明該裝置氣溶膠分布均勻，滿足單一濃度的實驗需要。

動物氣溶膠吸入暴露裝置可廣泛應(yīng)用于呼吸道傳染病的吸入治療、吸入免疫及氣溶膠吸入毒理等領(lǐng)域的研究和實驗評價。該裝置已經(jīng)申報一種動物氣溶膠暴露實驗系統(tǒng)、一種可精確控制感染量的動物氣溶膠暴露實驗系統(tǒng)和一種可快速自凈的動物氣溶膠暴露實驗系統(tǒng)3項專利。

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Development of an animal exposure device to aerosol inhalation

LI Jin-song， YANG Wen-hui， HE Chun-lei， et al

China Medical Equipment，2016，13（9）:1-5.

Objective: To develop a new animal aerosol exposure device making inhalation toxicology investigation for drug aerosol， vaccine aerosol， microbiology aerosol， PM2.5 particles and nanoparticles according to the research and evaluation on the treatment of drug inhalation，vaccine aerosols and toxicology inhalation. Methods: According to the size， respiratory volume， quantity of the experiment animal （including mice， rats and guinea pigs etc） and aerosol homogeneity， the animal aerosol exposure system has been designed. According to the requirements of laboratory biosafety and protection， the negative pressure protection system has been designed. The performance of the device have been tested and validated. Results: The performance of the device is up to relative standards by comparing with the testing results. Conclusion: The device has been used for animal aerosol exposure experiment. The device protects experimental environment and operators from experimental aerosol， and can monitor the pressure， temperature， relative humidity，oxygen concentration of the exposure system in real time. It also can be suitable for all kinds of animal aerosol exposure in laboratory.

Aerosol； Experiment animal； Inhaled exposure apparatus； Design and principle

1672-8270（2016）09-0001-05

R-331

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.09.001

2016-06-19

△共同第一作者：楊文慧

國家科技重大專項（2012ZX10003005/09）“氣溶膠暴露裝置的研制及在結(jié)核病治療中的應(yīng)用”

①軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所 病原微生物生物安全國家重點實驗室 北京 100071

②青島眾瑞智能儀器有限公司 山東 青島 266101

lij-s@163.com

李勁松，男，（1964- ），博士，研究員。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院微生物流行病研究所 病原微生物生物安全國家重點實驗室，從事生物氣溶膠轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)和吸入毒理的研究工作。