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Kontrollierte Deposition synthetischer Nanopartikel auf Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht für toxikologische Untersuchungen

Comouth, Andreas

English Title: Deposition of synthetic nanoparticles on lung cells via the air liquid interface for toxicological studies

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PDF, German
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Abstract

In der Dosimetrie und Charakterisierung relevanter Materialeigenschaften stoßen etablierte Expositionsverfahren zur Bewertung der toxischen Wirkung von nanoskaligen Partikeln an ihre Grenzen. Zur Untersuchung der Wirkung inhalierter Partikel wird daher zunehmend das Verfahren zur in vitro Exposition von Lungenzellen an der Luft-Flüssigkeits-Grenzschicht eingesetzt. In dieser Arbeit wurde ein entsprechendes Expositionssystem aufgebaut, im Detail charakterisiert und für die Untersuchung von Nanopartikeln eingesetzt. Zur Vorhersage der Depositionsezienzen wurde ein uid-dynamisches Modell für Partikelgröÿen zwischen 20 nm und 2 m entwickelt und experimentell validiert. Die relativ geringe Depositionsezienz der Expositionskammern von ca. 1% wurde durch ein elektrostatisches Feld um mehr als eine Gröÿenordnung erhöht, so dass die Simulation akut erhöhter Partikelbelastungen möglich ist. Die Funktionstüchtigkeit des Expositionssystems wurde mit luftgetragenen Metalloxidnanopartikeln (TiO2, SiO2) und Ruÿaerosol demonstriert. Dazu wurden verschiedene Aerosolerzeugungsverfahren getestet und die Aerosole insbesondere bezüglich ihres Agglomerationszustands und Residualpartikelanteils charakterisiert. Zur Bestimmung der deponierten Dosis wurden verschiedene Methoden untersucht und deren Anwendungsbereiche eingegrenzt. Die aus den Expositionsversuchen ermittelten wirksamen Dosen wurden mit realistischen Partikelbelastungen verglichen und den beobachteten Reaktionen der A549 Lungenzelllinie gegenübergestellt. Akute inammatorische und zytotoxische Zellreaktionen wurden nur nach Exposition mit unnatürlich hohen Dosen an SiO2 Nanopartikeln beobachtet.

Translation of abstract (English)

Established exposure procedures reach their limits in the assessment of toxic hazard of nanomaterials regarding dosimetry and characterisation of relevant material properties. Hence in vitro procedures for cell exposure of lung cells at the air liquid interface are used more frequently to evaluate the toxic impact of inhaled particles. In this work an according exposure setup was build, characterized, and applied for the investigation of nanoparticles. In order to predict the deposition eciency a fluid dynamic model was developed and validated for particle sizes between 20 nm and 2 m. The deposition eciency of the exposure chamber of about 1% was increased by more than one order of magnitude by applying an electrostatic field. This allows now simulation of acute increased particle levels. The operational reliability of the exposure system was demonstrated with metal oxide nanoparticles and soot aerosols. Various procedures for aerosol generation were tested. Agglomeration state and residual fraction of the particles were characterized. Different methods for determination of deposited doses and their range of application were investigated. The effective dose values determined in exposure experiments were compared to realistic particle loadings of human lungs and related to reactions of A549 lung cells. Acute inflammatory and cytotoxic cell reactions were only observed after exposure to extremely high doses of SiO2 nanoparticles.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Leisner, Dr. . Thomas
Date of thesis defense: 18. April 2012
Date Deposited: 16. May 2012 08:52
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Nanotoxikologie , Elektrospray , Zellexposition , Luft Flüssigkeits Grenzschicht , DepositionNanotoxicology , Air Liquid Interface , Electrospray , Cell exposure
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