Исследование процесса образования нано- и субмикронного аэрозоля органических веществ и исследование его свойств
С.В. Валиулин, А.А. Онищук, А.М. Бакланов, С.Н. Дубцов, Г.Г. Дульцева,
В.В. Замащиков, А.А. Коржавин, С.В. Восель, В.В. Карасев,
П.В. Кошляков, Л.В. Куйбида, П.А. Пуртов
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.
В последнее десятилетие аэрозольные системы вызывают большой интерес исследователей. Этот интерес связан, с одной стороны, с тем, что наночастицы являются целевым продуктом для применений в промышленности, медицине, косметологии и др. В частности, современные терапевтические методы лечения различных заболеваний все шире используют аэрозольные средства доставки лекарственных средств в легкие пациента. Поиск альтернативных путей администрирования лекарств связан, в частности, с тем, что некоторые лекарственные препараты не могут быть введены в организм через желудок. В этом случае обычной формой введения являются инъекции. Но не все субстанции растворимы в воде, а использование эмульгаторов для нерастворимых в воде субстанций приводит к нежелательным побочным действиям.
Кроме того, неконтролируемый выброс наночастиц в промышленных и природных процессах создает проблемы, связанные с токсичностью наночастиц, взрывоопасностью на производстве, приводит к экологическим катастрофам и т.п. Важной проблемой является опасность угольного производства, где наиболее тяжелыми по своим последствиям являются аварии, связанные с воспламенением метано-аэрозольных смесей.
Для оптимизации свойств целевого наноаэрозоля и борьбы с негативными последствиями аэрозольной эмиссии в промышленных процессах необходимо понимание кинетики и механизма образования такого аэрозоля. Ключевую роль при таких исследованиях играют методы определения распределения по размерам частиц. Наиболее удобным и надежным средством для решения этой задачи является диффузионная батарея, она имеет простую конструкцию, хорошо подходит для использования в полевых измерениях, в лабораторных экспериментах, а также для контроля уровня аэрозольной загрязненности на рабочих местах.
2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.
В представленном цикле статей решались задачи, связанные с разработкой алгоритма аналитического восстановления распределения по размеру аэрозольных частиц с помощью диффузионной батареи, а также разработка технического подхода позволяющего упростить процедуры измерения функции распределения частиц по размерам и получать более достоверные распределения по размерам частиц, по сравнению с ранее использовавшимися способами. Разработанный алгоритм и технический подход были успешно применены для решения задач связанных с исследованием механизма и кинетики образования нано- и субмикронного аэрозоля лекарственных средств в ходе нуклеации из пересыщенного пара и их лекарственного действия, а так же для исследования механизма образования органического аэрозоля состоящего из компонентов каменного угля и его влияния на процессы горения пылегазовой смеси.
3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.
В ходе выполнения проекта была разработана специальная конструкция диффузионной батареи, позволяющая осуществить такой способ измерения, при котором измеряются спектры размеров фракций частиц, на которые сепарируется аэрозоль при последовательном прохождении через секции диффузионной батареи. При этом общий спектр исходных частиц является суммой спектров фракций. Диффузионная батарея такой конструкции была использована авторами проекта при изготовлении нового диффузионного аэрозольного спектрометра ДСА-М, который в дальнейшем был использован в исследованиях механизма образования аэрозоля лекарственных средств, а также при исследования взрывоопасности метано-аэрозольных смесей.
Для исследования механизма образования аэрозоля лекарственных средств и их лекарственного действия в экспериментах с лабораторными животными авторами проекта разработан и создан лабораторный стенд, в качестве основных узлов, включающий в себя: проточный термоконденсационный генератор нано- и субмикронного аэрозоля, диффузионный спектрометр аэрозоля ДСА-М, ингаляционные камеры двух типов «whole-body» и «nose-only». Данный стенд позволяет проводить полный цикл исследований от механизма образования аэрозоля до его биологического действия.
Для исследования взрывоопасности метано-аэрозольных смесей с помощью проточного термоконденсационного реактора проводилось изучение механизма образования органических аэрозоля при работе выемочного комбайна в угольных шахтах. Горение метано-аэрозольных смесей проводилось в сферическом реакционном сосуде объемом 10 л.
4. Полученные результаты и их значимость.
На основе предложенного алгоритма аналитического восстановления распределения по размеру аэрозольных частиц разработана программа для восстановления спектра размеров аэрозольных частиц из проскоков диффузионной батареи спектрометра аэрозоля диффузионного ДСА-М. Диапазон размеров аэрозольных частиц, измеряемых с помощью ДСА-М находится в пределах от 3 до 1100 нм, что значительно превышает типичный диапазон диффузионных батарей (3-250 нм), описанных ранее в литературе. Предложенный алгоритм позволяет также эффективно восстанавливать спектры распределения по размерам содержащие до трех мод, как для случая довольно отдаленных пиков (модальные диаметры 10 и 200 нм), так и для близлежащих мод (10 и 60 нм).
Исследована нуклеация нестероидных противовоспалительных веществ (НПВС): индометацина, диклофенака натрия и противотуберкулезного вещества изониазида. Изучено биологическое действие аэрозоля этих лекарственных средств в экспериментах с беспородными белыми мышами и крысами. В случае НПВС обнаружен эффект снижения аэрозольной дозы на несколько порядков по сравнению с оральной формой введения.
Исследован процесс образования наноаэрозоля в результате нуклеации пара органических веществ компонентов каменного угля. Проведено исследование влияния добавок органического аэрозоля на горение метано-воздушной смеси. Определены зависимости величины максимального давления и скорости нарастания давления во время взрыва от массовой концентрации органического аэрозоля в метано – воздушной смеси с содержанием метана от 2 об. % до 6,5 об. %. Определены минимально необходимые массовые концентрации органического аэрозоля переводящие бедную метано – воздушную смесь (с содержанием метана от 0 об. % до 5 об. %) во взрывоопасную.
5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.
Авторам удалось найти аналитическое решение обратной задачи восстановления спектра размеров частиц из проскоков диффузионной батареи, что приводит к существенному повышению точности восстановления по сравнению с традиционными численными методами. Впервые обнаружен и объяснен эффект повышения эффективности аэрозольной доставки нестероидных противовоспалительных средств по сравнению с традиционным пер-оральным введением. Впервые измерен нижний предел воспламенения метано – воздушной смеси с органическим аэрозолем, что позволит повысить взрывобезопасность в угольных шахтах.
6. Вклад авторского коллектива.
Вклад сотрудников Института в представленные работы составляет не менее 85%.
Список публикаций.
1. S.V. Valiulin, A.A. Onischuk, A.M. Baklanov, S.N. Dubtsov, S.V. An'kov, T.G. Tolstikova, M.E. Plokhotnichenko, G.G. Dultseva, P.S. Mazunina Excipient-free isoniazid aerosol administration in mice: Evaporation-nucleation particle generation, pulmonary delivery and body distribution. // International Journal of Pharmaceutics. 2019. V. 563. P. 101-109.
2. Валиулин С.В., Бакланов А.М., Дубцов С.Н., Митроченко В.Г., Моисеенко П.П., Онищук А.А. Диффузный спектрометр аэрозоля для измерения распределения по размерам и концентрации нано- и субмикронных частиц // Приборы и техника эксперимента. 2019. №1. С. 145-146
3. A.A. Onischuk, S.V. Valiulin, A.M. Baklanov, P.P. Moiseenko, V.G. Mitrochenko Determination of the aerosol particle size distribution by means of the diffusion battery: Analytical inversion. // Journal of Aerosol Science and Technology. 2018. – 52(8). – Р. 841–853.
4. A.A. Onischuk, A.M. Baklanov, S.V. Valiulin, P.P. Moiseenko, V.G. Mitrochenko Aerosol diffusion battery: The retrieval of particle size distribution with the help of analytical formulas // Aerosol Science and Technology. 2018. V. 52(2). P. 165-181.
5. A. Onischuk, S. Dubtsov, A. Baklanov, S. Valiulin, P. Koshlyakov, D. Paleev, V. Mitrochenko, V. Zamashchikov, A. Korzhavin Organic Nanoaerosol in Coal Mines: Formation Mechanism and Explosibility // Aerosol and Air Quality Research. 2017. V. 17. Issue 7. P. 1735-1745.
6. Dultseva G.G., Dubtsov S.N., Dultsev F.N., Kobzeva T.V., Nekrasov D.V. Analysis of the surface functional groups of organic nanoparticles formed in furfural vapour photonucleation using a rupture event scanning technique. // Analytical Methods. 2017. 9. P. 5348-5355.
7. Dubtsov S., T. Ovchinnikova, S. Valiulin, X. Chen, H.E. Manninen, P.P. Aalto, T. Petäjä Laboratory verification of Aerosol Diffusion Spectrometer and the application to ambient measurements of new particle formation // Journal of Aerosol Science. 2016. V. 105. P. 10-23.
8. Onischuk A.A., T.G. Tolstikova, S.V. An’kov, A.M. Baklanov, S.V. Valiulin, M.V. Khvostov, I.V. Sorokina, G.G. Dultseva, N.A. Zhukova Ibuprofen, Indomethacin and Diclofenac Sodium Nanoaerosol: Generation, Inhalation Delivery and Biological Effects in Mice and Rats // Journal of Aerosol Science. 2016. V. 100. P. 164-177.
9. Onischuk A.A., Valiulin S.V., Vosel S.V., Karasev V.V., Zelik V.D., Baklanov A.M. Surface tension of sulfur nanoparticles as determined from homogeneous nucleation experiments // Journal of Aerosol Science. 2016. V. 97. P. 1–21.
10. Валиулин С.В., Бакланов А.М., Дубцов С.Н., Замащиков В.В., Клишин В.И., Конторович А.Э., Коржавин А.А., Онищук А.А., Палеев Д.Ю., Пуртов П.А., Куйбида Л.В. Влияние наноаэрозольной фракции техногенной угольной пыли на горение метановоздушных смесей // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52, № 4. С. 1-15.
11. Бакланов А.М., Валиулин С.В., Дубцов С.Н., Замащиков В.В., Клишин В.И., Конторович А.Э., Коржавин А.А., Онищук А.А., Палеев Д.Ю., Пуртов П.А. Наноаэрозольная фракция в техногенной угольной пыли и ее влияние на взрывоопасность пыле-метано-воздушных смесей // Доклады Академии наук. 2015. Т. 461. № 3. С. 295-299.