Это пятая публикация Роберто Сассмана из серии постов, посвящённой аэрозолям вейпинга, их свойствам, оптимальному режиму использования и сравнению с табачным дымом и другими аэрозолями.
👉 Оригинал публикации ✈️Наш канал в Telegram 🧐 Все новости и новинки вейпинга — на сайте BelVaping
Понимание того, как образуются, функционируют и могут быть протестированы аэрозоли для вейпинга, даёт знания, необходимые для понимания того, насколько они приятны в использовании, насколько они токсичны и насколько безопасны по отношению к табачному дыму, другим аэрозолям и загрязняющим веществам. Не будучи «экспертами», эти знания укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.
Эти знания укрепляют нашу уверенность в роли вейпов в снижении вреда и помогают нам противостоять невежественной и злонамеренной дезинформации.
Металлы в аэрозолях для вейпа
В предыдущих публикациях (2 и 3) описывались условия генерации аэрозолей в оптимальном режиме и режиме перегрева, а в 4 представлен набор рекомендаций по генерации и тестированию аэрозолей вейпинга в лабораторных условиях. Генерация аэрозолей в лаборатории требует стандартизированного режима затяжки, при котором вдыхание пользователя имитируется с помощью вейп-машин.
Хотя регламентированное курение не воспроизводит (и не может) реальное курение, необходимо запрограммировать вейп-машины на соответствующие параметры, максимально приближенные к потребительским. Особенно важно избегать перегрева вейп-машин, создающего отталкивающие для пользователей аэрозоли.
Существуют известные исследования эмиссии, в которых сообщается о наличии различных металлических элементов (никеля, свинца, меди, марганца) в аэрозолях вейпов. Поскольку некоторые металлы являются канцерогенами, их присутствие в аэрозолях вейпов вызывает опасения. Однако важно понимать физические процессы, объясняющие, как металлические элементы могут присутствовать в аэрозолях и жидкостях для электронных сигарет.
Многие исследования эмиссии металлов вызвали тревогу и широко освещались в СМИ, но необходимо и важно проверить экспериментальный дизайн и правильность сравнения доз воздействия с маркерами токсикологической безопасности. Себастьен Суле и Роберто Сассман опубликовали обширный обзор исследований, посвящённых содержанию металлов в аэрозолях для вейпа. Все исследования, сообщающие о высокой токсичности металлов в аэрозолях вейпа, имеют серьёзные методологические недостатки и, следовательно, ненадёжны.
Твердые тела, металлы, жидкости и газы в целом
Разница между этими формами материи заключается в типе атомов (химии), в том, как они связываются друг с другом, и в различных структурах, в которых они расположены.
Твердые вещества
- Керамика: молекулы (обычно атомы металлов и неметаллов) образуют плотные многокристаллические структуры, организованные в повторяющиеся структуры. Молекулы прочно связаны посредством обмена и/или совместного использования электронов (ионные и ковалентные связи). Эти прочные связи объясняют их прочность и твёрдость, но также и их хрупкость.
- Металлы. Атомы и молекулы в сплавах также прочно связаны (ионная связь), но не так прочно, как в керамике. Поэтому электроны свободно перемещаются по всей структуре, состоящей из положительно заряженных ядер – ионов (катионов). Это объясняет их высокую электро- и теплопроводность.
- Полимеры образуют кристаллические структуры органических макромолекул, связанных слабыми силами, что объясняет их эластичность и пластичность.
Жидкости и стекло
- Молекулы хаотично движутся в аморфных структурах, их связи промежуточные: гораздо прочнее, чем в газах, и гораздо слабее, чем в твёрдых телах. Стёкла — это твёрдые тела, молекулы которых образуют аморфные структуры, подобные жидкостям, но их атомы прочно связаны.
Газы
- Молекулы далеки, хаотично распределены, очень слабо взаимодействуют и очень подвижны.
Металлы и газы в массиве (без контакта)
Прежде чем обсуждать металлы в аэрозолях вейпа, давайте сначала сравним атомы/молекулы, когда нет контакта: в «чистом» массиве металла и в «чистом» массиве газа.
Молекулы газа в чистом объёме практически не взаимодействуют друг с другом до момента столкновения. Силы взаимодействия малы и случайны. В отличие от них, металлы характеризуются очень плотной кристаллической атомной структурой (см. рис. 1), где положительно заряженные атомные ядра (красные кружки) расположены близко друг к другу и связаны мощными межатомными микроскопическими силами. Ядро металла в объёме (зелёный кружок) равномерно окружено со всех сторон триллионами других ядер, поэтому атомные силы со стороны других ядер (зелёные стрелки) компенсируются атомными силами, действующими на него со всех сторон. В результате каждое ядро прочно удерживается в кристалле, совершая небольшие колебания. Вибрации ядер и этого общего электронного океана объясняют, почему металлы являются хорошими проводниками электричества и тепла.
Металлы в аэрозолях вейпа
Неудивительно, что в аэрозолях вейпа были обнаружены различные металлические элементы, поскольку нагретая жидкость для электронных сигарет и паровоздушная смесь контактируют с металлической спиралью, изготовленной из различных сплавов (в ранних сигарах они также контактировали с проволочными припоями). Однако металлические элементы также могут быть обнаружены в пище, приготовленной на разогретой металлической сковороде и в духовках. В сигаретном дыме металлы осаждаются из атмосферы на табачном листе и переносятся во время его сгорания.
Так как же металлы попадают в аэрозоли вейпа? Хотя этот процесс до конца не изучен, ответ, скорее всего, даёт физика поверхности, где термин «поверхность» описывает интерфейс взаимодействия.
Металлическая спираль контактирует с нагретой жидкостью для электронных сигарет и её парами вокруг неё. Это образует интерфейсы металл-жидкость и металл-газ, где молекулы металла спирали взаимодействуют с молекулами жидкости для электронных сигарет и/или её парами.
Распространенное представление о «поверхности» представляет собой очень тонкую прослойку между тепловыми состояниями (газ, жидкость, твёрдое тело). Однако на молекулярном рычаге нет резкой границы, а есть микроскопически широкая (макроскопически тонкая) переходная поверхность, в которой происходят очень интересные физические процессы.
Почти равновесное состояние атомных сил в объёме металла (рис. 1) изменяется для ядер, расположенных вблизи границы раздела фаз, – макроскопически тонкой зоны перехода в жидкость или газ. Ядра, расположенные вблизи границы раздела фаз, притягиваются гораздо меньшим числом ядер в направлении границы раздела, чем гораздо более многочисленными ядрами в направлении объёма. Вследствие этого энергия колебаний ядер на границе раздела фаз может быть достаточной для разрыва связи и выхода в жидкость или газ (красные изогнутые стрелки на рис. 2).
Однако выход через границу раздела в сторону газа гораздо более вероятен, чем в сторону жидкости, поскольку колеблющиеся ядра металла будут испытывать небольшое сопротивление со стороны широко распределённых молекул газа, атомные силы которых пренебрежимо малы, в то время как межатомные силы между молекулами жидкости сильнее (хотя и значительно меньше, чем силы в металлическом кристалле).
Как ведут себя молекулы жидкости и газа на границе раздела? Молекулы в жидкости, имеющей также границу раздела с газом, испытывают явление, называемое поверхностной десорбцией (макроскопическое проявление которого называется «смачиваемостью»). Приближаясь к границам раздела жидкость-металл и жидкость-газ, они, как правило, образуют капли, которые «прилипают» слоями к внешней части границы раздела металл-газ (зелёные стрелки на рисунке 2). Капли образуют десорбционный слой на поверхности металла, поддерживаемый в основном их поверхностным натяжением (силами, возникающими на поверхности капли и компенсирующими внешнее давление газа). Поскольку ядра металла значительно тяжелее молекул жидкости или газа, некоторые из них могут десорбироваться, а некоторые – перейти в газ.
Описанные выше поверхностные явления очень чувствительны к температуре и давлению. С повышением температуры в области контакта большее количество металлических ядер приобретает достаточную колебательную энергию для преодоления сил связи и переходит в газ (даже в жидкость). Другими факторами являются геометрия и размер контакта, и особенно шероховатость поверхности или неровности, обусловленные мелкомасштабными изменениями области контакта. Поверхностные явления в пористых материалах гораздо сложнее, чем в металлах.
Содержание металла в аэрозоле для вейпинга, скорее всего, объясняется ионами металла, которые выходят из области контакта металл-газ во время испарения жидкости для вейпинга (гораздо более вероятно, чем через границу раздела металл-жидкость). По мере выхода металлических ядер (ионов) они реагируют с кислородом, образуя оксиды металлов, которые затем должны кластеризоваться (зарождаться), образуя очень маленькие (нанометровые) твердые частицы размером не более нескольких десятков нанометров (1 миллиардная часть метра), переносимые аэрозолем. Очевидно, что в режиме перегрева, когда температура спирали быстро растет и превышает температуру кипения жидкости для вейпинга, гораздо большее количество металлических ионов покидает границу раздела и образует большее количество этих твердых частиц (см. публикацию 3 для полного обсуждения вопроса перегрева).
Металлические наночастицы
Есть ли доказательства наличия металлических наночастиц в аэрозолях вейпа? Сколько таких частиц образуется? Хотя существует обширная литература, посвященная количественной оценке общего содержания металлических элементов в анализе аэрозоля (см. далее), количественной оценке фактического количества этих частиц в литературе уделялось мало внимания. Металлы в аэрозолях вейпа в виде наночастиц впервые были обнаружены в исследовании 2013 года группой из Калифорнийского университета ( Уильямс и др .), но эти авторы ошибочно переоценили их количество, основываясь на общем количестве «частиц» размером от 50 до 1000 нанометров, которые в основном включают жидкие капли аэрозоля.
Исследователи из CDC Паппас и др. (2020) провели оценку количества металлических частиц и их состава с точки зрения оксидов металлов для аэрозолей, генерируемых различными Pod-устройствами (Juul, Blu и Vuse Alto). Полученные значения оказались ниже 2000 наночастиц различных оксидов металлов на затяжку (таблица VI). Однако авторы обнаружили несколько выбросов, превышающих 20 000 частиц на затяжку, только в pod-устройствах с определёнными вкусами электронных жидкостей (но не в тех же pod-устройствах с другими вкусами).
К сожалению, Паппас и соавторы не предоставляют полной информации об экспериментальных данных, а приводят лишь абсолютные диапазоны чисел частиц без статистического анализа (что делает исследование невоспроизводимым). Отсутствие информации позволяет предположить, что их выбросы (также обнаруженные в предыдущих исследованиях, посвящённых содержанию металлических элементов), скорее всего, были вызваны дефектными или корродированными картриджами, перегревом или сухими затяжками.
Тем не менее, даже если принять их результаты за чистую монету и учесть, что типичные затяжки в pod-устройствах включают более 100 миллионов капель жидкости, 2000 наночастиц (а для выбросов — даже 20 000) составляют пренебрежимо малую долю дисперсной фазы аэрозолей вейпа (одна металлическая частица на каждые 1–10 миллионов капель). Этот пренебрежимо малый вклад металлических частиц подтверждается тщательно спланированными исследованиями эмиссии, которые количественно определяли массовое содержание металлических элементов в оптимальном режиме (см. обсуждение далее).
В статье Аль-Кайси и Абдуллы, опубликованной в 2021 году, рассматриваются исследования эмиссии и аналитические методы, направленные на определение содержания металлов в эмиссионных исследованиях. Они выделяют четыре метода, включая масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС), основанные на использовании ионизированной плазмы (разделение атомов на ионы либо путем нагрева образца, либо с использованием длин волн световых пучков в качестве индикаторов концентрации).
Аль-Кайси и Абдулла также проанализировали работу Паппаса и соавторов и пришли к выводу, что ни количество наночастиц, ни массовая концентрация металлических элементов в аэрозолях вейпа не представляют серьёзных токсикологических рисков. Однако в литературе встречается несколько некритичных обзоров исследований металлов, которые приводят к тревожным выводам на основе исследований, обнаруживших высокое содержание металлов (никеля и свинца). Как показали Сассман с Суле в обзоре 2022 года, такие результаты наблюдались только в аэрозолях в условиях перегрева.
Металловедение
Исследование Уильямса и соавторов 2013 года, упомянутое ранее, озвучило тревожные выводы о выбросе различных металлических элементов, которые были обнаружены в наночастицах. Однако Фарсалинос и Вудрис показали, что все эти выбросы были на порядки ниже токсикологических маркеров: хронической допустимой суточной экспозиции (ДСД) от ингаляционных препаратов, определенных Фармакопеей США (кадмий, хром, медь, свинец и никель), минимального уровня риска (МУР) Агентства по токсичным веществам и реестру заболеваний (марганец) и рекомендуемого предела воздействия (РПВ), определенного Национальным институтом охраны труда и здоровья (алюминий, барий, железо, олово, титан, цинк и цирконий). Уильямс и соавторы отметили, что уровни никеля в аэрозолях вейпа были до 200 раз выше уровней в сигарете Marlborough, но 200-кратное пренебрежимо малое количество все еще остается пренебрежимо малым.
В более недавнем исследовании, проведенном Олмедо и соавторами в 2018 году, группа из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса протестировала 54 устройства и также выразила тревогу, заявив, что обнаруженные ими концентрации металлов «превышают текущие санитарные нормы (суточный лимит Агентства по регистрации заболеваний токсичными веществами, ATSDR) почти в 50% или более образцов для Cr, Mn, Ni и Pb». Это исследование имело несколько недостатков: оно невоспроизводимо, поскольку устройства не были идентифицированы, но, что наиболее важно, авторы неправильно рассчитали респираторные концентрации (рассчитанные для объема затяжки, а не для дыхательного объема, с которым пользователи фактически вдыхают). Следовательно, как показали Фарсалинос и Роду, все обнаруженные ими концентрации металлов были значительно ниже предела ATSDR. В обзоре 2022 года Суле и Сассман подтвердили аргументы Фарсалиноса и Роду.
С появлением и ростом популярности мощных сабомных устройств третьего поколения в 2016–2018 годах несколько исследований выбросов, посвященных их тестированию, выявили высокий уровень побочных продуктов, не только органических (альдегидов и даже оксида углерода и свободных радикалов), но и металлов, особенно никеля, меди, свинца и хрома. Основной причиной этих тревожных экспериментальных результатов стало использование этих сабомных устройств на высокой мощности, превышающей оптимальный режим (см. публикацию 3), при низком расходе воздуха: расход воздуха CORESTA составлял 1,1 л/мин и его небольшие вариации.
В исследовании Чжао и соавторов из той же исследовательской группы, что и Олмедо и соавторы из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса, опубликовано особенно вводящее в заблуждение исследование, в котором тестировались два мощных сабомных устройства с воздушным потоком CORESTA: Ishtick 25 (Eleaf electronics 0,2 Ом) и SMOK (Smoketech 0,6 Ом). SMOK тестировался при мощности 220 Вт, тогда как рекомендуемая мощность устройства составляла 40–80 Вт. Неудивительно, что авторы сообщают о чрезвычайно высоких концентрациях никеля, свинца и других металлов в аэрозоле. Однако эти концентрации не соответствуют реальным условиям эксплуатации, а обусловлены тем, что авторы генерировали аэрозоль в этом устройстве в условиях экстремального перегрева.
К сожалению, авторы этого и других исследований (финансируемых учреждениями здравоохранения) не осознают, что, используя мощные устройства при недостаточном потоке воздуха, они генерируют перегретые и токсичные аэрозоли. Авторы утверждают, что просто следуют общепринятому стандарту CORESTA, как будто этот стандарт универсален для всех вейп-устройств (что, как показано в части 4, не так). Они упоминают, что тестируют мощные устройства примерно в том же режиме, в котором вейперы обычно их используют, заявляя о «нормальных» условиях только потому, что в баках не заканчивается жидкость для электронных сигарет, и, следовательно, не возникает «сухих» затяжек.
Эти экспериментальные недостатки показывают, насколько авторы были оторваны от реальности и не осведомлены о потребительском опыте, и насколько они не заинтересованы в проверке того, действительно ли пользователи сабомных устройств используют высокую скорость воздушного потока около 1 л/мин. Тот факт, что пользователи этих устройств используют высокую скорость воздушного потока (стиль «прямо в лёгкие»), был хорошо известен в то время и доступен на форумах и в журналах, посвящённых вейпингу, но авторы проигнорировали эти источники, поскольку они не были «рецензированы». Как показано в публикации 4, существуют физические причины, оправдывающие необходимость высокой скорости воздушного потока при использовании мощных устройств.
Несоответствие между лабораторными исследованиями и потребительскими привычками можно устранить, просто включив в протокол исследования добровольцев, курящих электронные сигареты. В некоторых исследованиях это уже было сделано, но большинство исследований, посвященных эмиссии, в которых тестировались мощные устройства, продолжалось (и продолжается) с использованием CORESTA или «CORESTA-подобного» воздушного потока без участия людей-вейперов. Эта проблема не возникает при лабораторном тестировании устройств малой мощности, совместимых с воздушным потоком CORESTA. Она также отсутствует в исследованиях, финансируемых табачной промышленностью, поскольку все устройства, производимые табачной промышленностью, имеют низкую мощность.
Обширный обзор литературы
В 2022 году Роберто Сассман с Себастьеном Суле опубликовали два обширных обзора литературы по исследованиям выбросов: один был посвящён металлам (12 исследований), а другой — органическим побочным продуктам (36 исследований). Все они были опубликованы в период с 2017 по 2022 год. Большая часть исследований финансировалась учреждениями здравоохранения и университетами, а некоторые также авторами, работающими в промышленности.
Ниже приводится краткое содержание обзора. Была оценка экспериментальных качеств исследований по трём критериям, разделённым на 5 пунктов:
- Экспериментальная последовательность в настройке протоколов затяжек (режимов парения)
- Экспериментальная последовательность в настройке диапазона мощности,
- Воспроизводимость образования аэрозоля
- Воспроизводимость аналитических методов
- Токсикологическая согласованность (правильный расчет воздействия)
Оценка производилась с помощью галочек по трем уровням (одобрение, несоответствие и частичное одобрение/несоответствие, см. таблицу на рисунке 4). Окончательная оценка выставляется по принципу светофора: «надежные» (ЗЕЛЕНЫЙ, как минимум 3 из 4 условий), «частично надежные» (относится со скептицизмом) (ОРАНЖЕВЫЙ, 2 условия) и «ненадежные» (КРАСНЫЙ, ноль или одно условие). Из 12 исследований металлов только 3 были надежными (ЗЕЛЕНЫЙ), 4 – частично надежными (ОРАНЖЕВЫЙ) и 5 – ненадежными (КРАСНЫЙ).
Комментарии в последнем столбце:
(1) сабомное устройство с CORESTA на высокой мощности (определенный перегрев),
(2) сабомное устройство с рекомендуемой CORESTA мощностью (вероятный перегрев),
(3) другие формы непоследовательного протокола,
(4) неправильный расчет воздействия,
(5) выбросы не определены должным образом,
(6) устройства не полностью определены (невоспроизводимо),
(7) испытательная мощность не определена (невоспроизводимо),
(8) слишком частые затяжки,
(9) слишком длинные затяжки,
(10) использовались слишком старые устройства (коррозия).
Как минимум в 6 из 12 исследований (50%) не было предоставлено достаточной информации для воспроизведения экспериментов. Высокие уровни металлов были обнаружены в 4 исследованиях (треть из них), в которых использовались мощные устройства с потоками воздуха CORESTA или подобными CORESTA. В четырёх исследованиях изучались старые устройства, вероятно, подверженные коррозии. Только 3 исследования были достоверными, и во всех из них было обнаружено пренебрежимо малое количество металлических элементов: Бьюваль и Палаццоло исследовали устройства второго поколения, а Чен – Juul.
Легко устранимый экспериментальный недостаток (номер (1) выше) возникает при тестировании мощных устройств с недостаточным потоком воздуха. Такие аэрозоли могут отпугивать потребителей. Этот недостаток проявляется не только в исследованиях эмиссии, ориентированных на металлы, но также и в исследованиях эмиссии органических побочных продуктов (как показано в обзоре органических побочных продуктов), а также в доклинических исследованиях, в которых клеточные линии и грызуны подвергаются воздействию аэрозолей, образующихся в условиях перегрева.
К сожалению, существует несколько обзоров литературы о риске развития рака, связанном с металлами в аэрозолях для вейпинга, в которых некритично цитируются результаты исследований эмиссии, создававших перегретые аэрозоли (см. Fowles et al.). Эти модели риска и исследования эмиссии, которые они используют в качестве исходных данных, часто (ошибочно) принимаются медицинскими учреждениями и регулирующими органами за добросовестную оценку безопасности аэрозолей для вейпинга.
Выводы и дальнейшие статьи
При использовании вейп-устройств в оптимальном режиме (нормальное использование) присутствие металлов в аэрозоле пренебрежимо мало. Все исследования, в которых сообщалось о превышении уровня металлов над маркерами токсикологической безопасности, проводились в нереалистичных и ненормальных условиях, создающих отталкивающие аэрозоли для пользователей. Тревожные заявления о рисках для здоровья, связанных с металлами в аэрозоле, необоснованны.
В следующих статьях расскажем об исследованиях, посвященных органическим побочным продуктам (альдегидам, карбонилам, CO, свободным радикалам). Роборто Сассман с Себастьеном Суле опубликовали обширный обзор таких исследований. Также они выявили 110 доклинических исследований, в которых клеточные линии и грызуны подвергались воздействию перегретых и токсичных аэрозолей, образующихся при вдыхании сабомных устройств с низкой скоростью потока воздуха (которую авторы считают «нормальной» эксплуатацией). Обзор 40 таких исследований в настоящее время проходит рецензирование.
Первая часть
Вторая часть
Третья часть
Четвёртая часть
Источник | robertosussman.substack.com
Фото | Image by diana.grytsku on Freepik