Implementazione di un setup sperimentale per la misura della dissoluzione polmonare mediante metodi SLF (simulated lung fluid)

Amongst the human respiratory tract models presented by ICRP (International Commission on Radiological Protection) to describe the pulmonary dynamics of inhalable materials, the most recent one proposes three classification categories for different materials, based on their pulmonary retention. These categories are Fast (retention lower than 11% of inhaled material after 30 days), Moderate (retention of 11-51% of inhaled material after 30-180 days) and Slow (retention over 51% of inhaled material after 180 days). Moreover, for each of the three classes, ICRP introduces some parameters for the analytic description of the nominal retention curve over time. Nevertheless, such parameters are just an indication of the dissolution temporal trends of inhalable materials and should not be considered as fully reliable in the evaluation of the biological risk following radioactive particulate inhalation. For this kind of assessment, indeed, the commission’s suggestion is to refer to the values obtained by in vivo inhalation studies using the same material. Alternatively, in vitro studies can be referred to, but for such purpose it is necessary to be provided of a simulation setup that reproduces all the pulmonary dissolution features in the most efficient way; this means that the results obtained by such system should be comparable with the physiological ones. Given the lack of such gold standard simulation system, the purpose of this thesis was that of projecting and implementing an innovative setup simulating the physiological dynamicity of the elimination of inhaled materials from the lungs. To pursuit this goal, a critical analysis has been performed over the available literature in terms of the physiological phenomenon, of the models describing it and of the simulating techniques implemented in the past. Secondly, an innovative dynamic setup based on the gathered material has been projected and assembled. Within the implemented system, BaSO4 particulate has been tested and the associated results have been compared with Konduru’s (2014) study outcome. The comparison showed that the error between the fraction dissolved over 10.66 days and the reference study outcome was lower that 4% and this way the setup has been validated. Besides, the system has been used to study the lung dissolution dynamics of graphite particulate extracted by a graphite brick that was once part of the nuclear reactor of Politecnico di Milano (L-54M). In this phase, the analysis has been conducted on the radioactivity of the main graphite emitters (Eu-152 and Ag-108m), present as impurities within the carbon structure, for 42.90 days and the results showed that nuclear graphite plays a steady encapsulation effect over the two radioisotopes, which results in a pulmonary absorption of S type.

Tra i diversi modelli del tratto respiratorio umano proposti da ICRP (International Commission on Radiological Protection) per descrivere la dinamica in ambiente polmonare di sostanze radioattive inalabili, il più recente distingue tre classi di materiali sulla base della relativa ritenzione polmonare; queste sono dette Fast (ritenzione inferiore all’11% del materiale inalato dopo 30 giorni), Moderate (ritenzione dell’11-51% del materiale inalato dopo 30-180 giorni), e Slow (ritenzione superiore al 51% del materiale inalato dopo 180 giorni). Ad ognuna delle classi, ICRP associa particolari valori dei parametri descrittivi della curva nominale di ritenzione polmonare i quali, però, sono solamente indicativi e non affidabili al 100% nella valutazione del rischio legato ad uno specifico caso di inalazione. Per tale valutazione la commissione suggerisce, infatti, di prendere a riferimento valori ottenuti tramite studi in vivo che sfruttano lo stesso materiale inalabile; in alternativa, possono essere effettuati studi in vitro impiegando sistemi simulanti la dissoluzione polmonare. A tale scopo è però necessario disporre di un setup simulante l’ambiente polmonare che riproduca gli stessi risultati riscontrati su studi di inalazione in vivo o, al più, risultati che non si discostino eccessivamente dal valore desiderato. Data l’assenza un sistema universalmente valido in tal senso, lo scopo di questa tesi sperimentale era quello di progettare e realizzare un setup innovativo che riproducesse la dinamica fisiologica conseguente l’inalazione di particolato e i cui risultati fossero comparabili con quelli ottenuti da test in vivo. Per perseguire tale obiettivo è stata inizialmente svolta un’analisi critica della documentazione reperibile presente in letteratura in merito al fenomeno fisiologico di dissoluzione polmonare, ai modelli che lo descrivono e alle tecniche implementate in passato per la simulazione dello stesso. Sulla base del materiale raccolto è stato ideato e realizzato un sistema dinamico di simulazione dell’ambiente in cui avviene la dissoluzione, costituito da elementi tratti da studi passati e da elementi di innovazione. Al suo interno è stata testata polvere di BaSO4 ed i relativi risultati sono stati comparati con quelli di uno studio realizzato in vivo su cavie (Konduru, 2014), condotto per analizzare lo stesso composto. L’elaborazione dei risultati relativi al materiale disciolto in 10.66 giorni ha portato ad un errore rispetto al valore fisiologico atteso inferiore al 4% e ciò ha consentito di validare il setup proposto. Successivamente, il sistema è stato impiegato per valutare i tempi di dissoluzione polmonare di particelle di grafite radioattiva prelevata dal reattore nucleare del Politecnico di Milano L-54M. In questa fase l’analisi è stata condotta per 42.90 giorni sull’attività emessa dai radioisotopi presenti come impurità all’interno della struttura di grafite (Eu-152 e Ag-108m), dai quali è risultato che, nei confronti degli stessi, la grafite nucleare eserciti un effetto di incapsulamento stabile risultante in un assorbimento polmonare di tipo slow.