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Teneurs en métaux dans les liquides des cigarettes électroniques: potentiel de relargage des métaux à partir des éléments chauffants et évaluation de l'exposition

Claudia Carolina Alcantara Rojas

Master's thesis (2022)

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Abstract

Smoking is still the main reason for the risk of disability and premature death in Canada. Nowadays, various smoking cessation methods, such as pharmacological treatments and acupuncture, are offered. Unfortunately, these have a low success rate either because they are expensive or not entirely satisfactory, hampering quitting for smokers. Electronic cigarettes (ECs) were introduced in the American market in 2007 as alternative devices to conventional cigarettes. The traditional cigarette combustion process involves burning tobacco, while ECs generate aerosols obtained from liquids containing nicotine, propylene glycol, vegetable glycerine and flavoring (e-liquids). Today, ECs are well accepted among adults looking to leave the conventional cigarette. However, even though it’s accepted that vaping is much less harmful than smoking, there is not enough information available about the potential health risks associated with the long-term use of ECs. It’s known that the heating elements of atomizers in e-cigarettes can contribute to the presence of various metal analytes in e-liquids (e.g., nickel, chromium), which reach the aerosols inhaled by EC users. However, the mechanisms for releasing metals into e-liquids and the subsequent human exposure magnitude to metals are still poorly understood. To rigorously assess the process of releasing metals into e-liquids, metal analyte concentrations were measured in the e-liquids before and after coming into contact with the heating elements. The influence of specific parameters was considered, such as pH, nicotine concentrations, the flavoring role, the molecular form of nicotine (free-base or nicotine salt), the ratio of the organic phase between propylene glycol (PG) and vegetable glycerin (VG) and the composition of the heating elements. In addition, a screening level risk characterization of metals contained in the liquid and the aerosol phases was carried out to determine if the vapers were exposed to concentrations of metals higher than the reference values (e.g., minimal risk levels, MRL, etc.) The target metals were cadmium (Cd), chromium (Cr), nickel (Ni), and lead (Pb) due to their potential toxicity by the inhalation route and their carcinogenic effect in humans. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was used to measure metal concentrations after treatment of samples by acid digestion. The metal content of 17 e-liquids from refill bottles sold in Canada and in five coils widely used among vapers (Nichrome 80, Kanthal A-1, Stainless steel 317L and disposable coils such as Juul and Aspire BVC) was determined. Metal levels expressed as mean (standard deviation) metal concentration, were below detection (Cd) to very low in bottle samples (Ni ≤ 76(18); Pb ≤ 16(1.5); and Cr ≤ 386(15.6) µg/kg). Regarding metal concentrations in coils (mg/kg), values were in the range of Cr = 4.3E+04 – 2.1E+05, Ni = 2.0E+03 – 9.6E+05, Pb = 1.5E-02 – 4.1 et Cd = 0.6 – 32.4. Based on their properties, 12 e-liquids were selected for the metal leaching tests with the five heating coils. The metal leaching experiment lasted three days, and it consisted of putting each coil in contact with each e-liquid in a temperature range of 200-250 °C for 1 h, according to certain vaping parameters (e.g., the volume of e-liquid consumed per day, number of inhalations per day, etc.) ICP-MS analysis showed the increasing metal concentrations as a trend due to the interaction with the coils. In addition, it was also observed that using the same e-liquid, the metal leaching concentrations varied depending on the coil. Cr and Ni were constantly present, followed by Pb to a lesser extent. While Cd was below DL for most samples. Coil + e-liquid combinations with the highest concentrations of Ni, Cr, and Pb, expressed as mean (SD), were: Aspire BVC + Melon 0 mg/mL: Ni = 1.22E+04(281); Aspire BVC + Hit Nicotine 40 mg/mL: Cr = 864(116); and Nichrome 80 + Melon 0 mg/mL: Pb = 56(5) µg/kg. Data from this test reported that nicotine salts at 40 mg/mL may enhance Cr and Ni leaching for some coils. For example, Hit Nicotine 40 mg/mL with Aspire BVC leached the highest concentrations of Cr (864(116 µg/kg)) and Ni (3.39E+03(4.1E+01 µg/kg)). Stainless steel 317L released very low metal concentrations. The non-parametric Wilcoxon signed rank test showed that leached Ni concentrations were significantly different (p < 0.05) between Aspire BVC (p = 0.001, n = 11), Juul (p = 0.001, n = 11), and Nichrome 80 (p = 0.007, n = 11) each compared to stainless steel 317L, except for Kanthal A-1 (p = 0.1, n = 11). Aspire BVC released the highest Ni concentrations, but the lowest concentrations were released by stainless steel 317L. Finally, a conservative screening level risk characterization using reference values for inhalation with non-cancer health effects (e.g., MRL, PEL, etc.) and considering 80% absorption of metals, 500 inhalations per day, and a daily volume of inhaled air equal to 20 m3 was conducted. The safe concentration (SC) of Cr, Ni, Pb, and Cd (mg/mL) were established in the liquid phase as threshold values. All metal concentrations in the refill bottles were always below the SCs. Among the metal leaching samples, Juul and Aspire BVC with Hit nicotine 40mg/mL were equal or above SC for Cr (III) (7.5E-04 mg/mL). They represented only 3.5% of the total (2 out of 57 samples). For Ni, 8.8% of samples (5 out of 57 samples) exceeded the SCsNi for intermediate (1.5E-03 mg/mL) and 10.5% of samples (6 out of 57 samples) exceeded SC for chronic exposure (6.7E-04 mg/mL). In the aerosol phase, the estimated daily dose (EDDILV) (mg/day) was calculated for Cr, Ni, and Pb, to establish limit values assuming a fraction of metals passage from the coil’s extracts to the aerosol (Cr = 15%, Ni= 30% and Pb= 40%). For intermediate exposure, only 1.8% of samples (1 out of 57 samples) exceeded EDDNi (4.0E-03mg/day), and 8.8% of samples (5 out of 57 samples) exceeded EDDNi for chronic exposure (1.8E-03 mg/day). Further studies regarding the different mechanism in metal leaching produced by the coils are needed, this could help to set regulations on the manufacturing of such essential parts of EC devices. Moreover, further research is required to carry out a more detailed risk assessment following exposure to metals (particularly Cr and Ni) from e-cigarettes.

Résumé

Le tabagisme reste encore la raison principale de risque d’incapacité et de mort prématurée au pays. De nos jours, diverses méthodes de sevrage tabagique sont offertes, comme des traitements pharmacologiques ou encore de l’acupuncture. Malheureusement, celles-ci possèdent un faible taux de réussite, et soient qu’elles ont un prix élevé ou qu’elles ne sont pas totalement satisfaisantes, entravant ainsi le sevrage pour les fumeurs. Les cigarettes électroniques (CÉ) ont été introduites sur le marché Nord-américain autour de 2007 comme des dispositifs alternatifs aux cigarettes conventionnelles. Le processus de combustion de la cigarette conventionnelle implique de brûler du tabac, tandis que les CÉ génèrent des aérosols à partir du chauffage de liquides (e-liquides) pouvant contenir de la nicotine, du propylène glycol, de la glycérine végétale et des arômes. Aujourd’hui, les CÉ sont bien acceptées parmi les adultes cherchant à abandonner la cigarette conventionnelle. Cependant, bien qu’il soit largement reconnu que la CÉ est beaucoup moins dommageable pour la santé que la cigarette conventionnelle, peu d’information est présentement disponible sur les risques potentiels sur la santé que peut entraîner la consommation à long terme de la CÉ. Il est connu que les éléments chauffants des atomiseurs dans les e-cigarettes peuvent contribuer à la présence de divers analytes métalliques dans les e-liquides (p.ex., cuivre, chrome), se rendant jusqu’aux aérosols inhalés par les utilisateurs de CÉ. Pourtant, les mécanismes de relargage de métaux vers les e-liquides et l’exposition potentielle des utilisateurs aux métaux sont encore méconnus. Afin d’évaluer de façon rigoureuse le processus de relargage de métaux vers les e-liquides, les concentrations de certains métaux ont été mesurées dans les e-liquides avant et après la mise en contact avec les éléments chauffants. Certains facteurs ont été pris en considération, notamment le pH, la concentration de nicotine, la présence d’arômes, la forme moléculaire de la nicotine (base libre ou sels de nicotine), le rapport de la phase organique entre le propylène glycol (PG) et la glycérine végétale (GV) et la composition des éléments chauffants. En outre, une caractérisation préliminaire des risques suite à l’exposition aux métaux contenus dans la phase liquide autant que dans la phase aérosol a été réalisée afin de déterminer si les utilisateurs pouvaient être exposés à des concentrations de métaux supérieures aux valeurs de référence (p. ex., niveau de risque minimal, MRL, etc.) Les métaux ciblés étaient le cadmium (Cd), le chrome (Cr), le nickel (Ni) et le plomb (Pb) dû à leur toxicité potentielle par inhalation et leur effet cancérogène pour l’homme. Les métaux cibles ont été quantifiés par spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP- MS) et les échantillons ont été au préalable traité par digestion acide. Au début, les teneurs en métaux dans 17 e-liquides, provenant de bouteilles de recharge les plus commercialisées au Canada, ainsi que dans cinq éléments chauffants les plus utilisés (Nichrome 80, Kanthal A-1 et Acier inoxydable 317L de calibre 36 chaque, plus les éléments chauffants jetables de Juul et Aspire BVC) ont été quantifiées. Les résultats démontraient que les concentrations de métaux cibles dans les bouteilles des e-liquides étaient faibles (< 400 µg/kg) ou en dessous des seuils de détection (p. ex. Cd < DL). Par ailleurs, les concentrations de métaux des éléments chauffants (mg/kg), se situaient dans un intervalle égal à Cr = 4.3E+04 – 2.1E+05; Ni = 2.0E+03 – 9.6E+05; Pb = 1.5E-02 – 4.1 et Cd = 0.6 32.4. En mettant l’emphase sur certaines de leurs propriétés, 12 e-liquides ont été sélectionnés pour le test de relargage de métaux avec les cinq éléments chauffants. Ce test a duré trois jours et consistait à mettre en contact chaque élément chauffant avec chaque e-liquide à une température entre 200- 250 °C pendant 1 h, selon certains paramètres de vapotage (p. ex., volume d’e-liquide consommé par jour, nombre de bouffées par jour, etc.) Les résultats ont montré une tendance à la hausse des concentrations de métaux après l’interaction avec les éléments chauffants. De plus, avec le même e-liquide, les concentrations de métaux relargués variaient selon l’élément chauffant. Le Cr et le Ni étaient toujours présents, suivi du Pb, mais dans une moindre mesure alors que le Cd était sous la DL dans la plupart des échantillons. Les mélanges d’élément chauffant + e-liquide avec les concentrations plus élevées de Ni, Cr et Pb, exprimées en moyenne (écart-type), étaient : Aspire BVC + Melon 0 mg/mL: Ni = 1.22E+04(281); Aspire BVC + Hit Nicotine 40 mg/mL: Cr = 864(116); et Nichrome 80 + Melon 0 mg/mL: Pb = 56(5) µg/kg. Les résultats suggéraient que les sels de nicotine à très forte concentration (40 mg/mL) ont favorisé le relargage du Cr et du Ni lorsque mis en contact avec certains éléments chauffants. Notamment, Hit Nicotine 40 mg/mL avec Aspire BVC qui ont relargué les concentrations les plus élevées de Cr (864(116 µg/kg)) et de Ni (3.39E+03(4.1E+01 µg/kg)) par rapport aux autres sels de nicotine. Le test non paramétrique de Wilcoxon a montré que les concentrations de Ni relargué étaient significativement différentes (p < 0.05) avec Aspire BVC (p = 0.001, n= 11), Juul (p = 0.001, n= 11), et Nichrome 80 (p = 0.007, n = 11) par rapport à l'Acier inoxydable 317L, alors que les concentrations de Ni relargué par le Kanthal A-1 n’étaient pas significativement différentes de l’Acier inoxydable (p = 0.1, n = 11). Les résultats ont donc montré que le relargage du Ni diffère entre les éléments chauffants, avec Aspire BVC qui relargue des concentrations supérieures, tandis que des faibles concentrations sont émises par l'Acier inoxydable 317L. Par contre, les concentrations de Cr relargué n’étaient pas significativement différentes par rapport à l'Acier inoxydable 317L. Enfin, une évaluation de l’exposition aux métaux et une caractérisation préliminaire des risques a été effectuée en utilisant les valeurs de référence par inhalation pour les effets non cancérogènes (p. ex., MRL, PEL, etc.) et en considérant un taux d’absorption de 80 % des métaux, 500 inhalations par jour ainsi qu’un volume journalier d’air inhalé égal à 20 m3. Dans la phase liquide, les concentrations maximales sûres (CMS) de Cr, de Ni, de Pb et de Cd (mg/mL) ont été établies comme valeurs limites. Les concentrations de métaux dans les bouteilles de recharge se trouvaient toujours en dessous des CMS. Parmi les échantillons de relargage de métaux, Juul et Aspire BVC avec Hit nicotine 40 mg/mL atteignaient une valeur égale ou supérieure à la CMS pour le Cr (III) (7.5E-04 mg/mL). Ceux-ci représentaient 3.5% du total (2 échantillons sur 57). Pour le Ni, 8.8 % (5 échantillons sur 57) dépassaient la CMSNi pour une exposition intermédiaire (1.5E-03 mg/mL) et 10.5% (6 échantillons sur 57) dépassaient une exposition chronique (6.7E-04 mg/mL). En relation à la phase aérosol, la dose journalière équivalente (DJÉMaérosol) (mg/jour) a été établie pour le Cr, le Ni et le Pb en considérant un pourcentage de passage du métal des échantillons vers l’aérosol (Cr = 15%, Ni= 30% and Pb= 40%). Pour une exposition intermédiaire, 1.8 % (1 échantillon sur 57) dépassait la DJÉNi (4.0E-03 mg/jour) et seuls 8.8 % (5 échantillons sur 57) dépassaient la DJÉNi pour une exposition chronique (1.8E-03mg/jour). Des études supplémentaires sur les mécanismes de relargage de métaux produits par les résistances chauffantes sont nécessaires afin d’éventuellement réglementer la fabrication des éléments chauffants des dispositifs de CÉ. En outre, bien que cette étude ait montré que seule une faible proportion des échantillons testés serait problématique pour le Ni et le Cr (les autres métaux ne posant pas de problèmes), une analyse plus approfondie des risques sur la santé suite à l’exposition aux métaux qui passent réellement dans la phase aérosol est recommandée.

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie minéral
Academic/Research Directors: Gérald J. Zagury
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10695/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 24 Mar 2023 11:35
Last Modified: 08 Apr 2024 10:15
Cite in APA 7: Alcantara Rojas, C. C. (2022). Teneurs en métaux dans les liquides des cigarettes électroniques: potentiel de relargage des métaux à partir des éléments chauffants et évaluation de l'exposition [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10695/

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