Chemische Charakterisierung des von einem E-Gerät abgegebenen Dampfes

Mar 31, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16497 (2022) Diesen Artikel zitieren

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„Pod“-E-Zigarettengeräte der vierten Generation wurden durch technologische Fortschritte bei der elektronischen Zerstäubung des E-Liquids vorangetrieben. Die Verwendung von mikroporöser Keramik als Dochtwirkungsmaterial verbessert die Heizeffizienz, es ist jedoch unklar, wie sich dies auf die chemischen Emissionen dieser Geräte auswirkt. Wir haben die Emissionen einer Pod-E-Zigarette mit innovativer Technologie auf Keramikdochtbasis und zwei aromatisierten E-Liquids, die Nikotinlactat und Nikotinbenzoat enthalten (57 bzw. 18 mg mL-1 Nikotin), bewertet. Von den untersuchten schädlichen und potenziell schädlichen Bestandteilen (HPHCs), die von der US-amerikanischen FDA und/oder der WHO TobReg gelistet sind, wurden nur 5 (Aceton, Acetaldehyd, Formaldehyd, Naphthalin und Nornikotin) in Konzentrationen von 0,14 bis 100 ng Puff−1 quantifiziert. In der brennbaren Zigarette (Kentucky-Referenz 1R6F) lagen die Werte zwischen 0,131 und 168 µg Zug−1. Die Nikotinwerte lagen bei allen drei Studienprodukten zwischen 0,10 und 0,32 mg Puff−1. Von den 19 vorgeschlagenen HPHCs, die speziell in E-Zigaretten besorgniserregend sind, wurden nur 3 (Glycerin, Isoamylacetat und Propylenglykol) quantifiziert. Die niedrigen/nicht nachweisbaren HPHC-Werte spiegeln nicht nur die optimalen Betriebsbedingungen der E-Zigarette wider, einschließlich einer effizienten Zufuhr von E-Liquid durch den Keramikdocht ohne Überhitzung, sondern auch das Potenzial der E-Zigaretten, als Alternative verwendet zu werden zu brennbaren Zigaretten.

E-Zigaretten sind batteriebetriebene Geräte zur Abgabe von Nikotin und/oder anderen Substanzen, in manchen Fällen auch Aromastoffen. Obwohl E-Zigaretten erstmals 1927 von Joseph Robinson1 vorgeschlagen wurden, wurde die erste Generation von E-Zigaretten oder „Cig-a-likes“ erst in den frühen 2000er Jahren im Handel erhältlich2,3,4. Nachfolgende Gerätegenerationen haben sich seitdem weiterentwickelt und reichen von E-Zigaretten mit vorgefüllten oder nachfüllbaren Kartuschen (2. Generation) bis hin zu wiederaufladbaren Tankgeräten (3. Generation) mit modifizierbaren oder „Mods“-Komponenten3,4,5,6. Die vierte Generation von Geräten, bekannt als „Pods“, wurde durch Fortschritte in der elektronischen Zerstäubungstechnologie vorangetrieben3,7,8,9.

E-Zigaretten bestehen aus einem Mundstück, einer E-Liquid-Kammer, einem Zerstäuber und einer Batterie. Der Zerstäuber verfügt über ein Dochtmaterial, das das E-Liquid auf eine batteriebetriebene Heizspirale zieht. Eine optimale Dampfproduktion hängt von einer effizienten Zufuhr von E-Liquid zur Heizspirale ab, die durch die Dochtwirkung und die Geschwindigkeit der E-Liquid-Verdunstung begrenzt wird10,11,12. Leistungsniveaus, die Aerosol erzeugen, das über die Fähigkeit des Dochts hinausgeht, die Flüssigkeit wieder an die Spule zu liefern, können zu einer Überhitzung der Zerstäuberspule und folglich zu einer Überhitzung des E-Liquids führen10,11. In E-Zigaretten werden verschiedene Arten von Dochtwirkungsmaterialien unterschiedlicher Größe und Form verwendet3,13. Silizium war im Allgemeinen das erste Material, das als Docht verwendet wurde, gefolgt von Baumwolle und Keramik3,13,14,15. Baumwolle verfügt über gute Dochtwirkungseigenschaften, ist jedoch weniger thermisch stabil als Siliziumdioxid14,16,17, während Keramik chemisch stabil und hitzebeständig ist18. Die Verwendung von mikroporöser Keramik als Dochtwirkungsmaterial hat in den letzten Jahren zugenommen14,16,18,19,20. Es wurde berichtet, dass seine Anwendung die Heizeffizienz verbessert und die Verkohlung verringert14,16,18,19,20.

E-Liquids sind ein wichtiger Bestandteil jedes Dampfsystems und ihre Zusammensetzung kann zusammen mit den Eigenschaften des Geräts einen Einfluss auf die Nikotinabgabe haben21. Sie bestehen hauptsächlich aus einer Mischung aus Propylenglykol (PG), Glycerin (pflanzliches Glycerin oder VG) und Nikotin. E-Liquids können Aromastoffe enthalten und sind normalerweise in unterschiedlichen Nikotinstärken oder -konzentrationen erhältlich.

Um erwachsenen Konsumenten den vollständigen Umstieg auf alternative Nikotinprodukte zu erleichtern, ist es wichtig, dass die anderen Alternativen eine wirksame Nikotinabgabe bieten, die mit der von herkömmlichen/brennbaren Zigaretten vergleichbar oder diesem nahe kommt22,23. Starke Raucher (12,4 ± 8,4 Zigaretten pro Tag, n = 11) haben festgestellt, dass E-Zigaretten, insbesondere die der 1. Generation, unbefriedigend waren, da die Nikotinabgabe im Vergleich zu herkömmlichen Zigaretten ineffektiv war22. Spätere Gerätegenerationen haben durch den Einsatz unterschiedlicher Produktdesigns und Leistungseinstellungen, innovativer Materialien und Nikotinsalze in E-Zigaretten-Formulierungen eine verbesserte Nikotinabgabe erreicht3,21,22,24,25. Beispielsweise berichteten Bowen und Xing24, dass eine Kombination von Nikotin mit einigen schwachen organischen Säuren wie Benzoesäure, Laurinsäure, Lävulinsäure, Salicylsäure oder Sorbinsäure eine vergleichbare Zufriedenheit wie herkömmliche Zigaretten bietet. Sie schlugen vor, dass der Zufriedenheitseffekt mit einer effizienten Übertragung von Nikotin in die Lungen des Benutzers und einem schnellen Anstieg der Nikotinabsorption im Plasma zusammenhängt24. Die Verwendung von Milchsäure und Brenztraubensäure wurde von anderen Autoren untersucht, die über Nikotinabsorptionskinetiken berichteten, die denen herkömmlicher Zigaretten ähneln und mit akzeptablen sensorischen Qualitäten und einer Linderung des Verlangens verbunden sind23,25,26,27. Eine Kombination von Nikotin mit schwachen organischen Säuren zur Bildung von Nikotinsalzen wurde auch in pharmazeutischen Formulierungen verwendet, die in Therapiegeräten mit Dosierinhalatoren (MDIs) verwendet werden28. Seine Anwendung in E-Zigaretten-Formulierungen hat das Potenzial, die Nikotinpharmakokinetik des Zigarettenrauchens nachzuahmen, was Zigarettenrauchern den Umstieg auf E-Zigaretten erleichtern kann22,23,25,26,27,29,30,31,32.

E-Zigaretten verbrennen keinen Tabak und können im Vergleich zu brennbaren Zigaretten weniger schädliche und potenziell schädliche Bestandteile (HPHCs) produzieren6,33,34,35,36,37. HPHCs wurden von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (US-FDA) als Chemikalien oder chemische Verbindungen in Tabakprodukten oder Tabakrauch definiert, die Rauchern oder Nichtrauchern Schaden zufügen oder schaden könnten38,39. E-Zigaretten gelten als Alternative für erwachsene Raucher, die nicht mit dem Rauchen aufhören können oder wollen35,37,40,41,42,43,44,45,46. Die jüngste Evidenzprüfung von Public Health England hebt als zentrales Ergebnis eine Studie hervor, die darauf hindeutet, dass die Krebspotenz von E-Zigaretten weitaus weniger als 0,5 % derjenigen des Rauchens betrug42. Das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Lungenerkrankungen wurde für E-Zigaretten nicht quantifiziert, dürfte aber auch deutlich geringer sein als das Risiko durch Rauchen42. Da E-Zigaretten keinen Tabak verbrennen, hängt die Reduzierung schädlicher Substanzen von der chemischen Zusammensetzung des E-Liquids sowie den Eigenschaften des Geräts ab4,5,15,47,48,49. Beispielsweise kann eine Überhitzung des E-Liquids auf der Spule und eine schlechte Dochtwirkungsleistung zu einem Anstieg der Carbonyle auf Werte führen, die höher sind als im Zigarettenrauch beobachtet11,15,47,50,51.

Im Vergleich zu Dochtwirkungsmaterialien aus Siliziumdioxid und Baumwolle gibt es weniger Studien zu E-Zigaretten-Systemen auf Keramikdochtbasis, und ihre Auswirkungen auf die Emissionen von E-Zigaretten sind in der Literatur weniger dokumentiert. Um diese Lücke zu schließen, bestand das Ziel dieser Studie darin, den Dampf zu charakterisieren, der von einer Pod-E-Zigarette der 4. Generation abgegeben wird, die mit einer auf Keramikdochten basierenden Technologie entwickelt wurde, und zwar unter Verwendung des Standardzugregimes nach ISO 20768:2018 (55 ml Zugvolumen/3 s Zug). Dauer/30 s Zugfrequenz; rechteckiges Zugprofil)52. Die Emissionen von zwei E-Liquids mit Berry Blast-Geschmack und unterschiedlichem Nikotingehalt und unterschiedlichen Nikotinsalzen (BB57 mit 57 mg ml–1 Nikotin, das Milchsäure enthält, und BB18 mit 18 mg ml–1 Nikotin, das Benzoesäure enthält) wurden auf a getestet insgesamt 89 organische Verbindungen, die verschiedene Klassen von Verbindungen abdecken (z. B. Nikotin- und Nicht-Nikotin-Giftstoffe). Davon wurden 55 Verbindungen von der US-amerikanischen FDA als relevant für Tabakprodukte aufgeführt und 19 Verbindungen wurden von der FDA als besonders besorgniserregende HPHCs in E-Zigaretten-Aerosolen vorgeschlagen38,39,44,53,54. Wir haben uns auch auf die neun Giftstoffe konzentriert (Acetaldehyd, Acrolein, Benzo[a]pyren, Benzol, 1,3-Butadien, Kohlenmonoxid (CO), Formaldehyd, Nitrosonornicotin (NNN) und 4-(N-Nitrosomethylamino)-1-( 3-Pyridyl-1-butanon (NNK) wird von der WHO Tobacco Product Regulation Group (WHO TobReg) zur vorgeschriebenen Reduzierung des Zigarettenrauchs empfohlen und ist auch Teil der USFDA-Liste für HPHCs53,54,55. Um den Kontext zu liefern: E-Zigarette Die Dampfemissionen wurden mit der Rauchentwicklung einer Referenzzigarette (Kentucky 1R6F (Ky1R6F)) verglichen, die unter dem Zugregime ISO 20778:2018 geraucht wurde (55 ml Zugvolumen/2 s Zugdauer/30 s Zugfrequenz; glockenförmiges Zugprofil, 100 %). Belüftung blockiert)56,57.

Tabelle 1 fasst die CO-Werte pro Zug, die gesammelte Aerosolmasse (ACM), Wasser und Nikotin in den Emissionen von zwei E-Zigaretten zusammen: Berry Blast 57 mg mL-1 Nikotin mit Milchsäure (BB57); und Berry Blast 18 mg mL−1 Nikotin mit Benzoesäure (BB18). CO, das mit der Verbrennung von organischem Material verbunden ist, lag bei beiden E-Zigaretten unter der Nachweisgrenze (< LOD), mit einer prozentualen Reduzierung von 99,8 % im Vergleich zu Ky1R6F-Zigarettenrauch (Tabelle 1). ACM, das hauptsächlich aus PG, VG, Wasser, Nikotin und anderen Nebenbestandteilen besteht, lag bei beiden E-Zigaretten im gleichen Bereich. Es wurde festgestellt, dass die ACM-Ergebnisse über alle Methoden hinweg reproduzierbar waren, was durch die niedrige Standardabweichung von ACM bei beiden E-Zigaretten-Emissionen (6,58 ± 0,39 mg Zug−1 und 6,46 ± 0,36 mg Zug−1 für BB57 bzw. BB18) belegt wird ein Variationskoeffizient von 5,9 % bzw. 5,5 % für BB57 bzw. BB18 (n = 85). Dies ist ein Hinweis auf die Robustheit der Probenahme und die Puffkonsistenz. Der nikotinfreie Trockenpartikel (NFDPM) oder „Teer“, ein mit Zigarettenrauch verbundener Parameter, besteht überwiegend aus Verbrennungsnebenprodukten36,58. Der NFDPM-Wert von 3,67 ± 0,30 mg Puff−1, entsprechend 33 ± 3 mg Zigarette−1, entsprach dem von Ky1R6F zertifizierten Wert von 29 ± 2 mg Zigarette−1 (ISO-Regime für intensives Rauchen)56.

In Bezug auf Feuchthaltemittel waren die PG- und VG-Werte in den E-Zigaretten-Emissionen höher als im Ky1R6F-Zigarettenrauch (Tabelle 1). Da PG und VG die Hauptbestandteile von E-Liquids sind, waren diese Ergebnisse zu erwarten. Diethylenglykol (DEG) und Ethylenglykol (EG), die in E-Liquids als Verunreinigungen vorhanden sein können59,60, lagen in den E-Zigaretten-Emissionen unter LOD. Diese Verbindungen wurden von der US-amerikanischen FDA als potenziell besorgniserregend eingestuft, nachdem über ihren Nachweis in E-Liquids berichtet wurde53,54,61. EG wird häufig als Frostschutzmittel eingesetzt und ist mit ausgeprägten toxikologischen Risiken verbunden50. Die US Pharmacopeia (USP) hat einen Grenzwert für DEG und EG von 0,1 % (1 mg g–1) sowohl in PG als auch in VG festgelegt59,60,62. Ihre geringen Werte bei den E-Zigaretten-Emissionen zeigen, wie wichtig die Verwendung von PG und VG in pharmazeutischer Qualität ist. Glycidol, das von der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC)63 als wahrscheinlich krebserregend eingestuft wird, lag sowohl für E-Zigaretten-Emissionen als auch für Zigarettenrauch unter der LOD.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, wurden für die E-Zigaretten-Emissionen und den Ky1R6F-Zigarettenrauch unterschiedliche Nikotinkonzentrationen beobachtet, wobei die Nikotinkonzentrationen im Zigarettenrauch (0,23 mg Zug–1) zwischen denen in den beiden E-Zigaretten-Emissionen (BB18, 0,10 mg) lagen Puff–1; BB57, 0,32 mg Puff–1). Die Nikotinkonzentration in den BB57-Emissionen war im Vergleich zu BB18 dreimal höher und folgte dem dreifachen Anstieg der Nikotinstärke des E-Liquids. Im Zigarettenrauch beträgt die gemessene Nikotinkonzentration 0,23 ± 0,01 mg Zug–1 (Tabelle 1), entsprechend 2,07 ± 0,09 mg Zig–1, und entspricht dem Ky1R6F-Zertifikatswert von 1,9 ± 0,1 mg Zig–1 (ISO). Intensives Rauchen)56. Für verschiedene E-Zigaretten-Marken wurden Nikotinausbeuten von 2 bis 313 µg Zug-1 angegeben, während die Werte für herkömmlichen Zigarettenrauch zwischen 170 und 232 µg Zug-16,31,36,48,64 lagen.

Nikotinbedingte Verunreinigungen waren hauptsächlich im Zigarettenrauch in deutlich höherer Konzentration vorhanden als in E-Zigaretten-Emissionen (beachten Sie, dass die prozentuale Reduzierung von Anabasin und Nikotin-N-Oxid nicht berechnet wurde, da diese Verunreinigungen

Eine weitere Klasse nikotinbedingter HPHCs, die Anlass zur Sorge geben, sind tabakspezifische Nitrosamine (TSNAs): NNN, NNK, Nitrosoanabasin und Nitrosoanatabin. Diese nichtflüchtigen Verbindungen können in E-Liquids als Verunreinigungen aus der Nikotinextraktion aus Tabak vorhanden sein und sind wichtige Verbindungen, die mit negativen gesundheitlichen Auswirkungen des Zigarettenrauchs in Verbindung gebracht werden34,70,71,72,73,74. Zwei der gemeldeten TSNAs, nämlich NNN und NNK, werden als krebserregend eingestuft und in den HPHC-Listen der US-amerikanischen FDA aufgeführt, die für Zigarettenrauch und elektronische Nikotinabgabesysteme (ENDS) gelten39,53,75. NNN und NNK sind auch in den neun prioritären Rauchgiften der WHO TobReg enthalten55. In unserer Studie lagen die Werte aller vier TSNAs für beide E-Zigaretten-Emissionen unter LOD, mit einer prozentualen Reduzierung von ≥ 99,9 % im Vergleich zu Zigarettenrauch (Tabelle 1).

Eine weitere Klasse von Chemikalien im Zigarettenrauch, die gesundheitsgefährdend ist, sind polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), bei denen es sich um Verbindungen mit zwei oder mehr verschmolzenen Benzoloidringen handelt, die für ihre krebserzeugenden und mutagenen Eigenschaften bekannt sind76. Die PAK-Werte in E-Zigaretten-Emissionen lagen entweder unter LOD oder < LOQ (Chrysen), mit Ausnahme von Naphthalin und Pyren (Tabelle 2). Bemerkenswerterweise lagen diese beiden Verbindungen über der Quantifizierungsgrenze (LOQ) in den Luftblindversuchen der Methode. Pyren lag in E-Zigaretten in der gleichen Konzentration vor wie bei der Methode Air Blank (0,1 ng Zug–1). PAK sind in der Atmosphäre als Bestandteile verschiedener Stäube, Teer, Öle und Motorabgase vorhanden72. Das Vorhandensein von Pyren im E-Zigaretten-Aerosol ist daher höchstwahrscheinlich ein Artefakt aufgrund von Umweltverschmutzung, wie die Methode Air Blank zeigt.

Die Konzentrationen von Naphthalin waren in E-Zigaretten-Emissionen etwas höher als die von Pyren, während der entsprechende Luftleerwert niedriger war. Dennoch ist es wahrscheinlich, dass diese Verbindungen in den Emissionen von E-Zigaretten nachgewiesen wurden, da sie als geringfügige Schadstoffe in der Hintergrundluft vorhanden sind und nicht aus dem Dampfprodukt stammen. Was die festgestellten Werte anbelangt, selbst wenn wir auf der Grundlage der Millionen-Puff-Studie (die einen durchschnittlichen Konsum von 130 Sprühstößen pro Tag ergab und bei der 85 % der Benutzer 300 Sprühstöße nicht überstiegen) von einer Exposition im schlimmsten Fall von 300 Sprühstößen pro Tag ausgehen Tag–177) würde die tägliche Exposition eines Verbrauchers gegenüber jeder dieser Verbindungen weniger als 0,15 µg Tag–1 betragen, dem toxikologischen Schwellenwert für mutagene Verbindungen78,79. Darüber hinaus zeigten die meisten PAKs, einschließlich Naphthalin und Pyren, eine prozentuale Reduzierung der E-Zigaretten-Emissionen um ≥ 99 % im Vergleich zum Ky1R6F-Zigarettenrauch, während Indenol[1,2,3-cd]pyren eine Reduzierung um 92,5 % aufwies, weil dies ebenfalls der Fall war im Zigarettenrauch nur in geringen Mengen vorhanden (0,02 ng Zug–1).

Insgesamt stimmen unsere Ergebnisse mit der Erkenntnis überein, dass PAKs hauptsächlich Verbrennungsprodukte sind. Bei PAKs, die in sehr hohen Konzentrationen im Zigarettenrauch vorkommen, wie Benzo[a]pyren, Chrysen und Pyren, betrug die prozentuale Reduzierung der E-Zigaretten-Emissionen > 99 %. Insbesondere Benzo[a]pyren, das zu den neun prioritären Rauchgiften der TobReg der WHO zählt, konnte im Vergleich zum Rauch der Referenzzigarette bei den E-Zigaretten-Emissionen um 99,7 % reduziert werden.

Im Zigarettenrauch sind die besorgniserregenden Phenole Catechol, m-Kresol, p-Kresol, o-Kresol, Hydrochinon, Phenol und Resorcin (Tabelle 3). Sie können durch den thermischen Abbau von Tabakblattbestandteilen wie Lignin und Chlorogensäure entstehen71,72,80,81. Die Temperatur ist ein wichtiger Faktor bei der Bildung phenolischer Verbindungen. Studien haben gezeigt, dass sich im Zigarettenrauch bei niedrigen Temperaturen (< 350 °C) Catechol und Hydrochinon bilden, während bei Temperaturen von 350–600 °C Kresol, Phenol und Resorcin entstehen81. In E-Liquids können Phenole und ihre Vorläufer als aus Nikotin stammende Verunreinigungen vorhanden sein und auf das Aerosol übertragen und vom Dampfer inhaliert werden71,72. Bei der Verdampfung können auch Phenole entstehen. Es wurde festgestellt, dass die Phenolemissionen unabhängig von der Nikotinbenzoatkonzentration sind, jedoch signifikant mit dem PG/VG-Verhältnis korrelieren. Die Emissionen stiegen mit der Leistung und der Dauer des Zuges, was mit Bedingungen vereinbar ist, die zu einer höheren Temperatur und einem stärkeren thermischen Abbau führen82. In unserer Studie lagen die Konzentrationen aller sieben Phenole in beiden E-Zigaretten-Emissionen unter LOD, mit einer prozentualen Reduzierung von ≥ 99 % im Vergleich zu Zigarettenrauch (Tabelle 3). Die niedrigen Betriebstemperaturen des hier untersuchten E-Zigaretten-Geräts und die Verwendung von pharmazeutischen und lebensmittelechten Inhaltsstoffen in den E-Liquids reduzieren das wahrscheinliche Vorhandensein dieser phenolischen Verbindungen im E-Zigaretten-Aerosol erheblich.

Carbonyle im Zigarettenrauch entstehen hauptsächlich durch Pyrolyse von Tabakzucker83, während Carbonyle in E-Zigaretten hauptsächlich durch thermischen Abbau von PG und/oder VG83,84,85 entstehen. Aromen können auch zur Bildung von Carbonylen beitragen, ebenso wie die Eigenschaften der E-Zigaretten-Geräte, insbesondere die angelegte Spannung, der Spulenwiderstand und das Dochtwirkungsmaterial47,48,49,86,87. Eine schlechte Dochtwirkungseffizienz kann zu einem trockenen Docht und überhitztem E-Liquid (trockener Zug) führen, was die Bildung von Carbonylen und anderen toxischen Verbindungen begünstigt2,10,13,15. Es hat sich gezeigt, dass die Position, Ausrichtung, der Widerstand und das Dochtmaterial der Spule sowie die Leistungsabgabe einen erheblichen Einfluss auf die Carbonylerzeugung haben13,15,86. Die physikalischen Eigenschaften von E-Liquids sind auch bei der Carbonylbildung wichtig15,47,84,86. Die Viskosität und Dichte des E-Liquids bestimmen seine Beweglichkeit, Kapillarwirkung und Abgabe an den Docht und die Spule und beeinflussen die Wahrscheinlichkeit eines trockenen Zugs15.

Mehrere Studien haben über das Vorhandensein von Carbonylen in E-Zigaretten-Emissionen in Konzentrationen zwischen 0,07 und 413 µg Puff berichtet–185,88,89. In unserer Studie waren von den 14 analysierten Carbonylen (Aldehyden und Ketonen) nur fünf (Acetaldehyd, Aceton, Formaldehyd, Glyoxal und Methylglyoxal) in den E-Zigaretten-Emissionen in Konzentrationen von 0,02 bis 0,19 µg Puff–1 quantifizierbar (Tabelle 3). ). Davon wurde Aceton in der gleichen Menge in E-Zigaretten-Emissionen nachgewiesen wie bei der Methode Air Blank (0,04 µg Puff–1). Nachweisbare Luftleerwerte können durch Umweltverschmutzung entstehen6,9,34,90. Acetaldehyd wurde in BB57-Emissionen (0,10 µg Puff–1) quantifiziert, war jedoch in BB18-Emissionen < LOQ, während Formaldehyd in beiden vorhanden war (BB57, 0,04 µg Puff–1; BB18, 0,07 µg Puff–1). Diese beiden Carbonyle lagen jedoch unter den Zielwerten, die im experimentellen freiwilligen Standard der Association Française de Normalization (AFNOR; 16 µg Puff–1 für Acetaldehyd und 1 µg Puff–1 für Formaldehyd) vorgeschlagen wurden91. Frühere Daten zeigen, dass die Konzentrationen der emittierten Carbonylverbindungen, insbesondere Acetaldehyd, Acrolein und Aceton, umso höher sind, je höher das prozentuale Verhältnis von VG zu PG ist84. In unserer Studie enthielten beide E-Liquids gleiche Mengen an VG und PG; Daher ist dieses Verhältnis wahrscheinlich irrelevant für die unterschiedlichen Konzentrationen von Carbonylen, die in den beiden E-Zigaretten-Emissionen nachgewiesen wurden, insbesondere von Acetaldehyd. In einer früheren Studie wurden in den Emissionen eines E-Liquids ohne Nikotin höhere Mengen an Acetaldehyd, Acrolein und Formaldehyd erzeugt als in denen eines E-Liquids mit Nikotin; Die beobachteten Carbonylkonzentrationen standen jedoch in engem Zusammenhang sowohl mit der Zusammensetzung der Flüssigkeiten als auch mit dem Spulenwiderstand47. In Gegenwart von Nikotin war der Gehalt an Carbonylen, insbesondere Formaldehyd, bei einer 1,50-Ω-Spirale deutlich höher als bei einer 0,25-Ω-Spirale47. In unserer Studie stieg nur Acetaldehyd mit dem Produkt mit höherem Nikotingehalt (BB57); Allerdings war seine Konzentration (0,10 µg Puff–1) immer noch 160-mal niedriger als der von AFNOR vorgeschlagene Höchstwert (16 µg Puff–1)91. Ein Vergleich der Emissionen eines E-Liquids mit einem ähnlichen PG/VG-Verhältnis (1:1), das von einem relativ ähnlichen Vype-Gerät (ePen) emittiert wurde, das einen Silica-Docht verwendet, ergab, dass Formaldehyd bei einer Konzentration von 0,59 µg Puff–1 8 betrug × höher und Acetaldehyd war bei einer Konzentration von 0,18 µg Puff–1 2× höher als in den hier dargestellten Emissionen (Tabelle 3)92. In beiden Studien lagen die Werte unter dem von AFNOR91 vorgeschlagenen Höchstwert.

Von den untersuchten Carbonylen sind nur Acetaldehyd, Acrolein und Formaldehyd in den neun prioritären Rauchgiften der WHO TobReg enthalten55. Im Vergleich zum Zigarettenrauch lag der Prozentsatz der Reduzierung der E-Zigaretten-Emissionen bei ≥ 98,8 %.

Von den 14 untersuchten Carbonylen wurden 7 in die neue HPHC-Liste der US-amerikanischen FDA für E-Zigaretten aufgenommen53,54; nämlich Acetaldehyd, Acrolein, Formaldehyd und Butyraldehyd, Crotonaldehyd und die Diketone; Diacetyl (2,3-Butandion) und Acetylpropionyl (2,3-Pentandion). In den E-Zigaretten-Emissionen lagen Butyraldehyd, Crotonaldehyd und Acetylpropionyl unter LOD, während Acrolein und Diacetyl < LOQ lagen. Acetoin, eine Vorstufe von Diacetyl und Acetylpropionyl, lag ebenfalls unter LOD93.

Glyoxal und Methylglyoxal entstehen durch thermischen Abbau oder Oxidation von PG und VG87. Glyoxal gilt als mutagen, während die verwandte Verbindung Methylglyoxal als Metabolit bei der Glykolyse identifiziert wurde und daher natürlicherweise im Körper vorkommt. Methylglyoxal ist auch in Lebensmitteln und Getränken wie Honig und Kaffee enthalten. Aufgrund fehlender Daten wurde Methylgloxal von der IARC als Karzinogen der Gruppe 3 (Karzinogenität für den Menschen nicht klassifizierbar) eingestuft. Beide Verbindungen wurden zuvor in E-Zigaretten-Emissionen in Konzentrationen von 0,07–0,94 bzw. 0,09–33 µg Puff–1 nachgewiesen86,88. In unserer Studie war Glyoxal in geringeren Mengen vorhanden (BB57 und BB18, 0,02 bzw. 0,05 µg Puff–1), während Methylglyoxal in Konzentrationen von 0,13 bzw. 0,19 µg Puff–1 in BB57 und BB18 vorlag (Tabelle 3). Glyoxal wurde in der Luftblindmethode nachgewiesen und daher sind die tatsächlichen Werte der E-Zigaretten-Emissionen möglicherweise niedriger als in Tabelle 3 angegeben. Wiederum unter der Annahme einer ungünstigsten Exposition von 300 Zügen pro Tag, verteilt über 8 Stunden, sind die Werte von Glyoxal Die Exposition eines Verbrauchers wäre immer noch mehr als 40-mal niedriger als der Arbeitsplatzgrenzwert von 0,10 mg m–377,94,95. Die hohe Standardabweichung für Glyoxal und Methylglyoxal, die bei BB18-E-Zigaretten-Emissionen beobachtet wurde, hängt wahrscheinlich mit einem analytischen Probenmatrixeffekt und/oder einer Chargenvariabilität zusammen83,96,97. Trotz der hohen Standardabweichung betrug die prozentuale Reduzierung von Glyoxal und Methylglyoxal in beiden E-Zigaretten-Emissionen im Vergleich zum Zigarettenrauch ≥ 97,0 % bzw. ≥ 94,5 % (Tabelle 3).

In unserer Analyse waren die Carbonylwerte im Vergleich zu anderen Studien zu E-Zigaretten und zum Ky1R6F-Zigarettenrauch erheblich reduziert. Werte unterhalb des LOD oder LOQ oder sogar unterhalb der in den AFNOR-Standardrichtlinien vorgeschlagenen Schwellenwerte liefern einen Beweis für die optimalen Betriebsbedingungen (z. B. ausreichende Dochtsättigung ohne extreme Spulenerwärmung) des auf Keramikdochten basierenden Geräts.

Tabelle 4 fasst den Gehalt an flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) in den E-Zigaretten-Emissionen und im Ky1R6F-Zigarettenrauch zusammen mit den prozentualen Reduzierungen zusammen. Unter den 23 analysierten VOCs lagen die Werte für beide E-Zigaretten-Emissionen unter LOD, mit Ausnahme von Blausäure (BB57, < LOQ), Allylalkohol (beide < LOQ) und Acetamid (BB57, < LOQ). Vier der VOCs, nämlich Acrylnitril, Benzol, Propylenoxid und Toluol, werden von der US-amerikanischen FDA als besorgniserregende Verbindungen für E-Zigaretten aufgeführt53, während Benzol und 1,3-Butadien zu den neun prioritären Rauchgiften der WHO TobReg gehören55. Der Gehalt aller dieser Verbindungen lag unter LOD mit einer prozentualen Reduzierung von ≥ 99,0 % im Vergleich zu Ky1R6F-Rauch (Tabelle 4).

Insbesondere Benzol, das durch Decarboxylierung von Benzoesäure entstehen könnte, war in beiden E-Zigaretten-Emissionen nicht nachweisbar. Pankow et al.98 berichteten zuvor, dass Benzolkonzentrationen bei einer E-Zigarette mit einer einzelnen vertikalen Spule und einem Baumwolldocht weitgehend nicht nachweisbar waren, bei einem Gerät mit einer einzelnen horizontalen Spule und einem Docht aus Quarzglas jedoch leichter nachweisbar waren. Ihre Ergebnisse zeigten, wie wichtig die Ausrichtung der Spule und die Art des Dochtmaterials für die Bildung von Benzol sind. Unsere Ergebnisse zeigten, dass weder die Verwendung von Benzoesäure in der BB18-Formulierung noch die Eigenschaften oder Betriebsbedingungen des Geräts zur Benzolbildung in den E-Zigaretten-Emissionen beitrugen. Pankow et al.98 berichteten auch, dass Benzol durch die Dehydratisierung und Zyklisierung von PG und VG entstehen kann, insbesondere bei Hochleistungseinstellungen unter Verwendung eines Tanksystems mit einer einzigen horizontalen Spule und einem Docht aus Quarzglas. Andere Studien haben gezeigt, dass 1,3-Butadien durch VG-Abbau entstehen kann und ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Bildung von Benzol aus VG84,98 ist. Aromatische VOCs wie Toluol, Xylol, Styrol und Ethylbenzol können auch durch thermischen Abbau von VG entstehen, wobei Benzol als Zwischenprodukt eine wichtige Rolle spielt84. Benzol und andere verbrennungsbedingte Verbindungen, einschließlich Acrylnitril, Isopren und Toluol, können auch als Verunreinigungen von Nikotin in den Emissionen von E-Zigaretten enthalten sein34. Für diese Verbindungen wurde nach der Anreicherung von E-Liquids mit hohen Konzentrationen (46–232 ng g–1) ein prozentualer Transfer ins Aerosol von ≥ 89 % berichtet34. Andere verbrennungsbedingte Verbindungen wie Allylalkohol und Propylenoxid wurden in E-Zigaretten-Emissionen als thermische Abbauprodukte von PG und/oder VG nachgewiesen49,99. In unserer Studie waren alle diese Verbindungen < LOD oder < LOQ.

Die oben genannten Studien zeigen, dass die chemische Zusammensetzung des E-Liquids, das Design des Geräts und die Temperatur, bei der die E-Liquids verdampfen, einen starken Einfluss auf die Bildung von VOCs und deren Übertragung auf E-Zigaretten-Emissionen haben. insbesondere solche, die hauptsächlich durch Erhitzen von PG und VG entstehen. Unsere Ergebnisse von Werten < LOD oder < LOQ in den E-Zigaretten-Emissionen für die untersuchten VOCs weisen auf eine gleichmäßige Zufuhr von E-Liquid durch den Keramikdocht hin, ohne dass es zu einer Überhitzung der Spule und folglich zu einer Überhitzung des E-Liquids kommt. Es gab keinen wesentlichen Unterschied im VOC-Gehalt der beiden Emissionen, die aus E-Liquids mit unterschiedlichen Arten von Nikotinsalzen und unterschiedlichen Nikotinstärken erzeugt wurden. Darüber hinaus kam es bei beiden E-Zigaretten-Emissionen im Vergleich zum Zigarettenrauch zu einer erheblichen Reduzierung der VOCs.

Als nächstes untersuchten wir die E-Zigaretten-Emissionen von Aromastoffen, zusammen mit Essigsäure und Propionsäure, die von der US-amerikanischen FDA als besorgniserregende HPHCs für E-Zigaretten aufgeführt sind53,54. Diese Verbindungen wurden nicht im Zigarettenrauch analysiert, da es sich bei der in der Studie verwendeten Ky1R6F-Zigarette um eine nicht aromatisierte US-Mischzigarette handelt und validierte Analysemethoden für diese Verbindungen nicht verfügbar waren.

Mit Ausnahme von Isoamylacetat (Isopentylacetat) in den E-Zigaretten-Emissionen waren alle Verbindungen < LOD oder < LOQ (Tabelle 5). Dieser Aromastoff wurde in beiden E-Liquid-Formulierungen (BB57 und BB18) verwendet und daher wurde erwartet, dass er in den Emissionen von E-Zigaretten vorkommt. In einer quantitativen Risikoabschätzung, die im Einklang mit einem veröffentlichten Ansatz zur Risikobewertung von Aromen in E-Liquids100 durchgeführt wurde, wurde festgestellt, dass der Gehalt an Isoamylacetat in der Formulierung akzeptabel ist, selbst wenn 100 % davon auf das Aerosol übertragen würden. Um das Risikoniveau weiter zu ermitteln, gingen wir erneut von einer Exposition im ungünstigsten Fall von 300 Sprühstößen pro Tag über 8 Stunden77 aus, was zu einer Isoamylacetat-Exposition von 0,23 mg pro Tag oder 0,034 mg m–3 führen würde. Dies liegt mehrere Größenordnungen unter verschiedenen Richtlinien zur beruflichen Exposition von Isoamylacetat, deren niedrigster Wert bei 250 mg m–3 liegt, und unter der akzeptablen täglichen Aufnahme von 3 mg kg–1 Tag–1 (180 mg Tag–1 für einen 60 -kg Erwachsener), festgelegt vom Gemeinsamen FAO/WHO-Expertenausschuss für Lebensmittelzusatzstoffe101,102.

Ziel dieser Studie war es, die Emissionen einer E-Zigarette mit Keramikdochttechnologie zu bewerten und mit herkömmlichem Zigarettenrauch zu vergleichen. Die Erzeugung der Emissionen der E-Zigaretten folgte ISO 20768:2018 (55 ml Zugvolumen, 3 s Zugdauer, 30 s Zugfrequenz)52. ISO 20768:2018 legt die wesentlichen Anforderungen/Bedingungen fest, die erforderlich sind, um E-Zigaretten-Emissionen für Analyse- und Vergleichszwecke auf robuste und reproduzierbare Weise zu erzeugen und zu sammeln. Der Standard wurde auf der Grundlage der von CORESTA (Kooperationszentrum für wissenschaftliche Forschung im Zusammenhang mit Tabak) empfohlenen Methode Nr. entwickelt. 81 zum maschinellen Ziehen von E-Zigaretten45,103. Es wird anerkannt, dass kein einzelnes Zugregime das breite Spektrum des Zugverhaltens der Verbraucher widerspiegeln kann, das beim Gebrauch von E-Zigaretten zu erwarten ist. Die Verwendung von ISO 20768:2018 ist jedoch für produktübergreifende Vergleichszwecke wichtig45. Die Anwendung verschiedener Arten von Regimen und deren Auswirkungen auf die Geräteleistung sind nicht Gegenstand dieser Studie. Dennoch zeigte das angewandte ISO-Standard-Puffsystem, dass die in Blöcken von 50 aufeinanderfolgenden Zügen gesammelten Emissionen geringe Mengen an Carbonylverbindungen enthielten, die mit dem thermischen Abbau von PG und VG verbunden wären. Die Carbonylwerte der untersuchten E-Zigaretten-Emissionen lagen entweder unter dem LOD oder LOQ oder unter den in den AFNOR-Standardrichtlinien vorgeschlagenen Schwellenwerten, was einen Beweis für die ausreichende Dochtwirkungsrate des Keramikblocks ohne extreme Spulenerwärmung unter den Testbedingungen liefert . Während die aus den ersten 50 Zügen generierten Daten möglicherweise nicht die Erträge über den gesamten Bereich aller Züge darstellen, insbesondere wenn die Flüssigkeit erschöpft ist, sind die Daten repräsentativ, um allgemeine Vergleiche zu ermöglichen.

Um eine Strategie zur Schadensminderung durch Tabak zu verfolgen, ist es wichtig, den von neu entwickelten E-Zigaretten-Geräten abgegebenen Dampf kontinuierlich im Verhältnis zum Rauch verbrannter Zigaretten zu charakterisieren, um die chemische Zusammensetzung der Emissionen zu verstehen. In dieser Studie lag der Schwerpunkt auf der Quantifizierung einer breiten Palette von HPHCs im brennbaren Zigarettenrauch und den E-Zigaretten-Dampfemissionen der neuen Pod-/Patronengeneration unter Verwendung einer auf Keramikdochten basierenden Technologie. Die höheren Nikotinemissionen für BB57 im Vergleich zu BB18 waren nicht mit einem nennenswerten Anstieg der Mengen der quantifizierten HPHCs verbunden. Es wurde eine erhebliche Reduzierung der Konzentrationen der untersuchten HPHCs und der neun TobReg-prioritären Rauchgifte in den E-Zigaretten-Emissionen im Vergleich zum brennbaren Ky1R6F-Zigarettenrauch beobachtet, wobei der Prozentsatz der Reduzierungen im Bereich von 81,6 % bis > 99,9 % lag. Die geringen oder nicht nachweisbaren Werte dieser Verbindungen in E-Zigaretten-Emissionen können auf (1) die niedrige Betriebstemperatur (< 350 °C) des Geräts zurückzuführen sein; (2) eine effiziente Zufuhr von E-Liquid durch den Keramikdocht zur Heizspule ohne Überhitzung der Spule oder des E-Liquids; und (3) die Verwendung von E-Liquid-Inhaltsstoffen in Pharma- oder Lebensmittelqualität. Auch wenn es unwahrscheinlich ist, dass die getestete E-Zigarette risikofrei ist, zeigen die Ergebnisse, dass dieses Gerät auf Keramikdochtbasis im Vergleich zu brennbaren Zigaretten unter den in der Studie getesteten Bedingungen eine erheblich geringere Schadstoffbelastung bieten kann. Weitere präklinische In-vitro-, klinische und Bevölkerungsstudien sind erforderlich, um die Exposition gegenüber diesen Giftstoffen und die damit verbundenen Risiken auf individueller und bevölkerungsbezogener Ebene zu bewerten.

Das E-Zigaretten-Gerät (Vype ePod1.0, Nicoventures Trading Ltd., Blackburn, UK) besteht aus einem metallischen Außengehäuse, einer Leiterplatte zur Steuerung des Geräts, einem Lithium-Ionen-Akku (350 mAh) und einem e -Zigarettenpatrone (Abb. 1). Die Spannung reicht von 2,2 bis 3,1 V und ist vom Benutzer nicht einstellbar. Das Gerät hat Abmessungen (H × B × T) von 104,2 × 19,1 × 10,5 mm und eine Ausgangsleistung von 6,5 ± 0,5 W. Die elektronischen Teile werden bei der Zugentnahme eingeschaltet. Die Kartuschen oder Pods bestehen aus einem Kunststoffgehäuse, das das Dochtmaterial aus Keramik und einem flachen Metallheizelement (NiCr, 0,8–1,4 Ω Widerstand) enthält. Jeder Pod ist mit Vype-E-Liquid (1,9 ml) vorgefüllt und magnetisch am Gerät befestigt.

Hauptbestandteile des Vype E-Zigarettengeräts.

Bei den beiden in der Studie getesteten E-Liquids handelte es sich um Berry Blast-Geschmack mit einem Nikotingehalt von 57 und 18 mg ml–1. Beide E-Liquids enthielten äquivalente Mengen an VG und PG (50:50, %w/w). Berry Blast 57 mg ml–1 (BB57) enthielt Milchsäure, während Berry Blast 18 mg ml–1 (BB18) Benzoesäure enthielt.

Die als Vergleichszigarette verwendete Tabakzigarette war die Kentucky Reference Cigarette 1R6F (Center for Tobacco Reference Products, University of Kentucky, USA), die als Standardteststück für wissenschaftliche Studien konzipiert wurde. Es handelt sich um ein nicht aromatisiertes, in den USA gemischtes King-Size-Produkt mit einem Celluloseacetatfilter, einem Aerosol-Nikotingehalt von 1,9 ± 0,1 mg Cig-1 und einer Teerausbeute von 29 ± 2 mg Cig-1, gemessen nach dem ISO-Regime für intensives Rauchen6 ,56. Derzeit sind keine Referenzprodukte für die Prüfung von E-Zigaretten verfügbar.

Die Probenerzeugung und die Emissionsprüfung wurden von Labstat International ULC (Labstat, Kitchener, Ontario, Kanada) durchgeführt. Die Zigaretten wurden gemäß ISO 3402104 mindestens 48 Stunden lang bei einer Temperatur von 22 ± 2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 ± 3 % konditioniert. Vor dem Test wurden die Referenzzigaretten Ky1R6F mit der in ISO 4387105 angegebenen Standard-Kolbenlänge gekennzeichnet Die Räucher- und Puffparameter sowie die Spezifikationen der Räuchermaschine sind in Tabelle 6 zusammengefasst.

Zigaretten wurden nach dem ISO-Regime für intensives Rauchen bis zur Zigarettenspitze mit blockierter Filterbelüftung geraucht (typischerweise 9–10 Züge)40,57,106. E-Zigaretten wurden nach ISO 20768:201852 gepufft. Das Rauchen von Zigaretten und das Ziehen von E-Zigaretten erfolgte in speziell dafür vorgesehenen klimatisierten Räumen104, wobei entweder eine rotierende oder eine lineare Rauchmaschine verwendet wurde52,57,106. Zigarettenrauch und E-Zigaretten-Emissionen wurden in fünf unabhängigen Replikaten beprobt/analysiert.

Die von Labstat International ULC (Labstat, Kitchener, Ontario, Kanada) verwendeten Analysemethoden sind in den Zusatzinformationen, Tabelle S1, beschrieben. Insgesamt wurden 23 verschiedene Analysemethoden verwendet, um 89 Zielanalyten in den Emissionen von E-Zigaretten und/oder im üblichen Ky1R6F-Zigarettenrauch zu quantifizieren. Die verwendeten Methoden basierten weitgehend auf Methoden von Health Canada zur Analyse von Zigarettenrauch, wobei zusätzliche Methoden von Labstat für andere HPHCs und E-Zigaretten-Verbindungen von Interesse entwickelt wurden6. Bei Bedarf wurden die Methoden für den Einsatz mit E-Zigaretten angepasst. Die Durchführung der Methoden ist nach ISO/IEC 17025:2017107 für alle gemeldeten Bestandteile von Tabakrauch und E-Zigaretten-Aerosolen akkreditiert, sofern in der Ergänzungstabelle S1 nichts anderes angegeben ist. Auch für E-Zigaretten-Emissionen wurden Luft(methoden)-Leerwertbestimmungen durchgeführt, um Hintergrundschadstoffe oder andere Störungen zu identifizieren. Die LODs und LOQs der Methode sind in den Zusatzinformationen, Tabelle S2, zusammengefasst.

Die prozentuale Reduzierung der E-Zigaretten-Emissionen wurde im Vergleich zur Ky1R6F-Referenzzigarette berechnet. Für diese Berechnung wurde der Durchschnitt von 5 Wiederholungsmessungen für jedes Produkt verwendet. Bei einigen Schadstoffen lag der Wert der E-Zigaretten-Emissionen bei < LOD und/oder < LOQ. In Fällen, in denen die Emissionen < LOD waren, betrug der kalkulatorische Wert LOD/26.107. Für Daten < LOQ, aber > LOD wurde der unterstellte Wert als Mittelwert zwischen dem gemeldeten LOD und LOQ6.108 berechnet. Vor der Berechnung der Durchschnittswerte wurde eine Imputation auf Basis einzelner Replikate durchgeführt. In Fällen, in denen sowohl die Emissionswerte der E-Zigarette als auch der Referenzbrennzigarette (Ky1R6F) < LOQ oder < LOD waren, wurde die prozentuale Reduzierung nicht berechnet (NC). LOD und LOQ für jede Verbindung für die E-Zigaretten-Emissionen und den Zigarettenrauch sind in der Ergänzungstabelle S2 angegeben.

Daten sind auf Anfrage bei den Autoren erhältlich. Bei Rückfragen wenden Sie sich bitte an den entsprechenden Autor.

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Referenzen herunterladen

Wir danken Belinda Zonnestein für ihre Unterstützung bei der Beschaffung und Prüfung der Produkte. Wir danken außerdem My-Linh Tran und Joseph Sutton für ihren Beitrag zur Produktentwicklung und Bereitstellung von Produktdetails sowie Sandra Costigan und Elaine Brown für die toxikologischen Beiträge.

BAT (Investments) Limited, R&D, Regents Park Rd, Southampton, SO15 8TL, Großbritannien

M. Isabel Pinto, J. Thissen, N. Hermes, A. Cunningham und H. Digard

Reynolds American, Inc., 401 N Main St, Winston-Salem, NC, 27101, USA

J. Murphy

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MIP – hat das Manuskript geschrieben. JT – führte die Datenanalyse durch. NH – Dateninterpretation und Mitautor des Manuskripts. AC – leitete das analytische Testprogramm und war Mitautor des Manuskripts. HD – leitete das Projekt und war Co-Autor des Manuskripts. JM – leitete das Forschungsprogramm.

Korrespondenz mit M. Isabel Pinto.

BAT (Investments) war die Finanzierungsorganisation für die Studie. Alle Autoren waren bei BAT angestellt.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pinto, MI, Thissen, J., Hermes, N. et al. Chemische Charakterisierung des von einer E-Zigarette abgegebenen Dampfes mithilfe einer Technologie auf Keramikdochtbasis. Sci Rep 12, 16497 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19761-w

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Eingegangen: 11. Februar 2022

Angenommen: 05. September 2022

Veröffentlicht: 03. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19761-w

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