Caractérisation chimique de la vapeur émise par un e

Mar 31, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 16497 (2022) Citer cet article

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Les dispositifs de cigarette électronique «pod» de quatrième génération ont été stimulés par les avancées technologiques dans l'atomisation électronique du e-liquide. L'utilisation de céramique microporeuse comme matériau à effet de mèche améliore l'efficacité du chauffage, mais son effet sur les émissions chimiques de ces dispositifs n'est pas clair. Nous avons évalué les émissions d'une e-cigarette à dosette dotée d'une technologie innovante à base de mèche en céramique et de deux e-liquides aromatisés contenant du lactate de nicotine et du benzoate de nicotine (respectivement 57 et 18 mg mL−1 de nicotine). Parmi les constituants nocifs et potentiellement nocifs (HPHC) étudiés et listés par la FDA américaine et/ou l'OMS TobReg, seuls 5 (acétone, acétaldéhyde, formaldéhyde, naphtalène et nornicotine) ont été quantifiés à des niveaux de 0,14 à 100 ng puff−1. Dans la cigarette combustible (Kentucky référence 1R6F), les niveaux étaient de 0,131 à 168 µg bouffée-1. Les niveaux de nicotine variaient de 0,10 à 0,32 mg bouffée−1 pour les 3 produits à l'étude. Sur les 19 HPHC proposés spécifiquement préoccupants dans les cigarettes électroniques, seuls 3 (glycérol, acétate d'isoamyle et propylène glycol) ont été quantifiés. Les niveaux faibles/indétectables de HPHC reflètent non seulement les conditions de fonctionnement optimales de la e-cigarette, y compris une alimentation efficace en e-liquide par la mèche en céramique sans surchauffe, mais également le potentiel des e-cigarettes à être utilisées comme alternative aux cigarettes combustibles.

Les cigarettes électroniques sont des dispositifs alimentés par batterie conçus pour délivrer de la nicotine et/ou d'autres substances, y compris, dans certains cas, des arômes. Bien que les e-cigarettes aient été proposées pour la première fois en 1927 par Joseph Robinson1, ce n'est qu'au début des années 2000 que la 1ère génération d'e-cigarettes ou « cig-a-likes » est devenue disponible dans le commerce2,3,4. Les générations suivantes d'appareils ont évolué depuis lors, allant des e-cigarettes avec des cartouches préremplies ou rechargeables (2e génération) aux appareils rechargeables de type réservoir (3e génération) avec des composants modifiables ou "Mods"3,4,5,6. La 4ème génération d'appareils, connus sous le nom de "Pods", a été stimulée par les progrès de la technologie d'atomisation électronique3,7,8,9.

Les e-cigarettes se composent d'un embout buccal, d'une chambre à e-liquide, d'un atomiseur et d'une batterie. L'atomiseur a un matériau absorbant qui attire l'e-liquide sur une bobine chauffante alimentée par batterie. La production de vapeur optimale dépend d'un apport efficace d'e-liquide au serpentin chauffant, qui est limité par l'effet de mèche et le taux d'évaporation de l'e-liquide10,11,12. Les niveaux de puissance qui produisent un aérosol au-delà de la capacité de la mèche à réapprovisionner la bobine en liquide peuvent entraîner une surchauffe de la bobine de l'atomiseur et par conséquent une surchauffe de l'e-liquide10,11. Différents types de matériaux absorbants, de taille et de forme variables, ont été utilisés dans les cigarettes électroniques3,13. La silice était généralement le premier matériau à être utilisé comme mèche, suivi du coton et de la céramique3,13,14,15. Le coton a de bonnes propriétés de mèche mais est moins stable thermiquement que la silice14,16,17, tandis que la céramique est chimiquement stable et résistante à la chaleur18. L'utilisation de la céramique microporeuse comme matériau absorbant a augmenté au cours des dernières années14,16,18,19,20. Il a été rapporté que son application améliore l'efficacité du chauffage et réduit la carbonisation14,16,18,19,20.

Les e-liquides sont une partie importante de tout système de vapotage et leur composition, ainsi que les caractéristiques de l'appareil, peuvent avoir un impact sur la libération de nicotine21. Ils constituent principalement un mélange de propylène glycol (PG), de glycérol (glycérine végétale ou VG) et de nicotine. Les e-liquides peuvent contenir des composés aromatisants et sont généralement proposés dans différentes concentrations ou concentrations de nicotine.

Pour aider les utilisateurs adultes à passer complètement à des produits à base de nicotine alternatifs, il est important que les autres alternatives fournissent une libération de nicotine efficace comparable ou proche de celle des cigarettes conventionnelles/combustibles22,23. Les gros fumeurs (12,4 ± 8,4 cigarettes par jour, n = 11) ont trouvé que les e-cigarettes, en particulier celles de la 1ère génération, n'étaient pas satisfaisantes car l'apport de nicotine était inefficace par rapport aux cigarettes conventionnelles22. Les générations ultérieures d'appareils ont amélioré l'administration de nicotine en utilisant différentes conceptions de produits et réglages de puissance, des matériaux innovants et des sels de nicotine dans les formulations de cigarettes électroniques3,21,22,24,25. Par exemple, Bowen et Xing24 ont rapporté qu'une combinaison de nicotine avec certains acides organiques faibles, tels que l'acide benzoïque, laurique, lévulinique, salicylique ou sorbique, procure une satisfaction comparable à celle des cigarettes conventionnelles. Ils ont suggéré que l'effet de satisfaction était cohérent avec un transfert efficace de la nicotine vers les poumons de l'utilisateur et une augmentation rapide de l'absorption de la nicotine dans le plasma24. L'utilisation d'acide lactique et d'acide pyruvique a été étudiée par d'autres auteurs, qui ont rapporté une cinétique d'absorption de la nicotine similaire à celle des cigarettes conventionnelles et associée à des qualités sensorielles acceptables et à un soulagement de l'état de manque23,25,26,27. Une combinaison de nicotine avec des acides organiques faibles pour former des sels de nicotine a également été appliquée dans les formulations pharmaceutiques utilisées dans les équipements thérapeutiques des inhalateurs-doseurs (MDI)28. Son application dans les formulations de cigarettes électroniques a le potentiel d'imiter la pharmacocinétique de la nicotine de la cigarette, ce qui peut aider les fumeurs de cigarettes à passer aux cigarettes électroniques22,23,25,26,27,29,30,31,32.

Les cigarettes électroniques ne brûlent pas le tabac et peuvent produire des composants moins nocifs et potentiellement nocifs (HPHC) que les cigarettes combustibles6,33,34,35,36,37. Les HPHC ont été définis par la Food and Drug Administration des États-Unis (US FDA) comme des produits chimiques ou des composés chimiques présents dans les produits du tabac ou la fumée de tabac qui causent ou pourraient causer des dommages aux fumeurs ou aux non-fumeurs38,39. Les cigarettes électroniques ont été reconnues comme une alternative pour les fumeurs adultes qui ne peuvent ou ne veulent pas arrêter de fumer35,37,40,41,42,43,44,45,46. L'examen des preuves le plus récent de Public Health England met en évidence, comme principale conclusion, une étude suggérant que les effets cancérigènes des cigarettes électroniques étaient largement inférieurs à 0,5 % de ceux du tabagisme42. Les risques de maladies cardiovasculaires et de maladies pulmonaires n'ont pas été quantifiés pour les cigarettes électroniques, mais ils sont également susceptibles d'être nettement inférieurs à ceux du tabagisme42. Parce que les e-cigarettes ne brûlent pas de tabac, la réduction des substances nocives dépend de la composition chimique de l'e-liquide, ainsi que des caractéristiques de l'appareil4,5,15,47,48,49. Par exemple : une surchauffe du e-liquide sur la résistance et de mauvaises performances d'effet de mèche peuvent entraîner une augmentation des carbonyles à des niveaux supérieurs à ceux observés dans la fumée de cigarette11,15,47,50,51.

Par rapport aux matériaux à base de silice et de coton, il existe moins d'études sur les systèmes de cigarettes électroniques à base de mèche en céramique, et leur impact sur les émissions des cigarettes électroniques est moins documenté dans la littérature. Pour combler cette lacune, l'objectif de cette étude était de caractériser la vapeur émise par une e-cigarette à dosette de 4e génération conçue avec une technologie à base de mèche en céramique utilisant le régime de bouffée standard ISO 20768: 2018 (volume de bouffée de 55 ml / bouffée de 3 s durée/30 s de fréquence de bouffée ; profil de bouffée rectangulaire)52. Les émissions de deux e-liquides aromatisés Berry Blast avec différents niveaux de nicotine et différents sels de nicotine (BB57 avec 57 mg mL–1 de nicotine contenant de l'acide lactique et BB18 avec 18 mg mL–1 de nicotine contenant de l'acide benzoïque) ont été testées pour une total de 89 composés organiques couvrant différentes classes de composés (par exemple, la nicotine et les substances toxiques non nicotiniques). Parmi ceux-ci, 55 composés ont été répertoriés par la FDA américaine comme pertinents pour les produits du tabac et 19 composés ont été proposés par la FDA comme HPHC particulièrement préoccupants dans les aérosols de cigarettes électroniques38,39,44,53,54. Nous nous sommes également concentrés sur les neuf substances toxiques (acétaldéhyde, acroléine, benzo[a]pyrène, benzène, 1,3-butadiène, monoxyde de carbone (CO), formaldéhyde, nitrosonornicotine (NNN) et 4-(N-nitrosométhylamino)-1-( 3-pyridyl)-1-butanone (NNK) recommandé pour la réduction obligatoire de la fumée de cigarette par le groupe de réglementation des produits du tabac de l'OMS (WHO TobReg), qui fait également partie de la liste HPHC de l'USFDA53,54,55. les émissions de vapeur ont été comparées aux rendements de fumée d'une cigarette de référence (Kentucky 1R6F (Ky1R6F)) fumée selon le régime de bouffées ISO 20778:2018 (volume de bouffée de 55 ml/durée de bouffée de 2 s/fréquence de bouffée de 30 s ; profil de bouffée en forme de cloche, 100 % ventilation bloquée)56,57.

Le tableau 1 résume les niveaux par bouffée de CO, de masse collectée d'aérosol (ACM), d'eau et de nicotine dans les émissions de deux cigarettes électroniques : à savoir, Berry Blast 57 mg mL-1 de nicotine contenant de l'acide lactique (BB57) ; et Berry Blast 18 mg mL−1 de nicotine contenant de l'acide benzoïque (BB18). Le CO, qui est associé à la combustion de matières organiques, était inférieur à la limite de détection (< LOD) pour les deux cigarettes électroniques, avec un pourcentage de réduction de 99,8 % par rapport à la fumée de cigarette Ky1R6F (tableau 1). L'ACM, qui comprend principalement du PG, du VG, de l'eau, de la nicotine et d'autres constituants mineurs, était dans la même fourchette pour les deux cigarettes électroniques. Les résultats de l'ACM se sont avérés reproductibles dans toutes les méthodes, comme en témoigne le faible écart type de l'ACM dans les deux émissions de cigarettes électroniques (6,58 ± 0,39 mg bouffée-1 et 6,46 ± 0,36 mg bouffée-1 pour BB57 et BB18 respectivement), ce qui représente un coefficient de variation de 5,9 % et 5,5 % pour BB57 et BB18, respectivement (n = 85). C'est une indication de la robustesse de l'échantillonnage et de la cohérence des bouffées. La matière particulaire sèche sans nicotine (NFDPM) ou « goudron », un paramètre associé à la fumée de cigarette, se compose principalement de sous-produits de combustion36,58. Le niveau de NFDPM, 3,67 ± 0,30 mg bouffée-1 équivalent à 33 ± 3 mg cig-1, était conforme à la valeur certifiée Ky1R6F de 29 ± 2 mg cig-1 (régime de tabagisme intense ISO)56.

En termes d'humectants, les niveaux de PG et de VG étaient plus élevés dans les émissions de cigarettes électroniques que dans la fumée de cigarette Ky1R6F (tableau 1). Le PG et le VG étant les principaux constituants des e-liquides, ces résultats étaient attendus. Le diéthylène glycol (DEG) et l'éthylène glycol (EG), qui peuvent être présents dans les e-liquides sous forme d'impuretés59,60, étaient < LOD dans les émissions de cigarettes électroniques. Ces composés ont été soulevés comme une préoccupation potentielle par la FDA américaine après des rapports faisant état de leur détection dans les e-liquides53,54,61. L'EG est largement utilisé comme agent antigel et est associé à des risques toxicologiques prononcés50. La pharmacopée américaine (USP) a fixé une limite pour le DEG et l'EG de 0,1 % (1 mg g–1) à la fois dans le PG et le VG59,60,62. Leurs faibles niveaux d'émissions de cigarettes électroniques montrent l'importance d'utiliser du PG et du VG de qualité pharmaceutique. Le glycidol, qui est répertorié comme cancérogène probable par le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC)63, était < LOD pour les émissions de cigarettes électroniques et la fumée de cigarette.

Comme le montre le tableau 1, différentes concentrations de nicotine ont été observées pour les émissions de cigarettes électroniques et la fumée de cigarette Ky1R6F, les niveaux de nicotine dans la fumée de cigarette (bouffée de 0,23 mg–1) se situant entre ceux des deux émissions de cigarettes électroniques (BB18, 0,10 mg bouffée-1 ; BB57, 0,32 mg bouffée-1). La concentration de nicotine dans les émissions de BB57 par rapport à BB18 était trois fois supérieure et suivait la multiplication par trois de la concentration en nicotine du e-liquide. Dans la fumée de cigarette, la concentration de nicotine mesurée de 0,23 ± 0,01 mg bouffée–1 (Tableau 1), équivalent à 2,07 ± 0,09 mg cig−1, est conforme à la valeur du certificat Ky1R6F de 1,9 ± 0,1 mg cig−1 (ISO Régime de tabagisme intense)56. Les rendements en nicotine pour différentes marques de cigarettes électroniques ont été rapportés de 2 à 313 µg bouffée-1 tandis que pour la fumée de cigarette conventionnelle, les valeurs variaient de 170 à 232 µg bouffée-16,31,36,48,64.

Les impuretés liées à la nicotine étaient présentes principalement dans la fumée de cigarette à un niveau significativement plus élevé que dans les émissions de cigarettes électroniques (notez que le pourcentage de réduction de l'anabasine et de la nicotine-N-oxyde n'a pas été calculé car ces impuretés étaient < LOD dans la fumée de cigarette et l'e -émissions de cigarettes). En général, la nicotine utilisée dans les e-liquides est extraite du tabac et peut contenir d'autres alcaloïdes mineurs apparentés comme impuretés64,65. Par conséquent, des impuretés liées à la nicotine peuvent être attendues dans les émissions de cigarettes électroniques et sont considérées comme acceptables par l'USP et la pharmacopée européenne dans la nicotine standard utilisée dans les e-liquides6,66,67,68. L'USP exige que les impuretés simples soient inférieures à 0,5 % (5 mg g–1) de nicotine et que les impuretés totales soient inférieures à 1 % (10 mg g–1)66. La pharmacopée européenne exige que chacune des sept impuretés spécifiées (anabasine, anatabine, cotinine, myosmine, nicotine-N-oxyde, β-nicotyrine, nornicotine ; tableau 1) soit inférieure à 0,3 %, les impuretés non spécifiées ne dépassant pas 0,1 % chacune, et les impuretés totales doivent être inférieures à 0,8 % de la teneur en nicotine6,66,67,68. Dans notre étude, toutes les impuretés liées à la nicotine analysées dans les émissions de cigarettes électroniques étaient inférieures aux niveaux indiqués par l'USP et la pharmacopée européenne pour les e-liquides (tableau 1). Ceci est cohérent avec le fait que seule la nicotine de qualité pharmaceutique est utilisée dans la fabrication de ces e-liquides. La β-nicotyrine, un produit de pyrolyse de la nicotine69, était présente au niveau le plus élevé dans la fumée de cigarette (0,42 µg bouffée–1). La réduction observée de 98 % par bouffée des émissions des deux e-liquides est une bonne indication que la chaleur générée dans l'atomiseur de l'appareil n'est pas suffisante pour décomposer thermiquement la nicotine en β-nicotyrine.

Les nitrosamines spécifiques au tabac (TSNA) sont une autre classe de HPHC liées à la nicotine préoccupante : à savoir, NNN, NNK, nitrosoanabasine et nitrosoanatabine. Ces composés non volatils peuvent être présents dans les e-liquides en tant qu'impuretés issues de l'extraction de la nicotine du tabac et sont des composés importants associés aux effets négatifs sur la santé de la fumée de cigarette34,70,71,72,73,74. Deux des TSNA signalés, à savoir NNN et NNK, sont classés comme cancérogènes et inclus dans les listes HPHC de la FDA américaine qui s'appliquent à la fumée de cigarette et aux systèmes électroniques de distribution de nicotine (ENDS)39,53,75. Le NNN et le NNK sont également inclus dans les neuf substances toxiques prioritaires TobReg de l'OMS55. Dans notre étude, les niveaux des quatre TSNA étaient < LOD pour les deux émissions de cigarettes électroniques avec un pourcentage de réduction ≥ 99,9 % par rapport à la fumée de cigarette (tableau 1).

Une autre classe de produits chimiques dans la fumée de cigarette qui pose des problèmes de santé sont les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), qui sont des composés avec deux ou plusieurs cycles benzénoïdes fusionnés qui sont connus pour leurs propriétés cancérigènes et mutagènes76. Les niveaux de HAP dans les émissions de cigarettes électroniques étaient soit < LOD ou < LOQ (chrysène), sauf pour le naphtalène et le pyrène (tableau 2). Notamment, ces deux composés étaient supérieurs à la limite de quantification (LOQ) dans les blancs d'air de la méthode. Le pyrène était à la même concentration dans les cigarettes électroniques que dans la méthode à blanc d'air (bouffée de 0,1 ng–1). Les HAP sont présents dans l'atmosphère en tant que composants de diverses poussières, goudrons, huiles et gaz d'échappement des moteurs72. La présence de pyrène dans l'aérosol de la e-cigarette est donc très probablement un artefact dû à une contamination environnementale, comme l'indique la méthode à blanc d'air.

Les niveaux de naphtalène étaient légèrement supérieurs à ceux du pyrène dans les émissions de cigarettes électroniques, tandis que le blanc d'air respectif était inférieur. Néanmoins, il semble probable que ces composés aient été détectés dans les émissions de cigarettes électroniques en raison de leur présence en tant que contaminants de faible niveau dans l'air de fond, plutôt que de provenir du produit de vapotage. En termes de niveaux détectés, même si nous supposons une exposition au pire des cas de 300 bouffées par jour sur la base de l'étude du million de bouffées (qui a rapporté une utilisation médiane de 130 bouffées jour-1 et où 85% des utilisateurs n'ont pas dépassé 300 bouffées jour–177), l'exposition quotidienne d'un consommateur à chacun de ces composés serait inférieure à 0,15 µg jour–1, le seuil toxicologique préoccupant pour les composés mutagènes78,79. De plus, la plupart des HAP, y compris le naphtalène et le pyrène, ont montré une réduction en pourcentage des émissions de cigarettes électroniques de ≥ 99 % par rapport à la fumée de cigarette Ky1R6F, tandis que l'indénol[1,2,3-cd]pyrène a montré une réduction de 92,5 % parce qu'il était également présent uniquement à de faibles concentrations dans la fumée de cigarette (0,02 ng bouffée–1).

Collectivement, nos résultats sont cohérents avec la connaissance que les HAP sont principalement des produits de combustion. Pour les HAP présents à des concentrations très élevées dans la fumée de cigarette, tels que le benzo[a]pyrène, le chrysène et le pyrène, le pourcentage de réduction des émissions de cigarettes électroniques était > 99 %. En particulier, le benzo[a]pyrène, qui fait partie des neuf substances toxiques de la fumée prioritaires TobReg de l'OMS, a été réduit de 99,7 % dans les émissions de cigarettes électroniques par rapport à la fumée de la cigarette de référence.

Dans la fumée de cigarette, les phénols préoccupants sont le catéchol, le m-crésol, le p-crésol, l'o-crésol, l'hydroquinone, le phénol et le résorcinol (tableau 3). Ils peuvent être formés par la dégradation thermique des constituants des feuilles de tabac tels que la lignine et l'acide chlorogénique71,72,80,81. La température est un facteur important dans la formation des composés phénoliques. Des études ont rapporté que le catéchol et l'hydroquinone se forment dans la fumée de cigarette à basse température (< 350 °C), tandis que le crésol, le phénol et le résorcinol se forment à des températures de 350 à 600 °C81. Dans les e-liquides, les phénols et leurs précurseurs peuvent être présents sous forme d'impuretés dérivées de la nicotine et peuvent être transférés dans l'aérosol et inhalés par le vapoteur71,72. Des phénols peuvent également se former lors de la vaporisation. Les émissions de phénol se sont révélées indépendantes de la concentration en benzoate de nicotine mais significativement corrélées au rapport PG/VG. Les émissions augmentaient avec la puissance et la durée des bouffées, conformément aux conditions qui conduisent à une température plus élevée et à une plus grande dégradation thermique82. Dans notre étude, les niveaux des sept phénols étaient < LOD dans les deux émissions de cigarettes électroniques avec un pourcentage de réduction ≥ 99 % par rapport à la fumée de cigarette (tableau 3). Les basses températures de fonctionnement du dispositif de cigarette électronique étudié ici et l'utilisation d'ingrédients de qualité pharmaceutique et alimentaire dans les e-liquides réduisent considérablement la présence probable de ces composés phénoliques dans l'aérosol de cigarette électronique.

Les carbonyles dans la fumée de cigarette se forment principalement par pyrolyse des sucres du tabac83, tandis que ceux des e-cigarettes se forment principalement par dégradation thermique du PG et/ou du VG83,84,85. Les arômes peuvent également contribuer à la formation de carbonyles, ainsi qu'aux caractéristiques des dispositifs de cigarette électronique, en particulier la tension appliquée, la résistance de la bobine et le matériau à effet de mèche47,48,49,86,87. Une mauvaise efficacité de mèche peut entraîner une mèche sèche et un e-liquide surchauffé (bouffée sèche), ce qui favorise la formation de carbonyles et d'autres composés toxiques2,10,13,15. Il a été démontré que l'emplacement, l'orientation, la résistance et le matériau de la mèche de la bobine, ainsi que la puissance de sortie, affectent de manière significative la génération de carbonyle13,15,86. Les propriétés physiques des e-liquides sont également importantes dans la formation des carbonyles15,47,84,86. La viscosité et la densité de l'e-liquide déterminent sa mobilité, son action capillaire et son acheminement vers la mèche et la bobine, influençant la probabilité d'une bouffée sèche15.

Plusieurs études ont signalé la présence de carbonyles dans les émissions de cigarettes électroniques à des niveaux allant de 0,07 à 413 µg de bouffée–185,88,89. Dans notre étude, parmi les 14 carbonyles analysés (aldéhydes et cétones), seuls cinq étaient quantifiables (acétaldéhyde, acétone, formaldéhyde, glyoxal et méthylglyoxal) dans les émissions de la e-cigarette à des concentrations allant de 0,02 à 0,19 µg bouffée-1 (Tableau 3 ). Parmi ceux-ci, l'acétone a été détectée au même niveau dans les émissions de cigarettes électroniques que la méthode à blanc d'air (0,04 µg bouffée–1). Des valeurs de blanc d'air détectables peuvent résulter d'une contamination environnementale6,9,34,90. L'acétaldéhyde a été quantifié dans les émissions de BB57 (0,10 µg bouffée–1) mais était < LOQ dans les émissions de BB18, tandis que le formaldéhyde était présent dans les deux (BB57, 0,04 µg bouffée–1 ; BB18, 0,07 µg bouffée–1). Cependant, ces deux carbonyles étaient inférieurs aux niveaux cibles proposés dans la norme expérimentale volontaire publiée par l'Association Française de Normalisation (AFNOR ; 16 µg bouffée–1 pour l'acétaldéhyde et 1 µg bouffée–1 pour le formaldéhyde)91. Les données antérieures indiquent que plus le rapport en pourcentage de VG sur PG est élevé, plus les concentrations de composés carbonylés émis sont élevées, en particulier l'acétaldéhyde, l'acroléine et l'acétone84. Dans notre étude, les deux e-liquides avaient des quantités équivalentes de VG et de PG ; par conséquent, ce rapport n'est probablement pas pertinent pour les différentes concentrations de carbonyles détectées dans les deux émissions de cigarettes électroniques, en particulier l'acétaldéhyde. Dans une étude précédente, des niveaux plus élevés d'acétaldéhyde, d'acroléine et de formaldéhyde étaient générés dans les émissions d'un e-liquide sans nicotine que dans celles d'un e-liquide avec nicotine ; cependant, les concentrations de carbonyle observées étaient strictement liées à la fois à la composition des liquides et à la résistance de la bobine47. En présence de nicotine, la teneur en carbonyles, notamment en formaldéhyde, était significativement plus élevée avec une résistance de 1,50 Ω qu'avec une résistance de 0,25 Ω47. Dans notre étude, seul l'acétaldéhyde a augmenté avec le produit plus riche en nicotine (BB57) ; cependant, sa concentration (0,10 µg bouffée–1) reste 160 fois inférieure à la teneur maximale proposée par l'AFNOR (16 µg bouffée–1)91. Une comparaison des émissions d'un e-liquide avec un rapport PG/VG similaire (1:1) émis par un appareil Vype relativement similaire (ePen) qui utilise une mèche de silice a montré que le formaldéhyde à une concentration de 0,59 µg bouffée-1 était de 8 × plus élevé et l'acétaldéhyde à une concentration de 0,18 µg bouffée–1 était 2 fois plus élevé que dans les émissions présentées ici (tableau 3)92. Dans les deux études, les valeurs étaient inférieures au niveau maximal proposé par l'AFNOR91.

Parmi les carbonyles étudiés, seuls l'acétaldéhyde, l'acroléine et le formaldéhyde sont inclus dans les neuf toxiques fumigènes prioritaires TobReg de l'OMS55. Par rapport à la fumée de cigarette, leur pourcentage de réduction des émissions de la cigarette électronique était ≥ 98,8 %.

Parmi les 14 carbonyles étudiés, 7 ont été inclus dans la nouvelle liste US FDA HPHCs pour les e-cigarettes53,54 ; à savoir, l'acétaldéhyde, l'acroléine, le formaldéhyde et le butyraldéhyde, le crotonaldéhyde et les dicétones ; diacétyle (2,3-butanedione) et acétyle propionyle (2,3-pentanedione). Dans les émissions de cigarettes électroniques, le butyraldéhyde et le crotonaldéhyde et l'acétyl propionyle étaient < LOD tandis que l'acroléine et le diacétyle étaient < LOQ. L'acétoïne, un précurseur du diacétyle et de l'acétyl propionyle, était également < LOD93.

Le glyoxal et le méthylglyoxal sont formés par dégradation thermique ou oxydation du PG et du VG87. Le glyoxal est considéré comme mutagène, tandis que le composé apparenté méthylglyoxal a été identifié comme un métabolite lors de la glycolyse et est donc naturellement présent dans le corps. Le méthylglyoxal est également présent dans les aliments et les boissons comme le miel et le café. Un manque de données a conduit à la classification du méthylgloxal comme cancérogène du groupe 3 (cancérogénicité pour l'homme non classifiable) par le CIRC. Les deux composés ont déjà été détectés dans les émissions de cigarettes électroniques à des concentrations de 0,07–0,94 et 0,09–33 µg puff–1, respectivement86,88. Dans notre étude, le glyoxal était présent à des niveaux inférieurs (BB57 et BB18, 0,02 et 0,05 µg bouffée-1, respectivement), tandis que le méthylglyoxal était à des concentrations de 0,13 et 0,19 µg bouffée-1 dans BB57 et BB18, respectivement (tableau 3). Le glyoxal a été détecté dans la méthode à blanc d'air et, par conséquent, les niveaux réels d'émissions de cigarettes électroniques sont potentiellement inférieurs à ceux indiqués dans le tableau 3. Encore une fois, en supposant une exposition dans le pire des cas de 300 bouffées jour-1 réparties sur 8 h, les niveaux de glyoxal l'exposition d'un consommateur serait encore plus de 40 fois inférieure à la limite d'exposition professionnelle de 0,10 mg m–377,94,95. L'écart type élevé pour le glyoxal et le méthylglyoxal observé dans les émissions de cigarettes électroniques BB18 est probablement lié à un effet de matrice d'échantillon analytique et/ou à une variabilité de lot83,96,97. Malgré l'écart type élevé, le pourcentage de réduction du glyoxal et du méthylglyoxal dans les émissions des cigarettes électroniques par rapport à la fumée de cigarette était ≥ 97,0 % et ≥ 94,5 %, respectivement (tableau 3).

Dans notre analyse, les niveaux de carbonyles ont été considérablement réduits par rapport à la fois à d'autres études sur les cigarettes électroniques et à la fumée de cigarette Ky1R6F. Des niveaux inférieurs à LOD ou LOQ, voire inférieurs aux niveaux seuils proposés par les recommandations de la norme AFNOR, témoignent des conditions de fonctionnement optimales (par exemple, une saturation adéquate de la mèche sans échauffement extrême de la bobine) du dispositif à mèche céramique.

Le tableau 4 résume les niveaux de composés organiques volatils (COV) dans les émissions de cigarettes électroniques et la fumée de cigarette Ky1R6F, ainsi que les pourcentages de réduction. Parmi les 23 COV analysés, les niveaux étaient < LOD pour les deux émissions de cigarettes électroniques, à l'exception du cyanure d'hydrogène (BB57, < LOQ), de l'alcool allylique (tous deux < LOQ) et de l'acétamide (BB57, < LOQ). Quatre des COV, à savoir l'acrylonitrile, le benzène, l'oxyde de propylène et le toluène, sont répertoriés par la FDA des États-Unis comme des composés préoccupants pour les cigarettes électroniques53, tandis que le benzène et le 1,3-butadiène sont inclus dans les neuf substances toxiques prioritaires TobReg de l'OMS55. Le niveau de tous ces composés était < LOD avec des pourcentages de réduction ≥ 99,0 % par rapport à la fumée de Ky1R6F (tableau 4).

En particulier, le benzène, qui peut être formé par décarboxylation de l'acide benzoïque, était indétectable dans les deux émissions de cigarettes électroniques. Pankow et al.98 ont précédemment rapporté que les concentrations de benzène étaient largement indétectables pour une cigarette électronique avec une seule bobine verticale et une mèche en coton, mais étaient plus facilement détectées pour un appareil avec une seule bobine horizontale et une mèche en silice. Leurs résultats ont démontré l'importance de l'orientation de la bobine et du type de matériau à effet de mèche dans la formation du benzène. Nos résultats ont montré que ni l'utilisation d'acide benzoïque dans la formulation BB18 ni les caractéristiques ou les conditions de fonctionnement de l'appareil ne contribuaient à la formation de benzène dans les émissions de la cigarette électronique. Pankow et al.98 ont également signalé que le benzène peut être formé par la déshydratation et la cyclisation du PG et du VG, en particulier à des réglages à haute puissance utilisant un système de réservoir avec un seul serpentin horizontal et une mèche de silice. D'autres études ont montré que le 1,3-butadiène peut se former par dégradation du VG et est un intermédiaire important dans la formation du benzène à partir du VG84,98. Des COV aromatiques tels que le toluène, le xylène, le styrène et l'éthylbenzène peuvent également être formés par dégradation thermique du VG, où le benzène joue un rôle important en tant qu'intermédiaire84. Le benzène et d'autres composés liés à la combustion, notamment l'acrylonitrile, l'isoprène et le toluène, peuvent également être présents dans les émissions de cigarettes électroniques en tant qu'impuretés de la nicotine34. Des pourcentages de transferts vers les aérosols ≥ 89 % ont été rapportés pour ces composés après enrichissement des e-liquides à des niveaux élevés (46–232 ng g–1)34. D'autres composés liés à la combustion tels que l'alcool allylique et l'oxyde de propylène ont été détectés dans les émissions de cigarettes électroniques en tant que produits de dégradation thermique du PG et/ou du VG49,99. Dans notre étude, tous ces composés étaient < LOD ou < LOQ.

Les études citées ci-dessus montrent que la composition chimique du e-liquide, la conception du dispositif et la température à laquelle les e-liquides se vaporisent ont un fort impact sur la formation des COV et leur transfert vers les émissions de la e-cigarette, en particulier ceux qui proviennent principalement du chauffage de PG et VG. Nos résultats de niveaux < LOD ou < LOQ dans les émissions de cigarettes électroniques pour les COV étudiés indiquent l'apport constant d'e-liquide par la mèche en céramique sans surchauffe de la résistance et, par conséquent, surchauffe de l'e-liquide. Il n'y avait pas de différence considérable dans les niveaux de COV dans les deux émissions produites à partir d'e-liquides avec différents types de sel de nicotine et différentes concentrations de nicotine. De plus, il y avait une réduction considérable des COV dans les émissions des cigarettes électroniques par rapport à la fumée de cigarette.

Ensuite, nous avons examiné les émissions de composés aromatisants des cigarettes électroniques, ainsi que l'acide acétique et l'acide propionique, tels que répertoriés par la FDA américaine comme HPHC préoccupants pour les cigarettes électroniques53,54. Ces composés n'ont pas été analysés dans la fumée de cigarette car la cigarette Ky1R6F utilisée dans l'étude est une cigarette mélangée aux États-Unis sans arôme et des méthodes d'analyse validées pour ces composés n'étaient pas disponibles.

Tous les composés étaient < LOD ou < LOQ, à l'exception de l'acétate d'isoamyle (acétate d'isopentyle) dans les émissions de cigarettes électroniques (tableau 5). Ce composé aromatisant était utilisé dans les deux formulations de e-liquides (BB57 et BB18), et sa présence dans les émissions de cigarettes électroniques était donc attendue. Dans une estimation quantitative des risques effectuée conformément à une approche publiée de l'évaluation des risques des arômes dans les e-liquides100, le niveau d'acétate d'isoamyle dans la formulation s'est avéré acceptable même si 100 % de celui-ci était transféré dans l'aérosol. Pour mieux établir le niveau de risque, nous avons de nouveau supposé une exposition dans le pire des cas de 300 bouffées jour-1 sur 8 h77, ce qui entraînerait des niveaux d'exposition à l'acétate d'isoamyle de 0,23 mg jour-1 ou 0,034 mg m-3. C'est plusieurs ordres de grandeur en dessous de diverses recommandations d'exposition professionnelle pour l'acétate d'isoamyle, dont la plus faible est de 250 mg m–3, et en dessous de la dose journalière admissible de 3 mg kg–1 jour–1 (180 mg jour–1 pour un 60 -kg adulte) établi par le Comité mixte FAO/OMS d'experts des additifs alimentaires101,102.

L'objectif de cette étude était d'entreprendre une évaluation des émissions générées par une e-cigarette utilisant une technologie à base de mèche en céramique et la comparaison avec la fumée de cigarette conventionnelle. La génération d'émissions des e-cigarettes a suivi la norme ISO 20768:2018 (volume de bouffée de 55 ml, durée de bouffée de 3 s, fréquence de bouffée de 30 s)52. L'ISO 20768:2018 définit les exigences/conditions essentielles nécessaires pour générer et collecter les émissions de cigarettes électroniques à des fins d'analyse et de comparaison de manière robuste et reproductible. La norme a été développée sur la base de la méthode recommandée par le CORESTA (Centre de coopération pour la recherche scientifique relative au tabac). 81 pour bouffées de cigarettes électroniques à la machine45,103. Il est reconnu qu'aucun régime de bouffées unique ne peut refléter le large éventail de comportements de bouffées des consommateurs attendus avec l'utilisation de la cigarette électronique. Toutefois, l'utilisation de l'ISO 20768:2018 est importante à des fins de comparaison entre produits45. L'application de différents types de régime et son impact sur les performances de l'appareil sont hors du champ de cette étude. Néanmoins, le régime de bouffées standard ISO appliqué a démontré que les émissions collectées en bloc de 50 bouffées séquentielles contenaient de faibles niveaux de composés carbonylés qui seraient associés à la dégradation thermique du PG et du VG. Les niveaux de carbonyle des émissions des e-cigarettes étudiées étaient soit inférieurs à la LOD ou à la LOQ, soit inférieurs aux niveaux de seuil proposés par les directives de la norme AFNOR, ce qui fournit la preuve du taux de mèche adéquat du bloc de céramique sans échauffement extrême de la bobine dans les conditions de test. . Alors que les données générées à partir des 50 premières bouffées peuvent ne pas représenter les rendements sur la plage de toutes les bouffées, en particulier lorsque le liquide s'épuise, les données sont représentatives pour permettre des comparaisons généralisées.

Pour suivre une stratégie de réduction des méfaits du tabac, il est important de caractériser en permanence la vapeur émise par les dispositifs de cigarette électronique nouvellement développés par rapport à la fumée des cigarettes brûlées afin de comprendre la composition chimique des émissions. Dans cette étude, l'accent a été mis sur la quantification d'un large éventail de HPHC dans la fumée de cigarette combustible et les émissions de vapeur de cigarette électronique des cigarettes électroniques de nouvelle génération de dosettes/cartouches utilisant une technologie à base de mèche en céramique. Les émissions de nicotine plus élevées pour BB57 par rapport à BB18 n'étaient pas associées à une augmentation notable des quantités de l'un des HPHC quantifiés. Une réduction substantielle des niveaux de HPHC étudiés et des neuf substances toxiques de fumée prioritaires TobReg dans les émissions de cigarettes électroniques par rapport à la fumée de cigarette combustible Ky1R6F a été observée, avec un pourcentage de réductions compris entre 81,6 % et > 99,9 %. Les niveaux faibles ou indétectables de ces composés dans les émissions de cigarettes électroniques peuvent être attribués à (1) la faible température de fonctionnement (< 350 °C) de l'appareil ; (2) une alimentation efficace en e-liquide par la mèche en céramique vers la bobine chauffante sans surchauffe de la bobine ou de l'e-liquide ; et (3) l'utilisation d'ingrédients e-liquides de qualité pharmaceutique ou alimentaire. Bien qu'il soit peu probable que l'e-cigarette testée soit sans risque, les résultats démontrent que ce dispositif à base de mèche en céramique peut offrir une exposition toxique considérablement plus faible par rapport aux cigarettes combustibles dans les conditions testées utilisées dans l'étude. D'autres études précliniques in vitro, cliniques et de population sont nécessaires pour évaluer l'exposition à ces substances toxiques et les risques associés au niveau individuel et populationnel.

L'appareil e-cigarette (Vype ePod1.0, Nicoventures Trading Ltd., Blackburn, Royaume-Uni) se compose d'un boîtier extérieur métallique, d'une carte de circuit imprimé pour contrôler l'appareil, d'une batterie rechargeable au lithium-ion (350 mAh) et d'un e - cartouche de cigarette (Fig. 1). La tension varie de 2,2 à 3,1 V et n'est pas réglable par l'utilisateur. L'appareil a des dimensions (h × l × p) de 104,2 × 19,1 × 10,5 mm et une puissance de sortie de 6,5 ± 0,5 W. Les composants électroniques sont allumés lorsqu'une bouffée est prise. Les cartouches ou dosettes sont constituées d'un boîtier en plastique contenant le matériau de la mèche en céramique et d'un élément chauffant plat en métal (NiCr, résistance 0,8 -1,4-Ω). Chaque dosette est pré-remplie d'e-liquide Vype (1,9 ml) et est fixée magnétiquement à l'appareil.

Principaux composants de l'appareil de cigarette électronique Vype.

Les deux e-liquides testés dans l'étude étaient la saveur Berry Blast avec des niveaux de nicotine de 57 et 18 mg mL–1. Les deux e-liquides contenaient des quantités équivalentes de VG et de PG (50:50, %w/w). Berry Blast 57 mg mL–1 (BB57) contenait de l'acide lactique, tandis que Berry Blast 18 mg mL–1 (BB18) contenait de l'acide benzoïque.

La cigarette de tabac utilisée comme comparateur était la Kentucky Reference Cigarette 1R6F (Centre for Tobacco Reference Products, University of Kentucky, USA), qui a été conçue pour fournir une éprouvette standard pour les études scientifiques. Il s'agit d'un produit king-size mélangé aux États-Unis sans saveur avec un filtre en acétate de cellulose, un niveau de nicotine en aérosol de 1,9 ± 0,1 mg cig-1 et un rendement en goudron de 29 ± 2 mg cig-1 tel que mesuré par le régime de tabagisme intense ISO6 ,56. À l'heure actuelle, les produits de référence pour les tests de cigarettes électroniques ne sont pas disponibles.

La génération d'échantillons et les tests d'émissions ont été effectués par Labstat International ULC (Labstat, Kitchener, Ontario, Canada). Les cigarettes ont été conditionnées à une température de 22 ± 2 °C et une humidité relative de 60 ± 3 % pendant au moins 48 h conformément à la norme ISO 3402104. Avant les tests, les cigarettes de référence Ky1R6F ont été marquées avec la longueur de mégot standard spécifiée par la norme ISO 4387105. Les paramètres de fumage et de soufflage et les spécifications de la machine à fumer sont résumés dans le tableau 6.

Les cigarettes ont été fumées sous le régime de fumage intense ISO jusqu'au mégot avec la ventilation du filtre bloquée (généralement 9 à 10 bouffées)40,57,106. Les cigarettes électroniques ont été bouffées conformément à la norme ISO 20768:201852. Le fumage de cigarettes et la bouffée de cigarettes électroniques ont été effectués dans des salles climatisées dédiées104 à l'aide d'une machine à fumer rotative ou linéaire52,57,106. La fumée de cigarette et les émissions de cigarettes électroniques ont été échantillonnées/analysées en cinq répétitions indépendantes.

Les méthodes d'analyse utilisées par Labstat International ULC (Labstat, Kitchener, Ontario, Canada) sont décrites dans les informations supplémentaires, tableau S1. Au total, 23 méthodes analytiques différentes ont été utilisées pour quantifier 89 analytes cibles dans les émissions des cigarettes électroniques et/ou dans la fumée de cigarette Ky1R6F. Les méthodes utilisées étaient largement basées sur les méthodes de Santé Canada pour l'analyse de la fumée de cigarette, avec des méthodes supplémentaires développées par Labstat pour d'autres HPHC et composés d'intérêt pour la cigarette électronique6. Les méthodes ont été adaptées pour être utilisées avec des cigarettes électroniques si nécessaire. Le fonctionnement des méthodes est accrédité selon la norme ISO/IEC 17025:2017107 pour tous les constituants déclarés de la fumée de tabac courante et des aérosols de cigarettes électroniques, sauf indication contraire dans le tableau supplémentaire S1. Des déterminations à blanc de l'air (méthode) ont également été effectuées pour les émissions de cigarettes électroniques afin d'identifier les contaminants de fond ou d'autres interférences. Les LOD et LOQ de la méthode sont résumées dans les informations supplémentaires, tableau S2.

Le pourcentage de réduction des émissions de la cigarette électronique a été calculé par rapport à la cigarette de référence Ky1R6F. Pour ce calcul, la moyenne de 5 mesures répétées pour chaque produit a été utilisée. Pour certaines substances toxiques, le niveau des émissions de cigarettes électroniques était < LOD et/ou < LOQ. Dans les cas où les émissions étaient < LOD, la valeur imputée était LOD/26 107. Pour les données < LOQ mais > LOD, la valeur imputée a été calculée comme le point médian entre la LOD rapportée et la LOQ6,108. L'imputation a été effectuée sur des bases individuelles répétées avant le calcul des moyennes. Dans les cas où les niveaux d'émission de la cigarette électronique et de la cigarette combustible de référence (Ky1R6F) étaient < LOQ ou < LOD, le pourcentage de réduction n'a pas été calculé (NC). La LOD et la LOQ pour chaque composé pour les émissions de cigarettes électroniques et la fumée de cigarette sont indiquées dans le tableau supplémentaire S2.

Les données sont disponibles sur demande auprès des auteurs. Toute demande de renseignements peut être adressée à l'auteur correspondant.

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Nous reconnaissons l'assistance de Belinda Zonnestein dans l'approvisionnement et les tests des produits. Nous remercions également My-Linh Tran et Joseph Sutton pour leur contribution au développement de produits et la fourniture de détails sur les produits, ainsi que Sandra Costigan et Elaine Brown pour les apports toxicologiques.

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

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

Reynolds American, Inc., 401 N Main St, Winston-Salem, Caroline du Nord, 27101, États-Unis

J.Murphy

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MIP—a écrit le manuscrit. JT—a effectué l'analyse des données. NH—interprétation des données et co-auteur du manuscrit. AC—a géré le programme de tests analytiques et co-écrit le manuscrit. HD — a géré le projet et co-écrit le manuscrit. JM—a dirigé le programme de recherche.

Correspondance à M. Isabel Pinto.

BAT (Investments) était l'organisme de financement de l'étude. Tous les auteurs étaient employés par BAT.

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Réimpressions et autorisations

Pinto, MI, Thissen, J., Hermes, N. et al. Caractérisation chimique de la vapeur émise par une e-cigarette à l'aide d'une technologie à base de mèche céramique. Sci Rep 12, 16497 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19761-w

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Reçu : 11 février 2022

Accepté : 05 septembre 2022

Publié: 03 octobre 2022

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

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