Enhanced Dark-Field Hyperspectral Imaging and Spectral Angle Mapping for Nanomaterial Detection in Consumer Care Products and in Skin Following Dermal Exposure

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dc.contributor.author

Boyadzhiev, Andrey

Trevithick-Sutton, Colleen

Wu, Dongmei

Decan, Nathalie

Bazin, Marc

Shah, Girish, M.

Halappanavar, Sabina

dc.date.accessioned

2024-03-12T19:49:08Z

dc.date.available

2024-03-12T19:49:08Z

dc.date.issued

2020-04-27

dc.description - en

Health Canada is responsible for the assessment and management of health risks to Canadians associated with exposure to chemicals and emerging substances such as nanomaterials. Nanomaterials (NM, small materials with size range between 1 – 100 nanometers, 1 nanometer is a billionth of a meter) are becoming more common in a wide range of consumer products including personal care products and cosmetics in Canada. Early studies have shown that some NM have the potential to induce toxicity when inhaled in high doses but less is known on dermal routes of exposure through skin application of NM-containing products, such as cosmetics and sun tan lotions. Currently, cosmetic regulations under Canada’s Food and Drugs Act do not require specific identification of ingredients present in the nanoscale but Health Canada is anticipated to conduct health risk assessments on NM. Therefore, it is imperative that rapid and sensitive screening techniques are made available to assist in detecting NMs present in consumer products in order to inform risk assessment. In this study, an advanced microscopic imaging methodology was optimised to sensitively detect nano gold, silver, and titanium dioxide in cosmetics present in the Canadian market; and further, to detect nano titanium dioxide within mouse skin and artificial skin constructs following treatment with a nano titanium dioxide containing cosmetic. The findings of this study provide support for the use of this technique as an effective screening method to aid exposure and risk assessment of NM contained in personal care products.

dc.description.abstract - en

Consumer personal care products, and cosmetics containing nanomaterials (NM), are increasingly available in the Canadian market. Current Canadian regulations do not require product labeling for ingredients that are present in the nanoscale. As a result, unless voluntarily disclosed, it is unclear which products contain NM. The enhanced dark-field hyperspectral imaging (EDF-HSI) coupled with spectral angle mapping (SAM) is a recent technique that has shown much promise for detection of NM in complex matrices. In the present study, EDF-HSI was used to screen cosmetic inventories for the presence of nano silver (nAg), nano gold (nAu), and nano titanium dioxide (nTiO2). In addition, we also assessed the potential of EDF-HSI as a tool to detect NM in skin layers following application of NM products in vitro on commercially available artificial skin constructs (ASCs) and in vivo on albino hairless SKH-1 mouse skin. Spectroscopic analysis positively detected nAu (4/9 products) and nTiO2 (7/13 products), but no nAg (0/6 products) in a subset of the cosmetics. The exposure of ASCs for 24 h in a Franz diffusion cell system to a diluted cosmetic containing nTiO2 revealed penetrance of nTiO2 through the epidermal layers and was detectable in the receptor fluid. Moreover, both single and multiple applications of nTiO2 containing cosmetics on the dorsal surface of SKH-1 mice resulted in detectable levels of trace nTiO2 in the layers of the skin indicating that penetrance of NM was occurring after each application of the product. The current study demonstrates the sensitivity of EDF-HSI with SAM mapping for qualitative detection of NM present in cosmetic products per se and very low levels in complex biological matrices on which these products are applied.

dc.description.abstract-fosrctranslation - fr

Les produits de soins personnels et les cosmétiques contenant des nanomatériaux (NM) sont de plus en plus disponibles sur le marché canadien. La réglementation canadienne actuelle n'exige pas l'étiquetage des produits pour les ingrédients présents à l'échelle nanométrique. Par conséquent, à moins d’une divulgation volontaire, il n’est pas clair quels produits contiennent du NM. L'imagerie hyperspectrale en champ noir améliorée (EDF-HSI) couplée à la cartographie de l'angle spectral (SAM) est une technique récente qui s'est révélée très prometteuse pour la détection des NM dans des matrices complexes. Dans la présente étude, EDF-HSI a été utilisé pour vérifier dans les inventaires cosmétiques la présence de nano-argent (nAg), de nano-or (nAu) et de nano-dioxyde de titane (nTiO2). En outre, nous avons également évalué le potentiel de l'EDF-HSI en tant qu'outil permettant de détecter la NM dans les couches cutanées après l'application de produits NM in vitro sur des constructions de peau artificielle (ASC) disponibles dans le commerce et in vivo sur la peau de souris SKH-1 sans poils albinos. L'analyse spectroscopique a détecté positivement nAu (4/9 produits) et nTiO2 (7/13 produits), mais pas de nAg (0/6 produits) dans un sous-ensemble de cosmétiques. L'exposition des ASC pendant 24 h dans un système de cellules de diffusion de Franz à un cosmétique dilué contenant du nTiO2 a révélé la pénétrance du nTiO2 à travers les couches épidermiques et était détectable dans le liquide récepteur. De plus, des applications uniques et multiples de produits cosmétiques contenant du nTiO2 sur la surface dorsale des souris SKH-1 ont entraîné des niveaux détectables de traces de nTiO2 dans les couches de la peau, indiquant que la pénétrance du NM se produisait après chaque application du produit. La présente étude démontre la sensibilité de l'EDF-HSI avec la cartographie SAM pour la détection qualitative des NM présents dans les produits cosmétiques en soi et de très faibles niveaux dans les matrices biologiques complexes sur lesquelles ces produits sont appliqués.

dc.description.fosrctranslation - fr

Santé Canada est responsable de l'évaluation et de la gestion des risques pour la santé des Canadiens associés à l'exposition à des produits chimiques et à des substances émergentes telles que les nanomatériaux. Les nanomatériaux (NM, petits matériaux dont la taille varie entre 1 et 100 nanomètres, 1 nanomètre équivaut à un milliardième de mètre) sont de plus en plus courants dans une large gamme de produits de consommation, notamment les produits de soins personnels et les cosmétiques au Canada. Les premières études ont montré que certains NM peuvent potentiellement induire une toxicité lorsqu'ils sont inhalés à fortes doses, mais on en sait moins sur les voies d'exposition cutanée par application cutanée de produits contenant du NM, tels que les cosmétiques et les lotions solaires. Actuellement, la réglementation sur les cosmétiques en vertu de la Loi sur les aliments et drogues du Canada n'exige pas l'identification spécifique des ingrédients présents à l'échelle nanométrique, mais Santé Canada devrait mener des évaluations des risques pour la santé liés au NM. Par conséquent, il est impératif que des techniques de dépistage rapides et sensibles soient mises à disposition pour aider à détecter les NM présents dans les produits de consommation afin d'éclairer l'évaluation des risques. Dans cette étude, une méthodologie d'imagerie microscopique avancée a été optimisée pour détecter avec sensibilité les nano-or, argent et dioxyde de titane dans les cosmétiques présents sur le marché canadien ; et en outre, pour détecter du nanodioxyde de titane dans la peau de souris et des constructions de peau artificielle après un traitement avec un produit cosmétique contenant du nanodioxyde de titane. Les résultats de cette étude soutiennent l’utilisation de cette technique comme méthode de dépistage efficace pour faciliter l’exposition et l’évaluation des risques liés à la NM contenue dans les produits de soins personnels.

dc.identifier.doi

https://doi.org/10.1021/acs.chemrestox.0c00090

dc.identifier.uri

https://open-science.canada.ca/handle/123456789/2102

dc.language.iso

en

dc.publisher

American Chemical Society

dc.subject - en

Health

Health and safety

dc.subject - fr

Santé

Santé et sécurité

dc.subject.en - en

Health

Health and safety

dc.subject.fr - fr

Santé

Santé et sécurité

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Enhanced Dark-Field Hyperspectral Imaging and Spectral Angle Mapping for Nanomaterial Detection in Consumer Care Products and in Skin Following Dermal Exposure

dc.type - en

Article

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