Plasma medisin - Plasma medicine
Plasmamedisin er et voksende felt som kombinerer plasmafysikk , biovitenskap og klinisk medisin . Det blir studert i desinfeksjon , helbredelse og kreft . Det meste av forskningen er in vitro og i dyremodeller.
Den bruker ionisert gass (fysisk plasma) til medisinsk bruk eller dental bruk. Plasma, ofte kalt den fjerde tilstand av materie , er en ionisert gass som inneholder positive ioner og negative ioner eller elektroner, men er i det store og hele tilnærmet ladningsnøytral. Plasmakildene som brukes til plasmamedisin er generelt lavtemperaturplasmaer, og de genererer ioner, kjemisk reaktive atomer og molekyler og UV-fotoner. Disse plasmagenererte aktive artene er nyttige for flere biomedisinske anvendelser, slik som sterilisering av implantater og kirurgiske instrumenter, samt for å modifisere overflateegenskaper for biomateriale . Sensitive anvendelser av plasma, som å utsette menneskekroppen eller indre organer for plasmabehandling for medisinske formål, er også mulig. Denne muligheten blir sterkt undersøkt av forskningsgrupper over hele verden under det høyt tverrfaglige forskningsfeltet kalt 'plasmamedisin'.
Plasmakilder
Plasmakilder som brukes i plasmamedisin er vanligvis plasmakilder med lav temperatur som drives ved atmosfærisk trykk . I denne sammenheng refererer lav temperatur til temperaturer som ligner romtemperatur, vanligvis litt over. Det er en streng øvre grense på 50 ° C når du behandler vev for å unngå forbrenning. Plasmaene er bare delvis ionisert, med mindre enn 1 ppm av gassen som er ladet, og resten består av nøytral gass.
Dielektrisk barriereutslipp
Dielektrisk barriereutladning er en type plasmakilde som begrenser strømmen ved hjelp av et dielektrikum som dekker en eller begge elektroder. En konvensjonell DBD-innretning omfatter to plane elektroder med minst en av dem dekket med et dielektrisk materiale, og elektrodene er atskilt med et lite gap som kalles utladingsgapet. DBD-er drives vanligvis av høye vekselstrømspenninger med frekvenser i kHz-området. For å kunne bruke strømkilder med likestrøm og 50/60 Hz, utviklet etterforskere Resistive Barrier Discharge (RBD). Imidlertid, for medisinsk anvendelse av DBD-enheter, kan menneskekroppen selv tjene som en av de to elektrodene, noe som gjør det tilstrekkelig å utarbeide plasmakilder som bare består av en elektrode dekket med et dielektrikum som aluminiumoksyd eller kvarts . DBD for medisinske anvendelser som for inaktivering av bakterier, for behandling av hudsykdommer og sår, tumorbehandling og desinfisering av hudoverflaten er for tiden under utredning. Behandlingen foregår vanligvis i romluften. De drives vanligvis av flere kilovolt-forspenninger ved hjelp av vekselstrøm eller pulserende strømforsyninger.
Atmosfærisk trykk plasmastråler
Atmosfærisk trykk plasmastråler (APPJs) er en samling plasmakilder som bruker en gasstrøm for å levere den reaktive arten som genereres i plasmaet til vevet eller prøven. Gassen som benyttes er vanligvis helium eller argon, noen ganger med en liten mengde (<5%) O 2 , H 2 O eller N- 2 blandet i for å øke produksjonen av kjemisk reaktive atomer og molekyler. Bruken av edelgass holder temperaturen lav, og gjør det enklere å produsere en stabil utslipp. Gassstrømmen tjener også til å generere et område der romluft er i kontakt med og diffunderer inn i edelgassen, hvor det produseres mye av den reaktive arten.
Det er et stort utvalg i jetdesign som brukes i eksperimenter. Mange APPJ-er bruker et dielektrikum for å begrense strømmen, akkurat som i en DBD, men ikke alle gjør det. De som bruker et dielektrikum for å begrense strømmen, består vanligvis av et rør laget av kvarts eller aluminiumoksyd, med en høyspenningselektrode viklet rundt utsiden. Det kan også være en jordet elektrode viklet rundt utsiden av det dielektriske røret. Design som ikke bruker dielektrikum for å begrense strømmen, bruker en høyspenningsstiftelektrode i midten av kvartsrøret. Disse enhetene genererer alle ioniseringsbølger som begynner inne i strålen og formerer seg for å blande seg med den omgivende luften. Selv om plasmaet kan se kontinuerlig ut, er det faktisk en serie ioniseringsbølger eller "plasmakuler". Denne ioniseringsbølgen kan behandle vevet som behandles eller ikke. Direkte kontakt av plasmaet med vevet eller prøven kan føre til at dramatisk større mengder reaktive arter, ladede arter og fotoner leveres til prøven.
En type design som ikke bruker dielektrikum for å begrense strømmen, er to plane elektroder med en gasstrøm som går mellom dem. I dette tilfellet kommer plasmaet ikke ut av strålen, og bare de nøytrale atomer og molekyler og fotoner når prøven.
De fleste enheter av denne typen produserer tynne (mm diameter) plasmastråler, større overflater kan behandles samtidig ved å sammenføye mange slike stråler eller ved hjelp av multielektrodesystemer. Betydelig større overflater kan behandles enn med en enkelt stråle. Videre er avstanden mellom enheten og huden til en viss grad variabel, da huden ikke er nødvendig som en plasmaelektrode, noe som forenkler bruken på pasienten betydelig. Plasstråler med lav temperatur har blitt brukt i forskjellige biomedisinske applikasjoner, alt fra inaktivering av bakterier til drap av kreftceller.
applikasjoner
Plasmamedisin kan deles inn i tre hovedfelt:
- Ikke-termisk atmosfærisk trykk direkte plasma for medisinsk behandling
- Plasmaassistert modifisering av biorelevante overflater
- Plasma-basert bio-dekontaminering og sterilisering
Ikke-termisk atmosfærisk trykk plasma
En av utfordringene er påføring av ikke-termiske plasmaer direkte på overflaten av menneskekroppen eller på indre organer. Mens det for overflatemodifikasjon og biologisk dekontaminering både lav-trykk og atmosfæretrykket plasmaer kan brukes, for direkte terapeutisk anvendelse kun atmosfærisk trykk plasmakilder kan anvendes.
Den høye reaktiviteten til plasma er et resultat av forskjellige plasmakomponenter: elektromagnetisk stråling ( UV / VUV , synlig lys, IR , høyfrekvente elektromagnetiske felt osv.) På den ene siden og ioner , elektroner og reaktive kjemiske arter, primært radikaler , på den andre. Foruten kirurgisk plasmapåføring som argonplasma-koagulasjon (APC), som er basert på dødelige plasmaeffekter med høy intensitet, er første og sporadiske ikke-termiske terapeutiske plasmaprogrammer dokumentert i litteraturen. Imidlertid er den grunnleggende forståelsen av mekanismer for plasmaeffekter på forskjellige komponenter i levende systemer i begynnelsen. Spesielt for feltet direkte terapeutisk plasmapåføring er en grunnleggende kunnskap om mekanismene for plasmainteraksjon med levende celler og vev viktig som vitenskapelig grunnlag.
Plasma dermatologi
Huden tilbyr et praktisk mål for plasmaprogrammer, noe som delvis forklarer den nylige boom i plasma dermatologi. De første suksessene ble oppnådd av tyske forskere som brukte plasmabehandling for å helbrede kroniske sår. Disse studiene resulterte i utviklingen av plasmaenheter som nå er i klinisk bruk i EU.
I USA var en samarbeidsgruppe av akademiske forskere ved Nyheim Plasma Institute of Drexel University og hudlege-forsker Dr. Peter C. Friedman banebrytende for bruk av plasma for å behandle precancerøs (aktinisk) keratose og vorter . Samme team var i stand til å vise lovende resultater i behandlingen av hårtap ( androgenetisk alopecia ) med en modifisert protokoll, kalt indirekte plasmabehandling.
Vellykket plasmabehandling av aktinisk keratose ble gjentatt av en annen gruppe i Tyskland ved bruk av en annen type plasmaenhet, noe som ytterligere demonstrerte verdien av denne teknologien, selv sammenlignet med etablerte behandlingsmetoder som lokal diklofenak .
Det pågår kliniske studier innen dermatologi mot kviser, rosacea, hårtap og andre forhold. Forståelsen fra å studere plasmabehandling av hudsykdommer kan også bidra til å utvikle nye plasmamedisinestrategier for å behandle indre organer.
Mekanismer
Selv om det er sett mange positive resultater i eksperimentene, er det ikke klart hva som er den dominerende virkningsmekanismen for applikasjoner innen plasmamedisin. Plasmabehandlingen genererer reaktive oksygen- og nitrogenarter, som inkluderer frie radikaler. Disse artene omfatter O, O 3 , OH , H 2 O 2 , HO 2 , NO , ONOOH og mange andre. Dette øker oksidativt stress på celler, noe som kan forklare selektiv drap av kreftceller, som allerede er oksidativt stresset. I tillegg kan prokaryote celler være mer følsomme for oksidativt stress enn eukaryote celler, noe som muliggjør selektiv avliving av bakterier.
Det er kjent at elektriske felt kan påvirke cellemembraner fra studier på elektroporering . Elektriske felt på cellene som blir behandlet av en plasmastråle, kan være høye nok til å produsere elektroporering, noe som direkte kan påvirke celleoppførselen, eller bare lar mer reaktive arter komme inn i cellen. Både fysiske og kjemiske egenskaper av plasma er kjent for å indusere opptak av nanomaterialer i celler. For eksempel kan opptaket av 20 nm nanopartikler i gull stimuleres i kreftceller ved bruk av ikke-dødelige doser kaldt plasma. Opptaksmekanismer involverer både energiavhengig endocytose og energiuavhengig transport over cellemembraner. Den primære ruten for akselerert endocytose av nanopartikler etter eksponering for kaldt plasma er en klatrinavhengig membranreparasjonsvei forårsaket av lipidperoksidering og cellemembranskade.
Immunsystemets rolle i plasmamedisin har nylig blitt veldig overbevisende. Det er mulig at den reaktive arten introdusert av et plasma rekrutterer en systemisk immunrespons.