ИННОВАЦИОННЫЙ ВЕТЕРИНАРНЫЙ ЦЕНТР МОСКОВСКОЙ ВЕТЕРИНАРНОЙ АКАДЕМИИ ИМ. К.И. СКРЯБИНА

Плазменные технологии

Бобровский М.А. – ветеринарный врач терапевтического отделения ИВЦ МВА 

 

Начавшийся интерес к применению плазмы в хирургии для разъединения тканей («плазменный нож») и остановки кровотечений (плазменная коагуляция), сменился изучением ее нетермических свойств. Открытие бактерицидного действия холодной плазмы позволило использовать ее для дезинфекции воды, воздуха, медицинских инструментов и хирургических имплантатов. Объединяя в себе одновременно свойства ультрафиолетового излучения, обработки реактивными формами кислорода и азота и воздействия заряженными частицами, холодная плазма является достойной альтернативой применяемым на сегодняшний день физическим и химическим методам дезинфекции.

Еще одним применением может служить использование плазмы в лечении ран. Раны и осложнения раневого процесса являются одними из самых часто встречаемых в  хирургии. Обладая рядом уникальных физических и биохимических свойств, холодная плазма оказывает положительное действие на процессы тканевой регенерации. Вместе с тем, возрастающая антибиотикорезистентность микроорганизмов делает холодную неравновесную плазму хорошим инструментом лечения ран без использования методов фармакологической терапии.

Плазма - это особое состояние вещества в виде частично или полностью ионизированного, квазинейтрального газа, в котором присутствуют свободные электроны, положительно заряженные атомы или ионы, и нейтральные атомы и молекулы. Открытие плазмы, как совершенно нового агрегатного состояния вещества, принадлежит английскому химику и физику Ульяму Круксу, в 1879 году. Однако учение о физике плазмы, заложено американским химиком, лауреатом нобелевской премии по химии -  Ирвингом Ленгмюром, с публикации в  1928 году первых работ по этой теме.

Плазма является наиболее распространенным состоянием вещества в природе. Звезды, солнечный ветер, космическое пространство, межзвездные туманности, ионосфера земли, молнии, северное сияние и многое другое - все это примеры нахождения вещества в состоянии плазмы. Помимо природных источников плазмы, имеются примеры искусственно сгенерированной плазмы применяемой в электротехнике (газоразрядные лампы, генераторы сверхвысоких частот, стабилизаторы напряжения, выпрямители электрического поля и др.) и промышленности (термоядерный синтез, плазменная сварка, плазменные резаки, установки для дезинфекции и др.).

В зависимости от степени ионизации газа плазму делят на низкотемпературную (106<К) и высокотемпературную (>106К). Низкотемпературная плазма характеризуется незначительным количеством положительно заряженных ионов в ионизированном газе, так как для отрыва большего числа электронов от атомов газа требуется приложить большее количество энергии. Так как плазма - это совокупность частиц различного заряда и массы, энергия этих частиц в общей системе может значительно отличаться. Каждый из компонентов плазмы (нейтральные атомы, электроны, ионы) имеют собственную температуру (энергию) Те, Тi и Тn. Однако общая температура плазмы во многом определяется температурой ее наиболее подвижного компонента - электронов (Те).

При соблюдении условия равновесия температур всех частиц в плазме (Теin), плазма считается равновесной. Плазма в которой происходит разделение температур ее компонентов, называется неравновесной. Т.к. поддержание термодинамического равновесия в равновесной плазме - процесс энергозатратный, такой вид плазмы чаще всего является высокотемпературным. В природе такая плазма представлена в виде звезд, определенных областей межзвездных туманностей, протуберанцев и д.р. Низкотемпературная плазма может быть равновесной при соблюдении соответствующих условий. Реализация данных условий возможна при создании высокого давления, когда столкновение частиц, а следовательно передача и распространение энергии, происходит часто, и скорость установления равновесия относительно велика. При обычных условиях в низкотемпературной плазме быстро создаются неравновесные условия. В искусственно создаваемой плазме температура электронов значительно превосходит температуру ионов и нейтральных атомов (Теiеn). Данное обстоятельство обусловлено тем, что внешние источники электричества, создающие плазму, передают энергию электронам плазмы, как основным носителям тока. Все остальные частицы плазмы приобретают энергию при столкновении с электронами, движущимися с высокой скоростью. Электроны же, обладая малой массой, малоэффективно передают энергию при упругом столкновении с частицами газа. В связи с этим для установления равновесия электрон должен испытать огромное количество столкновений, для того чтобы отдать избыток энергии. Поскольку одновременно с процессом теплообмена внутри системы происходят процессы потери энергии вследствие теплопередачи, в открытых системах наблюдается большая разница в температурах электронов, ионов и нейтральных частиц. Таким образом, низкотемпературная плазма может быть горячая (равновесная) или холодная (неравновесная).

Получение нетермической плазмы происходит с использованием электрической энергии необходимой для создания энергетически активных, “горячих”, электронов, без нагрева газовой смеси. Для достижения этой цели используются различные источники, работающие на постоянном или переменном токе, низко (~50 кГц) и высокочастотные, в т.ч. радиоволны и сверхвысокие частоты (~2,45 ГГц); работающие при различном атмосферном давлении - от низкого до нормального.

Методы получения холодной неравновесной плазмы:

В зависимости от механизма получения низкотемпературной плазмы выделяют следующие типы разрядов: тлеющий разряд, разряд с диэлектрическим барьером, коронный разряд и плазменные струи - Atmospheric pressure plasma jets (APPJs). Последние три вида получения низкотемпературной плазмы нашли наибольшее распространение в области медицины. В качестве газовой смеси наиболее часто применяют инертные газы - аргон, гелий.

Коронный разряд

Коронный разряд проявляется в виде свечения, локализованного в пространстве вокруг точечного наконечника в сильно неоднородном электрическом поле. Физика этого источника хорошо понятна – корона может считаться разрядом Таунсенда (квазистационарный электрический разряд в газе) или отрицательным тлеющим разрядом, в зависимости от распределения поля и потенциала. Генераторы коронного разряда состоят из металлического наконечника с радиусом около 3 мм и плоского электрода, отделенного от него на расстояние 4-16 мм (рис.1).

Рисунок 1. Схема коронного разряда.

Рисунок 1. Схема коронного разряда.

Плазма воспламеняется при напряжении 2-5 кВ и создает очень маленький ток – 10-10 - 10-5А. Выше 10-5 А, напряжение быстро возрастает с увеличением тока. Это совпадает с генерацией микро-дуг или «стримеров», которые распространяются между электродами. Плазма обычно находится в области газа, расположенной на расстоянии 0,5 см от металлического кончика. За пределами этого объема заряженные частицы диффундируют в сторону планарного электрода и собираются.

Коронный разряд нашел широкое применение в различных производственных процессах, например – активация полимерных поверхностей; повышение роста SiO2, при термическом окислении кремниевых пластин; удаление летучих органических соединений при очистке газовых смесей. Коронный разряд используют для синтеза озона. Отрицательный коронный разряд можно использовать для электростатического осаждения микроорганизмов из воздуха, а также для инактивации микроорганизмов на различных поверхностях. Однако из-за небольшой площади поверхности одномоментной обработки, коронный разряд не нашел широкого распространения в качестве источника холодной плазмы, пригодного для дезинфекции поверхностей.

Диэлектрический барьерный разряд (ДБР)

В 1857 году, Эрнст Ве́рнер фон Сименс провел первые эксперименты с диэлектрическим барьерным разрядом. Диэлектрический барьерный разряд идеально подходит для обработки обширных поверхностей и активно применяется для стерилизации тканей, неорганических поверхностей и инактивации бактерий. ДБР генерируется между двух плоских металлических электродов которые, один или оба,  покрыты диэлектрическим материалом. Расстояние между электродами варьируется от миллиметров до сантиметров, в зависимости от используемого газа или напряжения. Во время генерации рабочая газовая смесь перемещается между двумя электродами и ионизируется для создания плазмы. при этом один электрод представляет собой электрод высокого напряжения, а другой является заземленным электродом. Высокое напряжение используется для создания разряда, необходимого для формирования плазмы.

Существует определенная вариация в конфигурации расположения электродов, (Рис.2), однако общая концепция работы ДБР остается неизменной. Недавно G. Fridman с соавторами, разработали концепцию ДБР с плавающим электродом - floating electrode DBD (FE-DBD). ДБР с плавающим электродом, производи плазму между двумя электродами, при этом один из электродов, покрытый диэлектриком, находится под напряжением, а второй электрод не заземлен. Это означает, что роль второго электрода может играть кожа или ткани животного.

Рисунок 2. Конфигурация электродов ДБР.

Рисунок 2. Конфигурация электродов ДБР.

В отличи от коронного разряда, разряд с диэлектрическим барьером обладает  более легким воспламенением плазмы, а также большей площадью обработки, что делает его более приемлемым для дезинфекции обширных поверхностей. Данные источники плазмы используются для коагуляции крови и стерилизации тканей. Разряд с диэлектрическим барьером в течение 15 секунд инактивирует микроорганизмы в количестве 107 КОЕ, а двухминутное воздействие полностью инактивирует большинство патогенных микроорганизмов.

Плазменные струи (APPJs)

Плазменные струи, являются наиболее применяемыми источниками низкотемпературной  плазмы, используемые в области медицины. Характеристики плазменной струи зависят от типа расположения электродов и электрического питания (рис.3).

Рисунок 3. Конфигурации электродов APPJs.

Рисунок 3. Конфигурации электродов APPJs.

Аппараты, генерирующие плазменные струи, состоят из двух коаксиальных электродов, между которыми протекает поток рабочего газа. При этом внешний электрод заземлен, а высокочастотный заряд, мощностью (50-100 Вт) и частотой 13.56 МГц, подается на центральный электрод, который создает разряд. Потенциал пробоя, необходимый для “зажигания” плазмы зависит от расстояния между электродами, давления газа, а также вида применяемой газовой смеси. Расстояние между электродами находится в диапазоне нескольких миллиметров, тогда как поток плазменной струи, вырывающейся из сопла, достигает нескольких  сантиметров.

Плазменные струи атмосферного давления, также как и РДБ, нашли широкое применение в медицине для инактивации микроорганизмов при стерилизации поверхностей (в том числе и тканей) и стимуляции регенерации в процессе заживления ран. Более простая конструкция, а также способность обработки поверхностей различной геометрической конфигурации, делают аппараты данного типа достаточно перспективными в области медицины и ветеринарии.

 

 

Вернуться к списку