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 (Те=Тi =Тn), 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 (Те>Тi ;Те>Тn). 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.
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.
В отличии 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.
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.