Plasma Jet trong Y hoc

Các chữ viết tắt được sử dụng trong luận văn Trong luận văn này tôi sử dụng các chữ viết tắt sau: Tia cực tím Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học cục bộ Sự phóng điện qua hàng rào điệ

Thiết kế, chế tạo nguồn plasma jet

ứng dụng trong y học

Mục lục

Lời nói đầu 1

Chương 1 Giới thiệu 2

1.1 Tổng quan về vật lý plasma và ứng dụng 2

1.1.1 Plasma là gì? 2

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của plasma 2

1.1.3 Phân loại plasma 3

1.1.3.1 Plasma nhiệt và phi nhiệt 3

1.1.2.2 Plasma tự nhiên và nhân tạo 7

1.1.2.3 Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu 8

1.2 Ứng dụng của plasma trong y học 9

1.3 Cơ cở của plasma y học 12

1.3.1 Hóa học plasma 12

1.3.2 Sự tương tác của Plasma phi nhiệt với các tế bào và mô sống 16

1.3.3 Cơ chế tương tác của plasma với tế bào 18

1.3.3.1 Các giai đoạn tương tác chính và đối tượng chủ chốt 18

1.3.3.2 Cơ chế sinh học trong tương tác giữa plasma và tế bào của động vật có vú 22

Chương 2 Thiết kế, chế tạo nguồn plasma jet 25

2.1 Phóng điện hồ quang trượt 25

2.2 Thiết kế chế tạo nguồn plasma jet 28

2.2.1 Điều khiển và hiển thị 28

2.2.2 Nguồn nuôi plasma 29

2.2.3 Nguồn khí duy trì plasma 30

2.2.4 Đầu phát tia plasma hồ quang trượt, lạnh 31

Chương 3 Đo đạc thông số vật lý của nguồn plasma jet 35

3.1 Đo đặc trưng dòng và thế của đầu phát plasma 35

3.2 Đặc trưng quang học của tia plasma 35

3.2.1 Quang phổ phát xạ của tia plasma 35

3.2.2 Cường độ UV của tia plasma 37

3.2.2.1 Phương pháp đo 37

3.2.2.2 Kết quả và bàn luận 39

3.3 Nhiệt độ của tia plasma 41

Chương 4 Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của plasma jet 45

4.1 Chuẩn bị mẫu và xử lý 45

4.1.1 Vi khuẩn Peudomonas aeruginosa 45

4.1.2 Quy trình nuôi cấy và xử lý 47

4.2 Đánh giá khả năng diệt khuẩn của plasma jet với các thông số khác nhau 47

4.2.1 Đường kính tia chiếu 47

4.2.2 Tốc độ dòng khí 48

4.2.3 Khoảng cách chiếu tia 49

4.2.4 Thời gian chiếu tia 50

4.2.5 Chế độ chiếu xung 50

4.3 So sánh giữa phương pháp điều trị hiện nay và phương pháp điều trị bằng tia plasma hồ quang lạnh 52

Kết luận 55 Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined.

Các chữ viết tắt được sử dụng trong luận văn

Trong luận văn này tôi sử dụng các chữ viết tắt sau:

Tia cực tím

Trạng thái cân bằng nhiệt động lực học cục bộ

Sự phóng điện qua hàng rào điện môi

Phóng điện phát sáng ở áp suất khí quyển

Phóng điện qua hàng rào điện môi với điện cực thả nổi

Bức xạ ion hóa

Hoạt chất chứa Oxi

Hoạt chất chứa Nito

Sự đứt gãy kép

Bộ điều khiển trung tâm

Chiều dài tia plasma

Electron

Plasma chấp nhận mô

UV LTE DBD APG FE-DBD

IR ROS NRS DSB PLC

T

e

TTP

Lời nói đầu

Plasma là một ngành Vật lý kỹ thuật có rất nhiều những ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp, trong môi trường, trong hóa học, sinh học Vì vậy trong những thập niên gần đây, ngành plasma phát triển rất mạnh mẽ Một ứng dụng vô cùng độc đáo và mới lạ của plasma là ứng dụng trong y học

Plasma vật lý là một công nghệ mới hứa hẹn những hiệu quả kháng sinh của

nó, đặc biệt là trong điều trị vết thương nhiễm trùng mãn tính Hơn nữa, nhiều ứng dụng y học được nghiên cứu với sự quan tâm ngày càng tăng cao và phát triển mạnh

mẽ

Plasma hồ quang trượt là một dạng plasma chuyển tiếp vừa có hiệu quả hóa học cao của plasma nhiệt, đồng thời lại có tính chọn lọc cao của một plasma phi nhiệt Tuy nhiên, các nguồn plasma hồ quang trượt hiện nay lại có nhiệt độ quá lớn không phù hợp cho việc tác động trực tiếp lên da người Xuất phát từ những lý do trên, việc nghiên cứu chế tạo một nguồn plasma thỏa mãn được cả hai tiêu chí: (1) Không gây bất kỳ tác hại nào về nhiệt hay gây đau đớn cho người được điều trị; (2) Có tính chọn lọc và hiệu quả điều trị cao là rất cần thiết Vì vậy tôi lựa chọn để

tài: “Thiết kế, chế tạo nguồn plasma jet ứng dụng trong y học” phù hợp với

những tiêu chí đặt ra Nguồn plasma jet này là một máy phát tia plasma hồ quang trượt, lạnh ở áp suất khí quyển, loại plasma này cung cấp rất nhiều phản ứng hóa học ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển do sự có mặt của các electron có năng lượng cao [1] Vì đặc trưng nhiệt tương đương với nhiệt độ phòng nên có thể tác động trực tiếp lên vùng bị bệnh trên mô sống của động vật và người Máy phát tia plasma hồ quang trượt lạnh ở áp suất khí quyển đã được hoàn thành và đưa vào thử nghiệm lâm sàng Bước đầu thu được các kết quả khả quan Luận văn sau đây sẽ trình bày chi tiết nguồn plasma jet, các thông số đo được trên máy và kết quả thử nghiệm với vi khuẩn, cụ thể ở đây là trực khuẩn mủ xanh

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Tổng quan về vật lý plasma và ứng dụng

1.1.1 Plasma là gì?

Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất trong đó các chất bị ion hóa Khi nhiệt độ tăng, nguyên tử và phân tử hoạt động mạnh mẽ hơn và trạng thái của vật chất biến đổi theo trình tự: rắn sang lỏng, lỏng sang khí và cuối cùng là khí sang plasma, điều này giải thích cho tên gọi “trạng thái thứ tư của vật chất” Khí ion hóa

được định nghĩa là plasma khi nó trung hòa về điện (mật độ e cân bằng với mật độ

ion dương) và chứa một số lượng lớn các hạt mang điện vừa đủ ảnh hưởng đến tính chất và trạng thái điện của nó Plasma không phổ biến trên Trái đất tuy nhiên ước tính 99 % vật chất của vũ trụ được biết đến tồn tại dưới dạng plasma Vì thế trong bốn trạng thái vật chất, plasma nên được xem là trạng thái đầu tiên trong vũ trụ

Thuật ngữ plasma lần đầu tiên được giới thiệu bởi Iving Langmuir năm 1928 khi nhiều thành phần, sự tương tác mạnh mẽ của khí ion hóa khiến ông nghĩ đến huyết tương; do đó bản thân thuật ngữ plasma đã có mối quan hệ chặt chẽ với y học

1.1.2 Các ứng dụng cơ bản của plasma

Plasma sinh ra một cách tự nhiên nhưng cũng có thể tạo ra được trong phòng thí nghiệm và trong công nghiệp hoặc bệnh viện, tạo cơ hội cho vô số các ứng dụng bao gồm tổng hợp nhiệt hạch, điện tử, lade, đèn huỳnh quang, chữa bệnh hoặc trong phẫu thuật cắt mô và nhiều ứng dụng khác Hầu hết các phần cứng của máy tính và điện thoại di động đều được sản xuất dựa trên công nghệ plasma, không thể không

kể đến TV plasma Plasma ngày nay được ứng dụng rộng rãi Nói chung, plasma cung cấp ba tính năng chính cho những ứng dụng thiết thực:

1 Nhiệt độ và mật độ năng lượng của một vài thành phần plasma có thể vượt quá công nghệ thông thường Nhiệt độ đó dễ dàng vượt quá mức 10.000 K

Ví dụ, làm gốm tan chảy đòi hỏi cung cấp cho lớp bề mặt nhiệt độ trên 3000

K, không có lựa chọn nào khác ngoài việc sử dụng plasma Trong môi trường y tế, nhiệt độ cao và mật độ năng lượng có thể hữu ích cho sự đốt và cắt các mô trong quá trình phẫu thuật

2 Plasma có thể sản xuất ra một nồng độ thật cao các hoạt chất hóa học (e, các

ion dương và âm, các nguyên tử gốc tự do, các nguyên tử và phân tử bị kích thích, cũng như các photon có dải quang phổ rộng) Một nồng độ cao các hoạt chất hóa học là quan trọng thiết yếu cho các ứng dụng plasma như là plasma hỗ trợ để sinh ra tia lửa điện và đốt cháy (có thể là ứng dụng lâu đời nhất của Plasma) và sinh ra ozon để làm sạch nước Trong môi trường y tế, việc tạo ra nồng độ cao các chất phản ứng và kích thích có thể hữu ích cho việc khử trùng các bề mặt, không khí và nước cũng như công nghệ mô sống

3 Hệ thống plasma có thể rất xa với trạng thái cân bằng nhiệt động lực học, cung cấp một nồng độ rất cao các hoạt chất hóa học trong khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng Tính năng này được xác định là độc quyền của plasma sử dụng trong các ngành công nghiệp vi điện tử và bán dẫn: hầu hết các chi tiết của máy tính hiện đại, điện thoại di động, thiết bị vô tuyến, ánh sáng lạnh, và các thiết bị điện tử khác đều được sản xuất dựa trên công nghệ plasma lạnh Tính năng quan trọng này cũng quyết định ứng dụng rộng rãi của plasma lạnh trong việc xử lý polyme: hầu hết sợi dệt may cho quần áo của chúng ta, giấy ảnh, bao bì vật liệu hiện nay đều là xử lý plasma Trong môi trường y tế, việc tạo ra một nồng độ rất cao các hoạt chất hóa học khi vẫn duy trì nhiệt độ phòng có thể hữu ích cho: chữa trị đông máu không nhiệt, điều trị những thành phần và tính chất của máu; khử khuẩn da và các mô sống khác; chữa lành vết thương; điều trị những bệnh mà trước đây điều trị không có hiệu quả bằng các phương pháp thông thường

Ba tính năng cụ thể được mô tả trên đây cho phép tăng cường đáng kể và cải tiến có hiệu quả các phương pháp hóa học và hóa sinh truyền thống, xúc tác thành công các phản ứng hóa học và hóa sinh vốn không thể sử dụng trong các kỹ thuật thông thường

1.1.3 Phân loại plasma

1.1.3.1 Plasma nhiệt và phi nhiệt

Nếu sự ion hóa xảy ra bởi việc nhận năng lượng từ các dòng vật chất bên

ngoài, như từ các bức xạ điện từ thì plasma được gọi là plasma nguội hay plasma

phi nhiệt Ví dụ trong hiện tượng phóng điện trong chất khí, các electron bắn ra từ

catod làm ion hóa một số phân tử trung hòa Các electron mới bị tách ra chuyển động nhanh trong điện trường và tiếp tục làm ion hóa các phân tử khác Hiện tượng ion hóa mang tính dây chuyền này làm số đông các phân tử trong chất khí bị ion hóa và khí chuyển sang trạng thái plasma Thành phần của loại plasma này có các ion dương, ion âm, các electron và các phân tử trung hòa Đại diện plasma phi nhiệt trong tự nhiên là cực quang Boreallis

Nếu sự ion hóa xảy ra do sự va chạm nhiệt giữa các phân tử hay nguyên tử ở

nhiệt độ cao thì plasma được gọi là plasma nóng hay plasma nhiệt Khi nhiệt độ

tăng dần, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử và khi nhiệt độ quá lớn, toàn bộ các nguyên tử bị ion hóa Ở nhiệt độ rất cao, các nguyên tử bị ion hóa tột độ, chỉ còn các hạt nhân và các electron tự do

Nhiệt độ trong plasma được xác định bằng năng lượng trung bình của các hạt plasma (trung hòa và mang điện) và liên quan đến độ tự do của chúng (chuyển động tịnh tiến, chuyển động tròn, dao động và những kích thích có liên quan đến điện)

Là một hệ nhiều thành phần nên plasma cũng thể hiện nhiều nhiệt độ Sự phóng điện chung của plasma sinh ra trong phòng thí nghiệm, năng nượng điện trường

được tích lũy bởi các e trong suốt quá trình va chạm; rồi sau đó chuyển từ e sang

các hạt nặng Electron nhận năng lượng từ điện trường trong suốt quãng đường tự

do trung bình của chúng Khi va chạm với các hạt có khối lượng, chúng chỉ mất một

phần nhỏ năng lượng (vì e nhanh hơn rất nhiều so với các hạt nặng) Điều đó giải thích tại sao nhiệt độ e trong plasma ban đầu cao hơn nhiệt độ của các hạt nặng Rồi sau đó, va chạm của e với các hạt nặng (nhiệt Joule) có thể cân bằng nhiệt độ của

chúng trừ khi thời gian hoặc năng lượng không có khả năng cân bằng (như trạng thái trong cực quang và tia lửa điện)

Nhiệt độ khác nhau giữa e và hạt nặng trung hòa do nhiệt Joule trong va

chạm của plasma ion hóa không hoàn toàn là sự biến đổi cân đối với bình phương

của tỷ lệ giữa điện trường (E) với áp suất (p) Chỉ trong trường hợp E/p có giá trị nhỏ, nhiệt độ e và các hạt nặng gần như nhau Đó là một điều kiện cơ sở cần thiết

gọi là trạng thái cân bằng nhiệt động lực học cục bộ (LTE) trong plasma Thêm vào

đó, điều kiện LTE yêu cầu sự cân bằng hóa học cũng như hạn chế gradient LTE

plasma tiếp theo định luật tổng quát của trạng thái cân bằng nhiệt động lực học và

có thể mô tả đặc điểm bằng một nhiệt độ tại mỗi điểm trong không gian Quá trình ion hóa và quá trình hóa học trong loại plasma này được xác định bởi nhiệt độ (và chỉ gián tiếp bởi điện trường do nhiệt Joule) Loại plasma gần như cân bằng này được gọi là plasma nhiệt Trong tự nhiên, plasma nhiệt tiêu biểu là plasma mặt trời

bằng được xác định trực tiếp bởi nhiệt độ e, và do đó không quá ảnh hưởng đến quá

trình nhiệt và nhiệt độ của khí Loại plasma phi cân bằng này thường dẫn đến plasma phi nhiệt Plasma phi nhiệt trong tự nhiên được đại diện bởi cực quang Borealis ngược với plasma nhiệt tiêu biểu là sét

Mặc dù sự liên quan giữa nhiệt độ plasma khác nhau trong plasma phi nhiệt

có thể phức tạp, nó có thể là sự chuyển đổi thể hiện trong va chạm trong plasma ion

hóa yếu: T e > T v > T r ~ T l ~ T 0 Nhiệt độ e, T e là lớn nhất trong hệ, theo sau là nhiệt

độ của sự kích thích dao động của phân tử T v Nhiệt độ thấp nhất thường thấy trong

plasma là nhiệt độ của các hạt nặng trung hòa (T 0, nhiệt độ của độ tịnh tiến tự do

hoặc đơn giản là nhiệt độ của khí), nhiệt độ ion (T l), và nhiệt độ chuyển động tròn

tự do của phân tử (T r ) Trong nhiều hệ plasma phi nhiệt, nhiệt độ e vào khoảng c.1

eV (c = 11000 K), trong khi nhiệt độ khí chỉ bằng nhiệt độ phòng

Plasma phi nhiệt thường được tạo ra ở áp suất thấp, tại mức năng lượng thấp hơn, hoặc trong một loại khác của hệ phóng xung điện Khía cạnh kỹ thuật và lĩnh vực ứng dụng trong plasma nhiệt và phi nhiệt là hoàn toàn khác nhau Plasma nhiệt

thường có năng lượng lớn hơn (lên đến 30 MW và cao hơn) trong khi plasma phi

nhiệt chọn lọc hơn và có thể sử dụng trong những ứng dụng nhạy cảm mà không làm môi trường xung quanh xấu đi Tuy nhiên nhiều loại khí ion hóa có những đặc điểm chung Lưu ý rằng cả plasma nhiệt và phi nhiệt thường có nhiệt độ cao nhất

(T e trong một trường hợp và T 0 trong trường hợp khác) có độ lớn tầm 1 eV, bằng khoảng 10% của năng lượng ion hóa (khoảng 10 eV) Điều này phản ánh sự thật

chung được đề ra bởi Zeldovich và Frank – Kamenetsky cho nguyên tử và phân tử nhỏ trong động lực học hóa học: nhiệt độ phụ thuộc vào quá trình hóa học điển hình khoảng 10% tổng năng lượng yêu cầu, đó là năng lượng kích hoạt Arrhenius Nhiệt

độ plasma có thể bão hòa đến mức độ nào đó như là năng lượng “đặt cọc” cho quá trình ion hóa (ví dụ, từ nguyên tắc tương tự 10% thường được ứng dụng trong tính toán một năng lượng đặt cọc làm thế chấp)

Plasma nhiệt và phi nhiệt cũng có những đặc trưng riêng của mỗi loại thích hợp cho ứng dụng sinh học và y học Nhiệt độ và mật độ năng lượng cao là điển hình của plasma nhiệt xác định ứng dụng của chúng trong sự đốt và cắt các mô trong quá trình phẫu thuật Loại thiết bị này ngày nay được sử dụng rộng rãi trong hoạt động y học; một trong số chúng thậm chí còn kết hợp với những đặc điểm nêu

ở trên với việc sát trùng mô Plasma nhiệt trong không khí cũng rất hiệu quả trong việc tạo ra NO, ứng dụng ấy được gọi là plasma liệu pháp NO hiệu quả trong plasma điều trị vết thương và các bệnh khác Plasma phi nhiệt cho phép sinh ra một nồng độ rất cao các hoạt chất hóa học trong khi vẫn giữ nhiệt độ phòng Nó xác định những ứng dụng thích hợp của plasma phi nhiệt thường là cơ chế chống đông máu và sửa chữa các thành phần và tính chất của máu, khử trùng da và các mô sống khác; khử trùng các dụng cụ y tế và các vật liệu và thiết bị dễ vỡ; xử lý polymer sinh học; kĩ thuật mô; và cuối cùng plasma phi nhiệt chữa lành vết thương và các bệnh mà trước đây điều trị chưa có hiệu quả

1.1.2.2 Plasma tự nhiên và nhân tạo

Plasma có thể được sinh ra một cách tự nhiên hoặc nhân tạo Plasma chiếm

đa số lượng vật chất được biết đến của vũ trụ: cực quang mặt trời, gió mặt trời, tinh vân và tầng điện li của Trái đất đều là plasma Hiện tượng plasma tự nhiên dễ dàng nhận thấy nhất là sét

Hình 1.2 Benjamin Franklin thành công trong việc thực hiện thí nghiệm

đầu tiên với plasma áp suất khí quyển, hiện tượng sét

Ở độ cao khoảng 100 km, khí quyển không còn không dẫn điện do độ ion hóa lớn và sự hình thành plasma bởi bức xạ mặt trời Là một bước tiến xa hơn trong

độ cao cận không gian, từ trường của trái đất tương tác với các hạt mang điện từ mặt trời Những hạt này bị chệch hướng và bị bắt bởi từ trường trái đất Những hạt

bị bắt tiến sát đến các cực, tạo ra quầng cực quang đẹp Borealis Sét và cực quang Borealis là dạng chung nhất của plasma tự nhiên quan sát được trên trái đất

Hình 1.3 (a) Bắc cực quang; (b) Sét

Ngoài plasma trong tự nhiên, người ta cũng tạo ra được các loại plasma trong phòng thí nghiệm, trong công nghiệp để sản xuất ozone hoặc xử lý bề mặt vật liệu hay điều trị vết thương và chữa bệnh Hồ quang trượt là một loại plasma nhân tạo thường gặp

Hình 1.4 Đồ thị phân bố nhiệt độ và mật độ của plasma

Plasma tự nhiên và plasma nhân tạo (sinh ra trong khí phóng điện) xảy ra

trên một phạm vi rộng của áp suất, nhiệt độ e, mật độ e Phạm vi nhiệt độ của

plasma nhân tạo từ nhỏ như nhiệt độ phòng đến nhiệt độ có thể đo được trong

những ngôi sao, với mật độ e khoảng hơn 15 bậc Hầu hết plasma có tính thiết thực lớn, tuy nhiên có nhiệt độ e, 1-20 eV với mật độ e khoảng 106–1018 cm-3 (nhiệt độ

cao chuyển đổi nhanh eV, với 1 eV là 11600 K)

1.1.2.3 Plasma ion hóa hoàn toàn và ion hóa yếu

Không phải tất cả các hạt đều bị ion hóa trong plasma: một điều kiện chung trong plasma hóa học là chỉ một phần khí bị ion hóa Độ ion hóa (tỷ lệ của mật độ các loại điện tích chính so với khí trung hòa ) trong hệ plasma hóa học biến đổi trong khoảng 10-7–10- 4 Khi độ ion hóa bão hòa, loại plasma ấy được gọi là plasma ion hóa hoàn toàn Plasma ion hóa hoàn toàn biến đổi thành hệ plasma nhiệt hạch (tokomaks, stellarators, plasma pinches, focuses) Khi độ ion hóa thấp, plasma được gọi là plasma ion hóa yếu Plasma ion hóa yếu và quá trình hóa học và sinh hóa

quan trọng được xúc tác trong loại plasma này là tâm điểm của ứng dụng plasma trong y học

1.2 Ứng dụng của plasma trong y học

Plasma y học là sự tiếp nối của plasma hóa học và quá trình hóa sinh liên quan đến các khí ion hóa Một nguồn plasma trong hầu hết các điều kiện thí nghiệm là sự phóng điện qua khí do đó đại diện cho tính chất vật lý và kỹ thuật cơ bản của plasma y học Đơn giản hóa, sự phóng điện là một nguồn plasma thông thường có thể được xem như 2 điện cực được đệm vào trong một ống thủy tinh và nối với một nguồn cấp điện Các ống có thể được lấp đầy bởi các loại khí khác nhau hoặc được

xả khí Khi điện áp trên hai điện cực tăng lên, dòng điện tăng lên đột ngột một cách

rõ rệt đến ngưỡng điện áp cần thiết vừa đủ để xảy ra hiện tượng thác lũ Nếu áp suất thấp (khoảng vài Torr) và mạch ngoài có điện trở lớn để ngăn chặn dòng điện lớn, một cột sáng xuất hiện Đây là sự phóng điện dòng thấp, điện áp cao được sử dụng

để tạo ra plasma phi nhiệt Sự phóng điện tương tự là cơ sở của nguyên tắc hoạt động của đèn huỳnh quang, một thiết bị plasma phổ biến Sự phóng điện phát sáng

có thể được xem như một ví dụ chính của nguồn plasma phi nhiệt áp suất thấp (hình 1.5) Sự phóng điện của plasma áp suất thấp có thể hiệu quả như một nguồn UV hoặc nguồn các hoạt chất hóa học dùng để khử trùng Chúng cũng có thể hiệu quả trong việc xử lý polyme sinh học và kỹ thuật mô Nó được nhắc đến để giữ cho khu vực điều trị sạch sẽ từ các sản phẩm của sự ăn mòn điện cực, công nghệ plasma y học áp suất thấp thường dựa trên nguồn plasma áp suất thấp ít điện cực như là nguồn plasma tần số radio áp suất thấp

Trong lịch sử, một vài sự phát triển quan trọng trong lĩnh vực plasma y học có thể bắt đầu với việc xử lý bề mặt và theo sau là sự tương tác với bề mặt của tế bào (được thực hiện bởi nhóm của Riccardo D‟ Agostino, Pietro Favia và Michael Wertheimer) và khử trùng sử dụng plasma phi nhiệt áp suất thấp (công việc được thực hiện bởi nhóm Michel Moisan)

Hầu hết các ứng dụng của plasma y học trước đây đều yêu cầu hoạt động ở áp suất thấp Igor Alexeft và Mounir Laroussi đã có một số nghiên cứu tiên phong về việc dùng plasma áp suất khí quyển để khử trùng [2], trong khi Eva Stoffels đã có

một trong những ứng dụng đầu tiên là phóng điện trực tiếp lên tế bào [3, 4] Dr Richard Satava người quản lý các dự án khác nhau ở Cơ quan nghiên cứu dự án tiên tiến (DARPA), giúp cho phát triển những ứng dụng ban đầu của plasma phi nhiệt trong y học ở Mĩ

Sự phóng điện nhật hoa phi nhiệt xảy ra ở áp suất cao (bao gồm cả áp suất khí quyển) trong vùng nhọn không đồng nhất của điện trường Điện trường ở khu vực gần một hoặc cả hai điện cực phải mạnh hơn các phần còn lại Nó xảy ra ở gần những điểm nhọn, đỉnh hoặc nơi có đường kính nhỏ Có khuynh hướng trở thành nguồn plasma năng lượng thấp, giới hạn bởi điện áp đánh thủng của khí Tuy nhiên

có thể xảy ra những hạn chế do sử dụng nguồn cấp điện có dao động Nhiệt độ e trong phóng điện nhật hoa có thể vượt quá 1 eV, trong khi nhiệt độ khí vẫn ở nhiệt

độ phòng Sự phóng điện nhật hoa được ứng dụng rộng rãi trong xử lý vật liệu polymer: hầu hết có cấu trúc nhân tạo sử dụng làm quần áo được xử lý bằng phóng điện nhật hoa tạo ra đủ sự bám dính trước khi nhuộm

(a)

(b)

(a) (b)

Hình 1.5 (a) Phóng điện nhật hoa; (b) Phóng điện hồ quang

Sự phóng điện nhật hoa có thể được xem là ví dụ điển hình cho nguồn plasma phi nhiệt áp suất khí quyển (hình 1.5a) Như đã nói ở trên, sự phóng điện plasma phi nhiệt áp suất khí quyển có thể hữu ích trong việc chống đông máu và sửa chữa các thành phần và tính chất của máu: khử trùng da và các mô sống khác; khử trùng dụng cụ y tế và các vật liệu và thiết bị dễ vỡ; xử lý polymer sinh học; kỹ thuật mô; chữa trị vết thương và các bệnh khác Hơn thế nữa, nó được đề xuất để giữ khu vực điều trị sạch sẽ từ các sản phẩm của sự ăn mòn điện cực và cung cấp cách điều trị

thống nhất, các sự phóng điện áp suất khí quyển khác như là phóng điện qua hàng rào điện môi (DBD) hoặc tia plasma phóng điện phát sáng ở áp suất khí quyển (APG) cũng thường được sử dụng trong ứng dụng y học

Với các điều kiện bao gồm áp suất cao (khoảng 1 atm) và điện trở mạch ngoài nhỏ, sự phóng điện hồ quang nhiệt có thể xuất hiện giữa 2 điện cực Hồ quang nhiệt thường kéo theo dòng lớn, lớn hơn 1 A khi điện thế chỉ khoảng vài chục Volt Hơn nữa, chúng phát ra một nhiệt lượng lớn ở nhiệt độ rất cao, thường vượt quá 1.000 K

Hồ quang thường kết hợp với một dòng khí tạo thành tia plasma ở nhiệt độ cao Sự phóng điện hồ quang được biết đến không chỉ bởi các nhà khoa học và kỹ sư mà còn bởi công chúng vì ứng dụng rộng rãi của nó trong các thiết bị hàn, cắt Sự phóng điện hồ quang có thể được xem như là ví dụ điển hình cho một nguồn plasma nhiệt (hình 1.5b) Bên cạnh đó, như đã đề cập ở trên, sự phóng điện hồ quang được

sử dụng rộng rãi trong y học để đốt và cắt mô

Sự phóng điện nhiệt cũng có thể sử dụng để tạo ra các hoạt chất hóa học và tia

UV trong ứng dụng y học Phương pháp tiếp cận này đang được theo đuổi, ví dụ, nhóm nghiên cứu với trưởng nhóm là Gregor Morfill ở viện Max Plank ở Munich, Đức và Anatoly Shekhter ở Matxcova, Nga

Hình 1.6 Phóng điện hồ quang trượt ổn định trong vòi rồng xoáy

Các quá trình hóa học được diễn ra nhiều hơn trong phóng điện hồ quang trượt (máy phát plasma áp suất khí quyển không cân bằng), đặc biệt với plasma ổn định trong dòng vòi rồng xoáy ngược (hình 1.6) Sự phóng điện hồ quang trượt tạo ra một hàm lượng hoạt chất và năng lượng cao điển hình điển hình cho plasma hồ quang cùng với một mức phi cân bằng tương đối cao đại diện cho sự phóng điện phi nhiệt áp suất khí quyển Đối với ứng dụng y sinh, sự phóng điện hồ quang đã được

sử dụng hữu ích trong việc khử trùng chất lỏng và xử lý plasma trong nước và hòa

tan các chất trong nước để khử trùng da và vết thương

Một số sự phóng điện không phải là nguồn plasma thông thường, mang lại lợi ích đáng kể cho ứng dụng sinh học và y học Tuy không truyền thống nhưng sự phóng điện trong plasma y sinh có tầm quan trọng thực tiễn, chúng ta có thể chỉ ra plasma FE-DBD áp suất khí quyển điện thế cao phi nhiệt, có thể sử dụng cơ thể người như là điện cực thứ 2 mà không gây tổn hại đến mô sống Loại phóng điện này được phát triển độc lập như một công cụ plasma y học bởi Wolfgang Viot và Fridman, có thể thấy được cơ hội quan trọng cho ứng dụng plasma trực tiếp trong sinh học và y học (hình 1.7a) Những sự phóng điện tương tự đã được phát triển bởi một số nhóm khác nhau bao gồm nhóm của Klaus- Dieler Weltmann ở Greifwald, Đức, Jean – Michel Pouvesle ở Orlean, Pháp và David Graves ở đại học California, Berkley

Một ví dụ khác về loại plasma có liên quan đến tia plasma Heli phi nhiệt ở áp suất khí quyển (hình 1.7b), được phát triển bởi một số nhóm khác nhau như nhóm của Mounir Laroussi ở Mĩ, Michel Kong ở UK, Jean – Michel Pouvesle ở Orlean, Pháp, Jae Koo Lee ở nam Hàn Quốc Tất cả đều là nguồn plasma jet, đặc biệt là chúng được ứng dụng rộng rãi trong y học

(a) (b)

Hình 1.7 (a) Phóng điện qua hàng rào điện môi với điện cực thả nổi (FE-DBD) với

một ngón tay là điện cực thứ 2; (b) Giáo sư Mounir làm việc với một tia plasma phi nhiệt áp suất khí quyển, một công cụ plasma thuận tiện để xử lý mô sống

1.3 Cơ cở của plasma y học

1.3.1 Hóa học plasma

Plasma hoạt hóa là một hệ nhiều thành phần phản ứng mạnh do tập trung nhiều

các hạt mang điện (e, ion âm và ion dương); nguyên tử và phân tử bị kích thích

(điện tử và kích thích dao động là đóng góp chính); nguyên tử hoạt hóa và các gốc; tia UV Mỗi thành phần của plasma hoạt hóa hoạt động với vai trò riêng của chúng

trong sự vận động của plasma hóa học Ví dụ, e thường nhận năng lượng đầu tiên từ

điện trường rồi phân tán nó cho các thành phần plasma khác và độ tự do riêng của

hệ Thay đổi các tham số của khí e (mật độ, nhiệt độ, hàm phân chia năng lượng e)

thường cho phép điều khiển và tối ưu hóa quá trình plasma hóa học

Ion là hạt có khối lượng mang điện tích nên có thể đóng góp đáng kể cho plasma hóa học do năng lượng cao của chúng (như là trong trường hợp ion phún xạ

và phản ứng khắc) hoặc khả năng ngăn chặn hoạt động của phản ứng hóa học Tính năng thứ 2 của ion plasma được gọi là ion xúc tác hoặc plasma xúc tác, nó đặc biệt cần thiết trong hỗ trợ plasma sinh tia lửa điện và tạo ra ngọn lửa ổn định; là nguồn nhiên liệu; sản xuất hidro; làm sạch khí thải; và thậm chí dùng plasma để xử lý trực tiếp lên mô sống

Sự kích thích dao động của phân tử thường là đóng góp chính cho động lực

plasma hóa học vì e plasma với năng lượng khoảng 1 eV chuyển giao hầu hết năng

lượng trong khí như là N2, CO, CO2, và H2 vào việc kích thích dao động Sự kích thích của quá trình plasma hóa học qua kích thích dao động cho phép hiệu quả năng

lượng đạt giá trị cao nhất Electron bị kích thích của nguyên tử và phân tử cũng có

thể hoạt động với vai trò đáng kể, đặc biệt là thời gian sống của hạt bị kích thích

khá dài (như trường hợp nguyên tử và phân tử có e bị kích thích siêu bền) Ví dụ,

chúng ta có thể kể ra phân tử oxi có điện tử kích thích siêu bền O2 tham gia hiệu quả trong quá trình kích thích plasma oxi hóa trong xử lý polyme và ứng dụng sinh học và y sinh

Đóng góp của nguyên tử và gốc là rõ ràng Ví dụ, nguyên tử O và gốc OH được sinh ra hiệu quả trong khí phóng điện ở áp suất khí quyển có thể có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình oxi hóa kích thích plasma Plasma sinh ra photon cũng

có vai trò quan trọng trong ứng dụng rộng rãi của nguồn plasma phát sáng tia UV khử trùng nước

Plasma không chỉ là hệ nhiều thành phần và nhiều thông số, mà còn ở rất xa trạng thái cân bằng nhiệt động lực học Plasma phi nhiệt thường là hệ không cân

bằng vững chắc Nồng độ các hoạt chất hóa học được mô tả trên đây có thể vượt quá nhiều mức độ lớn của nồng độ đạt được trong trạng thái bán cân bằng tại cùng một nhiệt độ khí Kiểm soát thành công plasma cho phép quá trình hóa học và y sinh rẽ sang một hướng riêng biệt và thẳng tới một cơ chế tối ưu Kiểm soát được một hệ plasma hóa học yêu cầu sự hiểu biết chi tiết về quá trình cơ bản và động lực học plasma hoạt hóa

Công nghệ plasma cạnh tranh thành công với các phương pháp thông thường trong nhiều ứng dụng thực tiễn, ví dụ: plasma nhiệt làm lắng đọng lớp phủ bảo vệ; plasma ổn định ngọn lửa; plasma chuyển đổi nhiên liệu; nguồn sáng plasma; plasma làm sạch khí thải và khử trùng nước Tất cả công nghệ plasma đều là thực tế thú vị,

có thể thương mại hóa và góp một phần quan trọng phát triển xã hội

Hơn nữa, hầu hết các ứng dụng thú vị của plasma đều không có ứng dụng tương tự và không (hoặc hầu như không) có cạnh tranh Một ví dụ liên quan là ứng dụng plasma trong vi điện tử, như khắc những rãnh sâu (rộng 0.2 µm và sâu 4 µm) trên silicon đơn tinh thể (rất quan trọng trong việc chế tạo mạch tích hợp) Khả năng của quá trình plasma trong vi điện tử là phi thường và độc đáo; không có phương pháp plasma chúng ta không thể chế tao được máy tính mạnh và nhỏ gọn cũng như điện thoại di động Khi tất cả các lựa chọn thay thế đều không khả thi thì plasma vẫn là công cụ khả thi và giá trị Lựa chọn chế độ điều chế, năng lượng, mật độ, và nhiệt độ cho phép plasma gặp phải những thách thức và giải quyết vấn đề không thể giải quyết được bằng các công nghệ khác Có những ứng dụng khác mà ở đó phương pháp plasma không chỉ có hiệu quả cao mà còn thực tế và độc đáo Ví dụ, không có công nghệ nào khác có thể cạnh tranh với plasma trong việc sản xuất Ozon (trong hơn 100 năm nay); chúng ta nên giữ plasma nhiệt hạch như là một nguồn năng lượng độc đáo trong tương lai

Bằng cách tương tự, ngày nay plasma y học thu hút sự quan tâm đáng kể bởi

vì cơ hội giải quyết các vấn đề y học chưa được giải quyết và điều trị những bệnh trước đây chưa điều trị được Như một hệ trung gian nhiều thông số không cân bằng, plasma có thể thay đổi mô hình liệu pháp điều trị, chữa vết thương, và kiểm soát dịch bệnh Một số ứng dụng tiên phong của plasma trong y học chủ yếu dựa trên hiệu ứng nhiệt của nó Nhiệt độ cao đã được khai thác trong y học một thời

gian dài với mục đích loại bỏ mô, khử trùng và đốt (chấm dứt xuất huyết) Từ thời trung cổ những chiến binh thường đốt những vết thương bằng cách để chúng tiếp xúc với thanh kim loại nóng đỏ và thậm chí là ngọn lửa

Đốt điện là một kĩ thuật hiện đại hơn nó có thể kiểm soát được nhiệt ở lớp bề mặt mô bởi nó đi qua một lượng vừa đủ cao Tuy nhiên sự tiếp xúc của mô với bề mặt thanh sắt nung đỏ thường có kết quả là mô bị các bon hóa và bám dính trên thanh kim loại Sau khi bỏ thanh kim loại ra có thể bóc lớp mô bị các bon hóa ra, và chúng bắt đầu chảy máu Một số ứng dụng trước đó của plasma trong y học được cung cấp xen kẽ giữa đốt điện và tiếp xúc với thanh kim loại Trong plasma argon làm đông máu (APG, đôi khi còn gọi là chùm argon đông máu), plasma dẫn điện cao thay thế thanh kim loại tiếp xúc thông qua mô, từ đó ngăn ngừa vấn đề mô bị dính Plasma nóng cũng được dùng để cắt mô, mặc dù sự chính xác vẫn còn chưa rõ ràng Nhiệt lượng phóng thích gần đây cũng được sử dụng cho mỹ phẩm phục hồi

mô

Một ví dụ điều trị bằng plasma trên cơ thể người: plasma điều trị giác mạc bị nhiễm trùng Về vấn đề này: một hệ microplasma đặc biệt được phát triển cho điều trị y học địa phương của các bệnh về da và đặc biệt là điều trị giác mạc bị nhiễm trùng

Một loạt thử nhiệm trên vi khuẩn và trên mắt thỏ sử dụng plasma phóng điện được điều khiển bởi Misyn [5] Thực nghiệm đã xác nhận khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ của sự phóng điện này với sự thay đổi rất nhỏ trong mô sinh học, thậm chí trên cả mô dễ bị tổn thương như giác mạc Trong suốt sự nghiên cứu của liệu pháp plasma trên giác mạc thỏ bị viêm loét, có hai quan sát quan trọng: (1) liệu pháp plasma có hiệu quả diệt khuẩn rõ ràng và ngay lập tức và (2) sự điều trị này có hiệu quả trên vết thương bệnh học và có tỉ lệ tái sinh mô trong quá trình chữa lành vết thương

Hình 1.8 Kết quả xử lý plasma

Những kết quả này cung cấp một nền tảng vững chắc cho sự thành công của ứng dụng của hệ microplasma [6] cho điều trị bệnh nhân với các vết thương ung loét phức tạp trên mi mắt, được mô tả trong hình 1.8 Mủ hoại tử trên bề mặt của mi mắt trên đã được điều trị bởi chùm khí plasma có đường kính 3 mm trong 5 s một lần trong vài ngày Ngày điều trị thứ 5 (xử lý plasma 2 lần, mỗi lần 5 s), mí mắt đã giảm phù và viêm Vào ngày thứ 6 (3 lần ), vùng được điều trị đã hết phù và viêm

và các mô hạt xuất hiện Hơn 3 lần xử lý plasma được áp dụng (tổng cộng là 6 lần),

và bệnh nhân đã được xuất viện sau sáu ngày sau khi kết thúc quá trình trị liệu (hình 1.8)

Từ những suy nghĩ ban đầu là động cơ thúc đẩy những ứng dụng của plasma

y học, những chương sau sẽ thảo luận chi tiết về cơ sở của plasma y học (cơ sở đầu tiên liên quan đến plasma vật lý và hóa học, rồi đến cơ sở y học)

1.3.2 Sự tương tác của Plasma phi nhiệt với các tế bào và mô sống

Như đã đề cập ở trên, cơ chế của quá trình hóa học trong plasma rất phức tạp Cơ chế plasma tương tác với tế bào và mô sống còn phức tạp hơn Cách đơn giản nhất để tiếp cận chủ đề này là so sánh hiệu quả sinh học của plasma phi nhiệt, điều này mới chỉ được nghiên cứu chưa đến một thập kỉ nay, với hiệu ứng sinh học của bức xạ ion hóa được điều tra sâu sắc hơn nửa thế kỉ

Ban đầu, có một sự giống nhau cơ bản giữa hoạt động sinh học phân tử của bức xạ ion hóa (IR) và plasma ko cân bằng Đến một mức độ đáng kể, cả hai ảnh hưởng của hoạt động phân tử sinh học và sinh vật sống đều sinh ra hoạt chất chứa oxi hóa (ROS) Từ phương pháp nghiên cứu bức xạ ion đã được phát triển rộng rãi, chúng có thể chuyển đổi để thích nghi trong việc nghiên cứu plasma không cân bằng

Tuy nhiên cũng có những vấn đề quan trọng khác trong cơ chế bởi IR và plasma không cân bằng ảnh hưởng đến hệ sinh học Thêm một điều, plasma ko cân bằng có thể sinh ra rất nhiều chất quan trọng mà bức xạ ion thông thường ko làm được Nó bao gồm các hoạt chất chứa Nitơ (RNS), một lượng lớn điện tích chuyển đông tự do (hầu hết là ion dương và ion âm), và điện trường mạnh Nghiên cứu về

cơ chế điều trị của plasma ko cân bằng do đó có liên quan đến đặc tính tác động của các loại khác Thậm chí quan trọng hơn, IR là ROS thâm nhập trực tiếp vào bên trong tế bào ở một vài cấp độ gây thiệt hại trực tiếp với các phân tử sinh học trong

tế bào

Mặt khác, plasma không cân bằng không trực tiếp sinh ra các hoạt chất hóa học trong tế bào Hơn nữa, nó hoạt động bằng cách bắt đầu chuỗi tương tác ở khu vực bắt đầu có plasma Hiệu ứng plasma tiến hành thông qua các khu vực ngoại bào, sửa đổi các phân tử sinh học và sau đó bắt đầu báo hiệu, sửa chữa màng tế bào hoặc khuyếch tán chúng tạo ra hiệu ứng có thể thấy trên sinh vật sống (hình 1.9) Để đơn giản, hiệu quả của plasma y học có thể so sánh như một miếng sanwich có 3 lớp (được minh họa bởi hình 1.9) Đầu tiên hoạt chất hóa học được sinh ra bên trong plasma (lớp thứ nhất), sau đó chuyển từ giai đoạn khí sang các phương tiện sinh học trung gian (lớp thứ 2) từ nơi mà các hoạt chất tác động đến tế bào và kích hoạt phản ứng hóa sinh nội bào thông qua cơ chế báo hiệu (lớp thứ 3)

Hình 1.9 Plasma phi nhiệt gây ra các quá trình sinh học phân tử

1.3.3 Cơ chế tương tác của plasma với tế bào

1.3.3.1 Các giai đoạn tương tác chính và đối tượng chủ chốt

Hình 1.10 minh họa những gì được cho là các giai đoạn cơ bản và đối tượng

chính liên quan đến tất cả các cách xem xét sự tương tác giữa plasma và tế bào Đầu tiên, các đối tượng khác nhau ít nhiều quan trọng với các loại liệu pháp plasma khác nhau Khi plamsa được ứng dụng trực tiếp trong môi trường và chất nền chứa tế bào, điện tích và điện trường có thể có hiệu quả quan trọng; nó trái ngược với ứng dụng plasma gián tiếp trong đó chỉ các hoạt chất hóa học và tia UV có thể tham gia vào quá trình tương tác Ozone được biết đến xảy ra ở nồng độ cao hơn và nhiệt độ khí thấp hơn trong sự phóng điện, trong khi nồng độ của Nito ôxít trong không khí

có xu hướng tăng khi nhiệt độ khí cao lên Sự phóng điện khác nhau sinh ra cường

độ UV khác nhau có rải sóng khác nhau, nó có thể bị hấp thụ phụ thuộc vào thành phần khí và môi trường tế bào Khả năng của điện trường có thể tiếp cận tế bào và ảnh hưởng đến chúng bằng một số cách phụ thuộc vào số lượng, tính dẫn điện và cách điện của môi trường bên trên tế bào

Với trường hợp ngoại lệ (bào tử của vi khuẩn), tế bào của chúng ít khi ở trong môi trường khô ráo Thậm chí tế bào của động vật có vú còn có khả năng

sống sót một thời gian ngắn khi không có nước xung quanh màng tế bào, rất khó để loại bỏ hoàn toàn nước do tính ưa nước mạnh mẽ của bề mặt ngoài màng tế bào của động vật có vú Tuy nhiên lượng nước có thể khác nhau tùy từng trường hợp Ví dụ, tia plasma hướng dòng của nó trực tiếp vào bề mặt môi trường của tế bào và có thể loại bỏ một số thứ trong môi trường tế bào Môi trường tế bào còn lại có thể ước tính bằng cách thiết lập lực căng bề mặt của nước bằng lực cắt tạo ra sức căng do

vận tốc không khí U ở bề mặt màng nước Giả sử một dòng khí có vận tốc được duy trì một khoảng cao 1 m/s qua mặt phẳng chất nền có độ dài L khoảng 1cm, độ dày

của lớp nước trên chất nền khoảng:

3 2

0.01 10

7 10

U L

Trong đó µ độ nhớt của nước, γ là sức căng bề mặt và  là độ dày của lớp

nước(nm) Trong trường hợp này, lực cắt(µN):

Được áp dụng cho từng tế bào riêng biệt có kích thước đặc trưng là D cell = 10

µ khi tế bào đính kèm chất nền Cần một lực rất lớn để xử lý tế bào đơn, một lực lớn hơn nữa để xử lý nội mô Điều này chứng tỏ sự khó khăn khi loại bỏ nước từ tế bào bằng các phương tiện cơ giới (như dòng khí) Những khó khăn tương tự sẽ phát sinh trong những tình huống khác Do đó nó thỏa mãn giả thiết, trong tất cả các trường hợp trị liệu bằng plasma, có một lớp nước 10 nm còn lại trên tế bào của động vật có

vú

Hình 1.10 Các giai đoạn chính khác nhau tham gia trong tương tác giữa plasma

và tế bào sống

Cho một lớp nước lên tế bào của động vật có vú, vấn đề đặt ra là mức độ phóng điện nào của plasma xuyên qua bề mặt của lớp nước có thể ảnh hưởng đến quá trình ở màng tế bào Ảnh hưởng điện có thể ước tính bằng cách so sánh năng

lượng tương tác điện của 2 e hoặc 2 ion (mang điện tích một e) và năng lượng của

biến động nhiệt Khoảng cách hiệu quả giữa 2 điện tích điểm trong nước có năng lượng tương tác bằng dao động nhiệt được gọi là độ dài Bjerrum

điện tích từ plasma đi đến nước Độ dài sàng lọc hiệu quả trong trường hợp này gọi

là độ dài Debye cho dung dịch điện ly, được cho bởi:

0 2

2

r B D

Đây không phải là quy tắc của hiệu ứng động lực học của điện tích và điện trường tạo ra bởi chúng Hiệu ứng động lực học có thể xảy ra bởi dung dịch điện phân xung quanh tế bào không dẫn điện hoàn hảo Kết luận, đôi khi yêu cầu sàng lọc hoàn toàn điện tích plasma xảy ra Thời gian này được cho bởi:

Một hiệu ứng khác trên tế bào có thể xảy ra do sự sửa đổi hóa học của môi trường xung quanh tế bào Trong trường hợp này, thành phần hóa học chính xác của môi trường tế bào có thể đóng vai trò quan trọng Bản chất của các chất hóa học sản sinh ra trong plasma và nồng độ của chúng cũng quan trọng trong cơ chế này Điện tích trong plasma cũng có vai trò quan trọng trong hóa học bằng nhiều cách Một

mặt, sự xuất hiện của chúng là chất xúc tác cho quá trình oxi hóa và peroxi hóa Mặt khác, qua đó chúng có thể thay đổi pH của môi trường, qua đó ảnh hưởng đến phản ứng khác nhau và tốc độ của chúng Màng tế bào là một hàng rào bên ngoài ngăn cách môi trường nội bào với môi trường xung quanh nó có thể là đối tượng sinh học đầu tiên và quan trọng trong cơ chế tương tác giữa plasma và tế bào Quá trình khác nhau có thể xảy ra trên màng tế bào như là kết quả của liệu pháp plasma Điện trường thâm nhập vào môi trường tế bào trong một thời gian ngắn có thể khiến cho, hoặc nâng cao sự hình thành lỗ màng tế bào, hiện tượng được biết tới là biến nạp (là quá trình chuyển DNA trực tiếp tách ra từ tế bào thể cho sang tế bào thể nhận) Cũng như khả năng gây thiệt hại màng tế bào một cách rõ ràng, chúng có thể ảnh hưởng tới việc vận chuyển ion và các phân tử sinh học khác dẫn đến các hiệu ứng tín hiệu Các hoạt chất hóa học được tạo ra trong môi trường thông qua tương tác với plasma có thể dẫn đến sự oxi hóa và peroxy hóa của nhiều phân tử khác nhau trong màng lipid Sản phẩm phụ của peroxy hóa chất béo, như là aldehit có thể kết thúc trong tế bào Màng protein cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các hoạt chất hóa học khác nhau trong môi trường

Sự tương tác giữa plasma và tế bào chưa kết thúc ở màng tế bào Thông qua tín hiệu sinh học, biến nạp, peroxy hóa lipid hoặc các cơ chế khác, màng có thể chuyển những ảnh hưởng từ liệu pháp plasma hướng vào nội bào Sự chuyển đổi dường như xảy ra hoặc đi kèm với ứng suất oxi hóa nội bào Ứng suất oxi hóa có thể xuất hiện trong DNA nội bào

1.3.3.2 Cơ chế sinh học trong tương tác giữa plasma và tế bào của động vật có

vú

Trong khi ảnh hưởng của các hoạt chất khác nhau là khởi xướng của tương tác giữa plasma và các hệ sống được nghiên cứu chủ yếu sử dụng vi khuẩn làm mục tiêu, cơ chế sinh học do hoạt động của plasma cũng được nghiên cứu trên tế bào động vật có vú do mong muốn ứng dụng plasma trong y học thực tế trong đó mô cần xử lý là mô của động vật có vú Thêm vào đó, dễ dàng nghiên cứu một số cơ chế khi sử dụng tế bào động vật có vú làm đối tượng xử lý

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng plasma DBD không sinh ra bất kì lượng đáng

kể nào bức xạ xâm nhập hoặc các hạt điện tích có thể xuyên qua môi trường tế bào, thông qua màng tế bào, thông qua màng nhân và vào trong nhân ảnh hưởng tới DNA[7]

Tổn thương DNA là một biến cố tương đối thông thường trong tế bào, và xảy

ra dưới những hình thức khác nhau do nhiều nguyên nhân khác nhau ROS nội bào xảy ra như là một phụ phẩm của hô hấp tế bào và thỉnh thoảng là nguyên nhân tổn thương DNA Bức xạ UV từ các thí nghiệm là một loại nguyên nhân khác Phương pháp điều trị y học như là bức xạ ion hóa (một phương pháp điều trị ung thư thông thường ) và nhiều phương pháp điều trị quang gần đây là nguyên nhân đáng kể gây tổn thương DNA mặc dù chủ yếu sinh ra gốc OH và Oxi đơn nguyên tử tương ứng trực tiếp bên trong tế bào

Xác suất của bất khì loại tổn thương DNA nhất định nào phụ thuộc vào nguyên nhân cơ bản Ví dụ, loại tổn thương DNA chung nhất là do tia cực tím do sự hình thành của thymine dimers trong phân tử DNA Sự hô hấp của tế bào sinh ra ROS là nguyên nhân thường thấy nhất khiến một sợi DNA bị gẫy Sự đứt gãy này thường được sửa chữa bởi quá trình tế bào sử dụng sợi DNA thứ 2 không bị hư hại như một nguồn thông tin cho sự nối tiếp DNA thích hợp Bức xạ ion hóa tạo ra một trong những tổn thương khó chữa lành nhất gọi là sự đứt gãy kép (DSBs), trong đó

cả hai sợi DNA bổ sung đều bị bẻ gãy Những loại đứt gãy này khó sửa chữa hơn khi nguồn thông tin đáng tin cậy (sợi DNA thứ 2 hoạt động như một bản đồ sửa chữa) bị mất Kết quả là, bức xạ ion hóa là một nguyên nhân gây đột biến DNA

H2O2 tạo ra tổn thương DNA tương tự như bức xạ ion hóa và thường được sử dụng

để mô phỏng hiệu quả của bức xạ ion hóa

Lưu ý quan trọng là DSBs cũng có thể xảy ra trong quá trình sửa chữa các loại tổn thương DNA khác Các DSBs này không làm tăng khả năng đột biến bởi vì còn tồn tại một bản đồ sửa chữa đáng tin cậy Sự phospho hóa của H2AX được sử dụng để phát hiện DNA như trong mô tả bên trên xảy ra trong quá trình sửa chữa liên quan đến DSB Tuy nhiên, đây có thể là loại DSB xảy ra trong quá trình sửa chữa, hơn nữa một DSB trực tiếp được tạo ra bởi một ảnh hưởng bên ngoài Do đó,

có thể không đúng khi kết luận rằng liệu pháp plasma là nguyên nhân làm đứt gãy kép DNA bởi vì tổn thương được phát hiện khi sử dụng  - H2AX

Tóm lại, nhiều nghiên cứu [8] khẳng định rằng ROS nội bào sinh ra theo liệu pháp plasma DBD là kết quả trong tổn thương DNA; tổn thương này rất khác các loại tổn thương khác xảy ra trong phản ứng bức xạ ion hóa, hydro peroxide hoặc bức xạ UV Điều này không chỉ cho thấy rằng Plasma là một công cụ độc đáo khác với bức xạ ion hóa, H2O2 và UV trong cơ chế tương tác với tế bào, mà công cụ độc đáo này còn ít nguy hiểm hơn so với các công cụ khác như là bức xạ ion hóa (dẫn tới các đột biến nguy hiểm)

Chương 2 Thiết kế, chế tạo nguồn plasma jet

2.1 Phóng điện hồ quang trượt

Hồ quang trượt là một sự phóng điện tự dao động định kì giữa ít nhất là hai điện cực phân kì chìm trong dòng khí (hình 2.1) Cột plasma được hình thành ở thượng nguồn nơi có khoảng cách điện cực nhỏ nhất, kết nối các điện cực Cột plasma này bị kéo bởi dòng khí hướng đến phần hạ lưu phân kì Hồ quang giãn ra cùng với sự gia tăng của khoảng cách giữa các điện cực cho đến khi nó bị dập tắt Nhưng nó lại tự khơi dậy ở khoảng cách nhỏ nhất giữa hai điện cực để bắt đầu một chu kì mới Plasma hồ quang trượt có thể là nhiệt hoặc phi nhiệt, tùy thuộc vào năng lượng và tốc độ dòng khí Plasma hồ quang trượt cũng có thể vận hành trong chế độ chuyển tiếp cụ thể khi bắt đầu phóng điện thì là plasma nhiệt nhưng cùng với

sự vận động của thời gian và không gian lại trở thành sự phóng điện phi nhiệt Phóng điện chuyển tiếp mạnh mẽ và tiết kiệm năng lượng kết hợp các lợi ích của cả phóng điện cân bằng và không cân bằng

Hình 2.1 (a) Minh họa và (b) Ảnh chụp sự phóng điện hồ quang trượt

Mạch điện đơn giản của một hệ phát plasma hồ quang trượt một chiều được chỉ ra ở hình 2.2 Máy phát điện thế với điện áp cao (lên tới 5 kV) được sử dụng để kích thích phóng điện Máy phát thứ hai là máy phát công suất với điện áp khoảng

1 kV và dòng điện tổng cộng có thể lên đến 60 A Một biến trở có R = 0 - 25 Ω mắc nối tiếp với cuộn cảm có độ tự cảm L= 25 mH

Hình 2.2 Sơ đồ phóng điện hồ quang trượt điển hình

Thế đánh thủng được hình thành ở khoảng cách ngắn nhất (1-2 mm) giữa hai

điện cực, khởi động cho chu kì vận động của hồ quang trượt Với khí ở áp suất khí

quyển và khoảng cách giữa 2 điện cực là 1 mm, thế đánh thủng V b khoảng 3 kV Sau khoảng 1 µs, trở kháng thấp của plasma được hình thành và điện thế giữa các điện cực sụt xuống

Trạng thái cân bằng xuất hiện khi hình thành kênh plasma Dòng khí đẩy cột

plasma với vận tốc khoảng 10 m/s Chiều dài l của hồ quang tăng theo hiệu điện thế; công suất tăng tới giá trị cực đại P max được cung cấp bởi nguồn Dòng điện tăng

đến giá trị cực đại I m = V 0 /R~40 Trong suốt trạng thái giả cân bằng, nhiệt độ khí T 0

thay đổi không đáng kể (vẫn còn khoảng 3000 K)

Trạng thái không cân bằng bắt đầu khi chiều dài của hồ quang trượt vượt

quá giá trị tới hạn lcrit của nó Cột plasma bị mất nhiệt và bắt đầu vượt quá năng lượng cung cấp bởi nguồn, và nó không thể duy trì plasma ở trạng thái bán cân

bằng Plasma nhanh chóng lạnh đi và T 0 = 1000-2000 K, trong khi đó độ dẫn được

duy trì bởi nhiệt độ e cao T c = 1 eV Sau khi chuyển đổi sang trang thái không cân

bằng, một sự đánh thủng mới sinh ra tại khoảng cách ngắn nhất giữa các điện cực

và chu kì được lặp lại Giả sử công suất riêng  là hằng số và được biểu diễn bằng căn bậc 2 của dòng điện, điện thế và công suất trong giai đoạn hồ quang trượt ở

trạng thái bán cân bằng Bỏ qua hệ số tự cảm L, định luật Ohm được viết:

V 0 = RI +l/I (2.1)

Trong đó, V 0 , R, I là điện áp mạch hở của nguồn điện, điện trở ngoài và

dòng Dòng hồ quang có thể xác định từ định luật Ôm như là một hàm của hồ quang

Giải phương trình với dấu + mô tả trạng thái ổn định của cột hồ quang; giải

phương trình với I < V 0 /2R là không ổn định và tương ứng với điện trở suất âm của

mạch Mạch biểu diễn bởi phương trình ( 2.2) giảm trong suốt chu kì giả cân bằng

trong khi điện thế hồ quang tăng Wl/I và công suất tổng cộng của hồ quang là P=l

tăng hầu như là tuyến tính so với chiều dài l Trạng thái bán cân bằng của hồ quang

trượt kết thúc khi chiều dài cột hồ quang đạt giá trị tới hạn:

lcrit =

2 0 4

V R

 (2.3)

và căn bậc 2 trong phương trình (2.2) sẽ tiến tới 0 Dòng điện giảm đến mức tối

thiểu và ổn định có giá trị Icrit = V 0 /2R, bằng một nửa dòng ban đầu Điện áp plasma, điện trường E và công suất tổng cộng cùng có giá trị tới hạn tối đa, được xác định

của plasma vẫn được duy trì bởi nhiệt độ electron (~1 eV) và sự ion hóa từng bước

Sự chuyển đổi nhanh chóng từ trạng thái cân bằng sang trạng thái không cân bằng

là do sự gia tăng của điện trường E = /I và nhiệt độ e, T e:

Trong đó E i tương ứng với sự chuyển đổi từ ion hóa nhiệt sang ion hóa bằng

va chạm trực tiếp của điện tử Sau sự chuyển đổi nhanh chóng, hồ quang trượt tiếp