CZ27679U1 - Zdroj nízkoteplotního plazmatu, zejména pro deaktivací bakteri - Google Patents

Description

Technické řešení spadá do oblasti generování nízkoteplotního plazmatu a týká se konstrukce zdroje nízkoteplotního plazmatu, zejména pro využití v různých medicínských bioaplikacích, jako je například deaktivace bakterií.

Dosavadní stav techniky

Plazma, jakožto čtvrté skupenství hmoty, je stav látky charakterizovaný určitým stupněm ionizace a jedná se o směs neutrálních částic a kladných a záporných iontů, přičemž součet nábojů těchto iontů je ve větších objemech nulový a je tedy elektricky neutrální. K udržení stavu, kdy se v plazmatu v ionizovaném stavu nalézá řádově 1 % částic, jsou třeba energie odpovídající teplotám řádově 10³ K a takové plazma je označováno jako nízkoteplotní. Nízkoteplotní atmosférické plazma je známé jako efektivní nástroj pro řadu procedur ve zdravotnictví díky účinkům podporujícím hojení, které jeho aplikací lze dosáhnout. To zahrnuje efekty antibakteriální, antifungicidní a antivirové. Dále zahrnuje efekty spojené s hojením chronických ran, krevních sraženin, léčbou imunitního systému, kardiovaskulární regulací, likvidací nežádoucích biovrstev, dezinfekcí a sterilizací, jak je známo například ze spisů CZ 22149 Ul, JP 2001054556, CZ 304814.

Dosud byla vyvinuta celá řada technologických systémů nízkoteplotních zdrojů atmosférického plazmatu, například atmosférický plazma jet přístroj se sadou trysek s mikrorozměrem použitelným v terapii léčby rakoviny byl publikován v odborné stati [K. Kim et al., Appl. Phys. Lett. 98 (2011) 073701], a zařízení využívající nízkoteplotního atmosférického plazmatu pro bio-medicínské účely je popsáno ve spise WO 2010098524 Al. Dále atmosférický zdroj plazmatu vyvinutý pro generaci atomů vodíku, který má podstatný efekt na deaktivaci mikrobiologických kontaminantů a redukci OH radikálů ve vzduchu, je dostupný v [H. Nojima et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 501-509] a způsob dekontaminace vzduchu pomocí nízkoteplotního plazmatu je popsán například ve spise CN 1659968. Rovněž byl vyvinut obvod pracující na principu vlastní rezonance navrženého pro buzení atmosférického plazma jetu a dielektrického bariérového výboje malého objemu, který byl publikován v [V. J. Law and S. D. Anghel. J. Phys. D: Appl. Phys. 45 (2012) 075202], a buzení atmosférického plazmatu založeného na technologii dielektrického bariérového výboje je rovněž popsáno ve spise CN 101945527. Byl vyvinut atmosférický výboj se stejnosměrnou vysokonapěťovou jiskrou generovanou mezi hrotem a otvorem popsaném například v [D. Dobrynin, K. Arjunan, A. Fridman, G. Friedman and A. Morss Clyne. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 075201]. Také byl již vyvinut atmosférický nízkoteplotní doutnavý RF výboj malých rozměrů s elektrodou ve tvaru jehly pro deaktivaci baktérie Escherichia coli, který je popsán ve stati [R. E. J. Sládek and E. Stoffels J. Phys. D: Appl. Phys. 38 (2005) 1716-1721],

U zařízení používajících vysokofrekvenční (GHz) objemový výboj magnetronu a užití porézní struktury k homogenizaci proudu ionizovaného pracovního plynu (např. US 2012/0046602) se projevují negativní účinky a zvýšená rizika pro pacienta spojená s užitím těchto frekvencí, jako je ohrožení dýchacích orgánů nebo přehřívání okolní zdravé tkáně. Další nevýhodou tohoto řešení je jeho vysoká pořizovací cena. V řešení uváděném ve spisu WO 2010098524 je užito porézní struktury k homogenizaci proudu pracovního plynu, k jehož ionizaci dochází až v mikrostruktuře nanesené na tomto materiálu díky aplikovanému vysokému napětí. Nevýhodou uvedeného řešení je velmi malá hustota plazmatu a její významné plošné omezení na průměr maximálně v jednotkách milimetrů, kdy při zvětšení rozměrů se významně mění prostorové rozložení hustoty plazmatu. Druhou nevýhodou je přivedené vysoké napětí cca 600 V do nejbližší aplikační vrstvy a tudíž vysoké riziko pro ošetřovanou plochu.

Aby byly splněny náročné podmínky pro aplikace atmosférických plazmových zdrojů v medicíně, je nutné vyvinout tyto systémy s možností přesné kontroly jejich fyzikálních parametrů

-1 CZ 27679 Ul jako je koncentrace iontů a elektronů v plazmatu, energie iontů, intenzita vyzářeného světla, a to hlavně v UV oblasti, tok pracovního plynu a jeho teplota, typy iontů v plazmatu. Pro použití plazmového zdroje pro klinickou praxi musí být splněno mnoho náročných bezpečnostních kriterií. Je známo, že pro efekt hojení je nutné přesně nastavit dávkování působení plazmatu na živou tkáň. Tyto efekty dávkování jsou popsány v odborných článcích [Danil Dobrynin, Gregory Fridman, Gary Friedman and Alexander Fridman, Physical and biological mechanisme of direct plasma interaction with living tissue New Journal of Physics 11 (2009) 115020; Světlana A. Ermolaeva et al. Bactericidal effects of non-thermal argon plasma in vitro, in biofilms and in the animal model of infected wounds Journal of Medical Microbiology (2011), 60, 75-83; Nosenko T., Shimizu T. and Morfill G. E., Designing plasmas for chronic wound disinfection, New Journal of Physics 11 (2009) 115013 (19pp)]. Technicky jsou citované požadavky vyřešeny konstrukcí dle spisu CZ 23746 Ul, který představuje zařízení pro generaci nízkoteplotního plazmatu s laditelnou koncentrací ionizovaných částic obsahující duté izolační těleso, které je jednak uloženo v uzemněném stínícím plášti, jednak je opatřeno výtokovým hrdlem a jednak je do jeho vnitřního prostoru zaústěna přívodová trubice pracovního plynu a vyvedena kovová budící elektroda, která je připojena ke zdroji střídavého vysokého napětí, a která je opatřena inicializační plochou pro generování nízkoteplotního atmosférického plazmatu. Na vnější ploše izolačního tělesa je pak suvně stavitelně uložena kovová ladící elektroda pro umožnění úpravy vlastností a parametrů plazmatu.

Zásadním nedostatkem výše uvedených zdrojů nízkoteplotního atmosférického plazmatu pro medicínské aplikace je to, že se většinou jedná o bodové zdroje, s výjimkou řešení. US 2012/0046602 a s výrazným omezením WO 2010098524, díky čemuž odpovídá profil intenzity ionizovaných částic v plazmatu Gaussovu profilu. Další nevýhodou je přítomnost vysokého napětí v nejbližší aplikační vrstvě, případně vysoká cena zařízení. Je rovněž známa konstrukce atmosférického zdroje pro generování plazmatu obsahující sendvičovou membránovou strukturu porézní vrstvy, která je popsaná ve spise KR 20120032894 a je určena pro odstraňování nečistot ze vzduchu. Popsaný typ membrány však neumožňuje použití tohoto zařízení v biomedicínských aplikacích. Možné uspořádání sendvičové struktury membrány je popsáno například ve spise WO 2004032176. Použití membránové struktury ke generování plazmatu v biomedicíně je známo ze spisu WO 2010098524, kde je popisováno zařízení, které má vodivou elektrodu pouze na jedné straně porézní membrány, přičemž výboj vzniká pouze na povrchu membrány. Ze spisu CZ 304814 je známo řešení atmosférického zdroje plazmatu obsahujícího zdroj střídavého vysokého napětí a duté izolační těleso, do jehož vnitřního prostoru je zaústěn přívod pracovního plynu a je v něm umístěna vnitřní budící elektroda připojená na zdroj střídavého vysokého napětí. Uvnitř izolačního tělesa je ustavena struktura tvořená vrstvami porézního materiálu a sestávající ze vzájemně nad sebou uložených vnitřní budící elektrody, nevodivé porézní membrány a vnější budící elektrody, přičemž porézní membrána je vyrobena z elastického materiálu. Konstrukce tohoto zařízení zaručuje, že dodávaný generovaný plazmatický plyn je neutrální s krátkým dosahem a napětí přiváděné na elektrody je důsledně izolováno od ozařované plochy. Jako nevýhodu tohoto zařízení je možno uvést značně omezený objem generovaného plazmatu a nutnost použití pouze jednoho pracovního plynu při generaci plazmatu.

Úkolem předkládaného technického řešení představit inovovanou konstrukci zdroje nízkoteplotního plazmatu, která vychází z řešení dle spisu CZ 304814, přičemž umožňuje generaci mnohonásobně většího objemu generovaného plazmatu, a proto i vyšší efektivitu využití, a to při dodržení podmínek požadovaných pro medicínské aplikace, které vyžadují rovnoměrné rozložení intenzity, zvětšení ošetřované plochy, přizpůsobení tvaru ošetřované ploše při zachování rovnoměrného působení plazmatu a minimalizaci rizik pro pacienta. Velkou výhodou nového řešení je také možnost pracovat s několika různými plyny současně a dokonce možnost přimíchávat k sekundárnímu pracovnímu plynu chemické látky, léky apod.

-2CZ 27679 Ul

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zdroj nízkoteplotního plazmatu, zejména pro deaktivaci bakterií, tvořený dutým izolačním tělesem, do jehož vnitřního prostoru je zaústěn přívod primárního pracovního plynu a je v něm uložena sendvičová struktura tvořená vrstvami porézního materiálu a sestávající ze vzájemně nad sebou uložených vnitřní budící elektrody, vysokoteplotně odolné nevodivé porézní membrány a vnější budící elektrody, přičemž vnitřní budící elektroda s potenciálem o velikosti HVI je propojena s primárním zdrojem střídavého vysokého napětí. Podstata řešení spočívá v tom, že těleso je pod úrovní vnější budící elektrody opatřeno přívodem sekundárního pracovního plynu zaústěným do spodní části vnitřního prostoru, který je u dna tělesa uzavřen vnější zemnící elektrodou za vzniku směšovacího prostoru, přičemž vnější budící elektroda je propojena se sekundárním zdrojem střídavého vysokého napětí a je vytvořena tak, že pro její potenciál o velikosti HV2 a potenciál HVI vnitřní budící elektrody platí vztah HVI > HV2.

Předkládaným řešením se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že použitím odděleného přívodu pomocného sekundárního pracovního plynu, kterým je zaručována přítomnost rovnoměrně rozložených na ploše mřížky iontů a elektronů a snížení výskytu výbojového napětí, se poskytuje homogenní plazma. Klíčovou roli v tomto hraje možnost měnit průtokovou rychlost pomocného plynu ve velkém rozsahu, aniž by to ohrozilo životnost porézní membrány. Navržená konstrukce poskytuje mnohem vyšší pracovní vzdálenost generaci plazmatu od povrchu trysky, přičemž důležitým aspektem je rovněž možnost přimíchávání jiných plynů a různých léčivých látek, prášků apod. do přívodu sekundárního pomocného plynu.

Objasnění výkresu

Konkrétní příklad provedení technického řešení je schematicky znázorněn na připojeném výkrese znázorňujícím detailní schéma vnitřní struktury provedení zdroje nízkoteplotního plazmatu.

Výkres, který znázorňuje představované technické řešení, a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zdroj nízkoteplotního plazmatu je v základním provedení tvořen dutým válcovým izolačním tělesem i, vyrobeným z dielektrického materiálu vytvářejícího ochrannou izolační vrstvu pro sendvičovou strukturu uloženou ve střední části vnitřního prostoru li tělesa i a tvořenou vrstvami porézního materiálu. Těleso 1 je shora uzavřeno víkem 2 vyrobeným z vodivého či nevodivého materiálu a opatřeným vstupním otvorem 21. do něhož je zaústěno vstupní hrdlo 3 primárního pracovního plynu GAS1, které je vyrobeno z vodivého materiálu. Sendvičová struktura sestává ze vzájemně nad sebou uložených vnitřní budící elektrody 4, vysokoteplotně odolné nevodivé porézní membrány 5 a vnější budící elektrody 6. Vnitřní budící elektroda 4 s potenciálem o velikosti HVI ie přes propojovací elektrodu 7 a vstupní hrdlo 3 propojena s primárním zdrojem G1 střídavého vysokého napětí, například pulsním generátorem, a vnější budící elektroda 6 s potenciálem o velikosti HV2 ie propojena se sekundárním zdrojem G2 střídavého vysokého napětí, rovněž s výhodou pulsním generátorem, přičemž pro velikost potenciálů elektrod 4 a 6 platí podmínka HVI > HV2. Porézní membrána 5, je vyrobena z elastického materiálu v podstatě konstantní tloušťky, která se pohybuje v rozmezí hodnot 1 až 500 pm při maximální odchylce 15 %, a vykazujícího teplotní stabilitu cca 200 °C při velikostech pórů vytvářejících mikrokanály o průřezu 10 nm² až stovek pm², například z keramiky nebo nanovláknových či mikrovláknových nevodivých struktur, zejména na bází oxidů A1₂O₃, SiO₂, ZrO₂ apod., zajišťujících rovnoměrnou distribuci náboje ve výbojích a homogenizaci proudu výsledného generovaného plazmatu. Těleso 1 je pod úrovní vnější budící elektrody 6 opatřeno přívodním otvorem 12 sekundárního pracov-3CZ 27679 Ul ního plynu GAS2 zaústěným do spodní části vnitřního prostoru 11, který je u dna 13 tělesa £ uzavřen vnější zemnící elektrodou 8, čímž jev této části tělesa 1 vytvořen směšovací prostor £4.

Funkce atmosférického zdroje plazmatu je založena na tom, že mezi elektrodami 4 a 6 umístěnými na protilehlých površích porézní membrány 5, které mohou být tvořeny sítí vodičů o velikosti buňky několik desítek pm až jednotek milimetrů, vodivou mřížkou o stejné střídě, případně nanesenou vodivou vrstvou, jejíž tloušťka se může pohybovat dle zvoleného provedení od desítek nanometrů až jednotek milimetrů, hoří výboje. V důsledku působení elektrického pole mezi těmito plochými elektrodami 4 a 6 dochází k ionizaci primárního pracovního plynu GAS1, který po průchodu mikrokanály porézní membrány 5 vytéká do směšovacího prostoru 14 ve formě plazmatu, kde se dodatečně smíchá se sekundárním pracovním plynem GAS2 a celá tato směs je ještě jednou ionizována elektrickým polem mezi elektrodami 6 a 8, čímž je vytvářena plasma s mnohem vyšší homogenitou, než je známo z funkce dosavadních zařízení.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení spadá do oblasti využití nízkoteplotního atmosférického zdroje plazmatu s laditelnou koncentrací ionizovaných částic pro řadu procedur ve zdravotnictví, kdy je aplikací tohoto plazmatu dosaženo efektu hojení. Zařízení je vhodné především k úpravě povrchů živé tkáně pro různé medicínské aplikace, jako je desinfekce, hojení ran, úprava rakovinných buněk, dermatologie, stomatologie a kosmetika, přičemž nehrozí nebezpečí poškození tkáně z důvodu možné interakce vysokého elektrického střídavého napětí.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zdroj nízkoteplotního plazmatu, zejména pro deaktivaci bakterií, tvořený dutým izolačním tělesem (1), do jehož vnitřního prostoru (11) je zaústěn přívod primárního pracovního plynu (GAS1) a je v něm uložena sendvičová struktura tvořená vrstvami porézního materiálu a sestávající ze vzájemně nad sebou uložených vnitřní budící elektrody (4), vysokoteplotně odolné nevodivé porézní membrány (5) a vnější budící elektrody (6), přičemž vnitřní budící elektroda (4) s potenciálem o velikosti (HV1) je propojena s primárním zdrojem (Gl) střídavého vysokého napětí, vyznačující se t í m, že těleso (1) je podúrovní vnější budící elektrody (6) opatřeno přívodem sekundárního pracovního plynu (GAS2) zaústěným do spodní části vnitřního prostoru (11), který je u dna (13) tělesa (1) uzavřen vnější zemnící elektrodou (8) za vzniku směšovacího prostoru (14), přičemž vnější budící elektroda (6) je propojena se sekundárním zdrojem (G2) střídavého vysokého napětí a je vytvořena tak, že pro její potenciál o velikosti (HV2) a potenciál (HV1) vnitřní budící elektrody (4) platí vztah HV1 > HV2.

   1 výkres