Способ стерилизации газоразрядной плазмой атмосферного давления и устройство для его осуществления

Способ стерилизации газоразрядной плазмой атмосферного давления и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к плазменной и медицинской технике и может быть использовано для активации иммунного ответа и процессов заживления, уменьшения микробного обсеменения инфицированных ран и язв, их in vivo обеззараживания неравновесной аргоновой плазмой атмосферного давления без инициации новых полирезистентных штаммов, для лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи.

Известен способ стерилизации поверхностей с использованием плазменной струи, создаваемой газоразрядной камерой, питаемой радиочастотным источником с импульсом напряжения 600 В и частотой 7,17 МГц и прокачиваемой газовым потоком гелия со скоростью 1,3 м/с (J. Goree, Member, IEEE, B. Liu, D. Drake, E. Stoffels. Killing of S. mutans Bacteria Using a Plasma Needle at Atmospheric Pressure // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2006. - Vol. 34. - No. 4. - P. 1317-1324). Разрядный промежуток образован острийным вольфрамовым диаметром 0,2 мм и протяженным плоским электродами. Вольфрамовый электрод установлен внутри керамического изолятора, причем токопроводящая часть электрода выступает на 5,7 мм от торцевого среза керамического изолятора. Электрод с изолятором установлены в стеклянной трубке. Воздействию плазмы (диаметр плазменной струи 5 мм) подвергалась agar поверхность, привитая Streptococcus mutans бактериями, находящимися в чашке Петри, которую в свою очередь устанавливали на плоский электрод. Расстояние между торцом стеклянной трубки и поверхностью стерилизации 3 мм. Показано, что бактерии уничтожаются плазмой за время в десятки секунд. Недостатком указанных способов является необходимость использования дорогостоящих источников питания для получения тока высокого напряжения и высокой частоты. Кроме того, гелий - очень дорогой газ, и его использование в известном способе приводит к сильному удорожанию процесса плазменной стерилизации. Обрабатываемая поверхность крайне мала и ограничивается 7 мм².

Известна газоразрядная камера для создания низкотемпературной неравновесной плазмы (патент RU 2370924, Н05Н 1/24, 2007). Изобретение может быть использовано при создании плазмохимических источников, активирующих при атмосферном давлении газовую среду и поверхности различных материалов. Электродная система содержит секционированные анод и катод. Стационарный разряд инициируется в поперечном потоке газа. Секции анода выполнены в форме тонких пластин. Секции катода выполнены в форме тонких игл, ориентированных перпендикулярно потоку и расположенных в плоскости, касающейся нижней по потоку границы анодных секций. Расстояние между катодными секциями не превышает межэлектродное расстояние. Изобретение позволяет создать вне зоны разряда плазменную струю, длина которой зависит от вида газа, скорости его потока и мощности разряда. Общим недостатком устройства является высокая скорость прокачки газа 30-70 м/с и, как следствие, высокое удельное энергопотребление разряда с образованием чрезмерно длинных плазменных струй. При этом повышается температура возбуждаемой плазмы, затрудняя обеспечение возможности in vivo применений плазмы, например обеззараживания ран, лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи.

Известен способ обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей (патент RU 2396369, С23С 4/12, Н05Н 1/24, 2007). Способ включает нагнетание воздуха при атмосферном давлении между катодом и анодом, на которые подают постоянное электрическое напряжение 15-35 кВ для возбуждения стационарного тлеющего разряда. За счет большой скорости воздушного потока, варьируемой в пределах 30-70 м/с, и особенностей геометрии предложенной конструкции электродной системы газоразрядная плазма выносится из межэлектродного промежутка, что приводит к созданию в свободном пространстве вне камеры струи химически активной холодной плазмы, направляемой на неподвижный или движущийся обрабатываемый материал. В результате воздействия химически активной плазменной струи на поверхность материала происходит его модификация (гидрофилизация/гидрофобизация). Струя плазмы и/или обрабатываемый материал перемещаются относительно друг друга с заданной скоростью. Длительность экспозиции материала плазменной струей определяется расчетным путем и зависит от свойств материала и типа модифицируемой поверхности. Возможность использования окружающего атмосферного воздуха в качестве плазмообразующего газа является существенным преимуществом предложенного способа, позволяющим упростить процесс обработки и снизить его стоимость, однако из атмосферного воздуха формируется химически активная плазменная струя, что просто недопустимо при дезинфекции раневых поверхностей биологических тканей.

Известно применение неравновесной низкотемпературной плазменной струи для стерилизации термически нестойких материалов (патент RU 2398598, A61L 2/14, 2007). Сущность изобретения заключается в инактивации микроорганизмов (стерилизации) на поверхности термически нестойких материалов при атмосферном давлении за счет использования холодной (близкой к комнатной температуре), но химически активной плазменной струи в атмосферном воздухе. При этом в газоразрядной плазме происходит возбуждение и диссоциация газообразных соединений с формированием различных радикалов, активно воздействующих на микроорганизмы на стерилизуемой поверхности. Общеизвестным недостатком плазменной струи в атмосферном воздухе относятся ограничения в выборе объектов инактивации микроорганизмов, при этом очевидна непригодность такой неравновесной плазмы для обеззараживания ран, лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи.

Известен способ и устройство очистки жидких и газообразных сред (патент RU 2219136, C02F 1/48, 2002), в котором для обработки очищаемых сред применяется объемный разряд, возбуждаемый ионизирующим излучением. Устройство содержит реактор с двумя электродами и снабжено импульсным источником ионизирующего излучения, установленным на корпусе реактора с возможностью облучения объема, заключенного между электродами, соединенными с накопительным конденсатором. Технический результат состоит в повышении эффективности очистки и снижении удельного расхода электроэнергии. Необходимость в энергоемких импульсных источниках ионизирующего излучения и накопительном конденсаторе снижает эффективность данного способа.

Известен способ очистки воды высоковольтным импульсным разрядом и реактор для его осуществления (патент RU 2213702,C02F 1/46, B01J 19/08, 2002) для получения более чистой воды при малых энергозатратах. Предполагает расширение области применения путем очистки более сложных вод по содержанию в них примесей. Указанный технический результат достигается тем, что предварительно сформированную рабочую струю воды пропускают в газовой среде через последовательный ряд сопел-электродов, между которыми зажигают высоковольтный импульсный разряд. Реактор очистки воды содержит цилиндрический корпус с разделяющей перегородкой и соосно расположенный генератор высоковольтных импульсов с одной стороны перегородки, включающий ферритовый магнитопровод генератора, первичную и вторичную обмотки выходного импульсного трансформатора, накопительные конденсаторы, повышающий трансформатор с насыщающимся магнитопроводом и источник исходных импульсов. С другой стороны перегородки - камеру обработки воды, включающую патрубок ввода воды с рабочим соплом, формирующим рабочую струю, и выходное сопло с патрубком вывода воды, являющимся камерой смешения воды с продуктами разряда, между которыми расположено сопло-электрод (их может быть несколько), присоединенное к выходу генератора высоковольтных импульсов вторичной обмотки импульсного трансформатора. Существенным недостатком является сложность конструкции, массогабаритные размеры и дороговизна, невозможность применения изобретения для процессов заживления, уменьшения микробного обсеменения инфицированных ран и язв, их in vivo обеззараживания без инициации новых полирезистентных штаммов, для лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи.

Известен способ дистанционного обеззараживания и обезвреживания удаленных объектов и устройство для его осуществления (патент RU 2559780, A61L 2/10, 2013). Изобретение предусматривает формирование пучка импульсного ультрафиолетового излучения с помощью плазменного источника с эффективной температурой излучающей плазмы в максимуме импульса излучения не менее 1,2⋅10⁴ К, направление его на объект воздействия и изменение взаимного пространственного положения объекта и пучка излучения. При этом режим работы облучателей с импульсными плазменными источниками излучения определяется эффективной температурой излучения, длительностью импульса излучения, частотой повторения импульсов излучения, длительностью облучения, площадью сечения пучка излучения, удалением облучателя от объекта обработки. Устройство содержит корпус, источник излучения в виде импульсной ксеноновой лампы, блок питания и отражатель. Изобретение обеспечивает обеззараживание объектов сложной формы, удаленных от источника облучения на расстояние до нескольких десятков метров. Недостатком изобретения является то, что газоразрядная плазма низкого давления используется не как инструмент с высокими стерилизующими свойствами, а в качестве генератора ультрафиолетового излучения, эффективность, производительность и результативность воздействия и бактерицидные свойства, которого являются крайне низкими. Кроме того, низкая интенсивность излучения ограничивает и сужает номенклатуру обрабатываемых поверхностей, особенно при обеззараживании открытых биологических тканей.

Известно устройство и способ стерилизации плазмой постразряда (патент RU 2344834, A61L 2/14, 2006) медицинских или хирургических инструментов. Устройство включает в себя входной трубопровод подачи потока азота, пересекающего находящуюся под разряжением камеру, подвергнутую воздействию генератора электрического поля, представляющего собой генератор микроволн частотой 2,45 ГГц, мощность которого регулируется средствами управления. Постразрядный газ, генерируемый полученной при этом (известным образом) плазмой, вводится в камеру обработки по трубопроводу. Камера обработки расположена в зоне последействия плазмы и сообщается с вакуумным насосом. Последний увлекает постразрядный газ в камеру обработки и обеспечивает эвакуацию газов наружу по трубопроводу, снабженному соответствующими фильтрами. Изобретение позволяет сохранять целостность стерилизуемых аппаратов и инструментов, включающих вещества, чувствительные к окислению и к воздействию ультрафиолетовых лучей, при сохранении высокой эффективности обеззараживания. Существенным недостатком изобретения является проведение процесса стериализации в вакууме, что недопустимо при обеззараживании инфицированных ран и язв и лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи in vivo.

Наиболее близким техническим решением является плазменный источник (патент RU 2415522, Н05Н 1/24, 2006), Plasma Source (патент US 7683342 В2, 2010), Plasma Sources (Plasma Medicine: Sterilisation and Improved Wound Healing http://www.max-planck-innovation.de/share/technology/0207-3818_WWT_DE.pdf). Источник содержит несколько ионизирующих электродов и ионизационную камеру с впускным патрубком для ввода газа (аргон) и выходным отверстием для дозирования ионизированного газа на объект. Ионизирующие электроды размещены параллельно друг другу с образованием равностороннего многоугольника в поперечном сечении. Отношение расстояния электрод-электрод, с одной стороны, и расстояния электрод-стенка, с другой стороны, при измерении на конце ионизирующих электродов находится в пределах от 1,8 до 2,2. Расход аргона составляет 1-10 л/мин. Изобретение позволяет упростить инициирование разряда и повысить устойчивость работы электродов. Электромагнитное излучение из ионизационной камеры снижается перекрытием выходного отверстия сеткой, что делает возможным применение плазмы in vivo. Недостатком является сложность конструкции ионизационной камеры, которая может быть реализована только при условии выполнения достаточно высоких требований, предъявляемых к электрическим и механическим параметрам устройства. Существенным недостатком является сложность конструкции, массогабаритные размеры и дороговизна микроволнового генератора. Кроме того, несмотря на использование сетки на выходном отверстии ионизационной камеры, уровень выходящего электромагнитного излучения остается сравнительно высоким. Применение сетки и необходимость охлаждения ионизационной камеры прокачкой воздуха, подача электрического смещения на сетку от дополнительного источника электрического питания и снижают эффективность устройства. Кроме того, недостатком является сильная неоднородность выходящей плазмы в поперечном сечении.

Изобретение позволяет устранить указанные недостатки прототипа, повысить эффективность процесса при плазменной терапии ран. Техническим результатом изобретения является упрощение устройства с одновременным повышением стабильности его работы и обеспечение более равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия низкотемпературной плазмы на раневые поверхности биологической ткани на обширной поверхности. Кроме того, техническим результатом изобретения является уменьшение габаритов устройства с целью удобства его переносного использования, что особенно важно для его применения в полевых и/или иных экстремальных условиях.

Указанный технический результат изобретения достигается использованием неравновесной низкотемпературной плазменной аргоновой струи, получаемой путем пропускания потока аргона через зону слаботочного высоковольтного искрового разряда. Разряд создают на выходе потока аргона из газоразрядной камеры в межэлектродном промежутке, образованным острийным катодом и коаксиально охватывающим катод цилиндрическим анодом.

Возможность осуществления изобретения с использованием признаков способа, включенных в формулу изобретения, подтверждается примером его практической реализации.

Пример. Бактерицидные свойства плазменной струи слаботочного искрового разряда фиг. 1 исследовались по воздействию на вегетативную форму штаммов Escherichia coli. Для оценки чувствительности микроорганизмов к холодной аргоновой плазменной струе использовали методику, основанную на измерении диаметров зон поражения засеянного тест-микроорганизмами газона. В чашке Петри засевали газон, для этого вносили 10^-4 л рабочей суспензии с агаризованной средой и тщательно растирали шпателем. Засеянный газон облучали плазменной струей и инкубировали в термостате в течение суток при температуре 310 К, после чего измеряли диаметр образовавшихся зон поражения. Воздействие плазменных струй слаботочной искры на микроорганизмы регистрируется в виде круглых прозрачных областей, которые являются зонами инактивации роста микроорганизмов (фиг. 2 (2, 3)). Полученные данные показывают, что обработка засеянного газона плазменными струями слаботочной искры в течение 60 с приводит к гибели практически всех микроорганизмов в радиусе 1,5 см (фиг. 2 (3)). Минимальное время, необходимое для плазменной инактизации клеток Escherichia coli на поверхности засеянного газона, составляет 5 с на расстоянии 0,5 см от сопла газоразрядной камеры, при увеличении расстояния от сопла до 3 см число выживших макроколоний микроорганизмов значительно возрастает. Увеличение времени плазменной обработки до 40 с на расстоянии 3 см от сопла позволяет значительно снизить на 74% число выживших микроорганизмов. Определение инактивационной способности аргоновой плазмы, проведенное методом счета колоний, показывает, что после 60 с обработки остаются лишь единичные выросшие макроколонии микроорганизмов.

Отметим, что зона инактивации не огранивается диаметром сопла газоразрядной камеры, в пределах которого формируются плазменные струи слаботочной искры. Как видно (фиг. 3), увеличение времени обработки микроколонии микроорганизмов плазменными струями слаботочной искры позволяет проводить эффективную инактивацию на значительно большей площади. При этом диаметр зоны инактивации значительно увеличивается при прямом контакте плазменных струй с засеянным газоном, чем при удаленном воздействии.

На фиг. 4 представлена предложенная новая конструкция газоразрядного устройства. Разрядная камера содержит острийный катод 1 с радиусом закругления острия 30 мкм. Катод установлен на оси изолятора в диэлектрическом корпусе, имеющем форму цилиндра диаметром 2 см. Анод 2 представляет собой металлический цилиндр длиной 1,5 и внутренним диаметром 2 см, коаксиально охватывающий острийный катод. Для стабилизации разряда острийный катод нагружался регулируемым балластным сопротивлением 3. Изолятор снабжен продольными проходными отверстиями для подачи аргона, отверстия расположены таким образом, что холодная аргоновая плазма производимая системой плазменных струй слаботочной искры (фиг. 6), распространяется в виде струи в направлении от торцевого среза анодного электрода, представляющего собой сопло (фиг. 1). Расход нагнетаемого аргона составляет 1-10 л/мин. От регулируемого высоковольтного источника 4 подается постоянное напряжение 10-20 кВ. Величина балластного сопротивления 3 во внешней цепи варьировалось от 10 до 63 МОм. На фиг. 5 представлены формы, амплитуды и длительности импульсной компоненты разрядного тока. Измерения проводились с использованием малоиндуктивных токовых шунтов и двухлучевого осциллографа. С ростом тока разряда регистрировалась эволюция свечения искрового разряда в объеме и на электродах (фиг. 6).

Устройство работает следующим образом. При атмосферном давлении продольно прокачивают аргон между острийным катодом 1 и цилиндрическим анодом 2. Между электродами подается постоянное электрическое напряжение 10-20 кВ. Подачей постоянного напряжения возбуждается характерная форма стационарного разряда типа тлеющего, на который накладываются слаботочные стримерные разряды (фиг. 5 и 6), что позволяет получить однородную плазму на всей площади сопла цилиндрического анода. Сформированная таким образом низкотемпературная неравновесная плазма потоком аргона в виде плазменной струи выносится на стерилизуемую поверхность. Характер протекания тока в плазменном канале представляет собой установившийся режим периодичных импульсов тока (фиг. 5).

В результате контакта холодной высокоинтенсивной плазменной аргоновой струи с объектом инактивации газоразрядная плазма, инициируемая постоянным напряжением, оказывает более эффективное дезинфицирующее воздействие, чем плазма высокочастотных разрядов. Низкая температура возбуждаемой плазмы обеспечивает возможность in vivo применения плазмы, например, для обеззараживания ран, лечения бактериальных, грибковых и вирусных воспалений кожи. Если необходима обработка поверхности площадью большей, чем площадь контакта газоразрядной плазмы с обрабатываемой поверхностью, оператор (физиотерапевт) осуществляет сканирование плазменной струи по поверхности объекта.

1. Способ стерилизации газоразрядной плазмой атмосферного давления, включающий прокачку плазмообразующего газа через разрядный промежуток, генерацию газоразрядной плазмы подачей электрического напряжения с образованием струи холодной плазмы, воздействие плазмы на контактирующую с ней поверхность стерилизуемого (дезинфицируемого) объекта, отличающийся тем, что для создания выносимой плазменной струи используют систему электродов из острийного катода и цилиндрического анода, в которой цилиндрический анод коаксиально охватывает острийный катод, разряд инициируют подачей между электродами постоянного напряжения 10-20 кВ, устойчивое горение слаботочного высоковольтного искрового разряда достигается балластным сопротивлением 10-63 МОм.

2. Устройство стерилизации газоразрядной плазмой атмосферного давления, содержащее острийный катод, цилиндрический анод, систему напуска газа, источник электрического питания и стерилизуемый (дезинфицируемый) объект, отличающееся тем, что острийный катод выполнен с радиусом закругления острия 30 мкм и установлен на оси изолятора, на периферии изолятора установлен цилиндрический анод, коаксиально охватывающий острийный катод, в изоляторе выполнены продольные отверстия нагнетания аргона в разрядный промежуток, соплом плазменной струи служит открытый торцевой срез цилиндрического анода.