低溫等離子體滅菌及生物醫(yī)藥技術(shù)研究進(jìn)展

鄭 超，徐羽貞，黃逸凡，劉 振，閆克平

（浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，生物質(zhì)化工教育部重點實驗室，浙江 杭州 310027）

低溫等離子體是部分電離的氣體，包含多種物理和化學(xué)效應(yīng)，如紫外輻射、電磁場、熱效應(yīng)、帶電粒子和活性粒子等。這些物理化學(xué)效應(yīng)具有足夠的能量打破化學(xué)鍵并啟動一系列化學(xué)反應(yīng)，在與細(xì)胞作用時則體現(xiàn)出多樣的生物學(xué)效應(yīng)。等離子體的細(xì)胞學(xué)效應(yīng)主要包括致死作用和非致死刺激作用，前者可用于針對微生物的消毒滅菌，后者可用于生物醫(yī)藥。由于真核生物強(qiáng)于原核生物的自我修復(fù)能力以及組織間的聯(lián)合作用，高等動物細(xì)胞和組織對等離子體的敏感度小于微生物。通過控制不同的等離子體作用方式和劑量，可以將等離子體應(yīng)用在不同的生物學(xué)領(lǐng)域[1]。低劑量的等離子體可殺滅微生物但不影響動物細(xì)胞，從而實現(xiàn)皮膚的消毒滅菌。中等劑量的等離子體對動物細(xì)胞和組織造成非致死的刺激，可應(yīng)用于傷口的快速愈合。等離子體誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡過程使其成為治療癌癥的有力手段。等離子體的劑量過高時，則會殺死動物細(xì)胞并使組織器官壞死。

由于等離子體與生物細(xì)胞各自都具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性，其具體相互作用過程目前還沒有定論。然而，基于生物學(xué)效應(yīng)的等離子體技術(shù)和裝備不斷被研發(fā)出來，已領(lǐng)先于基礎(chǔ)問題的研究。本文從應(yīng)用角度出發(fā)，綜述了低溫等離子體技術(shù)在生物學(xué)上的研究進(jìn)展，包括等離子體對醫(yī)療器械的消毒滅菌、水和空氣的凈化、食品及包裝材料的處理以及最新的等離子體醫(yī)藥技術(shù)。

1 等離子體滅菌技術(shù)

1.1 等離子體對醫(yī)療器械的消毒滅菌

等離子體滅菌技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，用于醫(yī)療器械及包裝材料的處理。早期的低溫等離子體滅菌器多采用低氣壓條件，一般包括等離子體激發(fā)源、真空系統(tǒng)和密閉的等離子體反應(yīng)室。1987年，Jacobs申請了第一個關(guān)于過氧化氫等離子體滅菌器的專利，數(shù)年后，美國的強(qiáng)生公司研發(fā)出商用的STERRAD?滅菌器并成功上市，目前已在50多個國家的醫(yī)院推廣使用[2-3]。Krebs等[4]指出，過氧化氫等離子體滅菌器中的過氧化氫蒸氣自身起著重要的殺菌作用，而其電離成等離子體的過程是去除殘余的過氧化氫，并且該滅菌器對細(xì)菌芽孢的殺滅作用有限。開發(fā)滅菌能力更強(qiáng)，滅菌過程更快速的等離子體滅菌器成為后來的發(fā)展趨勢。等離子體對材料的蝕刻過程被借鑒于滅菌器的設(shè)計，采用微波等離子體以及多種具有等離子體蝕刻作用的氣體，Lerouge等[5]報道了等離子體滅菌器中不同氣體組分對細(xì)菌芽孢的蝕刻和殺滅作用，結(jié)果蝕刻速率越高則滅菌效率越高。Moisan等[6-7]通過研究微波等離子體余輝的滅菌作用，指出氧原子自由基以及紫外光子對滅菌有重要的影響。Ar、O2、N2及其混合氣體表現(xiàn)出不同的滅菌效果，其中O2的加入能顯著提高純Ar或N2的滅菌效果，O2和N2共存時產(chǎn)生的NOγ紫外輻射則能提供額外的殺菌動力。2006年，歐盟發(fā)起了一個利用低溫等離子體處理醫(yī)療器械的研究項目 European project BIODECON，除了考察滅菌效果外，還研究了生物大分子的滅活作用，以消除諸如朊病毒、生物毒素等的危害[8-10]。當(dāng)放電氣體為10 Pa Ar，等離子體功率為150 W，處理時間為10 s時，枯草芽孢桿菌孢子被殺滅4.5個對數(shù)。用等離子體來清除載體表面的多聚氨基酸時，清除速率取決于氣體的組分及等離子體的特性?？刂艫r/O2/N2的比例為7.5∶1∶4時，即可得到高效的滅菌效率，也能實現(xiàn)有害生物大分子的快速破壞和蝕刻，在實際醫(yī)療器械消毒過程中有著重要的意義。

低氣壓等離子體滅菌器由于需要昂貴復(fù)雜的真空系統(tǒng)，限制了其應(yīng)用，使得一些科研人員轉(zhuǎn)向常壓等離子體滅菌器的研究。幾種典型的等離子體滅菌器及其對比見表1。低壓氣體更易電離，并且可在較大的電極間距內(nèi)產(chǎn)生大體積等離子體，常壓條件的優(yōu)點則是操作簡便，但等離子體的發(fā)生相對困難，故多采用惰性氣體。2005年，Laroussi等開始研究常壓等離子體射流的滅菌效應(yīng)及其在醫(yī)療上的應(yīng)用，這類等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)小巧，便于攜帶和操作，根據(jù)結(jié)構(gòu)的差異，又稱為plasma jet、plasma torch或plasma flashlight等[11-13]。由于單個等離子體射流的作用范圍較小，Cao等[14]報道了將多個反應(yīng)器并聯(lián)的方法，從而得到大面積的等離子體射流陣列，處理效率大大提高并實現(xiàn)了對手術(shù)刀等醫(yī)療器械的消毒滅菌。Morf i ll等[15]發(fā)明了另一種基于空氣中微放電的等離子體消毒器（Plasma dispenser），可在大的平面內(nèi)產(chǎn)生均勻的等離子體。電極為銅-聚四氟乙烯-不銹鋼絲網(wǎng)組成的三明治結(jié)構(gòu)，不銹鋼絲網(wǎng)周圍產(chǎn)生均勻的功率為0.5 W/cm2的微放電等離子體，兩組電極相對放置時構(gòu)成消毒腔，可對其中的物品進(jìn)行有效的滅菌。這種新興等離子體滅菌器的另一優(yōu)點是可以直接對手進(jìn)行消毒，有望在醫(yī)院、公共場所甚至家庭中推廣。

1.2 等離子體凈化水中的微生物

等離子體凈化水/空氣中微生物的過程見表2。通過水下或水面的脈沖放電，等離子體滅菌過程中無需添加任何化學(xué)殺菌劑，是一種環(huán)境友好的水處理技術(shù)。等離子體滅菌的效率與一系列因素有關(guān)，如等離子體發(fā)生系統(tǒng)、水的電導(dǎo)率及處理微生物的種類等，注入水中的能量密度和水中微生物減少的對數(shù)常用于評估其效率[16]。

表1 典型用于醫(yī)療器械的等離子體滅菌器

1988年，Mizuno等[17]首次研究了高壓脈沖放電對水中微生物的作用，采用棒-棒式反應(yīng)器和電弧放電，21～42 J/mL的能量密度使酵母菌密度下降了6個對數(shù)。當(dāng)電極結(jié)構(gòu)為棒-棒/針-板式時，電極間距較遠(yuǎn)產(chǎn)生電暈/流光放電，間距較近時則產(chǎn)生火花/電弧放電。Vaze等[18]的研究表明，水下火花/電弧放電的滅菌效率高于電暈/流光放電，當(dāng)大腸桿菌的初始密度為106cfu/mL時，1 J/mL的火花放電等離子體可使大腸桿菌下降3.5個對數(shù)。線-筒式反應(yīng)器可以擁有較大的放電面積，但需要使用納秒脈沖電源以實現(xiàn)沿線電極的同步均勻放電。Gupta等[19]采用鍍有微孔陶瓷的鈦棒設(shè)計了一種線-筒式等離子體滅菌反應(yīng)器，惡臭假單胞菌的初始細(xì)胞濃度為4×106cfu/mL時，20 J/mL的能量密度可使活菌密度下降6個對數(shù)。采用線-筒式反應(yīng)器和納秒脈沖，F(xiàn)udamoto等[20]比較了連續(xù)處理與單批處理的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)實現(xiàn)相同的滅菌效率前者所需的能量密度高于后者10倍以上。

水下放電和水面放電各有其優(yōu)缺點，產(chǎn)生的等離子體也差異顯著。水下放電需要的擊穿場強(qiáng)較高而難以形成，但形成的等離子體易于在水相傳播。水面的氣相放電所需的擊穿場強(qiáng)較低從而易于形成，但水面產(chǎn)生的等離子體向水相傳播時可能受空間的限制，且發(fā)射光譜和活性粒子的種類也與水下放電有較大區(qū)別。Zheng等[21]采用沿水面的火花放電殺滅水中的大腸桿菌，當(dāng)細(xì)菌密度低于106cfu/mL時，60～300個脈沖處理后可殺滅水中所有的細(xì)胞，所需時間僅數(shù)秒，消耗的等離子體能量密度為0.4～2.0 J/mL。等離子體發(fā)生系統(tǒng)的差異導(dǎo)致滅菌的效率和能耗也高低各異，但效率較高的等離子體滅菌系統(tǒng)可在約1 J/mL的能量密度下將水中的微生物密度降低數(shù)個對數(shù)[21]。

表2 等離子體凈化水和空氣的過程

等離子體技術(shù)的優(yōu)勢在于高效快速，可用于飲用水、生活用水和污水的消毒滅菌，也可用于海水的滅澡，但等離子體、水和細(xì)胞三者之間的相互作用較為復(fù)雜，其內(nèi)在的滅菌機(jī)理尚不完全確定。通過優(yōu)化等離子體發(fā)生系統(tǒng)，進(jìn)一步提高等離子體的滅菌效率并降低能耗是今后的主要研究方向，設(shè)計合理的連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)是實現(xiàn)其工業(yè)化的關(guān)鍵。

1.3 等離子體凈化空氣中的微生物

隨著SARS和禽流感等病毒的出現(xiàn)，空氣的生物安全日益重要。為了解決空氣中的微生物被濾膜截留后仍然存活和繁殖的問題，Wintenberg等[22]將輝光放電等離子體和濾膜結(jié)合在一起，然后間歇性的殺滅濾膜上的微生物，開發(fā)的裝備稱為“Volfilter”?；诮橘|(zhì)阻擋放電（DBD）直接殺滅通過放電電極的微生物，Gallagher等[23]開發(fā)了一套等離子體空氣滅菌設(shè)備，如表2中所示。電極為外面鍍有0.5 mm厚石英絕緣層的1 mm銅線，形成厚度約2 mm的薄層，當(dāng)空氣流量為25 L/s，停留時間約為0.73 ms時，一次通過可使空氣中的細(xì)菌密度下降1.5個對數(shù)。針對流感病毒的危害，Terrier等[24]報道了利用氧氣等離子體殺滅空氣中病毒的研究?？諝饬魉贋?.9 m/s，停留時間為0.44 s，副流感病毒、合胞病毒和流感病毒分別下降了6.5、3.8和4個對數(shù)。Park等[25]將DBD等離子體應(yīng)用于堆肥工廠，以同時去除廢氣中的氣味和微生物氣溶膠。反應(yīng)器由相距5 mm的16張薄層電極構(gòu)成，其中高壓和接地電極交錯放置，氣體流速為30 L/min時，1.1×104cfu/m3的微生物氣溶膠被殺死89%。

等離子體可處理大風(fēng)量空氣中的微生物氣溶膠，在氣流通過反應(yīng)器的瞬間將微生物密度下降數(shù)個對數(shù)，有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。然而，空氣放電后難免產(chǎn)生微量的臭氧、氮氧化物等化學(xué)殘留，對人體造成潛在的危害。在高效殺滅空氣中微生物的同時，如何減少或清除有害化學(xué)殘留，是實現(xiàn)商業(yè)化之前需要解決的首要問題。

1.4 等離子體處理食品、糧食及包裝材料

工業(yè)上的食品包裝材料需要數(shù)秒內(nèi)達(dá)到滅菌標(biāo)準(zhǔn)，并且不破壞其性能，等離子體技術(shù)可實現(xiàn)這一特點。2002年，Trompeter等[26-27]報道了一種適于放大和工業(yè)化應(yīng)用的常壓等離子體裝備，用于食品包裝材料的消毒滅菌。采用平板式的介質(zhì)阻擋放電，配以可移動的傳送臺，連續(xù)處理速度達(dá)7 m/min。等離子體的殺菌效率與氣體介質(zhì)和功率有關(guān)，PET薄膜上的枯草芽孢桿菌孢子在數(shù)秒內(nèi)被殺死4個以上的對數(shù)。近年來，利用等離子體處理食品包裝材料成為研究的熱點，Song、Leipold等[28-29]開發(fā)了殺滅密封包裝袋內(nèi)微生物的等離子體滅菌方法，用于食品的先包裝后滅菌。

通過直接處理雞蛋、雞肉、豬肉和魚肉等食品，等離子體被證實能有效殺滅食品中常見的致病菌，如沙門氏菌、李斯特菌、金黃色葡萄球菌等[30-31]。Deng等[32]利用常壓平板式DBD等離子體處理杏仁表面大腸桿菌，當(dāng)放電條件為30 kV、2 kHz時，30 s后細(xì)菌密度下降5個對數(shù)。糧食的損失主要由霉菌引起，如何有效殺滅糧食中的霉菌及其孢子，是減少糧食儲藏?fù)p失的關(guān)鍵。Selcuk等[33-34]采用低氣壓等離子體處理稻谷和大豆，15 min后曲霉菌和青霉菌的數(shù)量下降了3個對數(shù)，黃曲霉毒素則減少50%，但種子仍然保持著85%以上的萌發(fā)性。等離子體殺滅霉菌和分解霉菌毒素的功能使其成為糧食處理的有力手段。然而，等離子體處理糧食的研究尚處于起步階段，設(shè)計大面積的等離子體發(fā)生器和高通量的連續(xù)處理系統(tǒng)，是以后的發(fā)展趨勢。

2 等離子體生物醫(yī)藥

2.1 皮膚消毒、細(xì)胞分化和傷口愈合

精確控制等離子體作用在動物細(xì)胞和組織上的劑量是實現(xiàn)醫(yī)藥應(yīng)用的關(guān)鍵，用于醫(yī)藥的等離子體劑量見表3。等離子體中的活性成分取決于氣體介質(zhì)，主要包括紫外輻射、帶電粒子和活性粒子等。紫外輻射對細(xì)胞內(nèi)DNA的破壞是等離子體滅菌的重要原因之一，但在處理動物細(xì)胞和組織的過程中，為了避免誘發(fā)不必要的基因突變，需要嚴(yán)格控制其輻射劑量在安全范圍之內(nèi)。等離子體中的自由基和活性粒子與細(xì)胞和生物大分子之間的化學(xué)反應(yīng)起著重要的滅菌貢獻(xiàn)，同時也能誘發(fā)動物細(xì)胞內(nèi)一系列的鏈?zhǔn)缴磻?yīng)?；钚匝趿Ｗ樱≧OS）和活性氮粒子（RNS）在細(xì)胞生理學(xué)中起著重要的作用，細(xì)胞的天然代謝途徑和信號傳導(dǎo)過程中含有這些活性粒子，被認(rèn)為影響著一系列疾病的發(fā)生和治療，包括糖尿病、癌癥、心血管疾病和免疫類疾病等[35]。NO是廣為人知的細(xì)胞內(nèi)信號分子，也被用來治療多種疾病[36]。以空氣為介質(zhì)產(chǎn)生的等離子體，或惰性氣體等離子體射流接觸空氣時，都會生成與細(xì)胞內(nèi)部天然存在類似的ROS和RNS，這些活性粒子是等離子體醫(yī)藥應(yīng)用中的關(guān)鍵成分，作用于動物細(xì)胞和組織時，刺激細(xì)胞和組織產(chǎn)生一系列的生理生化反應(yīng)，從而達(dá)到臨床治療的效果[37]。低溫等離子體在生物醫(yī)藥領(lǐng)域最有潛力的應(yīng)用之一是對皮膚特別是傷口的直接處理，在消毒滅菌的同時實現(xiàn)刺激細(xì)胞分化和促進(jìn)傷口的愈合。

表3 用于醫(yī)藥的等離子體劑量

等離子體與離體動物細(xì)胞之間的生化反應(yīng)是當(dāng)前研究的熱點，有助于闡明等離子體醫(yī)藥的機(jī)理。Stoffels等[38]自2001年起最早開始研究等離子體對動物細(xì)胞的刺激和分化作用。反應(yīng)器為便攜式的等離子體針，由直徑4 mm的有機(jī)玻璃管和中間一根直徑0.3 mm的鎢絲組成，氦氣從有機(jī)玻璃管的一端通入，在鎢絲尖端處電離產(chǎn)生直徑數(shù)毫米的等離子體。利用等離子體處理CHO-K1細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)在不損壞細(xì)胞的前提下能精確的使細(xì)胞之間分離，然后又能重新聚集黏附[39]。這被認(rèn)為是等離子體與細(xì)胞之間最細(xì)微溫和的操作，其過程與鈣黏蛋白和整合蛋白有關(guān)，在外科手術(shù)中有重要的意義，可用于精確切除病變組織而不傷害周圍正常組織，在皮膚/器官移植方面也有潛在的應(yīng)用。加大處理CHO-K1的等離子體劑量時，發(fā)現(xiàn)使其致死的劑量要10多倍高于使大腸桿菌致死的劑量。利用等離子體處理成纖維細(xì)胞3T3，最佳處理時間為5～15 s，如此短時間的等離子體處理并不對細(xì)胞造成損傷，反而使細(xì)胞生長繁殖速度加快，可能是等離子體對細(xì)胞的輕微損傷刺激了細(xì)胞內(nèi)的修復(fù)功能和黏附分子的釋放，這一現(xiàn)象可應(yīng)用于傷口的快速愈合[40]。利用等離子體處理牛主動脈上皮細(xì)胞，10 s后可以使細(xì)胞分離，且不同的等離子體劑量會產(chǎn)生細(xì)胞的凋亡或壞死，這些現(xiàn)象在等離子體作用過后6 h才能觀察到[41]。等離子體誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的功能可避免常規(guī)手術(shù)中組織壞死引發(fā)的炎癥。Fridman等[42]用空氣中的懸浮電極介質(zhì)阻擋放電（FE-DBD）等離子體處理豬主動脈內(nèi)皮細(xì)胞，30 s后可刺激細(xì)胞的增殖，同時檢測到生長因子的釋放，處理60 s后大于75%的細(xì)胞仍然存活，處理120 s后則觀察到大量細(xì)胞死亡。Haertel等[43]的研究同樣顯示，氬氣等離子體射流作用于HaCaT角質(zhì)細(xì)胞30 s后監(jiān)測到一系列生長因子的變化，比如鈣黏蛋白和表皮生長因子減少而整合蛋白增多，這些生長因子與細(xì)胞的遷移和增殖密切相關(guān)，對傷口的愈合有著重要的影響。

近5年來，等離子體作用于動物或人體的研究也逐漸報道出來。Dobrynin等[44]采用FE-DBD等離子體處理離體的人體皮膚，6 s后就達(dá)到了醫(yī)院的消毒標(biāo)準(zhǔn)，5 min后用肉眼和組織顯微鏡都觀察不到組織損傷，說明等離子體可在不損傷皮膚的情況下進(jìn)行快速消毒。Lademann等[45]開展了利用等離子體射流消毒豬耳朵的實驗研究，氬氣等離子體射流的移動速度為10 mm/s，在皮膚上的平均停留時間為0.3 s時，約94.1%的細(xì)菌被殺死，整個過程中皮膚溫度低于40℃，激光掃描顯微鏡觀察不到真皮組織的損傷。Chakravarthy等[46]設(shè)計了一種處理小鼠結(jié)腸潰瘍的等離子體裝置，其直徑小于2 mm，從小鼠肛門插入4 cm到達(dá)結(jié)腸并處理30 s，7天后能有效治療結(jié)腸潰瘍。傷口的細(xì)菌感染是臨床醫(yī)學(xué)上的一大難題，目前普遍采用抗生素等藥物來預(yù)防和治療，但隨著抗藥菌（如MRSA）的不斷出現(xiàn)，給傷口愈合帶來更多困難，特別是諸如大面積燒傷后產(chǎn)生的感染性潰瘍。等離子體滅菌的高效性和廣譜性有望解決這一問題。Heinlin等[47-48]開發(fā)了一套利用等離子體射流治療人體傷口和潰瘍的裝備，85W的氬氣等離子體由2.45 GHz微波激發(fā)，得到直徑為35 mm的射流，溫度可控制在45℃以下，用于臨床治療36名慢性傷口感染患者的結(jié)果顯示，等離子體處理后傷口的細(xì)菌總數(shù)明顯減少，在不對患者造成痛苦的前提下預(yù)防了傷口的進(jìn)一步感染，加上等離子體對細(xì)胞的分化刺激作用共同促進(jìn)了傷口的愈合。這一臨床試驗是等離子體醫(yī)藥技術(shù)的一大飛躍。

2.2 皮膚病的治療

多種皮膚病都與細(xì)菌或真菌感染有關(guān)，等離子體直接作用于皮膚的殺菌能力有望輔助這些疾病的治療，比如皮炎、毛囊炎、濕癬和足癬等[49]。利什曼皮膚病（Cutaneous Leishmaniasis）是一種由利什曼蟲引起的廣泛分布的皮膚病，每年約有50萬病例，發(fā)病后期可能向內(nèi)臟轉(zhuǎn)移而致死，目前的治療藥物相當(dāng)昂貴。Fridman等[50]的研究表明可以通過低溫等離子體來治療這一疾病。采用不同劑量FE-DBD等離子體處理利什曼蟲，同時處理人體中的巨噬細(xì)胞作為對照，20 s后100%的利什曼蟲被殺死，2 min后巨噬細(xì)胞的致死率只有20%～30%，說明等離子體可在不損壞人體的條件下高效快速的殺滅這一致病寄生蟲。除了微生物導(dǎo)致的疾病，另外一些基因缺陷或免疫類疾病也可通過等離子體來治療。家族性良性天皰瘡（Hailey-Hailey disease）是一種少見的常染色體顯性遺傳病，致病基因與編碼一種鈣離子泵的基因ATP2C1突變有關(guān)，表現(xiàn)為一個皮膚部位多發(fā)性水皰、糜爛、結(jié)痂和瘙癢。Isbary等[51]利用氬氣等離子體射流一方面減少細(xì)菌的重復(fù)感染，另一方面通過活性粒子（ROS和RNS等）刺激細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)，在臨床上成功的治愈了這一疾病。

2.3 細(xì)胞的凋亡和癌癥的治療

等離子體誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的功能使其成為治療癌癥的有力手段。黑素瘤（Melanoma）是醫(yī)學(xué)上常見的一種致死性皮膚癌，美國每年有25000個惡性黑素瘤新增病例，死亡約6000人。由于直接暴露在皮膚上，有望通過等離子體對皮膚的作用來直接治療或輔助治療黑素瘤。Sensenig等[52]利用FE-DBD等離子體處理黑色素瘤細(xì)胞ATCCA2058，5 s后可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，時間超過15 s則使細(xì)胞壞死。等離子體處理后的細(xì)胞并非立即死亡而是停止生長，在12～24 h后才表現(xiàn)出凋亡，研究顯示這是細(xì)胞內(nèi)部一系列生化反應(yīng)引起的程序性死亡，而且細(xì)胞的死亡并非由等離子體處理后培養(yǎng)基中環(huán)境的變化引起的，而是等離子體直接與細(xì)胞作用的結(jié)果。Lee等[53]采用等離子體射流處理黑素瘤細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)等離子體通過抑制整合蛋白的表達(dá)以及降低黏附蛋白的活性來誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡。Vandamme等[54]評價了等離子體誘導(dǎo)惡性膠質(zhì)瘤（glioblastoma U87MG）和結(jié)腸瘤（colorectal carcinoma HCT-116）凋亡的過程，指出活性氧粒子起著重要的作用。用等離子體處理活體小鼠身上的惡性膠質(zhì)瘤，5天后腫瘤細(xì)胞的生物發(fā)光性明顯減弱，同時腫瘤體積也明顯縮小，證實了治療腫瘤的潛在可行性[55]。

2.4 液的凝固和快速止血

2006年，F(xiàn)ridman等[56]首次報道了等離子體的快速凝血作用。采用FE-DBD等離子體反應(yīng)器在石英玻璃表面產(chǎn)生微放電等離子體，處理體外血液15 s后，血液在1 min內(nèi)凝固，而不加處理時則需要15 min。用等離子體處理體外人脾上的切口30 s，切口得到迅速止血，對照組則流血不止。Kalghatgi等[57]隨后研究了FE-DBD等離子體的凝血機(jī)理。凝血過程中的鈣離子濃度和pH值都不變，熱效應(yīng)和電場的作用也可忽略不計。等離子體處理緩沖液中的血清蛋白觀察不到任何變化，但處理緩沖液中的纖維蛋白原后很快出現(xiàn)了蛋白的凝聚現(xiàn)象，而纖維蛋白原的凝聚正是天然血液凝固的重要原因，說明等離子體與纖維蛋白原之間的化學(xué)反應(yīng)是是等離子體凝血的可能原因之一。Kuo等[58]利用空氣等離子體射流研究了活體上的凝血過程，在活體豬的耳動脈上切割傷口后，等離子體處理12 s可快速止血，并且在之后的傷口愈合過程中，等離子體處理過的傷口愈合速度明顯快于對照組，由14天縮短到8天。Baik等[59]研究了空氣、氮?dú)夂蜌鍤獾入x子體射流對血液中細(xì)胞的影響，結(jié)果氬氣等離子體對血液的毒性較小，氮?dú)獾入x子體造成最嚴(yán)重的溶血現(xiàn)象，空氣等離子體容易使白細(xì)胞發(fā)生分化。等離子體與血細(xì)胞和血液中其它成分的化學(xué)反應(yīng)，還不得而知，等離子體凝血的確切機(jī)理有待更深入的研究。

2.5 牙科和齲齒的治療

牙齒的消毒和齲齒的治療是等離子體射流的另一重要醫(yī)學(xué)應(yīng)用。變形鏈球菌、糞腸球菌、干酪乳酸菌和白色念珠菌等是導(dǎo)致齲齒的重要細(xì)菌，常用來評價等離子體殺菌技術(shù)在牙科上的效果。2006年以來，出現(xiàn)多個利用等離子體射流殺滅瓊脂平板或牙齒上齲齒菌的研究，證實了利用等離子體治療齲齒的可行性[60]。Koban等[61]指出，利用具有蝕刻作用的等離子體能更有效的去除齲齒內(nèi)的生物膜，以根除這一疾病。與用于治療齲齒的洗必泰殺菌劑相比，10 min的等離子體處理能使細(xì)菌密度下降5個對數(shù)，而殺菌劑只能殺死1.5個對數(shù)。另外，利用Ar/O2等離子體處理假牙（人牙、象牙和羥基磷灰石）表面后，假牙的水接觸角減小，假牙與成骨細(xì)胞的接觸與貼合得到改善，這為治療牙周炎等疾病提供了新的輔助途徑[62]。

2.6 化妝和美容

除了在治療領(lǐng)域的應(yīng)用，低溫等離子體在化妝和美容領(lǐng)域也有新的研究，比如利用等離子體射流對牙齒進(jìn)行美白、等離子體皮膚再生（Plasma Skin Regeneration，PSR）、臉部返老還童（Full-Facial Rejuvenation）以及去皺除疤等[63]。美國的Rhytec公司推出的等離子體整形機(jī)Portrait?PSR3已獲FDA的批準(zhǔn)推向市場。該機(jī)器由射頻電源產(chǎn)生氮?dú)獾入x子體射流，溫度小于60℃，作用于皮膚表層500 μm以內(nèi)，可以去除死亡細(xì)胞并刺激膠原蛋白的產(chǎn)生和新細(xì)胞的分化，從而使老化皮膚得到更新。

等離子體在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究雖然只有短短十年，目前已成為國際研究的熱點，不斷有新的等離子體醫(yī)療裝備研制出來，部分裝備已實現(xiàn)了五年以上的臨床實驗[64]，是一項很有潛力的應(yīng)用技術(shù)，有望在數(shù)年后實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化。

3 結(jié)論

利用各種不同的高壓電源和反應(yīng)器，可以產(chǎn)生性狀特異的多種低溫等離子體，這些等離子體與不同種類的細(xì)胞相互作用時形成多種生物學(xué)效應(yīng)，如致死和亞致死效應(yīng)，在不同的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。等離子體對微生物的致死作用成功的運(yùn)用于醫(yī)療器械的消毒滅菌之后，目前在水、空氣、食品包裝材料、食品和糧食的消毒滅菌等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力，有望在不久的將來實現(xiàn)商業(yè)化。精確控制等離子體的劑量時，等離子體展現(xiàn)出對動物細(xì)胞的亞致死刺激效應(yīng)，使其在臨床生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用得以實現(xiàn)，如皮膚的消毒滅菌、傷口的快速愈合、皮膚病的治療、癌癥的治療等。等離子體與細(xì)胞之間的相互作用機(jī)理，以及相關(guān)等離子體技術(shù)和裝備的開發(fā)，成為目前的兩大研究熱點和方向。

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