Es gibt zwei Dinge, an die Menschen denken, wenn sie das Wort „Plasma“ hören.“ Das erste ist Blutplasma, der flüssige Teil des Blutes, der Blutzellen in Suspension hält. Das zweite, wenn Sie Physik lieben, ist ein ionisiertes Gas (wenn Sie Geologie lieben, denken Sie an einen hellgrünen Chalcedonstein), normalerweise bei ziemlich hohen Temperaturen. Die Sonne schießt zum Beispiel Plasmabögen aus. Sie können sie in Plasma-TV-Displays finden, Sie können sie verwenden, um Antennen zu erstellen, und Fans von Science-Fiction fantasieren wahrscheinlich darüber, sie Schusswaffen als High-Tech-Waffe zu schießen. (Blitz ist eine Form von Plasma.)
Es gibt auch sogenannte „kalte Plasmen.“ Ich habe 2007 über dieses Thema geschrieben, sowohl in Physics Today als auch auf der Cocktail Party Physics, und mich dabei auf ihr Potenzial konzentriert, Bakterien abzutöten, Zahnbelag zu entfernen, die Verbindungen zwischen Zellen, aus denen biologisches Gewebe besteht, zu lösen, Blut zu koagulieren und Blutungen nach einer Wunde oder während einer Operation zu reduzieren und vielleicht sogar Krebstumoren zu entfernen. Und ein Oktober-Papier im Journal of Physics D.: Angewandte Physik beschreibt ein potenziell revolutionäres neues Kaltplasmagerät, ähnlich einer Lötlampe, zur Behandlung von Blutkrebs-Leukämie.“Wir haben ein wirklich erstaunliches Gerät“, sagte Hauptautor Mounir Laroussi (Old Dominion University) den Leuten von Physics Buzz. „Wir können einen Plasmastrahl erzeugen, der etwa Raumtemperatur hat. Es verbrennt nichts; Es zerstört oder bohrt keine Löcher. Sie können es mit Ihrer Hand berühren.“ Laroussis Ergebnisse sind ziemlich verblüffend: Nach nur 10 Minuten Exposition gegenüber dem kalten Plasma wurden mehr als 90% der Leukämiezellen in der Studie zerstört.
Der Begriff „kalt“ kann etwas irreführend sein. (Z. B. „Hochtemperatur-Supraleitung“ findet bei Temperaturen statt, die flüssigem Stickstoff gemeinsam sind.) Viele kalte Plasmen sind im Vergleich zur Sonne „kalt“, aber immer noch ziemlich heiß: in der Größenordnung von 70 bis 100 Grad Celsius. Wenden Sie das auf lebendes menschliches Gewebe an, und es wird brennen. Schlecht.
Dennoch sind sie nützlich für Dinge wie die Sterilisation von Trinkwasser und die Dekontamination von industriellen Oberflächen. Das liegt daran, dass sie Bakterien abtöten („inaktivieren“), indem sie die bakterielle Zellmembran über eine tödliche Kombination aus geladenen Teilchen, freien Radikalen und UV-Strahlung zerstören. Sie arbeiten auch schnell: die Luftwaffe verfügt über ein aktives Kaltplasma-Forschungsprogramm, mit dem die in Toxinen wie Anthrax enthaltenen Chemikalien in nur wenigen Minuten abgebaut werden, verglichen mit mehreren Stunden für andere Methoden.Irgendwann in den späten 1990er Jahren fanden Forscher heraus, wie man wirklich Raumtemperatur kalte Plasmen im Labor erzeugt, so dass sie zum ersten Mal an biologischem Gewebe getestet werden konnten. Und das ist der Fokus von Laroussis Forschung. Per Physics Buzz:
Wissenschaftler erzeugen kaltes Plasma, indem sie superschnelle Elektronen durch Gase wie Helium und Luft schicken. Diese Elektronen treffen die Atome und Moleküle mit so viel Energie, dass sie die äußersten Elektronen der Atome und Moleküle im Gas abziehen, wodurch eine suppige Mischung aus freien Elektronen und freien Ionen entsteht. Das Gas verbleibt bei etwa Raumtemperatur, erklärte Laroussi, weil die Energie, die benötigt wird, um die Elektronen von ihren Atomen zu trennen, schnell verschwindet und die Gasionen abkühlen.
Es gab einen interessanten verzögerten Effekt mit der Plasma-Lötlampe. Während die Leukämiezellen unmittelbar nach der zehnminütigen Explosion mit der Kaltplasmawolke in Ordnung zu sein schienen, begannen sie innerhalb von vier bis acht Stunden zu sterben. Laroussi vermutet, dass die Plasmapfahne eine Art biochemische Reaktion auslösen könnte, die den Zelltod in den Leukämiezellen induziert, während normale Zellen intakt bleiben.Laut Michael Keidar von der George Washington University gehört Ozon zu den Molekülen in einem kalten Plasma, das besonders reaktiv ist – daher die Wirksamkeit kalter Plasmen bei der Behandlung bakterieller Infektionen. Keidar studiert Plasmabehandlungen für Krebs und denkt, dass, weil Krebszellen höhere Metabolismen als gesunde Zellen haben, sie mehr Ozon haben. Die Zugabe von noch mehr Ozonmolekülen über die kalte Plasmawolke bringt die Krebszellen also über die Schwelle und löst den Zelltod aus, während gesunde Zellen der Explosion gut standhalten können.
Zuvor entwickelte Laroussi einen mit Helium gefüllten Plasmableistift, der eine lange Plasmapfahne von 2 bis 3 Zoll erzeugen kann, die Bakterien auf der empfindlichen Oberfläche der menschlichen Haut abtöten kann, ohne das umgebende Gewebe zu schädigen. Laroussi hat es auf e coli Bakterien verwendet. Andere Gruppen, die mit Kaltplasma- „Jet-Pistolen“ arbeiten, haben die Zerstörung von Salmonellen und sogar einigen Viren gezeigt.
Diese Dekontaminationseigenschaften sind unglaublich nützlich, um die Wundheilung zu beschleunigen, die ungefähr drei Stufen hat. Es gibt ein entzündliches Stadium, in dem alles rot und / oder geschwollen und schmerzhaft ist, in dem es so aussieht, als ob tatsächlich wenig Heilung stattfindet – in der Tat ist es leicht mit einer tatsächlichen Infektion zu verwechseln.
Aber es gibt alle möglichen Dinge, die den Körper in die zweite Phase bringen: herstellung von Kollagen zur Stärkung der Wunde. Dies kann je nach Schwere der Verletzung mehrere Wochen dauern und es können dicke Narben entstehen.
Das letzte Stadium wird die Umbauphase genannt, in der der Körper das überschüssige Narbengewebe loswird. Manchmal bleibt eine schwere erhabene (Keloid-) Narbe übrig, wenn die Wunde besonders tief und böse war. Die Fähigkeit, Bakterien abzutöten, verringert die Wahrscheinlichkeit einer Infektion, und die Möglichkeit, abgestorbene Zellen zu entfernen und durch gesunde zu ersetzen, kann diesen wochenlangen Prozess erheblich beschleunigen.
Bereits 2010 verwendeten Forscher des Gamaleya-Instituts für Epidemiologie und Mikrobiologie in Moskau einen kalten Plasmabrenner für zwei häufige Bakterien, Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus, beides antibiotikaresistente Stämme (dank eines Biofilms), die bei Wundinfektionen häufig vorkommen. Per Discovery News: „Nach fünf Minuten tötete der Plasmabrenner 99 Prozent der in einer Petrischale gewachsenen Bakterien und nach zehn Minuten tötete er 90 Prozent der Bakterien, die in den Wunden einer Ratte vorhanden waren. Und weil die Fackel auf einen bestimmten, kleinen Infektionsbereich gerichtet werden kann, bleibt das umgebende Gewebe unversehrt.“Eva Stoffels-Adamowicz von der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden entwickelte ein handliches kleines Gerät namens Plasmanadel – im Grunde ein dünner Wolframdraht von etwa 50 Millimetern Länge in einem gasgefüllten Quarzrohr -, mit dem sie biologische Zellen präzise entfernen oder manipulieren kann. Sie nennt es „Operation ohne Schneiden.“ Fahren Sie einfach eine Spannung durch die Nadel und voila! An der Spitze wird ein kleiner Plasmafunken erzeugt.
Weder die Plasmanadel noch der Plasmastift verwenden ein kaltes Plasma, um tatsächlich zu schneiden. Aber eine Firma namens Peak Surgical hat ein Prototyp-Gerät namens Plasma Blade, das tatsächlich kalte Plasmen verwendet, um biologisches Gewebe zu schneiden. Chirurgische Skalpelle haben uns sehr lange gute Dienste geleistet, aber obwohl sie sehr präzise schneiden, können sie Blutungen nicht kontrollieren. Es gibt alternative elektrochirurgische Geräte, die beides können, aber es gibt normalerweise einige begleitende thermische Schäden am umgebenden Gewebe.
Die Plasmaklinge schneidet, kauterisiert und verbrennt nicht das umgebende Gewebe, und Sie haben diese eingebauten Dekontaminationsmerkmale, um Infektionen zu bekämpfen und Entzündungen zu reduzieren, wodurch der Heilungsprozess beschleunigt wird. Peak hat seine Plasmablätter sowohl an Netzhautgewebe als auch an Schweinehaut getestet.Kalte Plasmen töten Bakterien ab und retten Leben, was sie ziemlich cool macht.
Ermolajewa, Swetlana A. et al. (2011) „Bakterizide Wirkungen von nichtthermalem Argonplasma in vitro, in Biofilmen und im Tiermodell infizierter Wunden“, Journal of Medical Microbiology 60 (1): 75-83.
Laroussi, M. et al. (2006) „Inaktivierung von Bakterien durch den Plasmastift“, Plasma Proc. Polym. 3: 470-473.