CN115591122A - 等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，CAP高压电极盖板固定在反应器骨架上，CAP高压电极盖板下方设有CAP高压电极，PEF电极针有多对，每对PEF电极针分别设置在CAP高压电极盖板的两端，PEF电极针和脉冲电场驱动电源连接，CAP高压电极和等离子体驱动电源连接。本发明从活性粒子和组织特性改变两个角度同步增强活性粒子组织渗透性，无需额外增加等离子体作用剂量，同时通过优化脉冲电场参数及配合方式，可以将组织特性的改变程度及范围控制在所需区域，作用后组织电穿孔效应自我恢复，从而将对组织自身性质的影响降到最低。
Description
技术领域
本发明涉及一种增强活性粒子组织渗透性的装置，特别涉及一种等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置。
背景技术
大气压冷等离子体(Cold Atmospheric Plasma, CAP)能够诱导独特的生物医学效应，近年来，已经被应用于生物医学多个领域。CAP诱导的生物医学效应主要依靠的是其产生的活性粒子可对生物体结构或生命周期活性产生影响，进而产生促进或抑制细胞生长甚至细胞杀伤作用。如在肿瘤治疗中，活性氧、活性氮是起到关键性作用的活性粒子，其能够改变细胞内氮氧水平，如果该水平超过细胞自我调节能力则会激发氧化/硝化应激介导的细胞凋亡，达到杀伤肿瘤细胞的目的。而在伤口愈合应用中，低剂量的活性粒子才可以促进细胞增殖，加速伤口愈合。可见，活性粒子是CAP发挥生物医学效应的关键因素，其组织渗透性直接决定了CAP处理范围及效果。
现有的研究发现生物组织，尤其是组织角质层对活性粒子，如关键性的活性氮、氧粒子，具有明显的阻碍作用，使其组织渗透深度被约束在1mm左右，从而大大降低了等离子体对诸如黑色素瘤(可浸润至皮下4-5mm) 能够浸润到皮下的疾病处理效果。目前对于提升等离子体直接处理组织时活性粒子渗透性提高的方法主要从等离子体放电自身或者组织特性某一方面进行：1.等离子体放电：主要通过增加处理时间、提高等离子体射流流速等方式，这种方式实际上是增加了等离子体处理剂量，一方面会对正常组织造成影响，另一方面可能影响处理效果，如在伤口愈合中，需要采用低剂量的等离子体促进细胞增长，高剂量的等离子体则会诱导细胞死亡。同时，这种方式对活性粒子渗透性的提升也较为有限。2.通过改变皮肤组织温度、湿度或添加化学促渗剂的形式提高组织通透性，但是这种方式一方面可能会对组织造成不可逆的伤害，另一方面，难以在等离子体处理过程中保持待处理区域温湿度的变化，化学促渗剂则主要针对某一特定的药物或分子，对于复杂的活性粒子体系，难以达到预期效果。
皮肤是人体抵御外界不良因素侵扰的第一道防线，其主要由表皮、真皮和皮下组织组成。其中表皮中的角质层主要没有细胞核的死亡细胞构成，其细胞膜厚而坚固，细胞内充满密集平行的角蛋白丝，这些细胞上下重叠，镶嵌排列组成板状层结构，这些细胞间隙充满脂质，形成类似“水泥-砖墙”的结构，能够高效锁住皮肤水分，同时抵御外部绝大多数物理、化学刺激。这也成了等离子体活性粒子穿透人体皮肤到达处理区域的主要屏障。因此，提升等离子体活性粒子的皮肤渗透性是拓展等离子体医学应用领域的关键因素。
文献[1]将等离子体射流处理时间增加至15min，可将总的活性氧氮粒子在肌肉中的渗透深度提高到1.25mm。但是其增加效果仍然有限，同时将时间增加到15min，会对组织造成较大伤害，破坏了组织自身结构功能。
文献[2]通过改变等离子体射流流速增加等离子体与组织交界面的粒子浓度进而提高其渗透深度，但是这种增强效果仅局限于组织表面且作用效果有限。
文献[3]研究发现，增加组织含水量可以提高活性粒子渗透深度，但是这在等离子处理过程中不易实现，同时组织含水量与渗透深度之间的关系仍不清晰，无法实现活性粒子渗透范围的有效调控。
文献[4]研究发现通过外加低压偏置电场可以增强活性粒子在模拟组织中的渗透性，然而其具体作用机制仍不清晰，该方法采用的低压偏置电场不足以引起组织发生可逆电穿孔，提高组织渗透性。
专利201811558795.2公开了一种等离子体与脉冲电场联用杀菌的装置，该发明明确先采用等离子体处理再进行脉冲电场处理可以增强杀菌效果。但是未讨论对活性粒子的渗透情况的影响，同时其作用方式局限在先采用等离子体再进行脉冲电场处理，相互作用方向也未进行讨论。
专利201980002436.5公开了一种皮肤护理装置，该装置包括等离子体脉冲发生器单元和电穿孔脉冲发生器单元，分别用于产生等离子体脉冲和电穿孔脉冲，该装置属于皮肤美容领域，主要用脉冲电场和等离子体处理增强对寡核苷酸等美容药物的吸收，而不是对起治疗作用的等离子体活性粒子渗透性的增强作用，此外也未考虑等离子体与脉冲电场协同配合方式对渗透性以及扩散范围的影响。
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发明内容
1.所要解决的技术问题：
如何提升等离子体活性粒子的皮肤渗透性。
2.技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，包括CAP高压电极盖板，所述CAP高压电极盖板固定在反应器骨架上，所述CAP高压电极盖板下方设有高压电极，设有PEF电极针穿过CAP高压电极盖板和反应器骨架并从反应器骨架伸出，所述PEF电极针有多对，每对所述PEF电极针分别设置在CAP高压电极盖板的两端，每端至少有一根PEF电极针组成电极，所述PEF电极针和脉冲电场驱动电源连接，所述高压电极和等离子体驱动电源连接。
优选的，所述反应器骨架上设有高压电极槽用于放置高压电极，所述CAP高压电极盖板下方设置凸起，所述凸起和所述高压电极上方紧密接触。
优选的，所述反应器骨架两侧设有PEF电极针连接片槽，用于放置PEF电极针条，所述PEF电极针连接条包括主体结构，所述主体结构上设置有多个PEF电极针定位孔，PEF电极针定位孔下方的反应器骨架也设有和PEF电极针孔同心的通孔，所述PEF电极针穿过PEF电极针定位孔和反应器骨架上的通孔。
优选的，所述反应器骨架的底部的左右两侧各设有一条凸起的隔离条。
优选的，所述CAP高压电极至少包括一个高压电极片，当高压电极片为多个时，由左端电极片、中间电极片和右端电极片中任意二种或三种拼接而成，所述中间电极片左端凸起，右端内凹，所述中间电极片最左端的凸起和所述左端电极片右端的内凹形状匹配，所述中间电极片最右端的内凹和所述右端电极片左端的凸起的形状匹配，所述凸起的形状都相同，所述内凹的形状也都相同，所述中间电极片为0到多个，通过改变所述中间电极片的数量灵活改变等离子体处理区域。
优选的，所述CAP高压电极还包括介质片，所述介质片有三种规格，分别和左端电极片、中间电极片、右端电极片的形状一样，用于当高压电极片填不满高压电极槽时，通过介质片将高压电极槽填满。
优选的，所述脉冲电场驱动电源为多种类型电源，产生多种脉冲模式和极性，脉冲模式包括单脉冲、脉冲串模式，极性包括正极性、负极性以及正负双极性脉冲，而且脉冲宽度，脉冲幅值、脉冲重复频率，脉冲数目均可调。
优选的，等离子驱动电源包括高频交流电源、微秒电源和纳秒脉冲电源，其中高频交流电源的电压幅值和重复频率可调，微秒电源、纳秒脉冲电源上升/下降沿、脉冲宽度、重复频率可调。
优选的，还包括控制系统和继电器，所述等离子体驱动电源和脉冲电场驱动电源都和对应的继电器连接，所述控制系统将用户指令转换为相应的脉冲电场模块触发信号、等离子体模块驱动源触发信号、继电器通断信号以及电极/反应器选择信号有序发送至各模块单元，实现脉冲电场参数、等离子体运行条件以及二者协同配合方式的控制。
优选的，所述脉冲电场参数、等离子体运行条件以及二者协同配合方式有四种，第一种为先等离子体处理再脉冲电场处理；第二种为先脉冲电场处理再等离子体处理；第三种为脉冲电场与等离子体同步处理；第四种为脉冲电场与等离子体交替循环处理。
3.有益效果：
本发明利用脉冲电场电穿孔效应增加组织通透性，同时借助电场对处于其中的粒子具有电迁移效应，从活性粒子和组织特性改变两个角度同步增强活性粒子组织渗透性，无需额外增加等离子体作用剂量，同时通过优化脉冲电场参数及配合方式，可以将组织特性的改变程度及范围控制在所需区域，作用后组织电穿孔效应自我恢复，从而将对组织自身性质的影响降到最低。
附图说明
图1是等离子体协同脉冲电场系统框图。
图2是等离子体协同脉冲电场反应器总体结构。
图3是等离子体协同脉冲电场反应器各部分展开结构。
图4是CAP高压电极盖板及固定螺丝。
图5是反应器主体结构及其截面图一。
图6是反应器主体结构及其截面图二。
图7是PEF电极针及PEF电极针连接条。
图8是高压电极结构。
图9是脉冲电场添加对组织通透性以及活性粒子的影响。
图10是先等离子体处理再脉冲电场处理流程图。
图11是先脉冲电场处理再等离子体处理流程图。
图12是脉冲电场与等离子体同步处理流程图。
图13是脉冲电场与等离子体交替循环处理流程图。
附图标记说明：1.CAP高压电极盖板；2.反应器骨架；3.PEF电极针；4.CAP高压电极；5.CAP高压电极盖板固定螺丝；6.PEF电极针连接条；101.凸起；102.螺丝孔；103.盖板主体；201.高压电极槽；203. PEF电极针连接片槽；204.通孔；205. 隔离条；206. 高压电极接线孔； 401.左端电极片；402.中间电极片；403.右端电极片；501.螺栓；502.螺母；601.主体结构；602.PEF电极针定位孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图2和图3所示，一种等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，包括CAP高压电极盖板1，所述CAP高压电极盖板1固定在反应器骨架2上，所述CAP高压电极盖板1下方设有高压电极4，设有PEF电极针3穿过CAP高压电极盖板1和反应器骨架2并从反应器骨架2下方伸出，所述PEF电极针3有多对，每对所述PEF电极针3分别设置在CAP高压电极盖板4的两端，每端至少有一根PEF电极针3组成电极，所述PEF电极针3和脉冲电场驱动电源连接，所述CAP高压电极4和等离子体驱动电源连接。
本发明可以同时实现脉冲电场和等离子体处理。脉冲电场产生系统主要由脉冲源和反应器上的针电极组成。等离子体产生系统主要包括驱动源、反应器上的高压电极和绝缘介质。CAP-PEFs增强活性粒子组织渗透性的工作原理如图 9所示，仅采用等离子体处理时，活性粒子被大量阻碍在皮肤表面，在皮表形成活性粒子池；施加脉冲电场后，能够以可逆电穿孔、电应力等形式暂时性地影响改变细胞膜以及细胞间的通透性，宏观上表现出来组织通透性增加，图 9仅以与等离子体处理方向垂直方向添加脉冲电场为例；施加脉冲电场后会对其中的带电粒子运动轨迹产生影响，在脉冲电场与等离子体垂直施加时，可以增加活性粒子的横向覆盖范围；实际应用中可以根据需要调整脉冲电场波形参数以及施加方向以及电极形式板电极、针电极。本发明提出采用等离子体协同脉冲电场的方法增加等离子体活性粒子的组织渗透深度。
在一个实施例中，如图4所示，CAP高压电极盖板1，包括盖板主体103，螺丝孔102，以及底部用于压紧高压电极4的凸起部分101，以最大程度减少高压电极周边气隙，防止其对放电产生影响。用于固定CAP高压电极盖板的螺栓主要由螺栓501和螺母502构成，采用螺栓固定的主要原因也是为了减少高压电极附近的空气间隙，防止CAP高压电极发生放电，提高能量利用率。
在一个实施例中，如图5所示，反应器骨架2上设有高压电极槽201和PEF电极针连接片槽203，所述高压电极槽201用于放置CAP高压电极4，所述PEF电极针连接片槽203用于放置PEF电极针连接条6，还包括固定螺丝孔，用于固定CAP高压电极盖板1。
在一个实施例中，反应器骨架2底部凸起的隔离条205，左右两边各有一条，主要作用是为了保证反应器与待处理组织之间具有一定的间隙，以实现高压电极能够电离气隙内的空气形成介质阻挡放电，产生等离子体。206为高压电极接线孔，用于放置连接高压电极4与等离子体驱动电源输出端的导线。
在一个实施例中，如图6所示，PEF电极针连接条6包括主体结构601和PEF电极针定位孔602，起到固定电极位置和电气连接的双重作用，可以将PEF电极针连接条6直接与脉冲电场驱动电源输出线相连，从而将待施加脉冲信号接入到PEF电极针6。根据处理区域大小，可以调节PEF电极针数目。至少保证有一对电极接入已施加脉冲电场。脉冲电场施加时需要在两侧至少分别选取1根PEF电极针3组成电极对，从而在两排PEF电极针3之间形成脉冲电场区域。
在一个实施例中，所述脉冲电场驱动电源为多种类型电源，产生多种脉冲模式和极性，脉冲模式包括单脉冲、脉冲串模式，极性包括正极性、负极性以及正负双极性脉冲，而且脉冲宽度，脉冲幅值、脉冲重复频率，脉冲数目均可调。
在一个实施例中，CAP高压电极4的结构如图 7所示，所述CAP高压电极4至少包括一个高压电极片，当高压电极片为多个时，由左端电极片401、中间电极片402和右端电极片403中任意二种或三种拼接而成，所述中间电极片402左端凸起，右端内凹，所述中间电极片402左端的凸起和所述左端电极片401右端的内凹形状匹配，所述中间电极片402右端的内凹和所述右端电极片403左端的凸起的形状匹配，所述凸起的形状都相同，所述内凹的形状也都相同，所述中间电极片402为0到多个，通过改变所述中间电极片402的数量灵活改变等离子体处理区域。
电极间的拼接不仅具有增大处理面积的功能，还起到电气连接的作用。采用拼接式的电极结构可以实现根据实际处理需求，灵活调节高压电极面积的目的。在设计过程中，还可以做到继续延展高压电极片数，实现更大的处理面积。
当实际使用的高压电极片较少时，高压电极槽201就会空，不利于放电，需要用介质片把高压电极槽201填满，提高放电效率。
所述介质片有三种规格，分别和左端电极片401、中间电极片402、右端电极片403的形状一样，用于当高压电极片填不满高压电极槽201时，通过介质片将高压电极槽201填满。
比如说待处理面积比较小，只需要1个高压电极片，而高压电极槽201的空间最多放4个高压电极片，这时候就需要3个相同规格的介质片顶上去，把高压电极槽201填满，减少空气间隙对介质阻挡放电的影响
在一个实施例中，等离子驱动电源包括高频交流电源、微秒电源和纳秒脉冲电源，其中高频交流电源的电压幅值和重复频率可调，微秒电源、纳秒脉冲电源上升/下降沿、脉冲宽度、重复频率可调。
在一个实施例中，如图1所示，等离子体协同脉冲电场系统框图，用户界面：用户界面是人机交互的关键接口，其主要功能是将用户指令，主要包括脉冲电场参数、等离子体运行条件、等离子体与脉冲电场的协同配合参数、继电器通断指令，发送到控制系统。
控制系统：控制单元主要将用户指令转换为相应的脉冲电场模块触发信号、等离子体模块驱动源触发信号、继电器通断信号以及电极/反应器选择信号有序发送至各模块单元，实现脉冲电场参数、等离子体运行条件以及二者协同配合方式的控制。
等离子体模块：等离子体模块主要用于产生驱动等离子体的电源模块，主要包括高频交流、微秒脉冲以及纳秒脉冲产生模块。
脉冲电场模块：脉冲电场模块主要可以产生不同模式的脉冲波形，如脉冲模式单个脉冲模式或脉冲串模式、脉冲极性、脉冲宽度、脉冲幅值、重复频率等。
继电器：继电器主要根据通断指令信号确定在特定时刻接通脉冲电场模块与电极单元还是等离子体模块与反应器单元，或者是两者同步接通。
在一个实施例中，所述脉冲电场参数、等离子体运行条件以及二者协同配合方式有四种，第一种，如图10所示，对待处理组织采用反应器等离子处理，然后对待处理组织采用反应器脉冲电场处理；第二种，如图11所示，对待处理组织采用反应器脉冲电场处理，然后对待处理组织采用反应器等离子处理；第三种，如图12所示，对待处理组织采用反应器脉冲电场处理和对待处理组织采用反应器等离子处理同时进行；第四种，如图13所示，对待处理组织采用反应器等离子处理和对待处理组织采用反应器脉冲电场处理交替进行。
Claims (10)
1.一种等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：包括CAP高压电极盖板（1），所述CAP高压电极盖板1固定在反应器骨架（2）上，所述CAP高压电极盖板（1）下方设有CAP高压电极（4），设有PEF电极针（3）穿过高压电极盖板（1）和反应器骨架（2）并从反应器骨架（2）下方伸出，所述PEF电极针（3）有多对，每对所述PEF电极针（3）分别设置在CAP高压电极盖板（4）的两端，每端至少有一根PEF电极针（3）组成电极，所述PEF电极针（3）和脉冲电场驱动电源连接，所述CAP高压电极（4）和等离子体驱动电源连接。
2.如权利要求1所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述反应器骨架（2）上设有高压电极槽（201）用于放置CAP高压电极（4），所述CAP高压电极盖板（1）下方设置凸起（101），所述凸起（101）和所述CAP高压电极（4）上方紧密接触。
3.如权利要求1所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述反应器骨架（2）两侧设有PEF电极针连接片槽（203），用于放置PEF 电极针连接条（6），所述PEF电极针条（6）包括主体结构（601），所述主体结构（601）上设置有多个PEF电极针定位孔（602），PEF电极针定位孔（602）下方的反应器骨架（2）也设有和PEF电极针定位孔（602）同心的通孔（204），所述PEF电极针（3）穿过PEF电极针定位孔（602）和反应器骨架（2）上的通孔（204）。
4.如权利要求1所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述反应器骨架（2）的底部的左右两侧各设有一条凸起的隔离条（205）。
5.如权利要求1-4任一项权利要求所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述CAP高压电极（4）至少包括一个高压电极片，当高压电极片为多个时，由左端电极片（401）、中间电极片（402）和右端电极片（403）中任意二种或三种拼接而成，所述中间电极片（402）左端凸起，右端内凹，所述中间电极片（402）左端的凸起和所述左端电极片（401）右端的内凹形状匹配，所述中间电极片（402）右端的内凹和所述右端电极片（403）左端的凸起的形状匹配，所述凸起的形状都相同，所述内凹的形状也都相同，所述中间电极片（402）为0到多个，通过改变所述中间电极片402的数量灵活改变等离子体处理区域。
6.如权利要求5所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述CAP高压电极（4）还包括介质片，所述介质片有三种规格，分别和左端电极片（401）、中间电极片（402）、右端电极片（403）的形状一样，用于当高压电极片填不满高压电极槽（201）时，通过介质片将高压电极槽（201）填满。
7.如权利要求1-4任一项权利要求所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述脉冲电场驱动电源为多种类型电源，产生多种脉冲模式和极性，脉冲模式包括单脉冲、脉冲串模式，极性包括正极性、负极性以及正负双极性脉冲，而且脉冲宽度，脉冲幅值、脉冲重复频率，脉冲数目均可调。
8.如权利要求1-4任一项权利要求所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：等离子驱动电源包括高频交流电源、微秒电源和纳秒脉冲电源，其中高频交流电源的电压幅值和重复频率可调，微秒电源、纳秒脉冲电源上升/下降沿、脉冲宽度、重复频率可调。
9.如权利要求1-4任一项权利要求所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：还包括控制系统和继电器，所述等离子体驱动电源和脉冲电场驱动电源都和对应的继电器连接，所述控制系统将用户指令转换为相应的脉冲电场模块触发信号、等离子体模块驱动源触发信号、继电器通断信号以及电极/反应器选择信号有序发送至各模块单元，实现脉冲电场参数、等离子体运行条件以及二者协同配合方式的控制。
10.如权利要求7所述的等离子体协同脉冲电场增强活性粒子组织渗透性的装置，其特征在于：所述脉冲电场参数、等离子体运行条件以及二者协同配合方式有四种，第一种为先等离子体处理再脉冲电场处理；第二种为先脉冲电场处理再等离子体处理；第三种为脉冲电场与等离子体同步处理；第四种为脉冲电场与等离子体交替循环处理。
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