CZ29159U1 - Zdroj nízkoteplotního plazmatu s možností kontaktní i bezkontaktní aplikace - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti generování nízkoteplotního plazmatu a týká se konstrukce atmosférického zdroje nízkoteplotního plazmatu s možností kontaktní i bezkontaktní aplikace, určeného zejména pro využití v různých medicínských bioaplikacích, jako jsou desinfekce, hojení ran, úprava rakovinných buněk, dermatologie a stomatologie.

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 neboCZ 27679 Ul.

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. 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, 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

-1 CZ 29159 U1 plazmového zdroje pro klinickou praxi musí být splněno mnoho náročných bezpečnostních kritérií. 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 CZ 304814, CZ 27679 Ul nebo US 20120046602 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 27679 Ul je známa konstrukce zdroje nízkoteplotního plazmatu, 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 je propojena s primárním zdrojem střídavého vysokého napětí. Těleso zdroje 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.

Úkolem nového technického řešení je představit inovovanou konstrukci zdroje nízkoteplotního plazmatu, která vychází z řešení popsaných ve spisech CZ 304814 a CZ 27676 Ul, přičemž konstrukce zdroje s nově navrženým uspořádáním generátoru plazmatu umožňuje generaci velice homogenního plazmatu s možností jak kontaktního, tak i bezkontaktního použití, a to pří dodržení podmínek požadovaných pro medicínské aplikace, které vyžadují rovnoměrné rozložení intenzity, zvětšení ošetřované plochy, přizpůsobení tvaru zdroje ošetřované ploše při zachování rovnoměrného působení plazmatu a minimalizaci rizik pro pacienta. Vylepšená konstrukce nízkoteplotního zdroje, tedy generátoru, plazmatu umožňuje díky použití ještě jedné porézní membrány nad budící elektrodou zvýšení rozsahu pracovního napětí, tlaku pracovního plynu a pracovní plochy samotného generátoru, aniž by došlo k jeho poškození.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zdroj nízkoteplotního plazmatu, zejména pro využití v medicínských bioaplikacích, obsahující zdroj střídavého vysokého napětí a duté izolační těleso, do jehož vnitřního prostoru je zaústěn přívod pracovního plynu a je v něm

-2CZ 29159 U1 umístěna sendvičová struktura obsahující vnitřní budící elektrodu připojenou na zdroj střídavého vysokého napětí, kde podstata řešení spočívá v tom, že sendvičová struktura uložená ve vnitřním prostoru sestává ze vzájemně nad sebou uložených nevodivé horní porézní membrány, vnitřní budící elektrody, nevodivé spodní porézní membrány a vnější zemnící elektrody, přičemž nosná část sendvičové struktury obsahující horní porézní membránu, vnitřní budící elektrodu a spodní porézní membránu je vytvořena jako jeden pevný celek.

Novým uspořádáním sendvičové struktury nízkoteplotního zdroje plazmatu, konkrétně díky nově umístěné horní porézní membráně nad budící elektrodou je zajištěna větší rovnoměrnost rozložení iontů a elektronů na ploše mřížky a také je snížen výskyt obloukového výboje nad budící elektrodou. Důležitou vlastností tohoto systému je také možnost jeho kontaktního použití, jelikož robustní horní porézní membrána zajišťuje mechanickou stabilitu celého systému a zabraňuje lokální deformaci celého sendviče při přimáčknutí.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklad provedení technického řešení je schematicky znázorněn na připojených výkresech, kde obr. 1 je schéma atmosférického zdroje plazmatu s ochrannou izolační vrstvou tvořenou válcovým tělesem a obr. 2 je explodovaný pohled na sendvičovou strukturu atmosférického zdroje plazmatu.

Výkresy, které znázorňují 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 vnitřním prostoru 11 tělesa I a tvořenou vrstvami porézního materiálu. Těleso I je shora uzavřeno víkem 2 vyrobeným z vodivého či nevodivého materiálu a opatřeným vstupním otvorem 21, do něhož je zaústěno vstupní hrdlo 3 pracovního plynu GAS, které je vyrobeno z vodivého materiálu. Sendvičová struktura sestává ze vzájemně nad sebou uložených vysokoteplotně odolné nevodivé horní porézní membrány 4, vnitřní budící elektrody 5, vysokoteplotně odolné nevodivé spodní porézní membrány 6 a vnější zemnící elektrody 7. Vnitřní budící elektroda 5 je přes propojovací elektrodu 8 a vstupní hrdlo 3 propojena se zdrojem 9 střídavého vysokého napětí, například pulsním generátorem.

Provedení sendvičové struktury generátoru nízkoteplotního plazmatu je detailně znázorněno na obr. 2. Její horní porézní membrána 4 je vyrobena z nevodivého porézního materiálu tloušťky, která se pohybuje v rozmezí hodnot 1 pm až několika mm dle konkrétního použití a vykazujícího teplotní stabilitu minimálně do 150 °C při velikostech mikrokanálů vycházející z průměrné velikosti průřezu mikrokanálů 10 nm až několika mm. Tato horní porézní membrána 4 zajišťuje mechanickou stabilitu celého systému a také zajišťuje objemové omezení ionizace pracovního plynu nad vnitřní budící elektrodou 5. Vnitřní budící elektroda 5 umístěná mezi horní porézní membránou 4 a spodní porézní membránou 6 je v podstatě konstantní tloušťky, která se pohybuje v rozmezí hodnot 1 až 500 pm při maximální odchylce 15 % a vykazující teplotní stabilitu minimálně do 150 °C při velikostech mikrokanálů vycházející z průměrné velikosti průřezu lOnm až 500 pm. Nosná část sendvičové struktury obsahující horní porézní membránu 4, vnitřní budící elektrodu 5 a spodní porézní membránu 6 tvoří jeden pevný celek a vyrábí se tak, že se vnitřní budící elektroda 5 vloží mezi horní porézní membránu 4 a spodní porézní membránu 6 a celý sendvič se zahřeje na teplotu stejnou nebo vyšší než teplota tání materiálu vnitřní budící elektrody 5 a následně se tento celek zchladí, čímž dojde k pevnému spojení obou porézních membrán 4 a 6.

-3CL 29159 U1

Funkce nízkoteplotního zdroje plazmatu je založena na tom, že mezi vnitřní budící elektrodou 4 a vnější zemnící elektrodou 7, které jsou umístěny na protilehlých površích spodní porézní membrány 6, které mohou být tvořeny sítí vodičů o velikosti buňky několik desítek pm až jednotek milimetrů, vodivými mřížkami o stejné střídě, případně nanesenými vodivými vrstvami, jejichž 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 7 dochází k ionizaci pracovního plynu, který po průchodu mikrokanály spodní porézní membrány 6 vytéká do vnějšího prostředí ve formě plazmatu, jehož hustota je úměrná frekvenci budícího napětí zdroje 9 střídavého vysokého napětí Aplikované střídavé napětí zdroje 9 pak závisí na ío tloušťce spodní porézní membrány 6 a typu pracovního plynu, jehož minimální průtok je v jednotkách litrů/cm²/min.

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 Ιοί 5 hoto 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

   20 1. Zdroj nízkoteplotního plazmatu, zejména pro využití v medicínských bioaplikacích, obsahující zdroj (9) střídavého vysokého napětí a duté izolační těleso (1), do jehož vnitřního prostoru (11) je zaústěn přívod pracovního plynu (GAS) a je v něm umístěna sendvičová struktura obsahující vnitřní budící elektrodu (5) připojenou na zdroj (9) střídavého vysokého napětí, vyznačující se tím, že sendvičová struktura uložená ve vnitřním prostoru (11) sestává

   25 ze vzájemně nad sebou uložené nevodivé horní porézní membrány (4), vnitřní budící elektrody (5), nevodivé spodní porézní membrány (6) a vnější zemnící elektrody (7), přičemž nosná část sendvičové struktury obsahující horní porézní membránu (4), vnitřní budící elektrodu (5) a spodní porézní membránu (6) je vytvořena jako jeden pevný celek.