WO2023148412A1 - Generador de plasma atmosférico frío y equipo respiratorio para la estimulación de la regeneración celular para seres vivos - Google Patents

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WO2023148412A1
WO2023148412A1 PCT/ES2022/070055 ES2022070055W WO2023148412A1 WO 2023148412 A1 WO2023148412 A1 WO 2023148412A1 ES 2022070055 W ES2022070055 W ES 2022070055W WO 2023148412 A1 WO2023148412 A1 WO 2023148412A1
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WO
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atmospheric plasma
plasma generator
cold atmospheric
air
insulating material
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Application number
PCT/ES2022/070055
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French (fr)
Inventor
Osvaldo Daniel CORTÁZAR PÉREZ
Pedro Luís LLANA GARCÍA
Alejandro LOREDO FERNÁNDEZ
Original Assignee
Bioengineering For The World Corporation S.L.
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/48—Generating plasma using an arc
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/30—Medical applications
    • H05H2245/32—Surgery, e.g. scalpels, blades or bistoury; Treatments inside the body

Definitions

  • the object of the present invention relates to a cold atmospheric plasma generator and respiratory equipment that incorporates the cold atmospheric plasma generator.
  • Plasma In physics and engineering plasma is defined as the fourth state of matter. This state is reached by transferring enough energy to a gas for a significant part of its molecules to become ionized. Examples of plasmas in nature such as those of electrical discharges in storms and those of the northern or austral lights are of interest. In addition, there are plasmas that are used technologically, fluorescent and neon lighting tubes are a classic example along with plasma screens. Plasma is also used to cut materials as in the case of plasma torches that use its high temperature and great capacity to transfer heat. However, in the last twenty years, devices capable of creating low-temperature atmospheric pressure gas plasmas have been developed, some of which are compatible with living tissue. The key to not damaging tissues with these plasmas is the fact that they are out of thermodynamic equilibrium.
  • This type of plasma produces a certain concentration of activated oxygen and nitrogen molecules that are called: Reactive Oxygen and Nitrogen Species or "RONS" from its English acronym from Reactive Oxygen and Nitrogen Species.
  • the importance of RONS is due to its disinfectant and regenerative properties on mammalian cells. This has given rise to the development of a new health branch called plasma medicine that is in full growth phase and within which this invention is framed.
  • CAPs are capable of killing bacteria, fungi and viruses with hardly any negative effects on the healthy cells of an organism, as demonstrated by the overwhelming number of international publications on the subject. There is a broad international consensus about the scientific foundations that support the clinical effects observed when using CAPs. It has been shown that RONS are responsible for these effects by virtue of their ability to produce oxidative stress on cells and microorganisms on which cold atmospheric plasma is applied. The difference between the levels of oxidative stress tolerance between a healthy cell and harmful microorganisms is the reason for the selectivity of the CAPs just mentioned.
  • RONS oxidative stress produced by RONS from cold atmospheric plasma is not enough to damage healthy tissue, but it eliminates harmful microorganisms, including resistant bacteria.
  • the present invention does not intend to delve further into the benefits of clean air for health and the need for purification systems, but opens a new field of use of RONS that generates cold atmospheric plasma for therapeutic use based on hormetic concept.
  • a number of processes have been identified during which a low or sublethal dose of a stressful agent or stimulus is capable of activating a response.
  • adaptive that increases the resistance of a cell or organism against a stress of greater intensity. This response is defined as hormesis.
  • hermetic agents such as radiation, heat, heavy metals, antibiotics, pro-oxidant substances, or physical exercise where food restriction is also included.
  • the hermetic reaction involves the expression of a large number of genes that encode cytoprotective proteins such as chaperones of the type that respond to thermal stress, antioxidant enzymes, growth factors, metallothioneins, among others.
  • mammalian cells including those of humans, are exposed to low doses of RONS, they change the intensity of expression of the genes involved in the hermetic response in a period of approximately 9 h.
  • Expression of housekeeping, growth, and proliferation genes is decreased, while expression of protective genes is increased, allowing tightly stimulated cells to be significantly more resistant to future oxidative stress for up to 15 to 30 hours post-stimulation.
  • the hermetic response can be compared to a vaccination immune response, but with the big difference that the former does not store long-term memory (beyond 30 hours), and to have the hermetic effect again, the cells or organisms must be re-exposed to the inducing agent.
  • the present invention relates to a respiratory device that produces and projects onto a human or animal patient a laminar air flow containing a specific concentration of reactive oxygen and nitrogen molecules for inhalation.
  • These RONS are generated by a cold atmospheric plasma generator configured to receive air as the input substance and expel RONS as the output substance and which is part of the respiratory device and which uses the hermetic response of humans and animals particularly against very low levels of oxidative stress.
  • the proposed invention consists of a respiratory device that produces a hermetic reaction in humans and animals through the inhalation of small doses of RONS dissolved in the air that have been produced by a cold atmospheric plasma generator.
  • the proposed device forms a clean air generation unit activated by a cold atmospheric plasma that is applied to the patient both in a closed room and in a semi-open chamber specifically designed for this purpose.
  • cold atmospheric Plasma is a state of matter where ionized particles and electrons move at high speeds, producing high-energy, high-frequency shocks that favor the production of chemical reactions that would not occur under normal environmental conditions. This characteristic is what allows the formation of RONS from oxygen and nitrogen molecules.
  • Respiratory device can include the cold atmospheric plasma generator and is in charge of conditioning the air before being additionally activated by cold atmospheric plasma.
  • This device consists of a silent air blower and a HEPA (High Efficiency Particle Arresting) air filter. The set works in such a way that microorganisms and particles are eliminated from the air, including the nanoparticles present.
  • the assembly assembly includes a nozzle design, for the production of a laminar flow of air. The absence of turbulence in the laminar flow is one of the keys to optimally transport RONS in the airflow.
  • Figure 1 shows a conceptual diagram of the respiratory device that integrates the cold atmospheric plasma generator according to the present invention and its application to a patient.
  • Figure 2 shows a cross-sectional side view of the cold atmospheric plasma generator according to the present invention.
  • Figure 3 shows a perspective cross-section of the cold atmospheric plasma generator according to the present invention.
  • Figure 4 shows a cross section of the respiratory device that integrates the cold atmospheric plasma generator, where tests and measurements of the proposed system were carried out.
  • Figure 5 shows the image obtained from measuring the voltage and current signals between the electrodes of the cold atmospheric plasma generator.
  • Figures 6A and 6B show two light emission spectra obtained from the cold atmospheric plasma produced by the cold atmospheric plasma generator by means of an optical fiber inserted inside the ground electrode.
  • Figure 1 shows a conceptual diagram in the form of a block diagram where the location of the respiratory device (1) and the plasma generator are indicated. cold atmospheric (2).
  • the respiratory device (1) is housed in a box (6a) together with the cold atmospheric plasma generator (2) that injects a plasma-activated airflow (4) into the laminar flow of clean air (3).
  • the total and laminar flow of air is projected onto the patient (5).
  • the laminar flow of clean air (3) is enriched by the injection of airflow activated by plasma (4) coming from the cold atmospheric plasma generator (2).
  • This laminar flow of air enriched with RONS generated by the cold atmospheric plasma generator (2) is projected onto the patient (5) for inhalation.
  • the entire system is mounted inside the box (6a) and is connected to the home electricity distribution network from where it obtains the necessary energy for its operation.
  • the air If the air is not properly filtered and treated, it can carry polluting particles of all kinds, including those from the combustion of hydrocarbons inside the cold atmospheric plasma generator (2). In this case, chemical reactions could occur with the polluting molecules when they come into contact with the plasma that would be unpredictable, as well as the compounds that could be generated. Therefore, the use of the previous air filtering stage, before being used in the cold atmospheric plasma generator (2), is recommended to allow only oxygen and nitrogen reactive molecules to be generated. This allows unknown compounds not to be introduced into the airflow that is applied to the patient.
  • Figures 2 and 3 show cross sections of the cold atmospheric plasma generator (2).
  • the cold atmospheric plasma generator (2) is made up of two facing metal electrodes (6) and (7) separated by a space (15).
  • the frustoconical positive electrode (6) is connected to a high voltage voltage source (9) and the flat metallic electrode (7) is electrically connected to ground (12).
  • Both electrodes have cylindrical symmetry and are held in a coaxial position by two centering parts, in particular, a support part made of insulating material (10) and a metal part (13), respectively. Both centering pieces remain in coaxial position by means of a tube of insulating material (8) that is adjusted by means of ring joints (11) to them.
  • the air inlet and outlet are references (16) and (17), respectively.
  • the positive electrode (6) is connected to a voltage source (9) +V and is held by a support piece of insulating material (10) that fits with the tube of insulating material (8) by means of an O-ring. (eleven).
  • the positive electrode (6) is frustoconical in shape and has a through hole concentric with its axis.
  • a flat metal electrode (7) is connected to ground (12) and facing the previous one held by a metal piece (13) that closes the assembly at the other end of the tube of insulating material (8) with an O-ring. .
  • the grounded flat electrode (12) has rounded edges and has a non-through hole concentric to its axis.
  • This hole or axial perforation leaves a thin wall that forms the front of the ground electrode which, in turn, has a series of through holes (14) of smaller diameter that communicate the interior of the flat metal electrode (7) with the space ( 15) that separates the two electrodes as indicated in figure 2 with a dashed circle.
  • the air that will be activated by means of the cold atmospheric plasma enters the system from the rear part (air inlet (16)) of the positive electrode (6) reaching the space (15) between the electrodes (6) and (7), where it circulates and crosses the through holes (14) penetrating inside the flat metallic electrode (7) and finally leaving the system through the exit (17) thereof.
  • the voltage is applied to the positive electrode (6) in such a way that its value is high enough to overcome the dielectric capacity of the air. in the space (15) between the electrodes (6), (7).
  • a column of cold atmospheric plasma from the circulating air is established between the electrodes (6) and (7).
  • reactive oxygen and nitrogen molecules, RONS are formed, which are drawn by the air current to the outside through the outlet (17) of the flat metallic electrode (7).
  • the cold atmospheric plasma generator (2) can inject a stream of air activated by atmospheric plasma (4) into the main laminar flow that is projected onto the patient (5) as shown in Figure 1.
  • Figure 4 shows a cross section of a schematic showing a preferred embodiment of the respiratory device (1) according to the present invention.
  • the respiratory device (1) comprises a box (19) made of a material that can be insulating or grounded metallic and that contains an air impeller (18) that draws in air (24) from the outside through an inlet opening. (20) where an air filter (21) is housed, for example, a HEPA filter, forcing the air flow to pass through it entirely. The clean air is projected to the outside through a nozzle (22) that produces a laminar flow. Part of the clean air is forced to pass through the cold atmospheric plasma generator (2) configured to expel RONS. The main air stream and the air stream from the RONS generator are mixed at the outlet opening (23).
  • a slat (25) preferably made of metallic material, which allows directing the air flow to the outlet.
  • an air impeller module with 30 cm long cylindrical blades has been used that is oriented horizontally and is housed in a hermetic box made of insulating material.
  • Said box has a rectangular inlet opening (20) oriented downwards where the HEPA filter is housed, whose measurements are 30 cm long by 10 cm wide with a thickness of 3 cm.
  • a rectangular nozzle (22) made of sheet metal is installed at the outlet of the air impeller that slightly concentrates the air flow obtained and projects it horizontally forwards in the form of a laminar flow air tongue.
  • the set works in a way that guarantees that all the projected air has previously passed through the HEPA filter, being free of nanoparticles and other contaminants.
  • the air impeller can operate in four speed regimes which, with the entire system mounted, translates into laminar air flow velocities of 0.4 - 0.70 - 0.9 and 1.25 m/s measured at 1 m away. distance from the outlet opening (23).
  • the air (24) is absorbed by the inlet (20) of the respiratory device (1) due to the depression caused inside the box (19) by the air impeller (18), forcing the incoming flow to pass through. through the HEPA filter.
  • the air is projected forward forming a laminar flow through the rectangular nozzle (22) where part of it is injected into the cold atmospheric plasma generator (2).
  • the main airflow and the airflow activated by the cold atmospheric plasma generator (2) are mixed at the outlet opening (23) of the respiratory device (1) projecting onto the patient (5) for inhalation.
  • the cold atmospheric plasma generator (2) has been built with electrodes (6) and (7) made of brass with a diameter of 10 mm in the space (15) for the formation of the plasma, where the interelectrode separation is 8 mm. .
  • the support piece of insulating material (10) is made of acetyl resin while the one that supports the flat metallic electrode (7) is made of aluminium. Both have a diameter of 39.9 mm at the height of their respective sockets with ring joints (11).
  • the tube of insulating material is made of quartz with a length of 50 mm and an internal diameter of 40 mm with a wall thickness of 2 mm.
  • the flat metallic electrode (7) has 12 through holes (14) of 1 mm in diameter each one distributed in a diameter of 8 mm around its longitudinal axis.
  • a very important aspect regarding the safety of the system is that the design of the flat metallic electrode (7) has the advantage of not allowing access to the plasma creation space (15) accidentally or intentionally.
  • the small diameter (1 mm) of the through holes (14) of the same do not allow access to the plasma area, avoiding any risk of electrocution.
  • the cold atmospheric plasma generator (2) is powered by a high voltage source pulsed at a frequency of 60 kHz which, without load (no load), produces a sinusoidal output voltage of 10 kV peak to peak.
  • capacity breaks dielectric of the air between the electrodes (6), (7) a column of cold atmospheric plasma is established that conducts electricity with a maximum peak current of 60 mA and a voltage that is established at 1.82 kV.
  • This working situation when the cold atmospheric plasma is established, is shown in Figure 5 where the voltage (26) and current (27) signals measured with an oscilloscope are observed. These curves provide the electrical characterization of the plasma used.
  • the measurements were made with an oscilloscope and voltage and current probes, obtaining values of 60 kHz frequency, 1.82 kV peak-to-peak voltage and 60 mA peak current.
  • spectroscopic measurements were made in the ultraviolet-visible and ultraviolet range of the light emitted by the plasma. These measurements are very important to verify the existence of RONS in the plasma that is used and its relative abundance with respect to non-reactive species in air plasmas such as emissions due to simple atoms and/or excited neutral molecules.
  • two fiber optic spectrometers were used whose wavelength range is between 200-800 nm (UV and Visible) and 200-400 nm (UV). The first is used to see the full spectrum and detect the emissions that include, in addition to those coming from the RONS, those of neutral atoms and molecules. The second is of higher resolution and allows obtaining emissions only in the UV range where those due to reactive oxygen and nitrogen molecules, RONS, are found, which are of interest for this patent.
  • Figures 6A and 6B show the result of the spectral measurements where in the image (27a) the complete spectrum is observed in the wavelength range 200-800 nm corresponding to UV-VIS.
  • the emission in the visible spectrum (400-800 nm) is very low compared to the emission in the ultraviolet range (200-400 nm). This abundance in the ultraviolet region implies a relatively high production of RONS.
  • a more detailed spectrum of the UV range is shown in the lower image (28) of Figure 6 where the emission is measured between 200-400 nm.
  • the spectrum shows the emission in the wavelength range 200-800 nm corresponding to ultraviolet and visible, IIV-VIS.
  • image (28a) shows the spectrum with emission only in the ultraviolet range, UV, where the spectral lines of NO (nitric oxide) (29), OH' (hydroxide ion) (30), N2 (molecular nitrogen) (31) and neutral and ionized atomic oxygen (32).
  • the emission of abundant spectral lines that can be classified into four differential characteristic groups is clearly observed, a first group in the range 200-275 nm corresponding to the emissions of the reactive molecule of nitric oxide NO, a second group in the range 275-310 nm corresponding to the emissions of the reactive molecule of the hydroxide ion OH; a third group of emissions in the 310-380 nm range from the excited neutral nitrogen molecule N2 and finally a group of low intensity emissions in the 380-400 nm range from neutral atoms and oxygen ions.
  • the cold atmospheric plasma generator has been optimized both in its construction parameters and in those of power supply for the production of RONS as demonstrated by the measurements carried out.
  • the analyzed light radiation was obtained from inside the flat metallic electrode (7) introducing an optical fiber from the outlet (17). This allowed the capacitation of light from the plasma through the through holes (14).

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Abstract

Generador de plasma atmosférico frío (2) configurado para recibir aire como sustancia de entrada y expulsar RONS, Reactive Oxygen and Nitrogen Species, aptos para ser inhalados por seres vivos como sustancia de salida, y dispositivo respiratorio (1) que integra dicho generador de plasma atmosférico frío (2).

Description

GENERADOR DE PLASMA ATMOSFÉRICO FRÍO Y EQUIPO RESPIRATORIO PARA LA ESTIMULACIÓN DE
LA REGENERACIÓN CELULAR PARA SERES VIVOS
DESCRIPCIÓN
Objeto de la invención
El objeto de la presente invención se refiere a un generador de plasma atmosférico frío y a un equipo respiratorio que incorpora el generador de plasma atmosférico frío.
Antecedentes de la invención
En física e ingeniería se define el plasma como el cuarto estado de la materia. Este estado se alcanza transfiriendo suficiente energía a un gas para que una parte significativa de sus moléculas se ionicen. Son de interés los ejemplos de plasmas en la naturaleza como los de las descargas eléctricas en las tormentas y los de las auroras boreales o australes. Además, existen plasmas que se utilizan tecnológicamente, los tubos de iluminación fluorescentes y de neón son un ejemplo clásico junto con las pantallas de plasma. También se utiliza el plasma para cortar materiales como en el caso de las antorchas de plasma que utilizan su alta temperatura y gran capacidad de transferir calor. Sin embargo, en los últimos veinte años, se han desarrollado dispositivos capaces de crear plasmas de gases a presión atmosférica de baja temperatura, algunos de los cuales son compatibles con el tejido vivo. La clave de estos plasmas para no dañar los tejidos es el hecho de estar fuera del equilibrio termodinámico. Esta característica limita fuertemente la capacidad de transferir calor a otros cuerpos con los que toman contacto recibiendo la denominación de plasmas atmosféricos fríos o CAP de sus siglas inglesas Cold Atmospheric Plasma. Este tipo de plasmas produce una cierta concentración de moléculas de oxígeno y nitrógeno activadas que se denominan: especies reactivas de oxígeno y nitrógeno o “RONS” de sus siglas inglesas provenientes de Reactive Oxygen and Nitrogen Species. La importancia de las RONS se debe a sus propiedades desinfectantes y regeneradoras sobre las células de mamíferos. Esto ha dado origen el desarrollo de una nueva rama sanitaria denominada medicina del plasma que se encuentra en plena fase de crecimiento y dentro de la que esta invención se encuadra.
Los CAPs son capaces de aniquilar bacterias, hongos y virus sin apenas producir efectos negativos sobre las células sanas de un organismo, como lo demuestra la abrumadora cantidad de publicaciones internacionales al respecto. Existe un amplio consenso internacional acerca de los fundamentos científicos que sustentan los efectos clínicos que se observan al utilizar CAPs. Se ha demostrado que las RONS son las responsables de estos efectos en virtud de su capacidad de producir estrés oxidativo sobre las células y microorganismos sobre los que se aplica el plasma atmosférico frío. La diferencia entre los niveles de tolerancia de estrés oxidativo entre una célula sana y microorganismos nocivos es la razón de la selectividad que los CAPs que se acaba de mencionar. Debido a diferencias estructurales entre células sanas y bacterias, hongos y virus como son el tamaño y la ausencia de protección del ADN de estos últimos, el nivel de tolerancia es del orden de cien veces mayor en favor de las células sanas. El estrés oxidativo producido por las RONS provenientes de un plasma atmosférico frío no alcanza a dañar al tejido sano, pero elimina microorganismos nocivos incluyendo entre estos a bacterias resistentes.
Aprovechando la capacidad de desinfección de los CAPs se han desarrollado sistemas de purificación de aire que los utilizan, como por ejemplo los detallados en las patentes: US 8,529,830 B2, US7824475B2, US7427313B2, EP2663403B1 y EP3097750B1 , entre otras. Estos sistemas incorporan distintos tipos de generadores de plasma para tratar el aire con el fin de eliminar microorganismos y de esa manera lograr cierto grado de limpieza del aire.
La presente invención no pretende ahondar más aún en las bondades del aire limpio en la salud y la necesidad de sistemas de purificación, sino que abre un nuevo campo de utilización de los RONS que genera un plasma atmosférico frío para su uso terapéutico sobre la base del concepto de hormesis.
Se han identificado una cantidad de procesos durante los cuales una dosis baja o subletal de un agente o estímulo estresante es capaz de activar una respuesta adaptativa que incrementa la resistencia de una célula u organismo frente a un estrés de mayor intensidad. Esta respuesta se define como hormesis. Normalmente estamos expuestos a agentes herméticos como radiación, calor, metales pesados, antibióticos, sustancias prooxidantes, o ejercicio físico donde también se incluye la restricción alimentaria. La reacción hermética implica la expresión de gran cantidad de genes que codifican proteínas citoprotectoras como las chaperonas del tipo de las que responden a estrés térmico, enzimas antioxidantes, factores de crecimiento, las metalotioneínas, entre otros. Cuando las células de mamíferos, incluyendo las de humanos, se exponen a dosis bajas de RONS, éstas cambian la intensidad de expresión de los genes participantes en la respuesta hermética en un lapso de aproximadamente 9 h. La expresión de genes constitutivos, de crecimiento y de proliferación, disminuye, mientras que la expresión de genes protectores aumenta, permitiendo que las células estimuladas de manera hermética sean significativamente más resistentes a un estrés oxidativo futuro hasta unas 15 y 30 horas después del estímulo. Macroscópicamente la respuesta hermética se puede comparar con una respuesta inmune de vacunación, pero con la gran diferencia de que la primera no guarda memoria a largo plazo (más allá de las 30 horas), y para volver a tener el efecto hermético, las células u organismos deben volver a exponerse al agente inductor.
Descripción de la invención
La presente invención se refiere un dispositivo respiratorio que produce y proyecta sobre un paciente humano o animal un flujo de aire laminar que contiene una concentración específica de moléculas reactivas de oxígeno y nitrógeno para su inhalación. Estas RONS son generadas por un generador de plasma atmosférico frío configurado para recibir aire como sustancia de entrada y expulsar RONS como sustancia de salida y que forma parte del dispositivo respiratorio y que utiliza la respuesta hermética de humanos y animales particularmente frente a niveles muy bajos de estrés oxidativo.
Así pues, la invención propuesta consiste en un dispositivo respiratorio que produce una reacción hermética en humanos y animales por medio de la inhalación de pequeñas dosis de RONS disueltas en el aire que han sido producidas por un generador de plasma atmosférico frío.
El dispositivo propuesto forma una unidad de generación de aire limpio activado por un plasma atmosférico frío que se aplica al paciente tanto en una habitación cerrada como en una cámara semiabierta diseñada específicamente para tal fin.
Para un mejor entendimiento conceptual de la invención, esta puede considerarse compuesta de dos partes principales cuyas funciones pueden ser integradas y permitir obtener un flujo laminar de aire relativamente rico en RONS producidas por un generador de plasma atmosférico frío.
Figure imgf000006_0001
atmosférico frío El plasma es un estado de la materia donde las partículas ionizadas y electrones se mueven a altas velocidades produciendo choques de alta energía y alta frecuencia que favorecen la producción de reacciones químicas que no se producirían en las condiciones ambientales normales. Esta característica es la que permite la formación de las RONS a partir de las moléculas de oxígeno y nitrógeno.
Dispositivo respiratorio: Este dispositivo puede incluir el generador de plasma atmosférico frío y es el encargado de acondicionar el aire antes de ser adicionalmente activado por plasma atmosférico frío. Este dispositivo se compone de un impulsor silencioso de aire y un filtro de aire HEPA (de sus siglas en inglés: High Efficiency Particle Arresting o filtro de alta eficiencia de supresión de partículas). El conjunto funciona de manera que se eliminan los microorganismos y partículas del aire incluyendo las nanopartículas presentes. El montaje del conjunto incluye un diseño de tobera, para la producción de un flujo laminar de aire. La ausencia de turbulencias en el flujo laminar es una de las claves para poder transportar de forma óptima los RONS en el flujo de aire.
Figure imgf000007_0001
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del generador de plasma y del dispositivo respiratorio de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un esquema conceptual del dispositivo respiratorio que integra el generador de plasma atmosférico frío de acuerdo con la presenta invención y su aplicación a un paciente.
La figura 2 muestra una vista lateral en sección de corte transversal del generador de plasma atmosférico frío de acuerdo con la presente invención.
La figura 3 muestra una sección en corte transversal en perspectiva del generador de plasma atmosférico frío de acuerdo con la presente invención.
La figura 4 muestra una sección en corte transversal del dispositivo respiratorio que integra el generador de plasma atmosférico frió, donde se realizaron pruebas y mediciones del sistema propuesto.
La figura 5 muestra la imagen obtenida de medición de las señales de tensión y de corriente entre los electrodos del generador de plasma atmosférico frió.
La figura 6A y 6B muestran dos espectros de emisión lumínica obtenidos del plasma atmosférico frío producido por el generador de plasma atmosférico frió por medio de una fibra óptica introducida en el interior del electrodo de tierra.
Realización preferente de la invención
La Figura 1 muestra un esquema conceptual en forma de diagrama de bloques donde se indica la ubicación del dispositivo respiratorio (1) y el generador de plasma atmosférico frío (2). El dispositivo respiratorio (1) se encuentra alojado en una caja (6a) junto con el generador de plasma atmosférico frío (2) que inyecta un flujo de aire activado por plasma (4) en el flujo laminar de aire limpio (3). El flujo total y laminar de aire se proyecta sobre el paciente (5).
El flujo laminar de aire limpio (3) es enriquecido por la inyección del flujo de aire activado por plasma (4) proveniente del generador de plasma atmosférico frío (2). Este flujo laminar de aire enriquecido con RONS generadas por el generador de plasma atmosférico frío (2) es proyectado sobre el paciente (5) para su inhalación. Todo el sistema se encuentra montado dentro de la caja (6a) y se encuentra conectado a la red domiciliaria de distribución de energía eléctrica desde donde obtiene la energía necesaria para su funcionamiento.
Si el aire no está filtrado y tratado convenientemente puede arrastrar partículas contaminantes de todo tipo incluyendo las provenientes de la combustión de hidrocarburos dentro del generador de plasma atmosférico frío (2). En este caso, podrían producirse reacciones químicas con las moléculas contaminantes cuando toman contacto con el plasma que serían impredecibles, así como los compuestos que pudiesen generarse. Por lo tanto, el uso de la etapa previa de filtrado del aire, antes de ser utilizado en el generador de plasma atmosférico frío (2), es recomendable para permitir que las moléculas reactivas que se generen sean solamente de oxígeno y nitrógeno. Esto permite que no se introduzcan compuestos desconocidos en el flujo de aire que se aplica al paciente.
Las figuras 2 y 3 muestran secciones transversales del generador de plasma atmosférico frío (2).
El generador de plasma atmosférico frío (2) se compone de dos electrodos metálicos (6) y (7) enfrentados separados por un espacio (15). El electrodo positivo troncocónico (6) está conectado a una fuente de voltaje (9) de alta tensión y el electrodo metálico plano (7) está conectado eléctricamente a tierra (12). Ambos electrodos tienen simetría cilindrica y son mantenidos en posición coaxial por dos piezas de centrado, en particular, una pieza de soporte de material aislante (10) y una pieza metálica (13), respectivamente. Ambas piezas de centrado se mantienen en posición coaxial por medio de un tubo de material aislante (8) que se ajusta por medio de juntas toncas (11) a las mismas. La entrada y salida de aire son las referencias (16) y (17), respectivamente.
El electrodo positivo (6) se conecta a una fuente de voltaje (9) +V y está sujeto por una pieza de soporte de material aislante (10) que se ajusta con el tubo de material aislante (8) por medio de una junta tórica (11). El electrodo positivo (6) tiene forma troncocónica y posee un orificio pasante concéntrico con su eje. Por otra parte, un electrodo metálico plano (7) está conectado a tierra (12) y enfrentado al anterior sujeto por una pieza metálica (13) que cierra el conjunto en el otro extremo del tubo de material aislante (8) con una junta tórica. El electrodo plano conectado a tierra (12) posee los bordes redondeados y tiene un orificio no pasante concéntrico a su eje. Este orificio o perforación axial deja una pared delgada que forma el frente del electrodo de tierra que, a su vez, tiene una serie de orificios pasantes (14) de menor diámetro que comunican el interior del electrodo metálico plano (7) con el espacio (15) que separa los dos electrodos como está indicado en la figura 2 con un círculo de trazos.
El aire que será activado por medio del plasma atmosférico frío entra en el sistema desde la parte trasera (entrada de aire (16)) del electrodo positivo (6) alcanzando el espacio (15) entre los electrodos (6) y (7), donde circula y atraviesa los orificios pasantes (14) penetrando en el interior del electrodo metálico plano (7) y finalmente abandonando al sistema por la salida (17) del mismo.
Una vez que se establece una corriente de aire dentro del generador de plasma atmosférico frío (2), se aplica el voltaje en el electrodo positivo (6) de forma tal que su valor sea lo suficientemente alto para que se supere la capacidad dieléctrica del aire en el espacio (15) entre los electrodos (6), (7). De esta manera se establece una columna de plasma atmosférico frío del aire circulante entre los electrodos (6) y (7). Dentro de la columna de plasma se forman moléculas reactivas de oxígeno y nitrógeno, RONS, que son arrastradas por la corriente de aire hacia el exterior por la salida (17) del electrodo metálico plano (7). El generador de plasma atmosférico frío (2) puede inyectar una corriente de aire activado por plasma atmosférico (4) en el flujo laminar principal que se proyecta sobre el paciente (5) como muestra la Figura 1.
La Figura 4 muestra un corte transversal de un esquema que muestra una realización preferente del dispositivo respiratorio (1) de acuerdo con la presente invención.
El dispositivo respiratorio (1) comprende una caja (19) de un material que puede ser aislante o metálico puesto a tierra y que contiene un impulsor de aire (18) que absorbe aire (24) desde el exterior a través de una abertura de entrada (20) donde se aloja un filtro de aire (21), por ejemplo, un filtro HEPA, forzando que el flujo de aire lo atraviese en su totalidad. El aire limpio es proyectado hacia el exterior por medio de una tobera (22) que produce un flujo laminar. Parte del aire limpio es forzado a pasar a través del generador de plasma atmosférico frío (2) configurado para expulsar RONS. La corriente de aire principal y la corriente de aire proveniente del generador de RONS se mezclan en la abertura de salida (23). Una lama (25), preferiblemente de material metálico, que permite orientar el flujo de aire a la salida.
En esta realización, se ha utilizado un módulo impulsor de aire (18) de aspas cilindricas de 30 cm de longitud que se orienta horizontalmente y que se encuentra alojado en una caja hermética de material aislante. Dicha caja posee una abertura de entrada (20) rectangular orientada hacia abajo donde se encuentra alojado el filtro HEPA cuyas medidas son de 30 cm de largo por 10 cm de ancho con un espesor de 3 cm. A la salida del impulsor de aire se encuentra instalada una tobera (22) rectangular hecha de chapa metálica que concentra ligeramente el flujo de aire obtenido y lo proyecta horizontalmente hacia adelante en forma lengua de aire de flujo laminar. El conjunto funciona de manera que garantiza que todo el aire proyectado haya pasado previamente por el filtro HEPA encontrándose libre de nanopartículas y otros contaminantes. El impulsor de aire puede funcionar en cuatro regímenes de velocidad que, con todo el sistema montado, se traduce en velocidades del flujo laminar de aire de 0,4 - 0,70 - 0,9 y 1.25 m/s medidos a 1 m de distancia de la abertura de salida (23).
Parte del aire limpio producido, es impulsado a través del generador de plasma atmosférico frío (2) que se encuentra fijo en el centro de la tobera (22). Esta porción de aire se incorpora al flujo principal en la abertura de salida (23) correspondiendo, en este caso particular, al 5 % del total. El corte transversal de la Figura 4 está realizado en el plano donde se encuentra el generador de plasma atmosférico frío (2). Finalmente, la lama (25), fina de material metálico colocada de manera horizontal a la salida puede orientar el flujo de aire para proyectarlo hacia una dirección en particular.
Así pues, el aire (24) es absorbido por la entrada (20) del dispositivo respiratorio (1) debido a la depresión causada en el interior de la caja (19) por el impulsor de aire (18) obligando a pasar el flujo entrante por el filtro HEPA. El aire es proyectado hacia adelante conformando un flujo laminar por la tobera (22) rectangular donde parte del mismo se inyecta dentro del generador de plasma atmosférico frío (2). Finalmente, el flujo de aire principal y el flujo de aire activado por el generador de plasma atmosférico frío (2) se mezclan en la abertura de salida (23) del dispositivo respiratorio (1) proyectándose sobre el paciente (5) para su inhalación.
El generador de plasma atmosférico frío (2) ha sido construido con electrodos (6) y (7) hechos de latón con un diámetro de 10 mm en el espacio (15) para la formación del plasma, donde la separación interelectródica es de 8 mm. La pieza de soporte de material aislante (10) es de resina acetílica mientras que la que soporta al electrodo metálico plano (7) es de aluminio. Ambas tienen diámetro de 39.9 mm a la altura de sus respectivos encastres con juntas toncas (11). El tubo de material aislante es de cuarzo con una longitud de 50 mm y un diámetro interno de 40 mm teniendo un espesor de pared de 2 mm. El electrodo metálico plano (7) tiene 12 orificios pasantes (14) de 1 mm de diámetro cada uno distribuidos en un diámetro de 8 mm alrededor del eje longitudinal del mismo. Un aspecto muy importante respecto de la seguridad del sistema, es que el diseño del electrodo metálico plano (7) tiene la ventaja de no permitir el acceso al espacio (15) de creación del plasma de manera accidental o intencionada. El pequeño diámetro (1 mm) de los orificios pasantes (14) del mismo no permiten acceder a la zona de plasma evitando cualquier riesgo de electrocución.
El generador de plasma atmosférico frío (2) es energizado por una fuente de alta tensión pulsada a una frecuencia de 60 kHz que, sin carga (en vacío), produce una tensión de salida senoidal de 10 kV pico a pico. Cuando se rompe la capacidad dieléctrica del aire entre los electrodos (6), (7) se establece una columna de plasma atmosférico frío que conduce la electricidad con una corriente máxima de pico de 60 mA y una tensión que se establece en 1 ,82 kV. Esta situación de trabajo, cuando el plasma atmosférico frío está establecido, se muestra en la Figura 5 donde se observan las señales de tensión (26) y corriente (27) medidas con un osciloscopio. Estas curvas proporcionan la caracterización eléctrica del plasma utilizado.
Las mediciones fueron realizadas con osciloscopio y sondas de tensión y corriente obteniéndose valores de 60 kHz de frecuencia, 1 ,82 kV de tensión pico a pico y 60 mA de corriente de pico.
Además, se realizaron mediciones espectroscópicas en el rango ultravioleta-visible y ultravioleta de la luz emitida por el plasma. Estas mediciones son muy importantes para comprobar la existencia de RONS en el plasma que se utiliza y su abundancia relativa respecto de especies no reactivas en los plasmas de aire como emisiones debidas a simples átomos y/o moléculas neutras excitadas. Para eso se utilizaron dos espectrómetros de fibra óptica cuyo rango de longitudes de onda están entre 200-800 nm (UV y Visible) y 200-400 nm (UV). El primero sirve para ver el espectro completo y detectar las emisiones que incluyen, además de las provenientes de las RONS, las de átomos y moléculas neutras. El segundo es de mayor resolución y permite obtener las emisiones solo en el rango UV donde se encuentran las debidas a las moléculas reactivas de oxígeno y nitrógeno, RONS, que son de interés para esta patente.
La Figuras 6A y 6B muestran el resultado de las mediciones espectrales donde en la imagen (27a) se observa el espectro completo en el rango de longitudes de onda 200-800 nm correspondiente al UV-VIS. En este espectro se aprecia que la emisión en el espectro visible (400-800 nm) es muy baja respecto de la emisión en el rango ultra violeta (200-400 nm). Esta abundancia en la región ultravioleta implica una relativamente alta producción de RONS. Un espectro más detallado del rango UV se muestra en la imagen inferior (28) de la Figura 6 donde se mide la emisión entre 200- 400 nm. El espectro muestra la emisión en el rango de longitudes de onda 200-800 nm correspondiente al ultravioleta y visible, IIV-VIS. En la figura 6B, la imagen (28a) muestra el espectro con emisión solo en el rango ultravioleta, UV, donde se aprecian las líneas espectrales de NO (óxido nítrico) (29), OH' (ion hidróxido) (30), N2 (nitrógeno molecular) (31) y oxígeno atómico neutro y ionizado (32).
Se observa claramente la emisión de abundantes líneas espectrales que pueden clasificarse en cuatro grupos característicos diferenciales, un primer grupo en el rango 200-275 nm correspondiente a las emisiones de la molécula reactiva de óxido nítrico NO, un segundo grupo en el rango 275-310 nm correspondiente a las emisiones de la molécula reactiva del ion hidróxido OH; un tercer grupo de emisiones en el rango 310-380 nm provenientes de la molécula neutra excitada de nitrógeno N2 y por último un grupo de emisiones de baja intensidad en el rango 380-400 nm provenientes de átomos neutros e iones de oxígeno. El generador por plasma atmosférico frío ha sido optimizado tanto en sus parámetros constructivos como en los de alimentación eléctrica para la producción de RONS como lo demuestran las mediciones realizadas. La radiación lumínica analizada se obtuvo desde el interior del electrodo metálico plano (7) introduciendo una fibra óptica desde la salida (17). Esto permitió la capacitación de luz proveniente del plasma a través de los orificios pasantes (14).

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Generador de plasma atmosférico frío (2) configurado para recibir aire como sustancia de entrada y expulsar RONS, Reactive Oxygen and Nitrogen Species, aptos para ser inhalados por seres vivos, como sustancia de salida, el generador de plasma atmosférico frío (2) comprende: un tubo de material aislante (8) que define una cavidad; una pieza de soporte de material aislante (10) acoplada a un primer extremo del tubo de material aislante (8); una pieza metálica (13) acoplada a un segundo extremo del tubo de material aislante (8); un electrodo positivo troncocónico (6) establecido en la cavidad del tubo de material aislante (8) y conectable a una fuente de voltaje (9); un electrodo metálico plano (7) establecido en la cavidad del tubo de material aislante (8) y conectable a tierra (12), donde los electrodos (6, 7) se hallan enfrentados definiendo un espacio (15) entre electrodos (6, 7) en una configuración holllow pin-pepper pot donde la pieza de soporte de material aislante (10) está configurada para sujetar el electrodo positivo troncocónico (6), donde la pieza metálica (13) está configurada para sujetar el electrodo metálico plano (7), donde electrodo positivo troncocónico (6) posee una perforación axial pasante configurada para permitir el paso del aire a la cavidad del tubo de material aislante (8), donde el electrodo metálico plano (7) comprende una cavidad axial y una pluralidad de perforaciones pasantes (14) en la superficie del electrodo metálico plano (7) que comunican la cavidad axial con la cavidad del tubo de material aislante (8), donde el generador de plasma atmosférico frío (2) está configurado para: establecer una corriente de aire circulante entre los electrodos (6) y (7); aplicar un voltaje en el electrodo positivo troncocónico (6) mayor que la capacidad dieléctrica del aire en el espacio (15) entre los electrodos (6) y (7); generar una columna de plasma atmosférico frío del aire circulante entre los electrodos (6) y (7), y expulsar los RONS generados en la columna de plasma atmosférico frío a través de la cavidad axial del electrodo metálico plano (7) hacia el exterior del generador de plasma atmosférico frío (2).
2. El generador de plasma atmosférico frío (2) de acuerdo con la reivindicación 1 , donde los electrodos (6, 7) tienen simetría cilindrica y están establecidos en posición coaxial por las piezas de soporte de material aislante (10) y la pieza metálica (13), respectivamente.
3. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, donde la pieza de soporte de material aislante (10) está acoplada a un primer extremo del tubo de material aislante (8) mediante una primera junta tórica (11).
4. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, donde la pieza metálica (13) está acoplada a un segundo extremo del tubo de material aislante (8) mediante una segunda junta tórica (11).
5. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, donde los electrodos (6, 7) comprenden latón y un diámetro de 10 mm y una separación interelectródica es de 8 mm.
6. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, donde la pieza de soporte de material aislante (10) es de resina acetílica y con un diámetro de 39.9 mm.
7. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, donde la pieza metálica (13) comprende aluminio y un diámetro de 39.9 mm.
8. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, donde el tubo de material aislante (8) es de cuarzo con una longitud de 50 mm, un diámetro interno de 40 mm y un espesor de pared de 2 mm.
9. El generador de plasma atmosférico frío (2), de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, donde el electrodo metálico plano (7) comprende 12 orificios pasantes (14) de 1 mm de diámetro cada uno distribuidos en un diámetro de 8 mm alrededor del eje longitudinal del mismo.
10. Dispositivo respiratorio (1) que comprende una abertura de entrada (20) y una abertura de salida (23), el dispositivo comprende: un impulsor de aire (18) configurado para absorber aire desde la abertura de entrada (20); un filtro de aire (21) configurado para generar aire filtrado impulsado por el impulsor de aire (18); el generador de plasma (2) de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 9 configurado para absorber parte del aire filtrado como sustancia de entrada y expulsar RONS, Reactive Oxygen and Nitrogen Species como sustancia de salida; una tobera (22) configurada para la expulsión del aire filtrado enriquecido con los RONS por la abertura de salida (23) en un flujo laminar, donde el flujo laminar es apto para ser inhalado por seres vivos.
11 . El dispositivo respiratorio (1) de acuerdo con la reivindicación 10, que además comprende una caja hermética de material aislante que aloja el impulsor de aire (18), donde el impulsor de aire (18) comprende aspas cilindricas de 30 cm de longitud.
12. El dispositivo respiratorio (1), de acuerdo con las reivindicaciones 10 u 11 , donde el filtro de aire es un filtro HEPA, High Efficiency Particle Arresting cuyas medidas son de 30 cm de largo por 10 cm de ancho con un espesor de
Figure imgf000016_0001
13. El dispositivo respiratorio (1), de acuerdo con las reivindicaciones 10 a 12, donde la tobera (22) tiene forma rectangular y es de chapa metálica.
14. El dispositivo respiratorio (1), de acuerdo con las reivindicaciones 10 a 13, que comprende una lama (25) configurada para orientar el flujo laminar.
15. El dispositivo respiratorio (1), de acuerdo con la reivindicación anterior, donde la lama (25) comprende metal.
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