Polimerik ve metalik malzemelerin ısıl olmayan plazma yöntemiyle farklı gaz kompozisyonları kullanılarak sterilizasyonunun incelenmesi
Investigation of sterilization of polymeric and metallic materials via nonthermal plasma treatments by using different precursor gas composition
Yazar: YASİN ŞEN
Danışman: PROF. DR. MEHMET MUTLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Escherichia coli = Escherichia coli ; Sterilizasyon = Sterilization

Özet:
Bu çalışma, polietilen ve paslanmaz çelik yüzeyler üzerindeki mikroorganizmaların plazma kullanılarak azaltılmasına ve ısısal olmayan düşük basınç plazmasının genel sterilizasyon metotlarına bir alternatif sağlayacağını göstermeye odaklıdır.Gram-negatif E. coli ve gram-pozitif E. faecium, plazma sterilizasyon ünitesindeki sterilizasyon etkinliğini ölçmek amacıyla seçilmişlerdir. İlk olarak E. faecium bakterisiyle optimum zaman ve güç parametrelerini belirlemek için çalışılmış, daha sonra E. coli bakterisi test mikroorganizması olarak kullanılmıştır. Her bir organizma teker teker test yüzeylerinde plazma prosesine maruz bırakılmıştır. Maruz kalma işleminden sonra, test plakaları dilüsyonlar ve dökme plak yöntemi için sıvı ortama aktarılmıştır. Canlılık eğrileri, her bir plakada canlı kalan mikroorganizmaların sayısına karşılık plazmaya maruz kalma sürelerinin işaretlenmesiyle oluşturulmuş ve ondalık redüksiyon değerleri (mikrobiyal populasyonda % 90 indirgenmeye ulaşmak için gereken zaman) plazma kaynağının öldürücü etkisini karşılaştırmak için parametre olarak kullanılmak amacıyla her bir organizma için hesaplanmıştır.Plazma sterilizasyonun en büyük etkisi reaktif türlerin ve UV fotonların ayrı ayrı rollerinden ileri gelmektedir. Grafiklerinin tek bir düz çizgi gösterdiği klasik sterilizasyonun aksine, plazma sterilizasyonu üç farklı çizgisel parçalı çok eğimli canlılık eğrileri vermektedir.Plazmada mikroorganizma inaktivasyonu üç temel mekanizmaya göre gerçekleşmektedir: Birinci mekanizma, mikroorganizmaların genetik materyallerinin UV ışınlarıyla direk yıkılması; ikinci mekanizma, mikroorganizma için temel teşkil eden atomik bileşenlerden gaza dönüşebilen bileşiklerin meydana gelerek UV ışımanın etkisiyle foton kaynaklı desorpsiyon oluşmasından dolayı mikroorganizmaların atomik düzeyde aşınması ve üçüncü mekanizma, plazmada meydana gelen radikaller veya oksijen atomları kullanılarak yavaş yanmanın bir sonucu olarak gaza dönüşebilen bileşenlerden dolayı yüzeyden kopma ?etching? etkisi sonucu mikroorganizmanın atomik düzeyde aşınmasıdır. Bu yüzden, plazma temelli sterilizasyonun, medikal malzeme ve cihazların düşük sıcaklıklı klinik sterilizasyonu için etilen oksit kullanımına umut verici bir alternatif olduğu sonucuna varılmıştır.Sonuçlar saf oksijen veya saf azot ile plazma işleminin ayrı ayrı kullanıldıklarında etkili sterilizasyon ajanı olmadığını göstermektedir. Gelişen bakteriyel inaktivasyon etkinliğine saf oksijen ve azot gazlarının yerine hava kullanıldığında ulaşılmıştır. Su buharı plazmasının organizmaların yıkılmasında en etkili ajan olduğu bulunmuştur.Yüzey analizleri atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ve temas açısı ölçümleri ile gerçekleştirilmiştir. Bakteri hücre yapılarına plazma işlemi etkileri de atomik kuvvet mikroskobu (AKM) kullanılarak, konfokal ve floresan mikroskobu teknikleriyle incelenmiştir ve plazmaya maruz kalmalarından dolayı hücre yapılarındaki zararlar bütün bakteri örneklerinde gözlenmiştir.Sonuç olarak, reaktif oksijen türleri özellikle plazmada bulunan hidroksil radikal içerenler, bakteriyel deaktivasyon için baskın rol oynadığına inanılmaktadır, çünkü en iyi sonuçlar hava ve su buharı kullanıldığında elde edilmiştir. Bundan dolayı E. coli' nin yıkımında düşük basınç plazmasının oldukça etkili olduğu bulunmuştur.

Abstract:
This study focuses on the utilization of plasma in the reduction of microorganisms on stainless steel and polyethylene surfaces, to determine whether non-thermal, low-pressure plasma could provide an effective alternative to current sterilization methods.Gram-negative E. coli and gram-positive E. faecium were selected for testing sterilization efficiency of our plasma sterilization unit. Firstly; we worked with E. faecium to determine the optimum time and power parameters and then worked with E. coli as a testing microorganism. Each organism was individually exposed to plasma process on test surfaces. Following exposure, test plates were liquefied for dilution and quantitative plate counting. Survivor curves, in which the number of survivors per plate versus exposure time was plotted, were generated, and decimal reduction values (the time required to achieve a 90% reduction in the microbial population) were determined for each organism to serve as a parameter for comparison of the killing efficiency of the plasma source.A major effect of plasma sterilization is the roles of UV photons and reactive species. In contrast to classical sterilization where such plots show a unique straight line, plasma sterilization yields multislope survival curves with three different linear segments. Three basic mechanisms are involved in the plasma inactivation of microorganisms: First mechanism is direct destruction by UV irradiation of the genetic material of microorganisms; second mechanism is erosion of the microorganisms atom by atom, through intrinsic photodesorption by UV irradiation to form volatile compounds combining atoms intrinsic to the microorganisms and third mechanism is erosion of the microorganisms, atom by atom, through etching to form volatile compounds as a result of slow combustion using oxygen atoms or radicals generated from the plasma. Thus, it is concluded that plasma-based sterilization is a promising alternative to the use of ethylene oxide for low-temperature clinical sterilization of medical instruments and devices.The results demonstrated that plasma treatment with pure oxygen or pure nitrogen was not effective sterilizing agents when they were used separately. Improved bacterial inactivation efficiency was achieved when air was used instead of pure oxygen and nitrogen gases. It was found that water vapor plasma is the most effective agent in destruction of the organisms.Surface analysis were carried out by atomic force microscope (AFM) and contact angle measurements. The plasma treatment effects on the bacteria cell structures were also examined by using atomic force microscopy (AFM), confocal and fluorescent microscopy techniques and cell structure damages due to the plasma exposure were observed on both bacterial samples.Consequently, the reactive oxygen species, especially the ones including hydroxyl radical which were presented in the plasma, were believed to play the dominant role for such bacterial deactivation, because the best results could be get when air and water vapor were used. Hence, it was found that low pressure plasma was very effective in destruction of E. coli.