Способ получения плазменно-активированных стерильных жидкостей
METHOD FOR PRODUCING PLASMA-ACTIVATED STERILE LIQUIDS

Изобретение относится к области медицины и биологии и может быть использовано для получения плазменно-активированных стерильных жидкостей с применением низкотемпературной (холодной) плазмы, формирующейся с помощью диэлектрического барьерного разряда.
Способ может быть применен, в частности, для физиологических растворов с целью придания им различных свойств, которые могут быть использованы для профилактики и лечения заболеваний (в том числе онкологических), стерилизации инфицированных тканей, инактивации микроорганизмов, ускорения заживления ран, регенерации кожи и свертывания крови.
Неравновесная низкотемпературная плазма атмосферного давления в последние годы привлекает исследователей в различных областях медицины и биологии. Такая холодная плазма позволяет обрабатывать жидкостные среды и теплочувствительные материалы, такие как биологические мишени, не выдерживающие повышенную температуру (>40-41°С) и пониженное давление. С этой целью используют газовые разряды различных типов. При этом, можно выделить два основных направления - это создание холодной плазмы с использованием протока рабочего газа/смеси газов (обычно это аргон или гелий), что позволяет увеличить размер плазменной струи и ее однородность, и генерация низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении в воздухе (без протока).
Одним из распространенных способов создания низкотемпературной плазмы атмосферного давления является диэлектрический барьерный разряд, в котором разрядный ток ограничен десятками микроампер и не должен приводить к сильному нагреву и высоким температурам обрабатываемой поверхности. Синергетический эффект при воздействии потока электронов и радикалов электромагнитного поля, а также сопутствующего разряду ультрафиолетового излучения приводит не только к модификации поверхности, но и изменению свойств, обрабатываемых биологических и жидкостных сред, что нашло применение в медицине и биотехнологиях.
В последнее время активизировалась работа по выяснению возможности расширения области применения холодной плазмы в области профилактики и лечения онкологические заболевания. Интерес представляют результаты воздействия низкотемпературной плазмы как непосредственно на клеточную среду, так и на культуральные жидкости для воздействия на раковые клетки и иммунитет в живом организме. Каскад химических реакций с участием активных частиц, генерируемых в плазме, происходит на границе раздела жидкость - газ, основной эффект при этом состоит в обогащении жидкости активными формами кислорода (reactive oxygen species - ROS), такими как гидроксильный, пероксильный и супероксидный радикалы, а также активными формами азота (reactive nitrogen species - RNS), такими как нитраты, нитриты, монооксид азота и пероксинитрит. В последние несколько лет появилось новое направление исследований - плазменная фармация. Плазменная активация жидкостей (ее насыщение активными азото- и кислородосодержащими радикалами) вызвала интерес в использовании для создания новых лекарственных средств, а также непосредственно для воздействия на живой организм. Исследования показывают, что плазменно-обработанные жидкости могут достаточно долго сохранять свои вновь приобретенные свойства.
Известна система для получения плазменно-активированных жидких сред [US 20190076537 А1, A61K 47/46, 14.03.2019], в которой с помощью ионизирующего газа создается плазма, обрабатывающая жидкую среду в специальном контейнере. Причем в качестве жидкой среды может быть использована денонсированная вода, раствор электролита на водной основе, физиологический раствор с фосфатным буфером, раствор глюкозы и т.д.
Недостатком этой системы является невозможность обеспечить стерильность жидкой среды.
Известен способ [RU 2702594, C1, C02F 1/00, 08.10.2019], согласно которому на воду или водный раствор воздействие плазмой осуществляют в режиме бесконтактной активации, для чего на воду или водный раствор воздействуют непрерывным безэлектродным плазменным факелом, который создают факельным СВЧ плазмотроном, генерирующим в парогазовой среде при атмосферном давлении направленную струю низкотемпературной плазмы.
Из этого технического решения известно также устройство для осуществления бесконтактной плазменной активации воды или водных растворов, которое содержит факельный СВЧ плазмотрон с емкостной связью, включающий магнетрон, прямоугольный и коаксиальный волноводы, коаксиальный волновод герметично изолированный от прямоугольного волновода радиопрозрачной кварцевой трубкой-изолятором, при этом, центральный проводник коаксиального волновода представляет собой медную трубку, служащую для подачи плазмообразующего газа, и заканчивается соплом с отверстием диаметром 1,5 мм для формирования направленной струи плазмообразующего газа, а рабочая часть факельного СВЧ плазмотрона помещена через уплотнение в герметичную камеру, содержащую сосуд с обрабатываемой жидкостью, закрепленный на штоке-лифте.
Недостатком этой системы является невозможность обеспечить стерильность жидкости (воды или водных растворов), а также относительно высокая сложность, вызванная использованием мощного СВЧ плазмотрона.
Наиболее близким о технической сущности к предложенному является способ получения плазмоактивированного физиологического раствора [US 20190279849, 12.09.2019], включающий стадию погружения катода в физиологический раствор в контейнере, стадию размещения анода на фиксированном расстоянии от поверхности указанного физиологического раствора в указанном контейнере и стадию приложения электрической энергии к указанному аноду в течение фиксированного периода времени, причем, указанное фиксированное расстояние и указанный фиксированный период времени выбираются таким образом, чтобы вызвать самоорганизующуюся плазменную картину на поверхности указанного физиологического раствора с атмосферным разрядом между указанным анодом и указанным катодом.
Недостатками наиболее близкого технического решения является сложность обеспечения стерильности обработанных жидкостей и стабильности режима плазменной обработки.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения плазменно-активированных стерильных жидкостей с сохранением их стерильности и с заданными параметрами для использования в различных медико-биологических применениях, в том числе в лечении онкологических заболеваний, и расширения на этой основе арсенала технических средств, которые могут быть использованы для получения плазменно-активированных жидкостей.
Требуемый технический результат заключатся в получении плазменно-активированных жидкостей с сохранением их стерильности и расширении на основе этого арсенала технических средств, которые могут быть использованы для получения плазменно-активированных стерильных жидкостей.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, подают высоковольтное переменное напряжение на время плазменной активации жидкости на рабочий и заземляющий электроды, согласно изобретению, перед подачей высоковольтного напряжения заземляющий электрод закрепляют на внешней стороне дна сосуда (ампулы, флакона и т.п.) со стерильной жидкостью, а рабочий электрод закрепляют на внешней боковой стенке сосуда на уровне поверхности жидкости и выполняют его в виде кольца или электрически соединенных между собой охватывающих сосуд в месте их установки одного или нескольких электропроводящих лепестков.
Требуемый технический результат достигается тем, что переменное высоковольтное напряжение между заземляющим и рабочим электродами устанавливают величиной от 2 до 10 кВ.
Требуемый технический результат достигается тем, что переменное высоковольтное напряжение между заземляющим и рабочим электродами подают в виде переменного синусоидального напряжения или высоковольтных импульсов с частотой 20-60 кГц, длительностью 100 нс - 20 мкс и амплитудой 2-10 кВ.
Требуемый технический результат достигается тем, что переменное высоковольтное напряжение между заземляющим и рабочим электродами подают одновременно на группу сосудов со стерильной жидкостью, установленных в кассету.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - схема получения плазменно-активированных стерильных жидкостей при использовании рабочего электрода в виде кольца;
на фиг. 2 - схема получения плазменно-активированных стерильных жидкостей при использовании рабочего электрода в виде электрически соединенных между собой охватывающих сосуд в месте их установки электропроводных лепестков;
на фиг. 3 - пример получения плазменно-активированных стерильных жидкостей с для сосудов с жидкостью, установленных в кассеты (фиг. 3а - вид сверху, фиг. 3б - вид снизу);
на фиг. 4 - график изменений оптической плотности жидкости (физраствора) после добавления в нее реагента Грисса, где увеличение оптической плотности физраствора соответствует увеличению концентрации NOx (контроль 1 - физраствор в стеклянной ампуле без обработки холодной плазмой, контроль 2 - физраствор в пластиковой ампуле без обработки холодной плазмой, обработка 1 - физраствор в стеклянной ампуле после обработки холодной плазмой, обработка 2 - физраствор в пластиковой ампуле после обработки холодной плазмой, объем физраствора в ампулах - 5 мл., время обработки - 15 минут).
На чертеже обозначены: 1 - сосуд с жидкостью; 2 - рабочий электрод; 3 - клемма подачи рабочего напряжения; 4 - заземляющий электрод; 5 - клемма заземления; 6 - уровень поверхности жидкости в сосуде; 7 - кассета для установки сосудов с жидкостью.
Предложенный способ получения плазменно-активированных стерильных жидкостей реализуется следующим образом.
На внешней стороне дна сосуда 1 (ампулы, флакона и т.п.) со стерильной жидкостью закрепляют заземляющий электрод 4, а на внешней боковой стенке сосуда 1 на уровне 6 поверхности жидкости закрепляют рабочий электрод 2 в виде кольца или электрически соединенных между собой охватывающих сосуд в месте их установки одного или нескольких электропроводящих лепестков и на клемму подачи рабочего напряжения подают переменное высоковольтное напряжение на время плазменной активации жидкости.
Переменное высоковольтное напряжение между заземляющим 4 и рабочим 2 электродами устанавливают величиной от 2 до 10 кВ, с частотой 20-60 кГц. В случае импульсного напряжения, его подают в виде высоковольтных импульсов с частотой 20-60 кГц, длительностью 100 нс -20 мкс и амплитудой 2-10 кВ.
Эффективность диэлектрического барьерного разряда, возникающего внутри обрабатываемого объема, связана с материалом диэлектрика, частотой и величиной задаваемого высокого напряжения. Для материалов, из которых созданы емкости (ампулы, флаконы и т.д.) для стерильных жидкостей, а также размеров этих емкостей, оптимальными являются частоты 20-60 кГц. Как установлено экспериментально, при более низких и при более высоких частотах падает эффективность обработки. Величина напряжения связана с возможностью получения ДБ разряда (около 2 кВ) и уменьшением вероятности поверхностного пробоя (10 кВ). При этом, в каждом конкретном случае получения ПАЖ (типа жидкости, материала и объемов емкости (ампулы, флаконы и т.д.) для стерильных жидкостей и газа внутри этой емкости) необходимо подбирать оптимальный режим обработки и ограничение тока разряда. Для импульсных источников ситуация аналогична, так как в результате ДБР при переменном напряжении обработка жидкости идет возникающими импульсами длительностью 100 нс -20 мкс.
Режимы подачи напряжения определяются видом жидкости и газа, которые находятся в сосуде, материалом, из которого изготовлен сосуд (стекло, полипропилен, поликарбонат, полиэтилен высокого давления и/или его сплав с полиэтиленом низкого давления) и требуемых параметров жидкостей после их плазменной активации.
Плазменная активация происходит за счет использования диэлектрического барьерного разряда, когда диэлектрическим барьером является стенка сосуда с обрабатываемой жидкостью, что позволяет осуществить плазменную активацию, не открывая сосуда, используя разряд в атмосфере остаточного газа.
Плазменную активацию жидкостей можно достичь и тем, что переменное высоковольтное напряжение между заземляющим и рабочим электродами подать одновременно на группу сосудов 1 со стерильной жидкостью, установленных в кассету 7 (фиг. 3). Этим повышается производительность активации.
Для удобства реализации способа при использовании кассет заземляющий и рабочий электроды могут быть выполнены подпружиненными.
В качестве источника высокого переменного напряжения могут быть использованы пьезотрансформаторы различных типов, позволяющие получить высокочастотное 20кГц - 60 кГц высоковольтное 2кВ - 10 кВ напряжение на электродах плотно прилегающих к сосудам с жидкостью.
Электроды для обработки могут быть в виде металлических колец или нескольких лепестков, находящихся на уровне 6, являющейся границей жидкость-газ в сосуде (фиг. 1). Для обработки нескольких ампул их можно объединить в кассеты с системой электродов, к которым подводится рабочее напряжение (рис. 3).
Реализуемость и эффективность предложенного способа иллюстрируется графиком (фиг. 4), где представлены результаты изменений оптической плотности жидкости (физраствора) после добавления в нее реагента Грисса, где увеличение оптической плотности физраствора соответствует увеличению концентрации NOx (контроль 1 - физраствор в стеклянной ампуле без обработки холодной плазмой, контроль 2 - физраствор в пластиковой ампуле без обработки холодной плазмой, обработка 1 - физраствор в стеклянной ампуле после обработки холодной плазмой, обработка 2 - физраствор в пластиковой ампуле после обработки холодной плазмой, объем физраствора в ампулах - 5 мл., время обработки - 15 минут).
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям, достигается требуемый технический результат, заключающийся в получении плазменно-активированных жидкостей с сохранением их стерильности и расширении на основе этого арсенала технических средств, которые могут быть использованы для получения плазменно-активированных стерильных жидкостей.