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| 內容簡介： |
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《等离子体活化介质技术及其生物医学应用》系统地阐述等离子体活化介质技术的概念和内涵，并介绍该技术在消毒、抗感染、皮肤病治疗、癌症治疗等方面的应用探索。《等离子体活化介质技术及其生物医学应用》共7章，其中前4章介绍等离子体活化介质技术的发展历史、基本原理、主要特性及其仿真分析方法等，后3章分别围绕等离子体气体、液体和胶体介绍其理化特性与生物医学应用等。
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目录前言第1章 绪论 11.1 等离子体生物医学的基本原理 11.1.1 大气压冷等离子体概述 11.1.2 等离子体的生物效应机理 41.2 等离子体生物医学的发展历史 81.2.1 等离子体与生命起源的研究历史 81.2.2 等离子体生物医学应用的研究历史 101.3 等离子体生物医学的应用形式 131.4 小结 14参考文献 14第2章 等离子体活化介质技术 192.1 等离子体活化介质技术的概念与内涵 192.1.1 等离子体活化介质技术的概念 192.1.2 等离子体活化介质技术的发展历史 212.1.3 等离子体活化介质技术的内涵 232.2 面向介质材料活化处理的等离子体技术 242.2.1 等离子体的活化方式及其优化设计 242.2.2 面向介质活化需求的等离子体类型与工作气体选择 262.2.3 放电模式协同的介质活化增强方法 302.3 介质材料生物活性的分析与评估方法概述 352.3.1 放电等离子体及其活化气理化特性检测 352.3.2 等离子体活化水理化特性检测 352.3.3 等离子体活化胶理化特性检测 352.3.4 生物效应检测 362.3.5 等离子体活化介质的仿真计算方法 362.4 等离子体活化介质的消毒与临床应用概述 372.4.1 消毒与临床治疗需求及研究现状 372.4.2 等离子体活化气的消毒与临床应用简介 412.4.3 等离子体活化水的消毒与临床应用简介 422.4.4 等离子体活化胶的消毒与临床应用简介 432.5 小结 44参考文献 45第3章 等离子体活化介质的理化特性与生物效应检测方法 513.1 放电等离子体及其活化气的理化特性检测方法 513.1.1 影像学检测方法 513.1.2 电学检测方法 543.1.3 发射光谱法 583.1.4 吸收光谱法 663.1.5 激发光谱法 713.1.6 激光散射法 723.1.7 气相质谱法 743.1.8 气相色谱法 753.2 等离子体活化水的理化特性检测方法 763.2.1 常用检测方法介绍 763.2.2 主要液相活性粒子的检测与分析方法 793.3 等离子体活化胶的理化特性检测方法 963.3.1 宏观特性检测方法介绍 963.3.2 微观特性检测方法介绍 983.4 等离子体活化介质的生物效应检测方法 1023.4.1 常用的微生物、细胞系及模式动物介绍 1033.4.2 分子水平检测方法介绍 1043.4.3 细胞水平检测方法介绍 1093.4.4 动物水平检测方法介绍 1143.4.5 临床水平检测方法介绍 1203.5 小结 121参考文献 121第4章 等离子体活化介质的仿真分析方法 1274.1 模型基础参数获取 1274.1.1 粒子种类与反应类型 1284.1.2 反应参数 1304.1.3 输运参数 1364.2 几种典型仿真模型的建立方法 1394.2.1 整体模型 1394.2.2 流体模型 1434.2.3 分子动力学模拟 1464.2.4 相间传质理论与气液边界条件设定 1494.3 智能算法在等离子体活化处理介质材料仿真中的应用 1544.3.1 智能算法辅助的等离子体活化介质材料仿真方法 1544.3.2 智能算法驱动的等离子体仿真方法 1584.4 小结 160参考文献 161第5章 等离子体活化气特性及其生物医学应用 1655.1 等离子体活化气的理化特性与应用形式 1655.1.1 等离子体活化气的制备方法 1655.1.2 等离子体活化气的理化特性 1665.1.3 等离子体活化气的应用形式与优势 1695.1.4 等离子体活化气设备开发进展 1705.2 等离子体活化气用于食品消毒和保鲜 1735.2.1 等离子体活化气用于鸡蛋表面杀菌 1745.2.2 等离子体活化气用于柑橘和草莓保鲜 1795.3 等离子体活化气用于冷链消毒 1835.3.1 等离子体活化气的冷链消毒效果 1845.3.2 等离子体活化气的冷链消毒机制 1905.4 等离子体活化气用于创伤治疗 1935.4.1 等离子体活化气的创伤治疗效果 1945.4.2 等离子体活化气的创伤治疗机制 2015.5 小结 202参考文献 203第6章 等离子体活化水特性及其生物医学应用 2066.1 等离子体活化水的理化特性与应用形式 2066.1.1 等离子体活化水的制备与调控方法 2066.1.2 等离子体活化水的宏观特性与活性粒子 2116.1.3 等离子体活化水的优势与应用形式 2166.1.4 等离子体活化水的设备开发进展 2196.2 等离子体活化水用于消毒 2226.2.1 等离子体活化水的消毒效果 2236.2.2 等离子体活化水的消毒机制 2286.3 等离子体活化水用于抗感染治疗 2356.3.1 等离子体活化水用于抗感染治疗的动物研究 2356.3.2 等离子体活化水用于抗感染治疗的临床研究 2386.3.3 等离子体活化水用于抗感染治疗的安全性评估 2406.4 等离子体活化水用于癌症治疗 2416.4.1 等离子体活化水的抗癌效应 2426.4.2 等离子体活化水的抗癌机理 2526.5 小结 255参考文献 256第7章 等离子体活化胶特性及其生物医学应用 2627.1 等离子体活化胶的理化特性与应用形式 2627.1.1 等离子体活化胶的制备方法 2637.1.2 等离子体活化胶的理化特性 2667.1.3 等离子体活化胶的应用形式与优势 2747.1.4 等离子体活化胶的设备开发进展 2757.2 等离子体活化胶用于伤口和皮肤病治疗 2767.2.1 等离子体活化胶用于伤口治疗效果及机理 2767.2.2 等离子体活化胶用于接触性皮炎治疗效果及机理 2817.2.3 等离子体活化胶用于痤疮治疗效果及机理 2847.2.4 等离子体活化胶用于银屑病治疗效果及机理 2877.2.5 等离子体活化胶用于白癜风治疗效果及机理 2917.3 等离子体活化胶用于癌症治疗 2937.3.1 等离子体活化胶用于癌症原位治疗效果及机理 2947.3.2 等离子体活化胶用于肿瘤全身性免疫治疗效果与机理 2997.4 小结 305参考文献 305展望 309
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第1章 绪论 等离子体生物医学是放电等离子体处理生物物质和治疗各类疾病的理论、技术与应用的统称，其应用主要包括两个方面：①消毒、育种、生物材料改性等非临床应用；②治疗感染、创伤、癌症等临床应用。对于这些生物医学应用而言，活性粒子通常是等离子体实现应用效果的关键因子，因而等离子体生物医学的研究往往以活性粒子的产生、输运与生物效应为主线。经过数十年的研究，等离子体生物医学已初步形成了*具特色的理论体系，开发的多项技术也已获得国内外医疗器械认证并广泛应用，但仍有广阔的发展空间。本章将介绍等离子体生物医学的基本原理、发展历史和应用形式，为后续进一步阐述等离子体活化介质技术作基础铺垫。 1.1 等离子体生物医学的基本原理 面向生物医学应用的等离子体通常在大气压和接近室温的条件下产生，因而此类等离子体被称为大气压冷等离子体。大气压条件使得等离子体的工作气体难以纯净，通常含有反应路径多的N2、O2等分子，而气体温度接近室温，必须要求严格限制放电强度，这使得大气压冷等离子体具有粒子成分多、功率密度低的共性。对于生物医学应用而言，这意味着等离子体产生的粒子，而非等离子体自身的能量起到关键作用。本节将介绍大气压冷等离子体的基本性质、等离子体产生的活性粒子，以及这些活性粒子的生物效应机理，从总体上阐述等离子体生物医学的基本原理。 1.1.1 大气压冷等离子体概述 根据气体温度不同，可以将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体，其中低温等离子体又细分为热等离子体、暖等离子体和冷等离子体[1]。通常来说，热等离子体的气体温度在5000～20000K范围内，暖等离子体的气体温度在1000～5000K范围内，而冷等离子体的气体温度低于1000K甚至接近室温。进入20世纪90年代，由于放电技术的快速发展，使用高电压电源在大气压和接近室温条件下即可获得稳定的等离子体，即大气压冷等离子体。大气压冷等离子体不需要复杂和昂贵的真空系统，在开放的空气环境下就能产生，使得实验成本大大降低，应用领域得到了迅速拓展。许多结构简单、使用方便的新型放电等离子体装置也被开发出来，其中的典型代表为介质阻挡放电装置和等离子体射流装置。介质阻挡放电装置可以产生大面积较为均匀的等离子体，而等离子体射流装置则可以利用气流将等离子体输送至放电区域外，这些优势能够使大气压冷等离子体更为适应不同场景的应用需求，从而在生物医学、环境保护、材料改性等多个领域得到广泛应用。 大气压冷等离子体具有电子温度高(Te>1eV)和气体温度低的特点。高的电子温度可以有效产生具有生物效应的多种活性粒子，而低的气体温度可以使等离子体与人体友好接触，从而开辟了一个新的交叉学科领域——等离子体生物医学。需要指出的是，生物医学应用的等离子体大多是大气压冷等离子体，但也有一些情况用到低气压冷等离子体或大气压热等离子体。例如，低气压冷等离子体可用于医疗器械灭菌，而大气压热等离子体可用于生物材料表面处理。为方便阅读，若无特殊说明，后文所述“等离子体”均指大气压冷等离子体。大量研究表明，等离子体在癌症治疗、组织消融、伤口愈合等应用中都具有显著的治疗效果，部分应用见图1.1。其中，等离子体应用于面部美容、组织消融等方面的技术通过了美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration，FDA)认证，已被广泛推广应用。 图1.1 等离子体的临床应用示意图 等离子体具有大量的活性粒子以及光、电、磁、声、热、力等物理效应。其中，活性粒子包括带电粒子、激发态粒子、自由基及其他强活性分子(如O3和H2O2)，它们可以通过参与机体氧化还原反应、调控细胞生理状态等实现相应的生物医学效应，在等离子体生物医学应用中通常扮演*重要的角色。而在某些场景中，等离子体的光学效应、电场效应和热效应也会参与生物医学应用，具体内容将在1.1.2节中进行详细阐述。等离子体的声学效应和力学效应在其生物医学应用中的贡献较少，本书不作进一步介绍。 等离子体呈现出的主要特性可以分为放电形貌、电子温度、气体温度等物理特性，以及活性粒子主导的化学特性。这些理化特性与生物医学应用效果紧密关联，影响因素主要包括驱动电源、电极结构、工作气体成分及气流速度等，这里简要介绍如下。 1.驱动电源 驱动电源主要从波形、幅值和频率三个方面影响等离子体特性。对于电源波形，主要有正弦和脉冲两类，其中脉冲电源更有利于产生大范围均匀的等离子体，活性粒子产率更高，且可以减少热量积累使气体温度更加接近室温。对于电压幅值，一方面较高的电压幅值可以加速电子，增加电子与气体分子的碰撞次数，从而提高等离子体的密度和活性；另一方面，过高的电压幅值可能导致电弧放电，破坏等离子体的均匀性并增加气体温度。对于电源频率，其范围涵盖了微波(吉赫兹级)到直流，其中千赫兹交流电源产生的等离子体温度更容易接近室温，适用于直接处理生物物质和人体组织，因而*常被使用；兆赫兹射频电源驱动生成的等离子体均匀性较好，但其温度一般会达到百摄氏度量级，极大限制了其在生物医学领域的应用。 2.电极结构 等离子体发生器的电极结构多种多样，从电极个数来看可以将其分为无电极放电(如微波放电)、单电极放电(如电晕、单电极放电形成射流)、双电极放电(如介质阻挡放电)和多电极放电(如采用浮动电极作为第三个电极的放电)。电极与电介质的材料种类、形状、尺寸和配置方式等均会影响电场的分布，进而影响放电模式和等离子体理化特性。 3.工作气体成分及气流速度 大气压放电的工作气体主要包括稀有气体、N2/O2混合气体和空气等。不同工作气体种类会显著影响等离子体特性，例如，氦气容易产生均匀弥散的等离子体，氩气更容易产生丝状放电等离子体，而空气放电则存在三种产物截然不同的放电模式(具体内容将在第2章中进行介绍)。气流可以帮助等离子体在空间传播，提高等离子体的均匀性并通过对流散热降低气体温度。然而，气流的存在不利于活性粒子积累，且较高的气体流速可能导致放电不稳定。 1.1.2 等离子体的生物效应机理 等离子体的生物医学效应是通过其产生的紫外线、带电粒子、强电场、局部热场、亚稳态粒子、自由基及其他活性粒子来实现的。一般认为，等离子体产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)粒子和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)粒子在生物医学应用中起到了关键的作用，同时在某些条件下，紫外线、带电粒子、局部热效应和强电场的作用也不容忽视。等离子体的生物医学效应具体是如何实现的？其内在的作用机制是什么？这是等离子体生物医学应用面临的关键理论问题。本节将简单介绍等离子体的生物效应因子及其作用机理，以初步阐释等离子体生物医学应用的基本原理。 1.等离子体的生物效应因子 紫外线按波长可以分为短波紫外线(UVC，100～280nm)、中波紫外线(UVB，280～320nm)和长波紫外线(UVA，320～400nm)，其波长(λ)越短，光子的能量(E)越高[E(eV)=1242/λ(nm)]，细胞毒性也越大。研究表明，紫外线引起细胞毒性的途径主要包括：①紫外线能量直接被蛋白质、DNA等功能分子吸收并破坏分子结构；②紫外线诱发蛋白质和脂肪的氧化进程。在生物医学应用中，紫外线是一把双刃剑：一方面，它有助于杀菌消毒，尤其是波长介于200～280nm范围内的紫外线，可以通过改变DNA遗传特性及诱使功能蛋白变性灭活病原微生物，特定波长的紫外线还有助于皮肤病的治疗，例如，合适剂量的311～312nm窄谱中波紫外线常用于临床治疗白癜风和银屑病[2，3]；另一方面，过量的紫外线会对人体组织造成损害，因而欧盟规定医疗仪器紫外线的强度必须低于30μW/cm2。对于等离子体而言，空气对短波紫外光子的吸收非常强烈，使得等离子体产生的紫外线波长往往在200nm以上且强度微弱，一些情况下甚至低于正午太阳的紫外线水平[4]。因此在等离子体生物医学应用中，紫外线的作用往往处于辅助地位，且一般情况下对正常机体细胞是安全的。 对于带电粒子而言，由于大气压下碰撞频繁，正离子接触到样品表面时的平均能量通常不到1eV[5，6]。虽然电子的能量相对较高，但电子密度往往低于电中性粒子几个数量级，因此部分研究人员认为带电粒子在等离子体生物医学效应中难以起到重要作用。然而在实验研究中，对比含带电粒子与不含带电粒子的等离子体杀菌效率，发现前者的杀菌效率高出后者约一个数量级[7]。另外，已经通过FDA认证的等离子体消融术也主要通过带电粒子实现组织非热解体治疗[8]。等离子体产生的带电粒子通过在电场中加速获得足够的能量，在与组织碰撞后可以击碎细胞壁、细胞膜及胞间连接等，从而灭活细胞或解体生物组织。但基于等离子体自身稳定性等因素，带电粒子往往被束缚于等离子体中，不能大量作用到机体组织，所以大多数情况下带电粒子的作用受到了限制。 如果等离子体放电区域与生物物质直接接触，则还需要考虑电场的生物效应，主要有两方面原因：一方面，部分等离子体是通过强脉冲电场产生的，大量研究证实强脉冲电场可在细胞膜上产生电穿孔[9]；另一方面，等离子体产生的带电粒子会在生物物质表层形成本征场，仿真研究发现本征场形成的电场力可导致细胞膜分子键断裂[10]。在非脉冲电场情况下，等离子体中平均电场强度相对较低，尤其是加载在生命体上的电压相比于等离子体区域电压会小很多，因此一般不足以显著破坏细胞结构。由于细胞质和细胞间质的电导率比细胞膜的电导率高出100万倍，所以电流只能通过细胞间质流过，而细胞膜在细胞质外形成一层屏障，限制了细胞质中的电压降。但是当电流流过细胞外的时候，沿着细胞外表面就会形成电压梯度，进而产生跨膜电势。跨膜电势的幅值取决于细胞的大小、形状和方向，当跨膜电势超过一定值时会破坏细胞结构。在分子水平上，较强的跨膜电势主要导致两种结果：一是破坏细胞膜的磷脂双分子层结构，形成结构性缺陷或者微孔，从而使细胞膜的通透性增强，允许离子或生物大分子通过，这就是电穿孔；二是电场直接作用于细胞膜的蛋白质，使组成跨膜蛋白质的极性氨基酸沿电场方向发生移动，从而改变跨膜蛋白质的结构，导致膜蛋白变性。0.1～1V的跨膜电势就会导致电穿孔，但考虑到细胞本身的充放电特性，外施电压的特征时间一般需要比细胞膜的特征时间(约5.9μs)短，比细胞间质的特征时间(约0.5ns)长。尤其是对于可逆的电穿孔，电压脉宽往往只能在纳秒量级。电穿孔可用于辅助药物输送、微生物灭活、DNA改性等医学应用。此外，由于跨膜蛋白的一个主要作用是作为细胞内外的离子通道，所以膜蛋白改性同样会增加细胞的通透性，特别是离子交换的门限电压会降低。 医用等离子体的气体温度一般不超过60℃。虽然如此，等离子体自身不均匀性可能使得局部区域过热，产生局部烧伤，这是等离子体在生物医学应用中需要注意避免的情况。但是，稍高于体温又不至烧伤的温度可以增加血液循环量，舒张毛孔，在一些疾病治疗过程中往往可以起到辅助作用。 在等离子体生物医学效应中，ROS和RNS的关键作用为研究人员所公认。其中，ROS主要包括O3、H2O2、O、—OH、1O2、O2等活性粒子，而RNS主要包括ONOOH、O2NOOH、NO、NO3、NO2、NO3等活性粒子。表1.1列出了等离子体产生的一些常见ROS及RNS。 氧化还原反应在生命活动中扮演着核心角色，它们调节着生物大分子的功能、细胞信号传导、基因表达和生理病理过程等，这就意味着等离子体产生的ROS和RNS能够通过氧化还原反应影响生命活动。氧化还原反应的平衡对于维持细胞正常生理功能至关重要，任何偏离这一平衡的状态都可能导致疾病的发生。因此，健康的身体需要体内ROS和RNS的含量处于合适水平，体内氧化剂(ROS/RNS)与抗氧化剂含量失衡就会引起代谢紊乱和疾病发生。ROS和RNS的含量处于什么水平对
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