纳秒脉冲放电等离子体及其皮肤医学应用研究

发布时间：2020-10-02 07:21

　　近年来,等离子体医学成为了一个新兴的热门研究方向,其研究内容涉及电气工程、等离子体物理、分析化学、生命科学、临床医学等多门学科。一般情况下,等离子体的医学应用可以被分为两个主要的方向:(1)使用等离子体技术处理表面、材料或者医疗仪器达到消毒灭菌的效果;(2)使用等离子体处理人体或动物体组织达到一定的病患治疗效果。等离子体医学处理效果与众多因素相关,包括生物样本种类及结构、环境条件、放电条件等。其中采用脉冲高压放电方式产生的大气压常温等离子体,由于其温度可接近于室温,同时富含活性成分,被广泛应用于等离子体医学研究。本文采用自行研制的纳秒级脉冲功率电源驱动大气压常温等离子体装置,通过变换不同的工作源气体选择性地产生活性物质,并研究其在灭菌以及皮肤病治疗的处理效果与相关机制。本文设计了一种全固态重复频率纳秒高压脉冲源,主要由Marx发生器、磁开关压缩电路和脉冲变压器构成。基于功率MOSFET的6级Marx发生器产生的初级脉冲电压幅值达到-5 kV,脉冲前沿为50 ns,最窄半峰值脉宽为200 ns,重复频率可达到10 kHz,再经过单级磁开关压缩电路和脉冲变压器输出更窄脉宽以及幅值更高的脉冲电压。最终,电源模块在25 kΩ纯阻性负载下可产生电压幅值15 kV,上升时间25 ns,脉宽35 ns的脉冲高压,频率可达5 kHz。所设计的脉冲功率电源满足阻容性负载的放电要求,可驱动多种不同结构类型的放电装置应用在不同的放电领域,产生常温并可安全接触的等离子体。消毒灭菌是等离子体医学应用中最为广泛的研究方向。本文介绍了不同混合气体的大气压常温等离子体处理耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)悬浮液的灭菌效果,发现不同的工作源气体组合放电可以产生不同种类的活性物质,其对应的灭菌效果也不同。研究发现等离子体中的活性氮氧化物RONS起主要的灭菌贡献,同时等离子体处理生理盐水细菌悬浮液生成的ClO~-和HClO也发挥了重要的灭菌作用。同时本文对大气压常温等离子体治疗皮肤疾病展开了初步研究,针对一种化学致敏的变应性接触性皮炎(ACD),建立了不同程度的小鼠ACD模型,并用等离子体进行处理,研究不同放电气体条件下的治疗效果。研究发现Ar+H_2O混合放电对小鼠ACD表现出明显的治疗效果。针对轻微或中等程度的ACD症状,经过一至两次1分钟的Ar+H_2O等离子体处理后,皮炎症状便明显减少。即使是伴随溃疡等症状的严重程度ACD症状,Ar+H_2O等离子体处理同样表现出良好的治疗效果。病理分析发现Ar+H_2O等离子体处理促进了ACD皮肤的再生过程,推测主要由放电产生的亲水性活性H_xO_y粒子(OH,HO_2,H_2O_2等)导致,这些活性成分积累在病患皮肤表面,并渗透到皮下组织与炎症细胞发生相互作用,最终减少炎症反应,促进皮炎的痊愈。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O53
【部分图文】：

脉冲功率系统,全固态,串联系统,脉冲变压器

几种脉冲功率系统，(a) MOSFET 串联系统；(b) 全固态 Marx 发生器模块；(d) 脉冲变压器系统mmon pulsed power systems, (a) MOSFETs connected in series, (b) All-sogenerator, (c) LTD module, (d) pulsed transformer systeme 于 1951 年首次提出利用磁开关作为开关元件以产生大功率脉可高重复频率工作、高稳定性和长寿命等诸多优点，同时能够[22, 23]

示意图,物质形态,示意图

1 绪论冲电压单只半导体开关耐压不足的缺点，具有可重复频率性、灵活特点[26]。通过优化参数设计，可以减小脉冲变压器漏感、分布电容输出波形的前沿及过冲的影响[27, 28]。气压常温等离子体子体是由大量的带电粒子和中性粒子混合物组成的一种整体呈电中，它是继固态、液态、气态后，大自然和宇宙中存在的第四种物质 1.2 所示为这四种物质形态转换示意图。从上个世纪以来，随着国内、天体物理学、受控热核聚变以及低温等离子体技术的不断深入研逐渐发展成为一门独立的学科。

等离子体,生物医学应用,凝血,溃疡

子体应用于灭菌方面的文章，之后等离子体医学应用视，并不断发展[44]，众多研究成果应用于灭菌消毒、口处理、口腔医学、医用材料改性等领域。D. Grave等离子体活化水的化学特性直接相关，包括：PH值、活 O-2等)及其浓度变化[45]；G. Fridman等发现等离子体处死性和静脉营养性溃疡[46]；M. Thi 等发现等离子体产物通过硝化和亚硝化，刺激了血管形成和上皮的形成，治疗烧伤[47]；G. Fridman等发现等离子体处理加速血M. Elsaadany等发现 NO 等离子体处理人体骨母细胞进作用[49]；M. Miletic 等发现等离子体处理人骨髓间[50]；Drexel Plasma lab (Fridman 等，USA)率先提出常巨噬细胞），刺激免疫系统以及恢复癌细胞的免疫性达到治疗肿瘤的效果[51, 52]。众多的研究成果表明大气医学上的应用获得了越来越广泛的关注。

【参考文献】