Estudio de descargas a presión atmosférica para aplicaciones biológicas

• Autores: Xaubet Brea, Magalí Noel
• Año de publicación: 2018
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Grondona, Diana Elena; Minotti, Fernando
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La operación de fuentes de plasma a presión atmosférica permite aplicar el plasma o su efluente (afterglow) sobre medios biológicos que requieren un entorno a presión atmosférica. El estudio de este tipo de fuentes dio lugar a la difundida técnica de cauterización por plasmas de argón. Más recientemente, surgió un novedoso campo de aplicaciones biológicas sobre tejido vivo con el descubrimiento de que los plasmas no térmicos pueden generar efectos no letales sobre células mamíferas y a la vez producir inactivación de bacterias. Los usos biomédicos de los plasmas no térmicos incluyen aplicaciones dermatológicas en la curación de heridas y úlceras, usos odontológicos en limpieza y desinfección de caries, y aplicaciones oncológicas en el tratamiento localizado de tumores. En esta tesis se desarrollan y caracterizan fuentes de plasma con fines de uso biológico operadas a presión atmosférica con inyección de aire presurizado y basadas en descargas eléctricas de arco no térmico y de barrera dieléctrica. La caracterización física incluyó la evaluación de riesgos de aplicación del efluente sobre tejido vivo mediante mediciones de temperatura, potencia térmica, corriente de fuga e irradiancia UV. Se emplearon las técnicas de espectroscopía de emisión en el rango comprendido entre UV cercano e IR cercano, espectroscopía de absorción IR por transformada de Fourier y espectroscopía de emisión UV en vacío, que permiten identificar especies reactivas atómicas y moleculares presentes en el plasma y en el efluente. Se desarrolló un modelo teórico para descargas de baja corriente en aire a presión atmosférica considerando una lámina catódica con diferentes mecanismos de emisión electrónica y un canal de descarga que incluye las especies y reacciones cinéticas más importantes. El modelo permite determinar la temperatura electrónica, la temperatura del gas y la temperatura vibracional del nitrógeno, así como también inferir los mecanismos de emisión secundaria que sostienen la descarga eléctrica. Los efectos bioquímicos del plasma se estudiaron in vitro mediante el tratamiento de agua desmineralizada y de especies microbianas. El análisis químico del agua tratada evaluó cambios en la acidez y la formación de solutos de importancia fisiológica como nitrito, nitrato y peróxido de hidrógeno. Se estudió la inactivación producida sobre un set de bacterias y hongos en suspensión mediante el conteo de las unidades formadoras de colonias y ensayos de zona de inhibición sobre placas de agar. Adicionalmente, se analizó la inactivación producida en biofilms de P. aeruginosa.
The operation of plasma sources at atmospheric pressure allows to apply the plasma or its effluent (afterglow) over biological media that require an environment at atmospheric pressure. The study of this type of devices led to the widespread technique of argon plasma cauterization. More recently, a large research field of biological applications over living tissue emerged from the discovery that non-thermal plasmas can generate non-lethal effects over mammalian cells and at the same time produce inactivation of bacteria. The biomedical uses of non-thermal plasmas include promising dermatological applications in the healing of wounds and ulcers, odontological uses in cleaning and caries disinfection, and oncological applications in the local treatment of tumors. In this thesiswe develop and characterize plasma sources for prospective biological use operated at atmospheric pressure with injection of pressurized air and based in non-thermal arc and dielectric barrier discharges. The physical characterization included an evaluation of the risks of applying the effluent over living tissue, assessed by measurements of temperature, thermal power, leakage current and UV irradiance.We used the techniques of emission spectroscopy in the range from near UV to near IR, Fourier-transform IR absorption spectroscopy and vacuum UV emission spectroscopy, to identify reactive atomic and molecular species in the plasma and in the effluent. We developed a theoretical model of a low current discharge in atmospheric pressure air consisting in a cathode layer with different mechanisms of electron emission and a main discharge channel that includes themost important kinetic reactions and species. The model allows to determine the electron, gas and molecular nitrogen vibrational temperatures, as well as to infer the mechanisms of secondary electron emission that sustain the discharge. The biochemical effects of the plasma were studied in vitro by the treatment of demineralized water and of microbial species. The chemical analysis of treated water examined changes in the acidity and the formation of solutes of physiological relevance like nitrite, nitrate and hydrogen peroxide. We studied the inactivation produced over a set of bacteria and yeast in suspension by counting the colony forming units and by inhibition zone tests on agar plates. Additionally, we analyzed the inactivation produced on biofilms of P. aeruginosa.
Fil: Xaubet Brea, Magalí Noel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.