William Crookes 1879-ben alapozta meg a plazma tudomány alapjait azáltal, hogy kísérletek során ionizált gázt hozott létre egy elektromos kisülés csőben, magasfeszültség alkalmazásával egy tekercsen keresztül. Az ionizált gázt ragyogó anyagnak nevezték. A jelenlegi "plazma" kifejezést majdnem ötven évvel később, 1927-ben Irvin Langmuir vezette be. Azóta a plazmát számos területen alkalmazzák az elmúlt évtizedek során, köztük az orvoslásban. A plazmát gyakran ionizált gázként határozzák meg, amely a poliatómás gázok molekuláinak bomlásával vagy az elektronok eltávolításával az egymolekuláskori gázok héjából keletkezik.
Azonban nem minden ionizált gázt lehet plazmaként tekinteni a következő szigorú meghatározás miatt:
Ezt a mozgást a plazmafrekvenciaként hivatkozó természetes rezgési frekvenciával jellemezhetjük. A plazmát ezért "egy kvázi-semleges gázként definiálhatjuk, amely sok kölcsönhatásba lépő szabad elektront és ionizált atomokat és molekulákat tartalmaz, amelyeket a hosszútávú Coulomb erők okozta kollektív viselkedés jellemez". Ezenkívül a plazmában a töltött részecskemozgás elektromos mezőket és áramokat hoz létre, valamint mágneses mezőket generál.
A plazmát magas hőmérsékletre, hőmérsékletre és hőmérsékleten kívül csoportokra is lehet osztani. A magas hőmérsékletű plazmában minden részecske (elektronok és nehéz részecskék) azonos hőmérsékletű, és ezért hőegyensúlyban vannak. A hőmérsékleti (kvázi-egyensúlyi plazma) csak a plazmán belül lévő hőmérsékleti egyensúly területei. Végül a nem-hőmérsékleti (nem- egyensúlyi) plazmában olyan részecskék találhatók, amelyek nincsenek hőegyensúlyban. Ezt a plazmát "hideg plazmának" nevezik.
A magas hőmérsékletű vagy hőmérsékleti plazmák magasabb elektronsűrűséggel és ionizációval rendelkeznek, mint a hideg plazma, amelynek ionizációja csak akár 1% -ig terjed. A gyengén ionizált plazmákban a töltéssemleges kölcsönhatások dominálnak a többszörös Coulomb- kölcsönhatások terén. Emellett bár az elektron-elektron ütközések hőegyensúlyt érnek el a hideg plazmában, és a hőmérsékletük akkor sokkal magasabb, mint az ionok és neutronok hőmérséklete, nem tudják átadni kinetikus energiájukat nagyobb részecskéknek.
A magas hőmérsékletű plazma elérheti a 108 K-t, mint a napmagban talált. A hőmérsékleti plazma hőmérséklete körülbelül 2 × 104 K lehet, és ezt az értéket viharvillámokban figyelhetjük meg. Végül a nem hőmérsékleti plazma hőmérséklete 300 és 1000 K között lehet mesterségesen létrehozott körülmények között, például fénycsövekben. A hideg plazma kibocsátása elérhető alacsony nyomáson és légköri nyomáson is.
Az alacsony nyomású hideg plazmát először az 1960-as évek végén alkalmazták felületek fertőtlenítésére, és bizonyos szempontból hatékonyabbnak bizonyult, mint a hagyományos sterilizálás. Ezzel szemben a hideg atmoszférikus plazma (CAP) előnyei a mikrobás terhelés csökkentésében csak a 1990-es évek második felében kerültek felfedezésre. Azonban a CAP jobb alternatívát nyújt a modern orvoslás számára, mint a hideg plazma alacsony nyomáson generált változata. A CAP alkalmazása könnyebb folyamat is, mint az alacsony nyomású plazma, mivel hordozható eszközből generálható, ami lehetővé teszi a fertőzött sejtek és szövetek könnyebb elérését, mint amit az alacsony nyomású hideg plazma igényelő nagy vákum generáló rendszer biztosít. Emellett a legtöbb alacsony nyomású plazmát generáló rendszer nagyon költséges. Emellett gyakorlatilag lehetetlen bármely testrészét a rendszerbe helyezni és kitéve lenni a plazmakibocsátásnak. Ráadásul az állati és emberi szövetekben víz található, és jelenléte nem kívánatos alacsony nyomású körülmények között.
Végül bár az alacsony nyomású plazmakibocsátást lehet szabályozni, jellege nagyon eltérő és erősebb, mint az atmoszférikus nyomáson létrehozott plazma kibocsátása, és általában nem alkalmas emberi vagy állati sejtek vagy szövetek alkalmazására. Az alacsony nyomáson generált hideg plazma azonban hasznos lehet az orvoslásban. Példák erre a "flash-sterilizáció", implantátumok és szövetmérnöki termékek felületmódosításainak felhasználása.
Bár a CAP nem éri el az alacsony nyomású plazma sterilizációs és fertőtlenítési lehetőségeit, továbbra is hatékony a mikrobás terhelés csökkentésében. Legfontosabbként a CAP kevésbé intenzív hatásai lehetővé teszik a közvetlen alkalmazását a sejtekre és szövetekre , és a mikrobás terhelés csökkentési képessége lehetővé teszi, hogy jó alternatívát jelentsen az antibiotikumok helyett, és szembeszálljon a növekvő antibiotikum rezisztenciával rendelkező baktériumtörzsekkel.
A plazma kibocsátás elsősorban az UV sugárzás kialakulásával, a reaktív oxigén (ROS) és nitrogén (RNS) vegyületek kialakításával, valamint az elektromos áram kialakításával csökkenti a baktériumok életképességét. A plazma kibocsátás által létrehozott oxigén alapú vegyületek közé tartozik a hidroxil (OH), hidrogén-peroxid (H2O2), szuperoxid (O2−•), hidroxil radikális (•OH), singulett oxigén (1O2) és ózon (O3). A nitrogén alapú vegyületek közé tartozik a nitrogén-monoxid (•NO), a nitrogén-dioxid (•NO2), a dinitrogén tetroxid (N2O4), a nitrogén-trioxid (NO3), a nekrózis- oxid (N2O) és a peroxinitrit (ONOO-). A reaktív vegyületek létrehozhatók a plazma-lég kölcsönhatás vagy a plazma-folyadék kölcsönhatás révén. Míg a hidroxil radikálisok és a nitrogén- oxidok általában a plazma-lég kölcsönhatás eredményeként képződnek, a nitritek, nitrátok és H2O2, amelyek hosszabb élettartamúak, a plazma-folyadék kölcsönhatás eredményeként képződnek. Például ez utóbbi kölcsönhatás akkor fordul elő, amikor a tenyésztőközegben található sejteket plazmának teszik ki. Emellett a CAP pozitív töltésű ionokat, például N2+-ot is generál, és elektronokat is.
Azonban a prokarióták, baktériumsejtek különböznek az eukarióták emberi és állati sejtektől, és a daganatsejtek különböznek az egészséges sejtektől. Ezenkívül az összes sejt eltérően viselkedhet in vitro körülmények között, és eltérően reagálhat a sejtekre az élő szervezet szövetekben. Ez azt hangsúlyozza, hogy a CAP eszközök különböző válaszok lehetőségét kínálják ezekben a sejttípusokban, valamint az in vitro és in vivo körülmények között. Azonban általában úgy vélik, hogy a kis dózisú plazmakezelés serkenti a sejtek életképességét, és fokozza a proliferációt, differenciálódást és migrációt, míg a nagy dózisok sejtapoptózist kellene kiváltaniuk.
A klinikai gyakorlatban használt plazmaeszközök kialakításra kerültek annak érdekében, hogy ne veszélyeztessék az egészséges sejteket. Többlépcsős teszteken mennek keresztül, és jelenleg nincsenek jelentős mellékhatásokkal összefüggésben. Azonban a megfelelő CAP adagolást a klinikai gyakorlatban szorosan szabályozni kell, és ez a kezelés típusától függ. Például a plazmaforrás és a kezelendő objektum közötti távolságot gondosan be kell állítani. Itt Nastuda és munkatársai kimutatták, hogy a plazmajet alkalmazásának hatása jelentősen változhat, akár egy centiméteres különbség is lehet a csőfej és az emberi bőr között.
A szerzők számottevő különbségeket találtak a plazma terjedésében és az áram áramlásában az emberi szöveteken keresztül, amikor a bőr-csőfej rés közét 15 mm-ről 5 mm-re csökkentették. Emellett nem zárható ki, hogy a CAP alkalmazásnak nincs néhány minimális negatív hatása a molekuláris szinten. Ezek az eredmények és lehetőségek mind folyamatos elemzés tárgyai, de a jelenlegi eredmények azt sugallják, hogy a be nem bizonyított káros hatások a CAP sok előnyével szemben állnak.
Végül valószínű, hogy a CAP klinikai gyakorlatban történő alkalmazására vonatkozóan további lehetőségek és nagyobb előnyök mutatkoznak majd a jövőben, mivel a CAP tanulmányok többsége az utóbbi 15 év során zajlott. Míg a CAP alkalmazható esztétikai eljárásokban, itt összefoglaljuk a CAP alkalmazást komolyabb orvosi állapotok esetében. Ezek különösen magukban foglalják az akut és krónikus sebeket, valamint a szájüregi bakteriális fertőzéseket és daganatterápiát. Ezzel párhuzamosan felfedezzük a plazma potenciálját a regeneratív orvoslásban és a biológiai mérnöki alkalmazásokban.
A klinikailag alkalmazott és kísérletileg tesztelt CAP eszközöket három fő kategóriába sorolják:
A közvetlen dielektromos gáthozadék-kibocsátás (DBD) magasfeszültség-elektród és egy földelt elektród között történik. Az elektrodok mindkettő vagy egyenként dielektromos réteggel lehetnek borítva, vagy a dielektromos anyag a két elektród közötti térben helyezkedhet el. A DBD eszközöket csak váltakozó vagy pulzáló magasfeszültséggel szabad feltölteni a kapacitív kapcsolódás biztosítása érdekében. Az elektromos mező hatása alatt a dielektromos gát "megállítja" az elektronokat és ionokat az elsődleges gázfelbontás után. Az ionok és elektronok elektromos mezője eltakarja a külső forrás elektromos mezőjét. Ha ez az állapot fennmarad, az kibocsátásveszteséghez vezet, és az kibocsátás megőrzése érdekében módosítani kell a külső feszültséget. A felbomlás akkor következik be, amikor növekvő váltakozó áramfeszültséget alkalmaznak, és a kibocsátási tevékenység megszűnik, amikor a maximális feszültséget eléri. Továbbá a pulzussal működő DBD-k alkalmazásakor két felbomlás következik be ugyanabban a periódusban. Az elsődleges felbomlást a magasfeszültségű impulzus okozza, és a töltéshordozó által létrehozott elektromos mező elegendő az újabb felbomlás kiváltásához a feszültség csökkenése közben. Ez egy "visszafelé történő kibocsátás" formájában jelentkezik. A DBD eszközöknek számos variációja és kialakítása van, és az egyik legpraktikusabb és a legalkalmasabb a gyógyászati alkalmazásra a lebegő elektródos DBD (FE- DBD). Műszakilag a FE-DBD eszközök nem tartalmaznak földelt elektrodát, és ezt érintett sejtek vagy szövetek váltják fel. A DBD eszközök nagyobb intenzitást és rugalmasabb és kontrolláltabb kibocsátást biztosítanak. Emellett képesek plazmát generálni csak levegőben, és nincs szükség hordozógázokra. Azonban a kibocsátási terület viszonylag korlátozott, mivel annak két elektród között kell elhelyezkednie, és a konstans távolságot fenn kell tartani; ez sima, lapos felületet igényel.
A közvetett kibocsátás olyan eszközökkel történik, amelyeket általában Plazma sugár, Plazma toll vagy Plazma láng néven emlegetnek. Ezek az eszközök hasonlók a közvetett kibocsátású eszközökhöz abban, hogy két egymással szemben lévő elektromosan töltött elektromos kibocsátást generálnak közöttük, de itt a hordozógáz irányítja a plazma kibocsátást. Ennek eredményeként a kibocsátás nem érinti az objektumot az elektrodok között, hanem a gázáram irányába halad. Ennek következtében a céleszközt kívül helyezhetik el az eszközön, és az érintett terület állítható. Kevesebb ROS és RNS vegyületet termel, és a kibocsátás nehezebben ellenőrizhető, mint a DBD eszközökkel. Végül a közvetett eszközök által generált plazma erősebb minden UV tartományban, de ellentétben a DBD eszközökkel, nem állít elő elektromos áramot.
A hibrid plazmaeszközök ezeket az elveket kombinálják, de jelenleg csak kísérleti szinten alkalmazzák őket. Ezek az eszközök egy földelt hálózatelektrodán mikrofelbomlásokat hoznak létre. Egységes kibocsátás van, nincs hatás az elektrodok közötti objektumra, és az eszközt viszonylag könnyű ellenőrizni. Azonban ezek az eszközök enyhén hajlamosabbak az alkatrész kopására és a későbbi romlásra. Ez különösen észrevehető nedves környezetben és közvetlen érintkezés után a kezelt sejtekkel és szövetekkel.
Az orvosi gyakorlatban használt plazma eszközök között három specifikus típus található, amelyek az orvosi gyakorlatban lettek tanúsítva. Az első hitelesített eszköz a kINPen® MED plazma toll (INP Greifswald/neoplas tools GmbH, Greifswald, Németország) volt. A második a PlasmaDerm® VU-2010 DBD eszköz volt, amely dielektromos plazma kibocsátási technológián alapul (CINOGY Technologies GmbH, Duderstadt, Németország), és a legújabb hitelesített eszköz a SteriPlas plazma láng eszköz (Adtec Ltd., London, Egyesült Királyság). Azonban több módosítással rendelkező eszközt is teszteltek laboratóriumi és kísérleti körülmények között, és várnak az esetleges klinikai alkalmazásra történő hitelesítésre.
Végül maga a plazma alkalmazása közvetlen és közvetett is lehet. A közvetlen plazma alkalmazás során a sejtvonalaknak in vitro kitéve vannak a plazma kibocsátásnak, az állatmodellek és az emberi szövetek a kibocsátásnak vannak kitéve in vivo. Ezzel szemben a plazma által érintett vagy aktivált közeg vagy oldat közvetett alkalmazásra kerül. Ezután a sejtnövekedéshez használják vagy közvetlenül beadható a vizsgált személyekbe, például egér xenograftokba. Emellett a hosszú távú vegyületek, ideértve a nitrátokat, nitriteket és H2O2-t, általában megőrzésre kerülnek a plazma- aktivált közegben (PAM).