C6900 Biofyzikální faktory ŽP Mgr. Ondřej Jašek Ph.D. Biofyzikální efekty plazmatu • Jak definujeme plazma? • Obvykle se o plazmatu mluví jako o ionizovaném plynu, avšak v běžném prostředí každý plyn obsahuje určité množství nabitých částic např. v důsledku ionizace kosmickým zářením nebo elektrických výbojů v atmosféře • Pokud vytvoříme dostatečně silné elektrické pole, dojde k urychlení částic a v důsledku vzájemných srážek k ionizaci dalších částic. Tyto částice jsou pak přitahovány k elektrodám a dojde k přeskupení částic (vytvoření prostorového náboje) a k vytvoření nového elektrického pole s opačnou polaritou. Nastane tak zdánlivé (potenciál mezi původními elektrodami je pořád stejný) oslabení původního elektrického pole. • Poznámka: v češtině rozlišujeme ta plazma (krevní) a to plazma (ionizozovaný plyn), angličtina „plasma“ nerozlišuje • Běžná hmota (složená s kvarků a leptonů) ve Vesmíru je z 99 procent tvořena plazmatem. V běžném životě mimo blesků v atmosféře a ionizací ve vyšších částech atmosféry se s plazmatem setkáváme v podobě světelných zdrojů (kompaktní zářivky, neonové nápisy apod.) • Fyzikálně se tedy plazma definuje jako kvazineutrální plyn nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. • Z této definice můžeme odhadnout několik požadavků na prostředí, které nazýváme plazmatem (nebudeme se zabývat přesnými výpočty těchto parametrů). • Kolik částic tedy plazma tvoří? Z definice a popsaného mechanismu je zřejmé, že ND»1. • Index D se vztahuje k tzv. Debeyově sféře tj. kouli o poloměru Debeyovi délky. • Debeyova délka vyplývá z naznačeného stínícího mechanismu a je mírou stínící vzdálenosti v plazmatu lD= 69(T/n)1/2 [m], pokud je teplota v K, kde T je teplota, n je hustota plazmatu (částic). • Pro efektivní fungování tohoto mechanismu je pak nutné, aby rozměr plazmatu byl mnohem větší než Debeyova délka L » lD • Poslední podmínka se týká vzájemného působení mezi částice elektrickými silami a jejich srážením a požadujeme, aby charakteristická plazmová frekvence (frekvence oscilace částic způsobena změnou rozložení prostorového náboje) byla větší než frekvence vzájemných srážek. • Nejjednodušším příkladem výboje je doutnavý vývoj za nízkého tlaku – viz. studijní materiály Martisovits-Zaklady_fyziky_plazmy.pdf strana 107 nebo prezentace https://nanoed.tul.cz/pluginfile.php/626/mod_resource/content/1/5_Stejnosm%C4%9B rn%C3%A9%20v%C3%BDboje.pdf • Různých režimů výboje se používá k detekci jaderného záření – viz. ionizační komory, proporcionální počítače, Geiger-Mullerovi počítače) Biofyzikální efekty plazmatu • V kvazineutrálním případě je ne ≈ ni , hustota elektronů a iontů je stejná, u slabě ionizovaného plazmatu je počet nabitých částic mnohem menší než neutrálních, u silně ionizovaného plazmatu převažuje počet nabitých částic. Běžně se setkáváme především se slabě ionizovaným plazmatem, vysoko ionizované plazma vyžaduje teploty 105 K a výše. • S hlediska teploty pak v plazmatu rozlišujeme situaci, kdy je teplota neutrálních částic a iontů (mají přibližně stejné hmotnosti) a elektronů (mají mnohem menší hmotnost viz. vlastnosti elementárních částic) stejná, pak mluvíme o izotermickém plazmatu nebo je rozdílná a pak je plazma neizotermické (neutrální plyn může mít několik desítek nebo stovek stupňů Celsia a elektrony tisíce nebo desetitisíce). • Obecně by bylo možno říci, že za nízkých tlaků je plazma neizotermické, elektrony mají díky menší hmotnosti větší pohyblivost a mohou získat větší střední energii než těžké ionty ve stejném elektrickém poli. Naopak za tlaku atmosférického, kdy jsou hustoty částic velké a dochází k častým srážkám se plazma tzv. termalizuje tj. všechny složky mají stejnou teplotu. • V plazmové medicíně se však často setkáme s bariérovými výboji za atmosférického tlaku, které jsou neizotermické a vysokoenergetické elektrony zde hrají důležitou roli. • Přehled neizotermických a izotermických plazmových zdrojů, studijní materiály brandenburg brno1_basics applications.pdf – strana 14 Biofyzikální efekty plazmatu • Jakými vlivy tedy plazma působí na živé systémy nebo obecně na své okolí, prostředí, které je s plazmatem v kontaktu. • Nabité částice – elektrony – díky vysoké energii u neizotermického plazmatu mohou iniciovat chemické reakce nebo nahradit tepelné působení, ionty • Reaktivní částice – metastabilní (dlouho žijící) částice nebo radikály ( reaktivní částice, která má jeden nebo více nepárových elektronů) – zvyšují oxidativní nebo redoxní reakce. Hrají rozhodující roli v aplikaci plazmatu, především za atmosférického tlaku. • Elektromagnetické záření – především UV, ale také infračervené, viditelné nebo mikrovlnné záření. UV se projevuje především u nízkotlakých výbojů, u atmosférických je často značná část UV absorbována plazmatem a hraje jen minoritní roli. Biofyzikální efekty plazmatu • Aplikace plazmatu pro bioaplikace lze rozdělit do několika kategorií • a) Úpravy povrchů – zde jde především aplikace funkčních vrstev nebo navázání funkčních skupin na povrch, které zajistí zlepšenou adhezi, smáčivost nebo odolnost povrchu nebo vytvoření spojení mezi povrchem a funkční molekulou pro navázaní proteinů, antigenu apod. Tyto úpravy mají také výrazný vliv na adhezi a růst buněk na substrátu a lze takto potlačit nebo naopak podpořit růst buněčných kolonií. • b) dekontaminace a sterilizace povrchů – čištění povrchu od organickým či anorganických látek a likvidace patogenních organismů na povrchu, vyvolání stavu apoptózy (kontrolované smrti buňky) nebo nekrózy, ničení bojových látek. Při nekróze dochází k uvolnění materiálu buňky do okolí což má často negativní účinky, kdežto u apoptózy je proces kontrolovaný a imunitní systém buňky může odstranit. • c) terapeutické účinky plazmatu - koagulace krve, odstranění tkáně nebo moderní přistup s aktivací procesů uzdravení tkáně. • Prokaryotické buňky jsou mnohem citlivější než eukaryotické u oxidačního zatížení a toho lze využit při ošetření v plazmatu. Biofyzikální efekty plazmatu • Proč plazma působí na živé organismy? • a) plazma způsobuje zásadní změny v životním prostředí živých organismů (buněk) • b) generuje oxidační látky, které jsou přítomny v okolí (kapalině), kde žijí buňky a mikroorganismy a tyto vlivy se přenáší i dovnitř buněk • c) plazma generuje tzv. reactive oxygen species (ROS) a reactive nitrogen species (RNS), tj. reaktivní složky na bázi kyslíku a dusíku; ROS – peroxid vodíku (H2O2), ozon (O3), superoxid anion (O2 ●−), hydroperoxyl (HO2 ●), alkoxyl (RO●), peroxyl (ROO●), singlet kysliku (1O2), hydroxylový radikál (●OH), uhličitanový anion (CO3 ●−). RNS - oxid dusnatý (●NO), oxid dusičitý (●NO2), peroxynitrit (ONOO−), kyselina dusičná (OONOH) a alkyl kyseliny dusičné (ROONO) • Generace ROS v malých kontrolovaných množstvích má stimulovat buněčné funkce, zatímco velká množství vedou k trvalému poškození DNA a buněčné membrány a smrti buněk. • Effects of Atmospheric Pressure Plasmas on Isolated and Cellular DNA—A Review, Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 2971-3016 Biofyzikální efekty plazmatu INP MPE INP TU/e MPE GREMI Lough- borough ODU Atmosférické plazmové zdroje pro biomedicínu – objemový a povrchový bariérový výboj a plazmové trysky, zástupci výrobců a výzkumné instituce Plasma Nozzle Isolation Gas High voltage supply Electrode Plasma Object (Tissue)Stray capacity Drexel Cinogy K.-D. Weltmann et al., Pure Appl. Chem., Vol. 82, No. 6, (2010) Volume barrier discharge Surface discharge Plasma jet