Πειραματική μελέτη διατάξεων ψυχρού πλάσματος ατμοσφαρικών ηλεκτρικών εκκενώσεων: εφαρμογές στη βιοϊατρική

Abstract

The present PhD thesis is devoted to the study of cold atmospheric-pressure plasma jets, based on dielectric barrier discharges, and their application in biological systems. In this context, this dissertation covers four specific areas. The first area concerns thermal phenomena. Thus, the possibility of correlation of design and operational parameters of the above plasma systems is investigated, in order to evaluate the heat distribution and the provided electrical power in relevant systems. The second area concerns electro-hydrodynamic phenomena. The aim is to clarify the mechanisms involved in the interaction between the operating gas of the above plasma jets, mostly noble gas, the ambient air and the plasma particles. The third area concerns the interaction of such plasma jets with specific biological samples; namely cells and skin. In the case of cells, the effect of the cold plasma on cancer and healthy cells is investigated, as well as the synergistic effect of it and anticancer drugs being in both "free" and "liposomal" form. In the case of the skin, the wettability of human skin is studied in relation to the cold plasma. The fourth and last area concerns the identification and dynamic behavior of the (re)active elements produced in such plasma jets, as an auxiliary study for the interpretation of the phenomena recorded in the three previous main areas. In this research, three reactors of different topologies are used for the production of cold atmospheric-pressure plasma. They are driven either by sinusoidal or pulsed high voltage, while they are fed with high purity helium. Based on the above areas and for various operating windows, time-resolved temperatures are measured and infrared thermography is performed. Schlieren photos of the gas flow field and conventional photos of the visible plasma are taken. High-resolution optical spectroscopy and laser-induced fluorescence diagnostic technique are implemented, both spatially- and temporally-resolved. Ultrafast photography is utilized. Broadband electrical quantities are recorded and the electrical power consumed is determined as a key parameter in many of the above analyzes. In addition, based on the experimental results, two numerical models are developed concerning thermal and electro-hydrodynamic phenomena. Regarding the biological samples, the surface of the skin is characterized by contact angle measurements, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy, while the cells are studied in terms of viability. In the frame of this dissertation, an up-to-date bibliography on the above topics was created.

Το γνωστικό αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής αφορά στη μελέτη φαινομένων διατάξεων ψυχρού πλάσματος, ατμοσφαιρικής πίεσης, τύπου πίδακα, βασισμένων σε ηλεκτρικές εκκενώσεις διηλεκτρικού φράγματος, καθώς και στην εφαρμογή αυτών σε βιοσυστήματα. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή εκτείνεται σε τέσσερις συγκεκριμένους άξονες. Ο πρώτος άξονας αφορά στα θερμικά φαινόμενα. Έτσι, εξετάζεται η δυνατότητα συσχέτισης σχεδιαστικών και λειτουργικών παραμέτρων των παραπάνω διατάξεων, προς αποτίμηση της κατανομής της θερμότητας και της παρεχόμενης ηλεκτρικής ισχύος σε σχετικές διατάξεις. Ο δεύτερος άξονας αφορά στα ηλεκτρο-ρευστοδυναμικά φαινόμενα. Στόχος είναι η αποσαφήνιση των εμπλεκόμενων μηχανισμών στην αλληλεπίδραση μεταξύ του αερίου λειτουργίας των παραπάνω διατάξεων, ως επί τω πλείστον ευγενούς αερίου, του περιβάλλοντος ατμοσφαιρικού αέρα και των σωματιδίων του πλάσματος. Ο τρίτος άξονας αφορά στην αλληλεπίδραση τέτοιων πιδάκων πλάσματος με συγκεκριμένα βιολογικά δείγματα, ήτοι κύτταρα και δέρμα. Στην περίπτωση των κυττάρων, διερευνάται η δράση του ψυχρού πλάσματος επί των καρκινικών και υγιών κυττάρων, καθώς και η συνδυαστική δράση αυτού με αντικαρκινικά φάρμακα τόσο σε "ελεύθερη" όσο και σε "λιποσωμική" μορφή. Στην περίπτωση του δέρματος, μελετάται η υδροφιλία του ανθρώπινου δέρματος σε σχέση με το ψυχρό πλάσμα. Ο τέταρτος – τελευταίος – άξονας αφορά στην ταυτοποίηση και στη δυναμική συμπεριφορά των παραγόμενων δραστικών στοιχείων σε τέτοιες διατάξεις, ως υποβοηθητική μελέτη για την ερμηνεία των φαινομένων των καταγεγραμμένων στους τρεις προηγούμενους κύριους άξονες. Στο σύνολο της διατριβής, χρησιμοποιούνται τρεις αντιδραστήρες παραγωγής ψυχρού πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης, διαφορετικών τοπολογιών. Αυτοί οδηγούνται είτε με ημιτονοειδή είτε με παλμική υψηλή τάση, ενώ τροφοδοτούνται με ήλιο υψηλής καθαρότητας. Σε αυτούς, με γνώμονα τους παραπάνω άξονες και για διάφορα παράθυρα λειτουργίας, πραγματοποιούνται μετρήσεις χρονικά αναλυμένων θερμοκρασιών και υπέρυθρης θερμογραφίας. Λαμβάνονται φωτογραφίες "schlieren" των ροϊκών πεδίων και συμβατικές φωτογραφίες του ορατού πλάσματος. Εφαρμόζονται διαγνωστικές τεχνικές φασματοσκοπίας οπτικής εκπομπής υψηλής ανάλυσης και εξαναγκασμένου φθορισμού, αμφότερες χωροχρονικά αναλυμένες. Εκτελούνται πειράματα υπεργρήγορης φωτογράφισης. Καταγράφονται συμβατικά ευρυζωνικά ηλεκτρικά μεγέθη και καθορίζεται η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύς ως μία βασική παράμετρος σε πολλές από τις παραπάνω αναλύσεις. Επιπλέον, βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων, αναπτύσσονται δύο αριθμητικά μοντέλα που αφορούν στα θερμικά και ηλεκτρο - ρευστοδυναμικά φαινόμενα. Όσο αφορά στα βιολογικά δείγματα, η επιφάνεια του δέρματος χαρακτηρίζεται μέσω μετρήσεων γωνιών επαφής, φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων παραγόμενων από ακτίνες-Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, ενώ τα κύτταρα μελετώνται υπό όρους βιωσιμότητας. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, δημιουργήθηκε μια άκρως ενημερωμένη βάση, χρονικά εκτενούς, βιβλιογραφίας επί των παραπάνω θεμάτων.