plasmatis - INP Greifswald

zIK PlASMAtIS - EXtrAzEllUlärE EFFEKtE
Diagnostik, Modellierung und Design plasmamedizinisch
relevanter reaktiver Komponenten
Problemstellung
Untersuchungen im Bereich der Plasmamedizin sind bisher
geprägt von empirischen Studien und rein experimentellen
Ansätzen, die biologisch medizinische Effekte nachweisen.
Dabei sind die grundlegenden Prozesse unzureichend verstanden
und wesentliche Parameter noch nicht untersucht.
So beeinflusst z.B. die geometrie von Plasmaquellen, sowie
ihr Elektrodenmaterial die Plasmachemie. Auch andere, zum
Teil versteckte Parameter – etwa die Prozessgasfeuchtigkeit
– haben einen entscheidenden Einfluss auf die Ergebnisse.
Lösungsansatz
Durch optische Diagnostik auf höchstem Stand der Wissenschaft
sowie durch computergestützte Modellierung der
Prozesse gelingt ein tiefes Verständnis und es können Einzelprozesse
voneinander getrennt betrachtet werden. Auch
können so versteckte Parameter aufgedeckt und ihr Einfluss
untersucht werden.
Diagnostische Untersuchungen der Plasmaquellen mit orts-
und zeitaufgelöster optischer Emissionsspektroskopie und
laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (zusammen mit
der Abteilung Plasmadiagnostik) haben bereits erheblichen
Einfluss von Prozessgasfeuchtigkeit auf die Erzeugung reaktiver
Komponenten nachgewiesen.
Mit den resultaten der Untersuchungen der physikalischen
Gruppe konnten nun abgestimmte Versuche zur Plasmabehandlung
von Zellen durchgeführt werden. In der Gruppe
„zelluläre Effekte“ wurde der nachweis erbracht, dass Parameter
wie die Gasfeuchtigkeit stark die Zellvitalität beeinflussen.
Ziel ist es, die reaktiven Komponenten des Plasmas in ihrer
Zusammensetzung vollständig kontrollieren und so ein anwendungsspezifisches
Wunschplasma erzeugen zu können
Technologischer Nutzen
Erst das Verständnis der Plasmaprozesse sowie des Transports
und der Erzeugung reaktiver Spezies in – im Fall der
Plasmamedizin – der flüssigen zellumgebung ermöglicht
eine gezielte Steuerung der biologisch relevanten Prozesse.
Anwendungsgebiete einer gezielten Erzeugung reaktiver
Komponenten in Flüssigkeiten liegen neben der plasmamedizinischen
Therapie auch beispielsweise in der Wasseraufbereitung
und plasmagestützter Nasschemie.
Wissenschaftliche Ergebnisse 2010/2011
Es ist gelungen, mithilfe einer Verknüpfung von Modellierung
und Laserdiagnostik, erstmals in einem Argonplasmajet
die atomare Sauerstoffdichte bei Betrieb in luft zu messen.
Hierbei wurde mittels Strömungssimulation (siehe Abbildung)
der Einfluss von luftspezies in den Plasmajet Effluenten
modelliert und die Stoßabregung für laserangeregten
Sauerstoff berechnet. Damit konnte bei Umgebungsbedingungen
der atomare Sauerstoff absolut kalibriert bestimmt
werden. Atomarer Sauerstoff bildet eine der wesentlichen
reaktiven Sauerstoffspezies in der Plasmamedizin.
Normierte Dichte von atmosphärischen Spezies im Effluenten eines Atmosphärendruckplasmajets
(kINPen)
Zusätzlich zu den numerischen Simulationen der Diffusion
atmosphärischer Spezies wurde ein analytisches Modell entwickelt.
Dieses bietet eine analytische lösung für die Dichte
eindiffundierender Spezies in den Effluenten auf der Symmetrieachse.
Dieses Modell konnte mit einer zusammen mit der
Abteilung Plasmastrahlungstechnik entwickelten Absorptionsdiagnostik,
bei der das vom Plasmajet selbst emittierte
Licht als Strahlungsquelle dient, bestätigt werden. (Zur Publikation
angenommen.) Mit den gewonnenen Erkenntnissen
konnte bereits eine gezielte Einstellung der Verhältnisse von
reaktiven Stickstoff- zu reaktiven Sauerstoffspezies in plasmabehandelten
Flüssigkeiten erreicht werden. Diese neue
Möglichkeit, reaktive Spezies gezielt einzustellen, wird zur
zeit zusammen mit der gruppe „zelluläre Effekte“ und mit
weiteren Biologen und Pharmazeuten am InP in biologischen
Experimenten zur Prozessanalyse eingesetzt.
Vorhaben 2012
Erweiterung der Jetmodellierung um Plasmachemie
Molekularstrahlmassenspektrometrische Untersuchungen
der reaktiven Plasmakomponenten
Gezielte Untersuchung biologischer Prozesse wie Zellsignalwege
(zusammen mit der zIK gruppe „zelluläre Effekte“)
Weiterentwicklung des Forschungsansatzes zum Design
reaktiver Komponentenzusammensetzung
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