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Research on the Atmospheric Plasma for Biomedical Applications

Title
Research on the Atmospheric Plasma for Biomedical Applications
Authors
강성길
Date Issued
2014
Publisher
포항공과대학교
Abstract
Interests in the bio-medical applications of atmospheric pressure plasma (APP) are increasing rapidly because its strengths such as simple structure, high performance, and non-thermal treatment. Atmospheric pressure plasma sources can be operated with a wide range of shapes and driving frequencies, ranging from, DC (0 Hz) to microwave (GHz) through AC (kHz) and RF (MHz) frequencies. In this paper, we propose the possibility of atmospheric pressure plasma as new method on biomedical and surface treatment through various kinds of plasma devices and its applications. First, the low frequency plasma was used. Using surface type air atmospheric pressure plasma, we investigate the amount of ozone and other reactive species generation with variations of the surface temperature of an electrode through an optical emission spectrum and a tube type gas detector. We also elucidate dominant reactions related to the generation or loss of these radicals based on temperature variation through our global modeling. In the case of RF plasma, we’ve developed the jet type plasma and used it for sterilization and surface treatment. We demonstrated a bacterial (S. Mutans) inactivation by a radio frequency power driven atmospheric pressure plasma torch with H2O2 entrained in the feedstock gas. An Optical emission spectroscopy identified substantial excited state •OH generation inside the plasma and relative •OH formation was verified by optical absorption. The bacterial inactivation rate increased with increasing •OH generation and reached a maximum 5-log10 reduction with 0.6% H2O2 vapor. For the surface treatment, we deposit a robust non-stick coating on the jaws of LigaSureTM tissue fusion devices by employing atmospheric pressure RF-driven plasma with hexamethyldisiloxane (HMDSO) entrained in argon carrier gas. The hydrophobicity, surface energy, surface topography, and chemical characteristics of deposited films are characterized by water contact angle measurements, surface energy test pens, atomic force microscopy, and FTIR spectroscopy respectively. We demonstrate significantly reduced tissue adhesion to HMDSO polymer film-coated instruments during the vessel sealing procedure in comparison with uncoated and chromium nitride-coated instruments. Finally, the microwave plasma was used. The microwave plasma has advantages compared to other frequency plasma. But they have some limitations such as, very large device size due to presence of an extra matching box, requirement of high input power, and limited application area because of their complicated structure. The usage of transmission line resonator, results in a dramatic reduction in device size and power consumption and its shape becomes more convenient compared to existing microwave induced plasma devices. A palm size power module also has been fabricated for CTLR. Based on this study, we observed the unique characteristics of microwave plasma and modified it for better efficiency. Unique striations were observed in the formation of 900 MHz microwave argon atmospheric pressure plasma jet (APPJ) in air. The striated patterns are easily observed even with naked eyes at flow rate above 3 slm and input power below 3 W. Moreover the striated patterns, which it were associated with a shortening in the plasma jet length, are obtained by adding less than 1 vol. % of O2 gas to Ar. A new type of microwave-excited atmospheric pressure plasma source, based on the principle of parallel plate transmission line resonator, is developed for the treatment of large areas in bio-medical applications such as skin treatment and wound healing. A stable plasma of 20 mm width is sustained by a small microwave power source operated at a frequency of 700 MHz and a gas flow rate of 0.9 slm. Large area treatment ability of this newly developed device is verified through bacteria inactivation experiment using E.coli. Sterilization experiment shows a large bacterial killing mark of 25 mm for a plasma treatment time of 10 sec. For the portable plasma device, we’ve developed an air microwave plasma jet. By solving ozone and high temperature problems, it can be used for the bio-medical applications like coagulation, skin treatment. It can be operated with 10 W of power and its efficiency is verified by coagulation experiment. It has a high potentiality as portable plasma device.
2000년도 이 후, 많은 형태의 대기압 플라즈마 방전 법이 개발 되어짐에 따라 반도체 공정 등 산업에만 국한되었던 플라즈마의 사용이 생 의학 및 표면 처리와 같은 분야로도 넓어지게 되었다. 대기압에서 플라즈마는 다양한 주파수의 파워에 의해 만들어 지는 것이 가능하며 그 형태와 구동 조건에 따라 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다. 본 연구에서는 20KHz 의 저주파에서부터 1.4 GHz 까지 다양한 형태의 플라즈마를 발생시키는 방법과 그 특성을 분석하고, 여러 가지 형태의 응용을 통해 대기압 플라즈마의 생 의학 분야 및 다양한 분야의 응용 가능성을 제시하였다. 저주파 (20KHz) 플라즈마의 경우, 면 형태의 DBD (Dielectric barrier discharge)전극을 이용하여 공기 만을 이용한 플라즈마를 발생 시키고 그 특성을 분석하였다. 일반적인 공기 플라즈마의 가장 큰 문제 점은 많은 양의 오존(O3)이 발생한다는 점인데, 오존이 열에 의해 쉽게 분해된다는 점을 이용하여, 플라즈마 전극 온도에 따라 발생되는 활성 종의 양을 실험과 시뮬레이션을 통해 살펴 보았다. 플라즈마 전극의 온도가 증가 함에 따라 오존의 양은 줄어드는 반면, O 와 NO 와 같은 생 의학 응용 시 중요한 역할을 하는 다른 활성 종들이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 추후 공기 플라즈마를 이용할 때, 전극의 온도를 조절 함으로 오존 문제를 해결 할 수 있는 가능성을 발견하였다. RF (13.56MHz)의 주파수를 이용하여 DBD 기반의 젯(Jet)형태의 플라즈마 전극을 만들었고 살균과 표면 처리에 응용하였다. 구강 내부의 살균을 처리 하는 경우 플라즈마에서 발생하는 미량의 오존(O3)이 호흡기에 영향을 줄 수 있다. 이 실험에서는 과산화수소(H2O2)를 아르곤 가스를 Bubbler 를 이용하여 섞어 줌으로서 발생되는 오존 량을 조절하는 방법을 사용하였다. 과산화수소(H2O2)의 농도에 따라 발생되는 O 와 OH 와 같은 활성 종의 분포를 살펴 보기 위해 ICCD 를 사용하였다. 과산화수소(H2O2)의 농도가 전체 아르곤 가스의 0.6 % 일 때 발생되는 OH 의 농도가 최고점을 보였으며 오존은 기준치 이하로 줄어든 것을 확인하였다. 이를 이용한 살균 실험에서 역시 0.6%의 과산화수소(H2O2) 농도에서 가장 좋은 살균 효과를 보여 줬으며, 이를 통해 OH 가 살균에 큰 영향력을 준다는 것을 검증하였다. 또한 저기압 플라즈마에서 자주 사용되는 PECVD 기법을 대기압 플라즈마로 구현하여 의료 장비에 처리 조직이 들러 붙는 문제를 해결하였다.방전된 아르곤 플라즈마에 HMDSO 를 섞음으로 처리 되는 표면이 극 소수 성으로 바뀌는 것을 확인하였다. 이는 물리적인 표면 처리에 의한 것이 아니라 플라즈마에서 발생하는 다양한 화학 물질의 표면 코팅에 의한 것으로 처리 대상에 직접적인 손상이 없다는 장점이 있다. 이러한 방법을 실제 의료 현장에서 사용되는 LigaSureTM 에 처리 시, 미 처리한 것에 비해 절반 이하로 처리 조직이 들러 붙지 않는 것을 확인 하였다. 마지막으로 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 방전하였다. 마이크로파대기압 플라즈마의 경우 다른 주파수 대역의 플라즈마에 비해 낮은 전압으로 방전이 이루어 지기 때문에 생 의학 응용 시 안정성에 있어서 탁월하다. 하지만 매칭(Matching)과 전원공급장치의 부재 등 해결 해야 할 어려움이 있다. 이 전의 연구를 통해 전송선 공진기 형태의 전극과 소형 전원공급장치를 개발 하여 이러한 문제들을 해결하였다. 기존에 연구된 젯(Jet)형태의 플라즈마 전극(CTLR)의 경우, 처리 면적이 좁은 영역에 국한되는 단점이 있었다. 이러한 단점을 극복하고자 평행 평판 전송 선을 이용하여 넓은 면적을 처리 할 수 있는 마이크로파 플라즈마 전극 (PTLR: Parallel Transmission Line Resonator)를 개발하였다. 개발 된 전극의 경우 20mm 정도 너비의 플라즈마를 10W 미만의 낮은 전력을 이용하여 전하는 것이 가능하였으며, 낮은 온도와 풍부한 활성 종을 만들어내었다. 이러한 전극을 살균 실험에 응용한 결과 30초 미만의 짧은 처리 시간으로 20mm 이상의 넓은 면적을 처리 할 수 있는 탁월한 살균 효과를 보여 주었다. 또한 이러한 전극의 안전성을 보강하여 m-PTLR 을 개발하였으며, 이 전극의 경우 외부 환경 변화에도 안정적으로 플라즈마를 발생 시킬 수 있었으며 플라즈마가 물체에 접촉하지 않는 특이한 특성으로 인해 전기적 안전성이 매우 좋아졌다. 이러한 마이크로파 플라즈마 기술을 이용하여 대기압에서 추가적인 가스를 사용하지 않고 공기만을 이용하여 방전 할 수 있는 전극을 개발하였다. 국부적으로 높은 플라즈마 온도로 인해 발생되는 오존(O3)의 양을 기준치 이하로 제한 하였으며 냉각 공기를 따로 공급함으로 온도 문제 역시 해결하였다. 이러한 공기 마이크로파 플라즈마의 경우 10W정도의 전력으로 플라즈마의 발생 및 유지가 가능하였으며 지혈 실험을 통해 그 효과를 검증하였다. 이러한 공기 마이크로 플라즈마의 경우 휴대용 장치로서의 가능성이 매우 높다.
URI
http://postech.dcollection.net/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000001674332
http://oasis.postech.ac.kr/handle/2014.oak/2096
Article Type
Thesis
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