Słowo „plazma” budzi skojarzenia z literaturą popularnonaukową. To coś, co można znaleźć wyłącznie we wnętrzach gwiazd bądź eksperymentalnych reaktorach termojądrowych. Nic bardziej mylnego, bo naukowcy z Lublina pracują nad tym, by plazma trafiła pod strzechy – a przynajmniej do gabinetów lekarskich.

– Zbudowaliśmy niewielki reaktor plazmowy, urządzenie łatwe w obsłudze, o wyjątkowo prostej konstrukcji, dzięki czemu możliwe będzie zastosowanie go m.in. w walce z trudno gojącymi się ranami, w dermatologii i być może medycynie estetycznej – tłumaczy dr hab. Joanna Pawłat z Politechniki Lubelskiej, która nad urządzeniem pracowała razem ze swoimi studentami: mgr. inż. Michałem Kwiatkowskim oraz mgr. inż. Piotrem Terebunem.

Skoro plazmę można znaleźć nie tylko we wnętrzu gwiazd lub reaktorów, lecz też w gabinecie lekarskim, to czym ona jest? – Mieszaniną elektronów, jonów i cząstek neutralnych. Ten skład sprawia, że plazma ma właściwości inne niż ciecze czy gazy i dlatego jest uważana za odrębny, czwarty stan skupienia materii – tłumaczy mgr inż. Kwiatkowski. – Można to ująć również tak. Jeśli dodamy wystarczająco dużo energii do ciała stałego – na przykład podgrzejemy je – zmieni ono stan skupienia na ciekły. Jeśli dodamy jeszcze więcej energii, przejdzie w stan gazowy, a jeśli dodamy jeszcze więcej, to otrzymamy plazmę – dodaje mgr inż. Terebun.

Warto tutaj zauważyć, że plazma plazmie nierówna. Reaktor opracowany przez lubelskich naukowców generuje plazmę niskotemperaturową i nierównowagową. Niskotemperaturowa oznacza, że w tym konkretnym przypadku temperatura plazmy wynosi ledwie kilkaset stopni Celsjusza, a nie kilka milionów, jak we wnętrzu gwiazdy. A nierównowagowa – że elektrony w plazmie mają wyższą energię niż jony, które powstały po ich oderwaniu. Z punktu widzenia zastosowań plazmy do obróbki materiałów nieodpornych na wysokie temperatury ważne jest, by plazma była nierównowagowa. – Po prostu energię zużywamy głównie na podgrzanie elektronów, a nie całej objętości gazu – mówi Kwiatkowski.

Zainteresowanie plazmą jest pochodną badań nad zastosowaniem w medycynie elektryczności – szczególnie w kontekście pomocy w gojeniu trudnych ran, co datuje się jeszcze na koniec XIX w. Jednak aż do lat 90. XX w. zastosowania plazmy w medycynie były ograniczone, bo nie potrafiliśmy osiągać odpowiednio niskich temperatur – takich, które nie spaliłyby skóry pacjenta. Kiedy stało się to możliwe, naukowcy na świecie postanowili przekonać się, czy z czwartego stanu skupienia można zrobić użytek w leczeniu. Efekty były zachęcające: potraktowane plazmą rany goiły się szybciej.

– Nie są do końca wyjaśnione wszystkie mechanizmy, które sprawiają, że plazma sprawdza się w takim zastosowaniu. Zależnie od wykorzystywanych gazów, występować w niej może bogactwo czynników aktywnych, takich jak: ozon, tlenki azotu, nadtlenek wodoru i ich wysokoreaktywne pochodne. Istotne są również promieniowanie elektromagnetyczne (ciepło, światło i pole elektryczne mają wpływ na przepuszczalność błon komórkowych) oraz inne czynniki fizyczne wywołane przepływem gazu. Dodatkowo ozon, który może powstawać w procesie tworzenia plazmy w obecności tlenu, jest silnym utleniaczem i po prostu niszczy drobnoustroje – mówi dr Pawłat.

Z tego samego względu naukowcy są zainteresowani wykorzystaniem plazmy do celów sterylizacyjnych, czyli do pozbywania się drobnoustrojów np. z narzędzi chirurgicznych. Opracowanie takiego właśnie urządzenia było zamiarem lubelskich naukowców; pomimo zachęcających, początkowych wyników nie udało im się jednak osiągnąć stuprocentowej skuteczności w niszczeniu mikroorganizmów chorobotwórczych przy krótkim czasie ekspozycji (urządzenia do sterylizacji pracują przez 60 minut, wytwarzając temperaturę 120 stopni; jeśli sterylizator plazmowy nie jest w stanie osiągnąć tego samego efektu w krótszym czasie, jest niekonkurencyjny). Zebrane doświadczenie postanowili jednak wykorzystać przy budowie kolejnego wynalazku, który potencjalnie mógłby trafić do gabinetów lekarskich.

Lubelski reaktor to niewielka skrzynka wyposażona w dyszę operacyjną wielkości długopisu. Tutaj w polu elektromagnetycznym mieszanina gazu szlachetnego (np. helu), tlenu i azotu zamieniana jest w plazmę. Szczególnie ważny jest duży udział tego pierwszego, na poziomie 90 proc. – Ktoś mógłby zapytać: pracujecie nad urządzeniem, które ma być tanie w eksploatacji, ale używacie gazu szlachetnego, co podwyższa koszty. Dlaczego nie użyć po prostu powietrza? Odpowiedź jest prosta: gaz szlachetny łatwiej zjonizować, co pozwala nam na użycie niższego napięcia do zapłonu wyładowania elektrycznego, w którym powstaje plazma. Dzięki temu niższa jest temperatura otrzymanej plazmy, a trzeba pamiętać, że chcemy zbliżać jej strumień do rany pacjenta – tłumaczy dr Pawłat. Dyszę i tak trzeba trzymać w niewielkiej odległości od skóry; docierający do niej w ten sposób strumień cząstek ma temperaturę ok. 40 stopni.

Urządzenie jest na tyle kompaktowe, że z powodzeniem zmieści się na niewielkim wózku. O ile sam reaktor cechuje nieskomplikowana konstrukcja, o tyle proces jego powstania – a właściwie udoskonalania – już taki nie był. Jak to często w nauce bywa, naukowcy musieli działać metodą prób i błędów, wiedzeni własną intuicją, dopasowując każdy parametr dla uzyskania pożądanego efektu. Przykładem chociażby skład mieszaniny gazów – od niego uzależnione są inne parametry urządzenia, skutkiem czego jeśli zmieniłby się miks gazowy na wejściu, otrzymana plazma miałaby inne parametry.

Lubelscy naukowcy wciąż udoskonalają swój wynalazek. Do dalszych prac zaprosili badaczy z tamtejszego Uniwersytetu Medycznego. Jak każda technologia medyczna, reaktor przed dopuszczeniem do użytku musiałby przejść badania kliniczne. Koszt takiego przedsięwzięcia jest niebagatelny, więc szansę mają tylko urządzenia o wysokiej skuteczności. Technologie medyczne wykorzystujące plazmę, pomimo obiecujących wyników, mają jednak problem z trafieniem na rynek; niedawno pojawiła się informacja, że plazma może nadawać się do leczenia nowotworów skóry. Pomimo wysiłków ze strony zespołów na całym świecie zajmujących się zastosowaniem plazmy niskotemperaturowej, do dzisiaj nie wprowadzono terapii opartej na tej metodzie

Eureka! DGP

Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.

Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.