大气压表面微放电等离子体与灰指甲相互作用的机理研究

Accurate control of atmospheric pressure low temperature plasma and the mechanism study of their interaction with treatment object is one of the hottest topics of plasma medicine. And it is also an indispensable research field according to the Precision Medicine and Health China strategy. Onychomycosis (fungal nail) is a common fungal infection of the toenail or fingernail with significant barriers to successful treatment by traditional methods and owns great world market. This project innovatively uses atmospheric pressure low temperature plasma to treat onychomycosis. Accurate control of plasma generated active species of atmospheric air surface micro-discharge will be conducted under the help of various plasma diagnosis technologies . The instant and long-term anti-microorganism effect will both be tested after interaction with active species with certain concentration. The processes of penetration, absorption and reaction with nail plate will also be measured to help reveal the mechanism of interaction between plasma and onychomycosis. This project will provide solid theory and experimental basis for plasma treatment of onychomycosis in clinic in the future.

大气压低温等离子体的精准调控及与处理对象的相互作用机理研究是近年来等离子体医学的研究热点之一，也是我国精准医疗以及健康中国战略必要的研究方向。灰指甲（甲真菌病）是一种常见的真菌感染疾病，由于致病菌通常在甲表、甲中和甲下繁殖，而主要由角蛋白构成的指甲板形成了一道天然的屏障，使得传统的药物很难渗透，导致灰指甲的治疗具有很大的挑战性, 同时拥有极大的市场价值。本课题创新性地使用大气压低温等离子体作用于灰指甲，通过调节大气压空气表面微放电的工作模式对产生的活性成分进行调控，并借助于各类等离子体诊断技术，研究一定活性成分种类和浓度下等离子体处理后灰指甲的瞬时和长效抗菌效力，并通过测试活性成分对指甲板的穿透、被吸附以及与指甲板发生的反应等，揭示等离子体与灰指甲的相互作用过程，为等离子体用于临床治疗灰指甲奠定坚实的理论依据和实验基础。

世界上约有10%的成年人都患有灰指甲，即~7亿5千万人，其全球市场规模在2026年预计达到67.5亿美元。老年人和患有免疫系统疾病的人患灰指甲的概率更高，约30%~50%；在群体密集地如军队等，发病率高达50%~60%。现有的治疗方法疗效差，耗时长且副作用大。本项目创新性的提出利用大气压低温等离子体特有的气相活性成分能快速穿透指甲板微孔的优势来攻克灰指甲治疗的难题。我们使用大气压表面微放电等离子体源系统地研究了其产物模式转换及与灰指甲模型相互作用的机理。1)首先建立了一种基于等效电路模型的表面微放电特性分析方法，实现了表面微放电宏观放电参数与微观等离子体特性参数的跨尺度关联；2)在表面微放电模式转换影响因素的研究中，发现介质片的参数能够有效降低表面微放电击穿电压并影响产物模式转换电压，即通过增大介质片的介电常数和减小介质片的厚度实现相关参数的优化；3)针对表面微放电产物模式在线监测的问题，提出了基于数字图像处理技术的表面微放电可见光图像分析方法，实现了对表面微放电的放电发生发展过程的分析以及产物模式的在线识别；并结合人工智能技术，提出了一种基于深度学习的表面微放电产物模式识别方法，识别精度高达99.745%；4)在表面微放电等离子体对灰指甲模型的瞬时灭菌效果研究中，发现表面微放电等离子体活性成分能有效穿透指甲板直接灭活位于指甲板背部的病菌，在30分钟内能使细菌浓度降低5个量级，真菌浓度降低近3个量级；还发现经表面微放电等离子体处理后的指甲板具有长效抑菌的作用；5)通过研究活性成分对指甲板的穿透、被摄取以及化学反应等过程，揭示了的表面微放电等离子体对灰指甲模型瞬时灭菌和长效抑菌作用的机理。