实现精准细菌灭活的MEMS自激发等离子体射流芯片研究

To inactivate the pathogenic bacteria by low temperature atmospheric pressure plasma is of great significance to preventing and controlling infection and ensuring the medical quality. To accurately control the working area and the dose of plasma is the key of effective sterilization. Based on LIGA (Lithographie, Galvanoformung and Abformung) technology, a micro plasma-on-chip will be designed and fabricated, on the basis of which further research on precise bacteria inactivation will be developed. In this system, the self-ejecting plasma jet produced by the discharge of needle-rectangular loop electrode inactivates bacteria, and the ionic wind by the discharge of needle-net electrode carries on a homologous control to the plasma-affected area and the energy intensity of micro plasma jet and increases the efficiency of sterilization. The project focuses on the research of the inner mechanism of MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) micro self-ejecting plasma jet under conditions of DC high voltage, atmospheric pressure and without carrier gas flow. The effective method of accurately controlling the plasma-affected area and the energy intensity of micro plasma jet is mainly explored. And the interaction mechanism between bacteria and different active particles is analyzed deeply. This project aims to provide a novel plasma jet integrated system which does not need a huge and complex gas supply system and a high voltage and high frequency power supply. The integrated system has many special features, like low temperature, fastness, precision, miniaturization, non-pollution and high sterilization rate. And it will achieve some valuable basic theories and practical technologies.

利用大气压低温等离子体实现病原细菌灭活，对于预防和控制感染，保证医疗质量具有十分重要的意义。对等离子体作用区域和剂量进行精准控制，则是其有效灭菌的关键。本项目基于LIGA工艺，拟设计制作一种微型等离子体芯片，在此基础上开展精准细菌灭活的研究。该芯片由针-矩形环电极放电产生自激发等离子体射流，实现细菌灭活功能；针-网阵列式电极放电产生离子风，可对等离子体射流作用范围和能量强度进行相应控制，并辅助提高灭菌率。着重研究在直流高压、大气压环境、无外接载气的条件下，MEMS小尺寸自激发等离子体射流形成的内在机理；重点探索对微型等离子体射流作用区域和能量强度精确控制的有效方法；深入剖析不同活性粒子与细菌的相互作用机理。本项目旨在提供一种摈弃了庞大复杂的供气系统和高压高频电源、具有低温、快速、精准、微型化、无污染、灭菌率高等特点的等离子体射流集成系统，取得有价值的基础理论和实用技术。

利用大气压低温等离子体实现病原细菌灭活，对于预防和控制感染，保证医疗质量具有十分重要的意义。对等离子体作用区域和剂量进行精准控制，则是其有效灭菌的关键。课题组围绕微细等离子体装置设计、物理特性、灭菌消毒应用等核心内容，经过四年的研究，在以下方面取得了突破：.（1）设计并制作了一种基于MEMS工艺的新型微针-柱放电芯片。MEMS芯片产生的等离子体射流都能有效杀灭金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。灭菌时间120s，大肠杆菌灭活率达100％。此外，当灭菌时间为180秒时，金黄色葡萄球菌的灭活率达到100％。.（2）实现特定区域细菌灭活的微型等离子体射流装置。采用一种空心金属毛细管结构用于实现等离子体射流对特定微小区域的灭菌。在高压高频电压和He的共同作用下，产生了最细直径0.1mm的微细等离子体射流，并实现了半径1mm的圆形区域精准灭菌。 .（3）用于肿瘤细胞治疗的7μm微细等离子体喷射装置设计。提出了一种用于灭菌和癌症治疗的7微米大小的等离子体喷射装置，并基于体外微肿瘤模型验证了其抗癌效果。微等离子体射流可诱导3D T24细胞存活率呈剂量依赖性下降，有效地灭活一定尺寸范围(直径50-300微米)内的微小肿瘤。这项工作为利用微等离子体射流有效、准确地灭活患者的微小肿瘤提供了潜在的应用前景。.（4）设计了一种新型的微细等离子体装置。该装置采用的是等离子体射流与处理物体表面不直接接触的方式。等离子体处理剂量主要依赖射流时间的长短和RONS的剂量，在保证时间恒定的情况下，可提高RONS变化的精度，从而精确控制灭菌范围及其效果，为细胞层面的等离子体生物医学研究提供了科学依据和技术手段。. 以上述研究成果为基础，共发表论文16篇，其中SCI论文13篇（包括1篇封面论文，1篇亮点论文），EI论文1篇，中文核心论文2篇，申请发明专利3项，其中授权1项，授权软件著作权1项，培养硕士研究生5人。