Наука и технологии България - Студена плазма срещу бактерии
Учените от MEPhI разработват нов начин за борба с патогенни бактерии и микроорганизми, използвайки плазма със студен въздух. Изследвания за създаване на инсталация, способна да генерира студен плазмен поток при атмосферно налягане и стайна температура, се провеждат в катедрата по електротехника, ръководена от доктора на физико-математическите науки, професорЕдуард Школников.
Хората са измислили всякакви начини за борба с микробите: те се пържат със сух горещ въздух в специални шкафове за суха топлина, унищожават се с прегрята наситена пара под високо налягане в автоклави, тровят се с всякакви отрови, унищожават се от потоци йонизиращо и ултравиолетово (UV) лъчение. Но на вредната армия не й пука.
Експериментална установка, състояща се от високоволтов генератор с повтарящи се импулси и газоразрядна камера
Всеки от тези методи има своите недостатъци. По този начин високотемпературните технологии се отличават с голяма инертност на процесите на нагряване и охлаждане, продължителността на самия процес на стерилизация и сериозни енергийни разходи. Те обаче не позволяват стерилизация на чувствителни към температура материали, т.к. температурата на стерилизиращата среда може да бъде 150-200 градуса по Целзий. Сухите фурни могат да представляват опасност от пожар, а автоклавите не изключват възможността за случайно изпускане на прегрята пара. Въпреки потенциалната опасност от тези технологии за хората, за някои вируси те могат да се окажат напълно безвредни: например вирусите не винаги се инактивират в автоклави.
Още по-малко ефективен начин за унищожаване на вредни микроорганизми (въпреки че запазването на чувствителните към топлина материали непокътнати) с помощта на така наречената "студена" технологиястерилизация - обработка с газообразни (етиленов оксид, озон, формалинови пари и др.) И течни (йодоформ, хипохлорити, етанол, формулировки на основата на фенол и др.) Химически активни вещества. Всички тези дезинфектанти са силно токсични и опасни за хората. Повечето от тях дразнят кожата, очите, а също така причиняват корозия на оборудването и инструментите, които се обработват. Процедурата за "студена" дезинфекция обикновено изисква още повече време (до 24 часа).
Най-ефективният начин за борба с патогенната среда е използването на йонизиращо лъчение, по-специално електронно, гама и рентгеново лъчение, което осигурява надеждна дезинфекция на различни материали, включително чувствителни към топлина. Тази технология се реализира с помощта на електронни ускорители за енергия от 2–5 MeV. Въпреки това има и сериозен недостатък: високата цена на оборудването и необходимостта от специално оборудвани радиационно безопасни помещения. Освен това тези инсталации изискват висококвалифициран обслужващ персонал.
Що се отнася до още нещо - ултравиолетовият метод на стерилизация, UV излъчвателите (кварцови лампи) се използват главно за дезинфекция на въздуха, тоест имат доста ограничен обхват на приложение.
Универсален стерилизатор
През последните години вниманието на изследователите привлече друг тип оръжие, което е ефективно в борбата с патогенните микроорганизми - неравновесна нискотемпературна газоразрядна плазма.
Помощ за STRF:Нискотемпературната газоразрядна плазма съдържа заредени (електрони и йони), неутрални (атоми и молекули) частици и някои активни продукти от плазмохимични реакции, ултравиолетови и в някои случаи рентгенови лъчи. Може да се окислявамикроорганизми, разрушават мембраните и ДНК на бактериите и вирусите. Докато остава студена, плазмата не унищожава чувствителните към топлина материали, което позволява да се използва широко като универсален стерилизатор. За разлика от традиционно използваните методи за стерилизация, газоразрядните методи за стерилизация, базирани на нискотемпературна плазма, имат редица основни предимства. Това са, първо, ниски температури на стерилизация, което прави възможно стерилизирането на чувствителни към топлина материали. На второ място, кратък период на излагане на микроби. Широка гама от стерилизиращи агенти, съдържащи се в газоразрядната плазма (заредени частици, силно възбудени неутрали, активни продукти на плазмени химични реакции, ултравиолетово и в някои режими рентгеново лъчение), могат значително да намалят времето за стерилизация - до няколко минути. И трето, за разлика от стерилизиращите устройства, базирани на ускорители на заредени частици, инсталациите за плазмена стерилизация не са източник на радиационна опасност, не изискват специални помещения и специално обучен персонал. Сред другите важни свойства на тези инсталации, заслужава да се отбележи екологичната безопасност, ниската консумация на енергия и ниската цена.
Електродна система на газоразрядната камера
„Нашата инсталация“, казва Едуард Школников, ръководител на катедрата по електротехника в MEPhI,, „се различава от себе си по два начина. Първият е, че плазмата се получава при разряд във въздуха при атмосферно налягане. И второто - изпускателната структура се оказва обемна, хомогенна. И това се постига в доста големи обеми, когато междуелектродната междина е 1-10 см. В подобни инсталации или има разряд при въздушно-атмосферни условия, но няма дифузия иобемите на междуелектродната междина са малки или, обратно, има дифузия, но вместо въздух се използват газови смеси, например хелий или аргон с малко количество въздух. Всичко това прави инсталациите или скъпи, или неефективни. За да постигнем тази комбинация, трябваше да свършим много работа. По-специално, създадохме физически модели, които описват процесите на изпускане във въздуха. С тяхна помощ определихме оптималната комбинация от такива параметри на генераторите, захранващи разрядните междини, като амплитуда на импулсите, тяхната продължителност и честота на повторение. Експериментите показват, че разрядът има „капризен характер“: ако тези условия не са изпълнени, той рязко намалява производството на концентрации на активните компоненти на плазмохимичните реакции, което рязко намалява ефективността на процеса на стерилизация.
Експерименталната и теоретична работа на изследователите от катедрата по електротехника MEPhI сега е в разгара си. Според Едуард Школников прототип на такава инсталация ще бъде създаден до края на тази година. „Задачата, която сме си поставили, все още не е решена в нито една лаборатория в света, мога да го кажа със сигурност“, казва Школников. „Ако се получи, ще бъде добра стъпка напред.“
След създаването на такава инсталация с желаните характеристики лекарите и микробиолозите ще се заемат с работата. Тяхната задача е да проверят колко ефективно плазменият поток унищожава патогенните бактерии и микроорганизми. Предварителните проучвания с инсталацията, която вече е налична в MEPhI, направиха възможно натрупването на експериментален материал. „Използвах учебните си ресурси“, усмихва се Едуард Школников. — Един от нашите ученици има родители, които работят в лечебно заведение. Те ни помогнаха да получим проби, заразени с Escherichia coli (Е. coli). Ниеоблъчи тези проби с поток от плазма и ги върна на лекарите за изследване. Резултатът е: E. coli се разлага напълно за сравнително кратко време - от порядъка на няколко минути.
Висока, дори космическа, стерилност
Нов високотехнологичен генератор на студена плазма очакват с нетърпение в SSC България – Институт по биомедицински проблеми на Руската академия на науките. Според проучване, проведено от специалисти от Центъра по инфекциозни болести и ваксинология към Университета на Аризона, патогенните бактерии, които са били в космоса, стават все по-опасни.Факт е, че на базата на такива инсталации могат да бъдат разработени уникални устройства за космически станции, по-специално оборудване за осигуряване на карантина и микробиологична безопасност в жилищните отделения на космическите кораби и други зони под налягане с продължителна експлоатация, включително обеми под налягане с изкуствени физики логично активна дихателна среда.
Хомогенен плазмен поток
В допълнение, тези инсталации ще послужат като основа за разработването на промишлени нискотемпературни стерилизатори с широко приложение за медицински заведения, услуги за различни цели и обеми (фризьорски салони, кина, кафенета, ресторанти), както и жилищни и офис помещения. Днес, поради липсата на такава технология за стерилизация, лечебните заведения са принудени да купуват скъпо вносно оборудване, например устройството за химическа стерилизация STERRAD-100S (САЩ) в силни окислителни разтвори, което използва плазма за разреждане на специален разтвор на базата на водороден пероксид. Стерилизирането с негова помощ отнема един час, а теглото на инсталацията е 350 кг, а цената й е 170 хил. щатски долара, колкото са повечето български клиники иболниците са недостъпни. „Искаме да направим евтино компактно устройство за стерилизиране на инструменти и да оборудваме болниците с него“, споделя плановете си Едуард Школников. - Какво му е хубавото? Ефективен, прост и безопасен за медицински персонал.”