какие виды плазмы существуют

Плазмой называется четвертое агрегатное состояние вещества — сильно ионизированный газ, в котором электроны, а также положительно и отрицательно заряженные ионы, практически полностью уравновешивают электрические заряды друг друга. В результате, если попробовать вычислить суммарный заряд в любом малом объеме плазмы, он окажется равен нулю. Данная особенность отличает плазму от электронных и ионных пучков. Это свойство плазмы называется квазинейтральностью.

Соответственно (исходя из определения) плазма характеризуется, в зависимости от отношения количества заряженных частиц в ее объеме к полному количеству составляющих ее частиц, степенью ионизации:

слабоионизированная плазма (доля процента объема частиц ионизировано) ;

умеренноионизированная плазма (несколько процентов объема частиц ионизировано) ;

сильноионизированная (почти 100% частиц объема газа ионизировано).

Виды плазмы — высокотемпературная и газоразрядная

Плазма бывает высокотемпературной и газоразрядной. Первая возникает только в условиях высокой температуры, вторая — при разряде в газе. Как известно, вещество может пребывать в одном из четырех агрегатных состояний: первое — твердое, второе — жидкое, третье — газообразное. А поскольку сильно нагретый газ переходит в следующее состояние — в состояние плазмы, поэтому именно плазма и считается четвертым агрегатным состоянием вещества.

Подвижные частицы газа в объеме плазмы обладают электрическим зарядом, следовательно есть все условия для того, чтобы плазма могла проводить электрический ток. В обычных условиях стационарная плазма экранирует постоянное внешнее электрическое поле, ибо в таком случае внутри ее объема происходит пространственное разделение электрических зарядов. Но так как заряженные частицы плазмы пребывают в условиях определенной, отличной от абсолютного нуля, температуры, есть минимальное расстояние, когда в масштабе меньше него квазинейтральность нарушается.

В ускоряющем электрическом поле заряженные частицы газоразрядной плазмы обладают различными средними кинетическими энергиями. Получается, что температура электронного газа отличается от температуры ионного газа внутри плазмы, поэтому газоразрядная плазма не является равновесной, и называется неравновесной или неизотермической плазмой.

С убыванием числа заряженных частиц газоразрядной плазмы в ходе их рекомбинации, новые заряженные частицы тут же образуются в процессе ударной ионизации электронами, ускоряемыми электрическим полем. Но стоит приложенное электрическое поле отключить — тут же исчезает газоразрядная плазма.

Высокотемпературная плазма — это изотермическая или равновесная плазма. В такой плазме убыль числа заряженных частиц из-за их рекомбинации восполняется благодаря термической ионизации. Это происходит при определенной температуре. Средние кинетические энергии частиц входящих в состав плазмы здесь равны. Из высокотемпературной плазмы (при температуре в десятки миллионов градусов) состоят звезды и Солнце.

Чтобы плазма могла начать существовать, необходима некоторая минимальная плотность заряженных частиц в ее объеме. Физика плазмы определяет это число из неравенства L>>D. Линейный размер заряженных частиц L много больше дебаевского радиуса экранирования D, представляющего собой расстояние, на котором происходит экранирование кулоновского поля любого заряда плазмы.

Говоря об определяющих свойствах плазмы, следует упомянуть:

высокую степень ионизации газа (максимум — полная ионизация);

нулевой полный заряд плазмы;

сильное взаимодействие с электрическим и магнитным полями;

высокая частота (порядка 100 МГц) колебаний электронов внутри плазмы, приводящая к вибрации всего объема плазмы;

коллективное взаимодействие огромного числа заряженных частиц (а не парами, как обычном газе).

Знания об особенностях физических свойств плазмы позволяют ученым не только получать информацию о межзвездном пространстве (как раз и заполненным в основном плазмой), но дают основание рассчитывать на перспективы установок управляемого термоядерного синтеза (на базе высокотемпературной плазмы из дейтерия и трития).

Низкотемпературная плазма (с температурой менее 100000 К) уже сегодня находит применение в ракетных двигателях, газовых лазерах, термоэлектронных преобразователях и МГД-генераторах, преобразующих тепловую энергию в электрическую. В плазмотронах получают низкотемпературную плазму для сварки металлов и для химической промышленности, где галогениды инертных газов невозможно получить иными способами.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Плазменные технологии в косметологии и дерматологии: новые возможности и перспективы использования

Шептий Олег Васильевич

К.м.н., специалист в области лазерной дерматологии и хирургии, член Американского общества лазерной медицины и хирургии (ASLMS), член Общества специалистов в области фотомедицины, Москва

Генералова Таиса Витальевна

Врач-косметолог центра аппаратной косметологии «Вирсавия», Москва

Использование плазменных технологий является относительно новым направлением в косметологии и пока еще не совсем понятным. Первые устройства создавались как альтернатива лазерному омоложению, однако последние исследования показывают, что возможности использования плазмы гораздо шире.

Плазма: что это такое?

Чтобы понять, какие преимущества дает использование плазменных технологий, давайте сначала разберемся, что такое плазма. Плазма — это газ, который, в отличие от привычных нам стабильных газов, состоит не только из нейтральных молекул, но включает также заряженные частицы — свободные электроны и положительные и отрицательные ионы (а в некоторых случаях состоит только из этих заряженных частиц).

Несмотря на то, что в плазме присутствуют частицы разного знака, количество носителей положительного и отрицательного заряда в единице ее объема практически одинаково — то есть общий заряд плазмы равен нулю. Эта особенность, ставящая плазму особняком от других систем, содержащих заряженные частицы (например, электронные или ионные пучки), получила название квазинейтральность. При этом плазма сохраняет главное свойство, отличающее ее от стабильных газов, — способность взаимодействовать с внешним электромагнитным полем и проводить электрический ток.

В состояние плазмы газ переходит при передаче ему большого количества энергии, которая сможет «оторвать» электроны от атомов. Таким образом, плазму называют четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества (рис. 1).

1. Физические состояния вещества
2. Увеличение энергии
3. Твердое вещество. В твердом состоянии вещество сохраняет форму и объем — молекулы, которые его образуют, соединены между собой крепкими связями и расположены строго упорядоченным образом. При низких температурах все вещества замерзают и превращаются в твердые тела
4. Жидкость. В жидком состоянии вещество сохраняет объем, но не сохраняет форму — между молекулами существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии, но недостаточное для поддержания постоянной структуры.
5. Газ. Молекулы газа взаимодействуют слабо и движутся хаотически, в связи с чем газ заполняет весь доступный объем.
6. Плазма. Является частично или полностью ионизированным газом. Взаимодействует с другими заряженными частицами и электромагнитным полем.

Энергия, которая на это потребуется, зависит от конкретного вещества, а именно строения внешних электронных оболочек его атомов: чем легче атом отдает электрон, тем меньше энергии необходимо затратить на его отрыв. В естественных условиях источником такой энергии является преимущественно нагревание, однако плазму можно получить и иными способами [1].

Различают 2 вида плазмы [2]:

Биомедицинские эффекты плазмы

Плазма является источником [2]:

Конкретные эффекты при взаимодействии с тканями-мишенями будут зависеть от типа применяемой плазмы, ее дозы, скорости потока, давления, времени воздействия (параметры, которые на которые можно влиять с помощью модификации устройств) и характеристик самой ткани [3].

Однако нужно сказать, что в последние годы все больше внимания привлекает к себе технология холодной низкотемпературной плазмы (35–40 о С), которая позволяет добиваться лечебных эффектов без повреждения живых тканей.

Кроме того, было выявлено, что обработка ран холодной низкотемпературной плазмой ускоряет их заживление [6]. Недавняя работа, опубликованная в журнале Scientific Reports, продемонстрировала, что такая плазма стимулирует пролиферацию и дифференцировку кератиноцитов за счет активации β-катенин-сигнального пути и ингибирования Е-кадгерина, который отвечает за контактное торможение клеточного роста. У мышей, раны которых обрабатывались низкотемпературной плазмой, уже спустя 15 дней отмечалось практически полное восстановление эпидермиса и мышечной ткани, а также высокая плотность коллагеновых волокон, в то время как в ранах, заживающих естественным образом, эти процессы шли гораздо медленнее (рис. 2) [7].

Рана слева заживала естественным образом, рана справа 3 раза в день в течение 5 мин обрабатывалась холодной низкотемпературной плазмой на протяжении 2 нед [7]

Последние исследования также выявили, что холодная плазма обуславливает временное снижение барьерной функции рогового слоя и усиливает проницаемость кожи для лекарственных и косметических средств. Предполагается, что это связано с перестройкой липидных бислоев под действием плазмы и формированием временных каналов, облегчающим прохождение различных веществ (рис. 3) [9].

1. Роговой слой
2. Межклеточные липиды
3. Гидрофильная группа
4. Гидрофобная группа
5. До обработки плазмой
6. После плазменного воздействия
7. Возвращение к исходному состоянию

Также продемонстрировано, что импульсные электрические поля, формирующиеся при контакте плазмы с кожей, способны изменять электрический заряд клеточных мембран и образовывать поры, через которые в клетку могут поступать различные активные вещества. Это явление известно как электропорация [10].

Кроме того, плазма влияет на свертываемость крови, иммунную систему, а также пролиферацию и апоптоз раковых клеток [10].

Плазменные методы в косметологии

Начало эры плазменных технологий в косметологии связано с тепловыми эффектами плазмы. Так, плазменные методы омоложения основаны на контролируемом термическом повреждении тканей с целью запуска регенеративных процессов и «обновления» тканей. Этот принцип является основной и других методов аппаратного омоложения, однако в случае использования плазмы есть свои особенности.

Плазменная регенерация кожи

Пионером плазменного омоложения является технология плазменной регенерации кожи (Plasma Skin Regeneration, PSR), которая появилась в 2006 г., а первым устройством стал Portrait PSR (Rhytec, Великобритания). В качестве плазмообразующего газа было предложено использовать азот — инертный газ, который способен вытеснять кислород, необходимый для окисления и горения, с поверхности кожи, и таким образом минимизировать риск ожога и образования рубцов.

Под действием ультравысокочастотного электрического тока в рукоятке устройства происходит ионизация молекул азота и образуется плазма, которая доставляется к коже бесконтактным способом в виде миллисекундных импульсов (такой бесконтактный способ обработки позволяет коже быстро остывать и исключает риск ожогов от деталей устройства). То есть, по сути, плазма является «переносчиком» электрической энергии.

Как только плазма попадает на кожу, ее энергия быстро распределяется по поверхности и обеспечивает градиентный нагрев кожи — сначала эпидермиса, а затем (в зависимости от используемого уровня энергии) дермы с формированием поверхностной зоны необратимого термического повреждения и более глубокой зоны термической модификации (рис. 4) [11].

1. Энергия импульса
2. Зона термической модификации (красная)
3. Зона термического повреждения (розовая)

Глубина и площадь теплового эффекта определяются установкой энергии и размером пятна наконечника, которое можно увеличить или уменьшить, приближая или удаляя наконечник от поверхности кожи. Так, низкоэнергетические импульсы (около 1 Дж) оказывают воздействие только на эпидермис, а высокоэнергетические (3–4 Дж) обеспечивают нагревание дермы (глубина достигает 500–600 мкм) [11].

Важно, что, в отличие от лазеров, плазма не требует наличия хромофоров в коже, поэтому разогрев тканей протекает равномерно, без «взрывной» вапоризации тканей. Слой старого поврежденного эпидермиса служит «биологической защитной повязкой» нижележащим клеткам и остается на месте, пока не образуется новый, а затем постепенно отшелушивается. Кроме того, это позволяет проводить обработку кожи любых фототипов и сокращает риск побочных эффектов в виде шрамов, инфекций и депигментации. Даже в случае высокоэнергетического воздействия неоэпителизация происходит быстро и обычно завершается в течение 5–7 дней после процедуры.

Процессы, протекающие в дермальном слое, более длительные. Сразу после обработки отмечается контракция коллагеновых волокон (в тех областях, где температура нагревания превышала 60 о С) и реакции на тепловой шок, затем происходит постепенное разрушение поврежденных структур и активация неоколлагенеза и неоэластогенеза. Процессы ремоделирования дермы продолжаются как минимум 3 мес после обработки [11–13].

1. До
2. После
3. День 4

Фракционная микроплазменная RF-технология

Еще одним вариантом использования особых свойств плазмы для проведения омолаживающих процедур является фракционная микроплазменная RF-технология, появившаяся в 2010 г. и реализованная в устройстве Pixel RF (Израиль).

На специальных наконечниках манипулы (в виде подвижных роликов или плоских стационарных насадок) размещено множество игольчатых электродов (спикул). При приближении к поверхности кожи на несколько микрометров мощный электрический радиочастотный разряд, проходящий через электроды, формирует вспышки плазмы (микроплазменные разряды высокой плотности).

Эти вспышки «пробивают» эпидермис и верхние слои дермы, образуя микроканалы, окруженные зоной термического повреждения. При дальнейшем вращении роллера (или надавливании стационарной насадкой) спикулы вдавливаются в эти участки абляции, оказывая на них дополнительное механическое воздействие.

Глубина и размеры повреждений также будут определяться энергией и продолжительностью импульсов (согласно исследованиям на коже поросят, колодцы абляции могут достигать 50–200 мкм в глубину и 80–200 мкм в диаметре, а зона коагуляции — распространяться еще на 100–200 мкм вокруг них). Эпителизация завершается через 3–4 дня, процессы ремоделирования дермы длятся вплоть до 6 мес [14].

Фракционная микроплазменная RF-обработка рекомендуется для коррекции возрастных изменений (морщин, дряблости кожи и т.д.), а также для выравнивания тона кожи и уменьшения рубцов. Кроме того, быстрота выполнения процедур (в среднем 10 мин для 5 проходов по лицу) позволяет использовать роллеры для обработки больших площадей кожи, например, живота.

Плазма vs. лазеры

Каковы же особенности плазменного омоложения по сравнению с лазерным, альтернативой которому оно изначально создавалось?

В отличие от лазеров, плазму можно использовать на коже любых фототипов. Гиперпигментация, которая может встречаться после процедур, в целом возникает реже, чем в случае лазерной обработки. Также существенно снижен риск инфицирования и рубцевания.

Продемонстрировано, что СО₂-лазеры формируют более однородные по глубине и диаметру повреждения, в то время как в случае использования плазмы эти размеры могут варьировать. Кроме того, лазеры обеспечивают более глубокое воздействие, чем плазма. Однако именно более поверхностные эффекты плазменной обработки могут быть одной из причин меньшего риска поствоспалительной гиперпигментации [14].

Что касается эффективности процедур, то было проведено непосредственное сравнение фракционной микроплазменной RF-технологии и фракционного СО₂-лазера для устранения рубцов постакне. Одна сторона лица пациентов (всего участвовало 33 человека с III и IV фототипами кожи) обрабатывалась с помощью плазмы, другая — лазера, по 3 процедуры каждого вида. Глубина повреждений в первом случае варьировала в пределах 120–150 мкм, а диаметр составлял 150–180 мкм. Фракционный СО₂-лазер формировал повреждения глубиной 300–400 мкм и диаметром 100–120 мкм. Зона термического повреждения вокруг колодца абляции была шире в случае микроплазмы (рис. 7).

Рис. 7. Гистологические изменения сразу после обработки атрофических рубцов постакне с помощью микроплазменной RF-технологии (слева) и фракционного СО2-лазера (справа)

Оба метода существенно и практически равнозначно снизили выраженность рубцов постакне — с 51,1 ± 14,2 до 22,3 ± 8,6 в случае плазмы (улучшение на 56,4%) и с 48,8 ± 15,1 до 19,9 ± 7,9 для СО₂-лазера (улучшение на 59,2%) по шкале ЕССА. При этом в ответ на лазерное воздействие у 12 человек (36,4%) развилась поствоспалительная гиперпигментация, а со стороны микроплазменной обработки таких осложнений зафиксировано не было [15].

Таким образом, низкоэнергентическая плазма позволяет бороться с пигментацией, выравнивать текстуру и тон кожи и, по сути, приравнивается к неаблятивным лазерам. Высокоэнергетическая плазма, в свою очередь, помогает бороться с более серьезными дефектами, как то морщины, снижение эластичности и упругости кожи, а также рубцы постакне и растяжки, однако глубина воздействия будет ограничена верхними слоями дермы (в случае лазеров глубина микротермальных лечебных зон может составлять больше 1 мм).

И хотя плазменное омоложение несет меньший риск побочных эффектов и требует на восстановление меньше времени, эффективность аблятивных лазеров пока остается более высокой. Однако эти процедуры могут быть процедурами выбора у пациентов с темными типами кожи, поскольку для них существенно снижен риск поствопалительной гиперпигментации.

Кроме того, технологии использования плазмы развиваются, и уже сейчас появляется все большее число перспективных устройств с новыми свойствами, которые позволяют им уйти от сравнения с «младшим братом» лазеров и занять отдельную нишу.

Современный рынок плазменных технологий

Основным отличием серьезных профессиональных плазменных аппаратов от портативных устройств для домашнего и салонного использования является наличие контроля над глубиной и степенью повреждения кожи. Это крайне важный аспект, позволяющий получать прогнозируемый результат и снизить риски нежелательных побочных явлений.

Количество новых устройств, использующих возможности плазмы, увеличивается с каждым годом. Появляются даже портативные приборы, позволяющие использовать энергию плазмы в салонных и домашних условиях. Однако нужно отметить, что в них установлены режимы воздействия, в которых нет возможности менять ни силу, ни глубину, ни время обработки, что вызывает вопросы в отношении их эффективности и безопасности.

В то же время разработчики профессиональных аппаратов, наоборот, сосредотачивают свои усилия на усовершенствовании устройств и создании более контролируемых технологий, позволяющих получать ожидаемые и стабильные результаты. Например, Neogen PSR (Energist, Великобритания) является прямым «наследником» Portrait PSR, в котором доработаны технологии подачи импульсов.

Появляются устройства, в которых реализованы последние научные достижения в сфере использования плазмы. Среди них стоит выделить устройство Plasma BT(Seoulin Medicare, Корея), которое уже представлено на российском рынке. Это аппарат нового поколения, использующий не только уже хорошо известные тепловые эффекты плазменного воздействия, но и недавно открытые свойства холодной плазмы.

Plasma BT оснащен двумя отдельными насадками, которые генерируют плазму с различными характеристиками и, следовательно, разным влиянием на кожу (рис. 8).

Рис. 8. Аппарат Plasma BT

Рис. 9. Повреждения, генерируемые с помощью различных режимов насадки Plasma Surgical Plasma BT

При этом для каждого режима возможно изменить энергию, а следовательно — глубину и площадь воздействия.

Запатентованной разработкой Plasma BT является наличие специального направляющего фиксатора, который контролирует расстояние между иглой, испускающей плазму, и кожей (рис. 10).

Рис. 10. Насадка Plasma Surgical Plasma BT с наконечником в виде иглы и иглой в специальном фиксаторе

Это позволяет производить обработку с оптимальной дистанции (0,5 мм) и формировать однородные повреждения по всей поверхности кожи. Используется для:

Рис. 11. Пациентка, 42 года, до (слева) и через 3 нед после блефаропластики с использованием устройства Plasma BT (импульсный режим, 40 Гц, уровень 2). Уменьшение размеров кожной складки открыло верхнее веко на 25% на правом глазу и на 46% на левом глазу, вследствие чего произошло расширение глазной щели на 14% для обоих глаз. Никаких серьезных побочных эффектов не возникало, отек разрешился через 2 дня, а мелкие струпья в точках повреждений отпали через 3 дня [по материалам доктора]

Рис. 12. Увеличение проницаемости кожного барьера с помощью плазменного душа

Показательный пример эффективности использования плазменного душа для трансдермальной доставки активных веществ приводится в статье доктора Беатрис Молина (Beatriz Molina) — медицинского директора и владелицы клиник Medlkas (Великобритания), ведущего специалиста Galderma UK [17]. Она описывает случай нарушения кровообращения при нехирургической ринопластике после введения филлера на основе гиалуроновой кислоты в кончик носа.

Поскольку инъекции гиалуронидазы были весьма болезненны для пациентки, доктор Молина использовала насадку Plasma Poration — 3 мин обработки кожи носа с последующим местным нанесением 1200 и 750 Ед гиалуронидазы в первые два дня после возникновения симптомов соответственно.

Вслед за этим она использовала насадку для трансдермального введения инъекционной формы гиалуроновой кислоты для биоревитализации (3 процедуры). Все нежелательные явления разрешились без каких-либо осложнений, что подтверждает эффективность использования плазменного душа для доставки в кожу крупных молекул (рис. 13).

Рис. 13. Успешный опыт использования насадки Plasma Poration для трансдермального введения гиалуронидазы и гиалуроновой кислоты для биоревитализации

Заключение

Интерес к плазменным технологиям растет — это подтверждает большое количество устройств, которые появляются на рынке в последние годы. Плазменное омоложение обеспечивает более мягкое воздействие, чем аблятивные лазеры, однако сопровождается меньшим количеством нежелательных явлений и становится все более контролируемым. Дополнительным преимуществом является возможность использовать плазму для обработки темных фототипов кожи.

Кроме того, появились косметологические устройства, генерирующие холодную низкотемпературную плазму, что существенно расширяет перспективы использования плазменных технологий и позволяет предположить рост их популярности в будущем.

Литература

Контакты

АДРЕС:

Москва, Бульвар Энтузиастов, д. 2, Б.Ц. Голден Гейт

Источник