Untersuchung für ein tragbares Gerät zur Plasmadesinfektion

Kaltes Plasma für Astronaut Healthcare

Laufzeit des Vorhabens: 01.01.2016 – 30.09.2016

Das hier beschriebene Vorhaben betrifft den ersten wichtigen Schritt zur Entwicklung eines Gerätes zur Unterstützung der Gesundheit von Astronauten auf ausgedehnten Weltraumflügen. Aus diversen Studien ist bekannt, dass ein längerer Aufenthalt im Weltraum zu einer Dysregulation des Immunsystems führen kann, welches wiederum Konsequenzen für die Anfälligkeit auf bakterielle Hautinfektionen und Pilzerkrankungen hat bzw. die Wundheilung von akuten Wunden erschwert [Mermel 2012]. Zudem zeigen erste Untersuchungen, dass Pathogene durch Langzeitflüge resistenter werden [Wilson et al. 2007].

Mit erdbasierten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass kalte atmosphärische Plasmen – d.h. teilweise ionisierte Gase – eine wirksame Technologie bei der Bekämpfung von Mikroben und bei regenerativen Heilungsprozessen darstellen [Isbary et al. 2012, 2013, 2014, Heinlin et al. 2013]. Dies konnte vor allem in klinische Studien – über einen Zeitraum von 8 Jahren mit über 3500 Anwendungen an insgesamt 379 Patienten – mit einem Kaltplasma-Gerät in „Kühlschrank-Größe“ gezeigt werden. Für den Einsatz im Weltraum eignet sich dieses Kaltplasma-Gerät schon wegen seiner Gesamtgröße nicht.

In diesem Vorhaben wurde ein erster wichtiger Schritt zur Entwicklung eines miniaturisierten Gerätes vorgenommen. Der entwickelte Prototyp basiert auf der sogenannten Oberflächenmikroentladungstechnologie (Morfill et al. 2009, Patent in Japan, Patentanmeldungen in EU, USA und China) mit der kaltes Plasma mittels Mikroentladungen in der umgebenden Luft erzeugt werden kann. Abbildung 1 zeigt schematisch den Aufbau der in diesem Projekt entwickelten Elektrode.

Abbildung 1: Schema der Plasmaquelle

Ziel der Untersuchungen und der stetigen Weiterentwicklungen war es eine langzeit-stabile, großflächige Elektrode zu entwickeln, die bereits bei geringen Spannungen von 3-4 kVpp ein homogenes Plasma erzeugt. Diese Merkmale sind aus folgenden Gründen maßgeblich für ein Gerät für den Einsatz im Weltraum:

  • Langzeit-stabil: Langzeitmissionen sind über Monate/Jahre geplant. Über diesen Zeitraum muss die Plasmaquelle stabil laufen und homogenes, sowie beständiges Plasma erzeugen.
  • Großflächig: Eine Behandlungsgröße von ca. 3 x 3 cm2 wurde als optimal angesehen um auch größere akute Wunden zu behandeln.
  • Geringe Spannungen von 3-4 kVpp: Nach DIN EN 6060-01 (für Medizinisch Elektrische Geräte) gibt es Vorgaben für den Abstand zwischen der Hochspannungselektrode und der Haut, die von der angelegten Spannung abhängt. Zur Erzeugung der optimalen Plasmachemie – d.h. der Plasmaspezies, die Mikroben inaktivieren und regenerative Prozesse ermöglichen – ist ein Abstand von 1,5 – 2 cm optimal. Aus diesem Grund werden geringe Spannungen von 3-4 kVpp benötigt.
    Ein kaltes Plasma mittels einer so geringen Spannung zu erzeugen ist eine technische Herausforderung und kann nur mit der sogenannten Dünnschichttechnologie (Patentanmeldung in Deutschland und PCT-Anmeldung) realisiert werden.
Abbildung 2: Schema der Plasmaquelle

Abbildung 2 zeigt die auf dieser Basis in diesem Projekt entwickelte Elektrode, die alle oben beschriebenen Merkmale erfüllt und in Langzeittests bei über 3000 Anwendungen stabil arbeitet.

Um die optimalen Plasmaparameter (Frequenz, Spannung) sowie den optimalen Abstand zwischen Probe und Elektrode in erdbasierten Untersuchungen zu eruieren wurde eine variable Spannungsversorgung gewählt.

Erste erdbasierte Untersuchungen zeigen, dass mittels einer Spannung von 3.5 kVpp und einer Frequenz von 4 kHz (Leistung ca. 1,4 Watt) ähnliche Ergebnisse bezüglich der Reduktion von Mikroben erreicht werden können wie mit dem Kaltplasma-Gerät („Kühlschrank-Größe“), das in klinischen Studien untersucht wurde.

Die Daten zeigen, dass eine mehr als 4 log Reduktion von Escherichia Coli Bakterien auf Agar innerhalb von 60 Sekunden erreicht werden kann. Untersuchungen von Escherichia Coli Bakterien inokuliert auf Schweinehaut zeigten eine Reduktion um 90 % bzw. 99 % bei einer 1- bzw. 2-minütigen Behandlung.

Ziel ist es diese erdgebundenen Untersuchungen weiterzuführen und auf Risikoklasse II Bakterien zu erweitern. Im Anschluss an dieses Projekt ist es geplant, in Kooperation mit dem DLR, der JLU Gießen und dem russischen Institut für Bio-Medical Problems (IMBP) die neu entwickelte Elektrode unter Schwerelosigkeit auf Parabelflügen zu charakterisieren und auf ihre Bakterizidität hin zu untersuchen.

Institution

terraplasma GmbH
Lichtenbergstraße 8
85748 Garching

Ansprechpartner/-in:

Prof. Dr. Dr. h.c. Gregor Morfill
Tel.: +49 89 5484 2270
morfill@terraplasma.com
www.terraplasma.com

PD Dr. Julia Zimmermann
Tel.: +49 89 5484 2270
zimmermann@terraplasma.com