References

chemicallytech

Fine Chemical Technologies

Тонкие химические технологии

2410-65932686-7575

MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).

chemicallytech-224

Research Article

CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF MEDICINAL COMPOUNDS AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCES

ХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Plasmachemical technologies in biology and medicine: state of the art

Плазмохимические технологии в биологии и медицине: современное состояние проблемы

Васильева

Т. М.

Vasilieva

T. M.

доцент

tmvasilieva@gmail.com

Московский физико-технический институт (государственный университет), Московская обл., г. Долгопрудный, 141700РоссияMoscow Institute of Physics and TechnologyRussian Federation

2015

28042015

102519

2015

Васильева Т.М.

Vasilieva T.M.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/224

Low-temperature non-equilibrium plasmas have been extensively investigated due to their low-temperature properties and controllability of various agents such as radicals, ions, UV and electric fields, making them suitable for a wide range of biomedical applications. This paper presents an overview of the current status and potential of plasmachemical technologies for production of novel bioactive materials, fictionalization of organic polymers, deposition of organic and inorganic coatings, and plasma processing of biomaterials, sterilization, treatment of mammalian and cancerous cells, blood coagulation, wound healing and dental treatments. The brief summary and characterization of various low-temperature nonequilibrium plasmas used in biology and medicine (corona discharge, radio-frequency and microwave gas discharges, electron-beam plasma) are given. The physical-chemical processes of plasmachemical polymers modification and coatings synthesis, as well as mechanisms responsible for the biological effects are described.

В обзоре представлено современное состояние проблемы использования плазмохимических технологий для решения ряда актуальных для современной биотехнологии и биомедицины задач: получения новых биосовместимых и биоактивных материалов и покрытий, модификации и функционализации синтетических полимеров и иммобилизации на их поверхность различных биоактивных веществ, стерилизации медицинского оборудования, лечения воспалительных заболеваний, стимулирования процессов гемостаза при хирургических операциях, регенерации тканей организма и заживления ран. Приведены примеры эффективного применения различных видов низкотемпературной неравновесной плазмы (коронного разряда, газовых разрядов различных частотных диапазонов, электронно-пучковой плазмы). Рассмотрены физико-химические процессы, протекающие при плазмохимической модификации полимерных материалов, а также механизмы взаимодействия низкотемпературной сильнонеравновесной плазмы с бактериальными и эукариотическими клетками.

низкотемпературная неравновесная плазмаплазмохимические технологиигазовый разрядэлектронно-пучковая плазмамеханизмы плазмохимического действиябиоактивные материалысинтетические полимерыстерилизация

low-temperature non-equilibrium plasmaplasmachemical technologiesgas dischargeelectron-beam plasmabioactive materials

References1

Лебедев Ю.А. Введение в плазмохимию // Тезисы докл. электронной Школы по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ. Иваново, 15 апреля - 30 октября 1999 [Электронный ресурс]: main.isuct.ru/files/konf/plasma/LECTIONS/Lebedev_lection.html.

Белогривцев В.М., Коротеев А.С., Ризаханов Р.Н., Шишканов И.И., Ярцев А.М. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1991. № 3. С. 26-34

Улесова А.В., Гречко А.А., Садова С.Ф. // Химические волокна. 2008. № 2. С. 44-47.

Sharafutdinov R.G., Khmela S.Ya., Shchukin V.G., Ponomarev M.V., Baranov E.A., Volkov A.V., Semenova O.I., Fedina L.I., Dobrovolsky P.P., Kolesov B.A. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2005. V. 89. № 2-3. P. 99-111.

Шарафутдинов Р.Г., Зарвин А.Е., Мадирбаев В.В., Гагачев В.В., Гартвич Г.Г. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. № 15. C. 23-28;

Ichiki T., Sugiyama Y., Taura R., Koidesawa T., Horiike Y. // Thin Solid Films. 2003. V. 435. № 1-2. P. 62-68.

Ehlbeck J., Schnabel U., Polak M., Winter J., von Woedtke T., Brandenburg R., von dem Hagen T., Weltmann K.D. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2011. V. 44. № 1. P. 013002 (18 рр.).

Daeschlein G., von Woedtke T., Kindel E., Brandenburg R., Weltmann K.D., Junger M. // Plasma Process. Polym. 2010. V. 7. № 3-4. P. 224-230.

Goree J., Liu B., Drake D. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. № 16. P. 3479-3486.

Goree J., Liu B., Drake D., Stoffels E. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 34. № 4. P. 1317-1324.

Bae Y.S., Lee W.C., Ko K.B., Lee Y.H., Namkung W., Cho M.H. // J. Korean Phys. Soc. 2006. V. 48. № 1. P. 67-74.

Lai W., Lai H., Kuo S.P., Tarasenko O., Levon K. // Phys. Plasmas. 2005. V. 12. № 2. P. 023501-023506.

von Woedtke Th., Reuter S., Massur K., Weltmann K.-D. // Physics Rep. 2013. V. 530. № 4. P. 291-320.

Laroussi M., Leipold F. // Int. J. Mass. Spectrom. 2004. V. 233. № 1-3. P. 81-86.

Opretzka J., Benedikt J., Awakowicz P., Wunderlich J., von Keudell A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2007. V. 40. № 9. P. 2826-2830.

Youngblood T., Ong J.L. // Implant. Dent. 2003. V. 12. № 1. P. 54-60.

Siemens W. // Poggendorfs Ann. Phys. Chem. 1857. V. 12. P. 66-122.

Abou-Ghazala A., Katsuki S., Schoenbach K.H., Dobbs F.C., Moreira K.R. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. V. 30. № 4. P. 1449-1453.

Laroussi M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. V. 30. № 4. P. 1409-1415.

Laroussi M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 24. № 3. P. 1188-1191.

Birmingham J.G., Hammerstrom D.J. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 28. № 1. P. 51-55.

Laroussi M., Alexeff I., Klang W.L. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. № 1. P. 184-188.

Montie T.C., Kelly-Wintenberg K., Roth J.R. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. № 1. P. 41-50.

Rutala W.A., Gergen M.F., Weber D.J. // Amer. J. Infect. Control. 1998. V. 26. № 4. P. 393-398.

Vassal S., Favennec L., Ballet L.-J., Brasseur P. // Amer. J. Infect. Control. 1998. V. 26. № 2. P. 136-138.

Deng X.T., Shi J.J., Shama G., Kong M.G. // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. № 15. P. 153901 (3 рр.).

Yu O.S., Huang C., Hsieh F.-H., Huff H., Duan Y. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. № 1. P. 013903 (3 рр.).

Laroussi M., Mendis D.A., Rosenberg M. // New J. Phys. 2003. V. 5. № 4. P. 41.1-41.10.

Sun Y., Qiu Y., Nie A., Wang X. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. № 5. P. 1496-1500.

Vleugels M., Shama G., Deng X.T., Greenacre E., Brocklehurst T., Kong M.G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2005. V. 33. № 2. P. 824-828.

Jin Y., Ren C., Xiu Z., Wang D., Wang Y., Hong Y. // Plasma Sci. Tech. 2006. V. 8. № 6. P. 720-723.

Thiyagarajan M., Alexeff I., Parameswaran S., Beebe S. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2005. V. 33. № 2. P. 322-323.

Fridman G., Friedman G., Gutsol A. Shekhter A.B., Vasilets V.N., Fridman A. // Plasma Process. Polym. 2008. V. 5. № 6. P. 503-533.

Herrmann H.W., Henins I., Park J., Selwyn G.S. // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. № 5. P. 2284-2289.

Kuo S.P., Popovic S., Tarasenko O., Rubinraut M., Rascovic M. // Plasma Sources Sci. Technol. 2007. V. 16. № 3. P. 581-586.

Hong Y.C., Uhm H.S. // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. № 22. P. 221504 (3 рр.).

Laroussi M., Lu X. Room-temperature plum for biomedical applications // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. № 11. P. 113902.

Abramzon N., Joaquin J.C., Bray J., Brelles-Marino G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 34. № 4. P. 1304-1309.

Мисюн Ф.А., Беседин Э.В., Гостев В.А., Образцова А.М. Влияние холодной плазмы на культуру патогенного стафилококка при экспериментальном язвенном кератите [Электронный ресурс]: http://www.medicine.onego.ru/prakt/opht/o02_a.shtml.

Мисюн Ф.А., Беседин Э.В., Гостев В.А., Комкова О.П. Экспериментальное воздействие холодной плазмы на роговую оболочку [Электронный ресурс]: http://www.medicine.onego.ru/prakt/opht/o03_a.shtml.

Мисюн Ф.А., Гостев В.А. Применение холодной плазмы для лечения флегмоны века [Электронный ресурс]: http://www.medicine.onego.ru/prakt/opht/o05_a.shtml.

Sosnin E.A., Stoffels E., Erofeev M.V., Kieft I.E., Kunts S.E. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. № 4. P. 1544-1550.

Kieft I.E., Broers J.L.V., Caubet-Hilloutou V. Slaaf D.W., Ramaekers F.C.S., Stoffels E. // Bioelectromagnetics. 2004. V. 25. № 5. P. 362-368.

Stoffels E. // Contr. Plasma. Phys. 2007. V. 47. № 1-2. P. 40-48.

Yonson S., Coulombe S., Leveille V., Leask R.L. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. № 16. P. 3508-3513.

Coulombe S., Leveille V., Yonson S., Leask R.L. // Pure Appl. Chem. 2006. V. 78. № 6. P. 1137-1146.

Leveille V., Coulombe S. // Plasma Sour. Sci. Technol. 2005. V. 14. № 3. P. 467-476.

Fridman A., Chirikov A., Gutsol A. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. № 2. P. R1-R24.

Fridman G., Shereshevsky A., Jost M.M., Brooks A.D., Fridman A., Gutsol A., Vasilets V., Friedman G. // Plasma Chem. Plasma Process. 2007. V.27. № 2. P. 163-176.

Skobelkin O.K., Brekhov E.I., Litvin G.D. // Khirurgiya (Surgery). 1987. № 4. P. 75-78. (in Russ.).

Glover J.L., Bendick P.L., Link W.J., Plunkett R.J. // Lasers Surg. Med. 1982. V. 2. № 1. P. 101-106.

Stalder K.R., McMillen D.F., Woloszko J. // J.Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. № 11. P. 1728-1738.

Kalghatgi S., Fridman G., Cooper M., Nagaraj G., Peddinghaus M., Balasubramanian M., Vasilets V.N., Gutsol A.F., Fridman A., Friedman G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. № 5. P. 1559-1566.

Philip N., Saoudi B., Crevier M.C., Moisan M., Barbeau J., Pelletier J. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2002. V. 30. № 4. P. 1429-1436.

Moisan M., Boudam K., Caringnan D., Keoack D., Levif P., Barbeau J., Seguin J., Kutasi K., Elmoualij B., Thellin O., Zorzi W. // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2013. V. 63. № 1. P. 10001. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/epjap/2013120510

Rahul R., Stan O., Rahman A., Littlefield E., Hoshimiya K., Yalin A.P., Sharma A., Pruden A., Moore C.A., Yu Z., Collins G.J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. № 11. P. 1750-1759.

Boudam M.K., Moisan M., Saoudi B., Popovici C., Gherardi N., Massines F. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. № 16. P. 3494-3507.

Moisan M., Barbeau J., Crevier M.C., Pelletier J., Philip N., Saoudi B. // Pure. Appl. Chem. 2002. V.74. № 3. P. 349-358.

Weltmann K.-D., von Woedtke Th. // Eur.Phys. J. Appl. Phys. 2011. V. 55. № 1. P. 13807. DOI: http://dx.doi.org/10.1051/epjap/2011100452

Challis L.J. // Bioelectromagnetic. Supplement. 2005. V. 26. Suppl. 7. P. 98-106.

Mendis D.A., Rosenberg M., Azam F. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. № 4. P. 1304-1306.

Akishev Yu.S., Grushin M.E., Karalnik V.B., Monich A.E., Pankin M.V., Trushkin N.I., Kholodenko V.P., Chugunov V.A., Zhirkova N.A., Irkhina I.A., Kobzev E.N. // Plasma Phys. Rep. 2006. V. 32. № 12. P. 1052-1061.

Laroussi M., Leipold F. // Int. J. Mass. Spectrom. 2004. V. 233. № 1-3. P. 81-86.

Hu H., Liang H., Li J. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. № 3. P. 619-622.

Namihira T., Tsukamoto S., Wang D., Katsuki S., Hackam R., Okamoto K., Akiyama H. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2000. V. 28. № 1. P. 109-114.

Birmingham J.G. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. № 4. P. 1526-1531.

Stoffels E., Kieft I.E., Sladek R.E.J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. № 23. P. 2908-2913.

Gaunt L.F., Beggs C.B., Georghiou G.E. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 34. № 4. P. 1257-1269.

Heise M., Neff W., Franken O., Muranyi P., Wunderlich J. // Plasmas Polym. 2004. V. 9. № 1. P. 23-33.

Chu P.K. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. № 2. P. 181-187.

Dudek A., Mosialek M., Mordarski G., Socha R.P., Rapacz-Kmita A. // Arch. Metall. Mater. 2011. V.56. № 4. P. 1249-1255.

Vayssieres L., Chaneac C., Trone E., Joliver J.P. // J. Colloid. Interface Sci. 1998. V. 205. № 2. P. 205-212.

Tian X., Gong C., Yang S., Luo Z., Fu R., Chu P.K. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 34. № 4. P. 1235-1240.

Krupa D., Baszkiewicz J., Kozubowski J., Barcz A., Sobczak J.W., Bilinski A., Lewandowska-Szumiel M., Rajchel B. // Biomaterials. 2005. V. 26. № 16. P. 2847-2856.

Maitz M.F., Poon R.W.Y., Liu X.Y., Pham M.-T., Chu P.K. // Biomaterials. 2005. V. 26. № 27. P. 5465-5473.

Chu P.K., Tang B.Y., Wang L.P., Wang X.F., Wang S.Y., Huang N. // Rev. Sci. Insrt. 2001. V. 72. № 3. P. 1660-1665.

Wan G.J., Huang N., Kwok S.C.H., Shao Zh., Y., Zhao A.S., Yang P., Chu P.K. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2006. V. 34. № 4. P. 1160-1165.

Grayson A.C.R., Shawgo R.A.S., Johnson A.M., Flynn N.T., Yawen L.I., Cima M.J., Langer R. A // Proc. IEEE. 2004. V. 92. № 1. P. 6-21.

Biederman H. // European Cells and Materials. 2003. V. 6. Suppl. 1. P. 28.

Zhang W., Chu P.K., Ji J.H., Zhang Y., Liu X., Fu R.K.Y., Ha P.C.T., Yan Q. // Biomater. 2006. V. 27. № 1. P. 44-51.

Zhang W., Chu P.K., Ji J.H., Zhang Y., Fu R.K.Y., Yan Q. // Polymer. 2006. V. 47. № 3. P. 931-936.

Weltmann K.-D., von Woedtke Th., Brandenburg R., Ehlbeck J. // Chem. Listy. 2008. V. 102. P. 1450-1451.

Rybkin V., Bessarab A., Kuvaldina E., Maximov A.I., Titov V.A. // Pure Appl. Chem. 1996. V.68. № 5. P. 1041-1045.

Рыбкин В.В. // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 3. С. 58-63

Vasilets V.N., Hirata I., Iwata H., Ikada Y. // J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 1998. V. 36. № 13. P. 2215-2222.

Пономарев А.Н., Василец В.Н. // Тезисы докл. электронной Школы по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ. Иваново, 15 апреля - 30 октября 1999 [Электронный ресурс]: main.isuct.ru/files/konf/plasma/LECTIONS/Ponomarev_Vasiletc.html.

Vasilets V.N., Tikchomirov L.A., Ponomarev A.N. // High Energy Chem. 1981. V. 15. № 2. P. 115-119.

Vasilets V.N., Nakamura K., Uyama Y., Ogata S., Ikada Y. // Polymer. 1998. V. 39. № 13. P. 2875-2881.

Yildirim E.D., Ayan H., Vasilets V., Fridman A., Guceri S., Sun W. // Plasma Process. Polym. 2008. V. 5. № 1. P. 58-66.

Yildirim E.D., Pappas D., Guceri S., Sun W. // Plasma Process. Polym. 2011. V. 8. № 3. P. 256-267.

Zhao J.-H., Wang J., Tu M., Luo B.H., Zhou C.R. // Biomed. Mater. 2006. V. 1. № 4. P. 247-252.

Briem D., Strametz S., Schroder K., Meenen N.M., Lehmann W., Linhart W., Ohl A., Rueger J.M. // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2005. V. 16. № 7. P. 671-677.

Girard-Lauriault P.-L., Mwale F., Iordanova M., Demers C., Desjardins P., Wertheimer M.R. // Plasma Process. Polym. 2005. V. 2. № 3. P. 263-270.

Пискарев М.С., Батуашвили М.Р., Гильман А.Б., Яблоков М.Ю., Шмакова Н.А., Кузнецов А.А. //Химия высоких энергий. 2010. Т. 44. № 6. С. 570-573

Яблоков М.Ю., Гильман А.Б., Кечекьян А.С., Кузнецов А.А. // Химия высоких энергий. 2012. Т. 46. № 3. С. 263-264

Демина Т.С., Яблоков М.Ю., Гильман А.Б., Акопова Т.А., Зеленецкий А.Н. // Химия высоких энергий. 2012. Т. 46. № 1. С. 64-69

Провоторова Д.А., Каблов В.Ф., Озерин А.Н., Гильман А.Б., Яблоков М.Ю., Аксенов В.И., Кейбал Н.А. // Клеи, герметики, технологии. 2013. № 1. С. 34-36

Пискарев М.С., Гильман А.Б., Щеголихин А.Н., Шмакова Н.А., Яблоков М.Ю., Кузнецов А.А. //Химия высоких энергий. 2013. Т. 47. № 5. С. 381-388

100

Cernakova L., Kovacik D., Zahoranova A., Cernak M., Mazur M. // Plasma Chem. Plasma Process. 2005. V. 25. № 4. P. 427-437.

101

Favia P., d’Agostion R. // Surf. Coat. Technol. 1998. V. 98. № 1-3. P. 1102-1106.

102

Yang J., Shi G.X., Bei J., Wang S.G., Cao Y., Shang Q., Yang G., Wang W. // J. Biomed. Mater. Res. 2002. V. 62. № 3. P. 438-446.

103

Bhoj A.N., Kushner M. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2006. V. 39. № 8. P. 1594-1598.

104

Ho M.N., Hou L.T., Tu D.Y., Hsieh H.J., Lai J.Y., Chen W.J., Wang D.M. // Macromol. Biosci. 2006. V. 6. № 1. P. 90-98.

105

Hu Y.H., Winn S.R., Krajbich I., Hollinger J.O. // J. Biomed. Mater. Res. 2003. V. 64. № 4. P. 583-590.

106

Ertel S.I., Ratner B.D., Horbett T.A. // J. Biomedical Mater. Res. 1990. V. 24. № 12. P. 1637-1659.

107

Chen M., Zamora P.O., Som P. // J. Biomater. Sci. Polymer Edn. 2003. V. 14. № 9. P. 917-935.

108

Pu F.R., Williams R.L., Markkula T.K., Hunt J.A. // Biomaterials. 2002. V. 23. № 24. P. 4705-4718.

109

Elsner C., Pender A., Hanhel M., Konieczny R., Kuhnel C., Buchmeiser M.R. // Macromol. Mater. Eng. 2009. V. 294. № 6-7. P. 422-431.

110

Полухина О.С., Василец В.Н., Севастьянов В.И. // Перспективные материалы. 2003. № 5. С. 58-65

111

Бычков В.Л., Юровский В.А.// Теплофизика Высоких Температур. 1993. Т. 31. № 1. С. 8-17

112

Васильева Т.М., Баяндина Д.В. // Приборы и техника эксперимента. 2010. T. 53. № 2. C. 142-150

113

Vasilieva T.M. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2010. V. 38. № 8. P. 1903-1907.

114

Yu Z., Luo Z., Sheng T.Y., Zarnani H., Lin C., Collins G.J. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1990. V. 18. № 5. Р. 753-765.

115

Leonhardt D., Muratore C., Walton S.G. // In: Proceed. of 31st IEEE Inter. Conf. of Plasma Science, Baltimore, USA, 28 June - 1 July 2004, P. 170.

116

Соколов О.М., Васильев М.Н., Чухчин Д.Г. // Изв. ВУЗов. Лесной журнал. 1999. № 2-3. С. 167-175.

117

Чухчин Д.Г., Казаков Я.В. // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: сб. науч. тр. Архангельск, 1997. Вып. 3. С. 82-84.

118

Lokk E.H., North S.H., Walton S.G., Taitt C.R. Electron beam-generated plasmas for biomaterial processing / Drexel Plasma Institute. 2011. www.plasmainstitute.org/2011/02/22

119

Васильева Т.М., Чухчин Д.Г. // Химия высоких энергий. 2010. Т. 44. № 5. С. 468-475.

120

Vasilieva T.M., Mahir A.H., Vasiliev M.N. // Sensor Lett. 2008. V. 6. № 4. P. 496-501.

121

Vasilieva T.M. The controllable production of peptides inhibiting the platelet aggregation by the electron-beam plasma technologies // In: Peptide Science 2007 / Ed. S. Aimoto, S. Ono. The Japanese Peptide Society, 2008. P. 35-38.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.