Plasmachemical technologies in biology and medicine: state of the art

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.

low-temperature non-equilibrium plasma, plasmachemical technologies, gas discharge, electron-beam plasma, bioactive materials

1. 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.

2. 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

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

4. 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.

5. 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;

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

7. 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.).

8. 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.

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

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

11. 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.

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

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

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

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

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

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

18. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

30. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

40. 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.

41. 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.

42. 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.

43. 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.

44. 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.

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

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

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

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

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

50. 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.

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

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

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

54. 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.

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

56. 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

57. 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.

58. 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.

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

60. 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

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

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

63. 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.

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

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

66. 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

75. 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.

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

77. 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.

78. 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.

79. 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.

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

81. 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.

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

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

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

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

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

87. 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.

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

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

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

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

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

93. 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.

94. 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.

95. 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

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

97. 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

98. 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

99. 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.