Плазмохимические технологии в биологии и медицине: современное состояние проблемы

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 плазма, плазмохимические технологии, газовый разряд, электронно-пучковая плазма, механизмы плазмохимического действия, биоактивные материалы, синтетические полимеры, стерилизация

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.