Sterilisieren mit Plasmatechnologie
Desinfektion und Sterilisation

Plasma-Desinfektion und Sterilisation

Plasmen reduzieren die Konzentration von Krankheitserregern bei Kontakt mit kontaminierten Oberflächen. Plasma zerstört Bakterien, Viren, Pilze und Prionen – es entfernt auch Toxine und weitere organische Verunreinigungen. Selbst eine vollständige Sterilisation ist bei längerem Kontakt mit dem Plasma möglich. Vor allem kann eine sehr gute Desinfektion mit atmosphärischen Luftplasmen erreicht werden, die durch eine Piezoelektrische Direktentladung (PDD) erzeugt werden. Die Plasmadesinfektion erfordert daher keine teuren Vakuumanlagen oder giftige Chemikalien, was das Verfahren kostengünstig und umweltfreundlich macht. Atmosphärische Druckplasmen der PDD-Entladung sind kalt, wodurch die Plasmadesinfektion im Vergleich zu den üblichen Desinfektionsverfahren mit Heißluft, Heißwasserdampf oder toxischen Substanzen sehr schonend ist. Es betrifft nur eine sehr dünne Oberflächenschicht. Dadurch können Plasmen eine Vielzahl empfindlicher Oberflächen desinfizieren, darunter auch lebendes Gewebe und sogar offene Wunden.

Kalte atmosphärische Plasmen

Plasma ist ein teilweise ionisiertes Gas. Elektrische Lichtbögen, dielektrische Barrieren, Korona und piezoelektrische Direktentladungen ionisieren Gase bei Atmosphärendruck und erzeugen Plasmen. Die geladenen Teilchen – die Elektronen und die Ionen – beschleunigen innerhalb der Entladungsfelder auf hohe Energien. Nur ein kleiner Teil der Gasmoleküle wird in die energetischen Elektronen und Ionen umgewandelt, der Rest des Gases bleibt neutral und kalt. Bei der piezoelektrischen Direktentladung erreicht die Temperatur nur 30-50 °C. Diese Temperaturen schädigen auch empfindliche Oberflächen nicht. Während das Plasma kalt bleibt, kollidieren die sehr energiereichen Elektronen und Ionen mit den Gasmolekülen und produzieren große Mengen an kurzlebigen chemischen Spezies, wie atomaren H-, N- und O-Spezies, OH- und ON-Radikalen, Ozon, Salpetrige und Salpetersäure sowie verschiedenen anderen Molekülen in metastabilen angeregten Zuständen. Sie machen dieses Plasma chemisch sehr aktiv.

Plasma-Desinfektionsmechanismen

Bei Kontakt mit der behandelten Oberfläche löst das chemisch aktive, kalte atmosphärische Plasma eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen aus. Der Hauptsterilisationsprozess ist die Zersetzung von organischen Molekülen lebender Organismen durch Beschuss mit Elektronen, Ionen und kurzlebigen neutralen chemischen Spezies. Der Ionenbeschuss bricht Wasserstoffbrücken von organischen Molekülen. Außerdem oxidieren kurzlebige, reaktive chemische Spezies organische Moleküle. Diese Prozesse erzeugen leichtere und flüchtige organische Moleküle, die von der Oberfläche verdunsten und sie nicht nur desinfizieren, sondern auch im ultrafeinen, sauberen Zustand hinterlassen. Folgende Reaktionsmittel und Verfahren tragen zur Desinfektion bei:

  •  Ionen und Elektronen bombardieren die Oberfläche in direktem Kontakt mit dem ionisierten Plasmavolumen. Mit ihren hohen Energien sind sie die mit Abstand stärksten Desinfektionsmittel, da sie Wasserstoffbrücken von organischen Molekülen, wie sie z.B. Zellmembranen bilden, aufbrechen. Während die Dichte der geladenen Teilchen um viele Größenordnungen geringer ist als die Dichte der reaktiven neutralen Spezies, tragen die geladenen Teilchen wesentlich zur Desinfektion bei oder dominieren sie sogar. Unter den geladenen Teilchen haben die Elektronen die höchsten Flüsse und die größte Eindringtiefe. Dies macht sie aktiv unter der Schicht von Wasser oder anderen biologischen Flüssigkeiten, die die Oberflächen von lebenden Geweben bedecken. Dort reagieren sie mit Wasser und gelösten Sauerstoffmolekülen zu reaktiven Sauerstoffspezies. Letztere töten die Mikroorganismen ab, die sonst durch eine Biofilmschicht geschützt wären. Ionen lösen sich auch in Wasser und bedingen chemische Reaktionen, die das Wasser versauern.
  • Reaktive Sauerstoffspezies sind Sauerstoffatome und chemisch aktive Moleküle, die Sauerstoff im Grund- oder angeregten Zustand enthalten, sowie deren Ionen. Hydroxylradikale (OH) reagieren sehr schnell mit organischen Molekülen, die Wasserstoffatome entfernen und Alkylradikale bilden, die in der Luft schnell oxidieren. Mit diesem Mechanismus greifen sie wahllos alle organischen Moleküle lebender Organismen an. Vor allem aber zerstören sie Bakterienkapseln und Zellwände. Wenn die Rate der Zellwandbeschädigung höher ist als die Rate der eigenen Reparatur, stirbt die Zelle. Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ebenfalls sehr reaktiv, wenn auch weniger als OH-Radikale. Daher hat es eine höhere Chance, in den Zellkern der Bakterien einzudringen, wo es die DNA-Moleküle schädigen kann, die die Zelle töten. Das macht es zu einem starken Desinfektionsmittel. Ozon (O3) ist ein stabiles, langlebiges Molekül, das als starkes Oxidationsmittel bekannt ist. Ähnlich wie die Hydroxyl-Radikale zerstört es die Zellwände.
  • Reaktive Stickstoffspezies sind eine Familie antimikrobieller Moleküle wie Stickstoffoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), Peroxynitritanion (ONOO-), salpetrige Säure (HNO2). Sie sind im Vergleich zu den Sauerstoffspezies weniger reaktiv, aber ihre Lebensdauer reicht aus, um in tiefere Gewebeschichten einzudringen. Obwohl die reaktiven Stickstoffspezies ihre Desinfektionswirksamkeit bewiesen haben, produzieren sie nur Lichtbögen in ausreichender Menge und bei Corona-, DBD- und PDD-Entladungen sind ihre Konzentrationen deutlich geringer als die der reaktiven Sauerstoffspezies.
  • Zusätzliche Mechanismen:
    • Der Säuregehalt in der Oberflächenwasserschicht steigt durch die Auflösung der Ionen und der reaktiven Sauerstoffspezies. Säuren korrodieren die bakteriellen Zellwände und verursachen deren Mortalität.
    • Ultraviolette Strahlung ist ein bekanntes starkes Desinfektionsmittel, das DNA-Moleküle schädigt und die bakterielle Replikation hemmt. Der energiereiche Teil der UV-Strahlung, der durch atmosphärische Druckplasmen erzeugt wird, ist am stärksten. Seine Intensität ist jedoch in der Regel nicht ausreichend für eine effektive Behandlung.
    • Die durch atmosphärische Plasmen, wie z.B. die der piezoelektrischen Direktentladung, erzeugte Wärme ist in der Regel gering und erreicht Temperaturen von nur 30-50 °C. Die mikroskopischen Stellen, an denen der Entladungsdraht die Oberfläche berührt, sind jedoch lokal überhitzt und sterilisiert. Dennoch decken sie eine unbedeutende Fläche ab, was zu einer unbedeutenden Desinfektion führt.

Vorteile der Desinfektion mit atmosphärischen Kaltluftplasmen

Außergewöhnliche Desinfektionseigenschaften von Plasmen sind bekannt und dokumentiert. Atmosphärische Druckplasmen, insbesondere das Plasma der piezoelektrischen Direktentladung, haben eine starke Desinfektionsfähigkeit gezeigt. Im Vergleich zu den üblichen Desinfektions- und Sterilisationsverfahren mit Heißluft von 170°C, Heißwasserdampf von 120°C, Nasschemie oder Niederdruckplasmen bieten die kalten Atmosphärendruckplasmen folgende Vorteile:

  • Die Behandlung bei Atmosphärendruck ermöglicht die Desinfektion von Gegenständen, die im Vakuum oder durch Überdruck beschädigt werden können
  • Keine teuren Vakuum- oder Druckkammern und Pumpen notwendig
  • Keine Nasschemie
  • Feinstreinigung, keine Rückstände
  • Niedrige Betriebstemperatur
  • Schonende Behandlung empfindlicher Oberflächen, auch von lebendem Gewebe und offenen Wunden
  • Druckluft oder billige ungiftige Arbeitsgase
  • Umweltfreundlichkeit

Plasma-Desinfektionsmittel von Relyon Plasma GmbH

Um ein breites Spektrum medizinischer und labortechnischer Anwendungen abzudecken, hat die Relyon Plasma GmbH eine Piezoelektrische Direktentladungstechnologie (PDD) entwickelt, die den Bau von besonders kompakten und preiswerten Plasmageneratoren ermöglicht, die für die Plasmadesinfektion und Sterilisation geeignet sind. Diese Technologie ist noch neu, hat aber bereits viele Anwendungen gefunden. Wir suchen ständig nach neuen Anwendungsgebieten und entwickeln spezialisierte Plasma-Instrumente. Derzeit bieten wir den folgenden universellen Plasmagenerator an:

Piezobrush® PZ2 ist ein tragbarer Plasmagenerator mit niedriger Leistung. Sie ermöglicht die manuelle Plasmabearbeitung im Labor. Sie kann Korona- und dielektrische Barrierenentladungen erzeugen und zur Desinfektion sowie zur präzisen Feinstplasmareinigung und chemischen Funktionalisierung von Kleinteilen einsetzen.

 

 

 

Relyon Plasma Products

Relyon Plasma Publications

Kontakt
close slider

[recaptcha]