ISBN: PPI201402DC4571 WWW.BOTICA.COM.VE ISSN: 2443-4388 N° 32, Año 2015 La tecnología de plasma en medicina I.- Breve historia La materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Pero, gran parte de la materia del universo existe en estado plasma o cuarto estado. Una manifestación del estado plasma es la aurora boreal. La belleza de este fenómeno natural se debe a la excitación de los átomos y moléculas ionizadas en la estratosfera. Michael Faraday y Sir William Crookes han sido los primeros en reproducir este fenómeno en el laboratorio. Fue este último que logró generar en unos tubos de vidrio unas descargas eléctricas que simulaba muy de cerca el fenómeno natural. de las descargas no eran fáciles de reproducir, a diferencia de las condiciones en las reacciones químicas normales o clásicas. Esto ocasionó que se perdiera un poco el interés en las reacciones vía plasma. Wilks en una conferencia en el año 1974, preguntó a la audiencia: ¿Que tenemos que hacer para salvar a los plasmas y a la química de los plasmas? Hacían falta investigaciones en ciencia básica para orientar los desarrollos tecnológicos que permitieran aplicaciones industriales rentables (2). Apoyándose en los desarrollos de la electrónica, han ido apareciendo un sin número de equipos a plasma. El principio es simple: Uno se puede imaginar un plasma como un ambiente en el cual coexistan por lo menos dos poblaciones de partículas: los electrones, con una temperaCrookes sugirió el nombre de cuarto estado para el am- tura Te, y partículas de átomos, moléculas y iones en sus biente gaseoso que se estaba observando en la descarga. estados fundamentales y excitados, con una temperatura Aplicando un campo eléctrico moderado a un gas ence- Tp. Dependiendo de las condiciones experimentales, la rrado en un tubo de vidrio o de cuarzo que contenga dos temperatura de los electrones puede ser casi igual o muy electrodos, se detecta una corriente infinitesimal que rápi- distinta de la temperatura de las otras partículas. damente sube hasta alcanzar un valor tal que los electrones presentes en el gas, adquieran una velocidad suficiente Cuando Te = Tp, se forma un plasma en equilibrio térmipara producir excitación, ionización y fragmentación de co o plasma caliente. Cuando en cambio Te >> Tp se forlas moléculas con las cuales ellos chocan. En este punto, el ma un plasma frío o plasma fuera del equilibrio térmico. número de iones aumenta y la corriente en el gas aumenta Los plasmas térmicos se emplean actualmente en soldatambién, de manera que haga falta solamente un pequeño dura, corte, recubrimientos anticorrosivos, en reactores campo eléctrico para mantener la descarga (1). para la destrucción de materiales tóxicos, en el tratamiento de la basura municipal, en la gasificación de coEn 1874 De Wilde sometió el acetileno a una descarga ques y en gran parte de aquellos procesos en los cuales es eléctrica y obtuvo un producto sólido, duro, quebradizo necesario utilizar altas temperaturas y los ambientes son y amorfo que no logró solubilizar en ningún solvente a corrosivos. Los plasmas térmicos han ido entrando en la su alcance. ¡Era un polímero! En 1910 Dewar pasó vapo- industria revolucionando, en particular, el mercado meres de disulfuro de carbono por un ozonizador (descarga tal- mecánico. Sus temperaturas son generalmente elevasilente) y condensó el producto en una trampa enfriada das y, dependiendo de la zona de la pluma del plasma, con aire líquido. En la trampa había un sólido de un co- ellas van cambiando rápidamente. A unos dos milímelor marrón tenue que, al retirar el aire líquido, producía tros de la boquilla de la antorcha por ejemplo, se miden un flash de luz y una detonación, en algunos casos, vio- temperaturas entre 8.000 y 12.000 ºK en un plasma de lenta. Dewar había congelado el radical CS (monosulfuro argón a presión atmosférica (3). de carbono) que, al calentarse, polimerizaba rápidamente desprendiendo mucho calor. Un plasma térmico no es adecuado para reacciones orgánicas. Sin embargo, en condiciones de presión relatiLos productos que se obtenían con otras sustancias, me- vamente bajas, cerca de 1 torr, se genera un plasma lumidiante estas reacciones no convencionales, eran mezclas niscente; La Te, puede ser tan alta como 50.000 ó 100.000 complejas, difíciles de analizar; además las condiciones ºK y la Tp puede estar cerca de la temperatura ambiente. Estas condiciones, Te >> Tp, son típicas de un plasma frío. Así, un choque inelástico electrón-molécula ocasiona cambios en la estructura molecular y conduce a la formación de nuevos productos. Se han estudiado varias sustancias orgánicas sometiendo su fase de vapor a una descarga eléctrica. Los productos se han condensado en una trampa de aire líquido (4). II.- Plasma Medicina La aplicación en medicina del calor y de las temperaturas elevadas para esterilizar herramientas y cauterizar las heridas, ha sido una práctica que se encuentra documentada desde el tiempo de los guerreros hititas. El procedimiento se fundamentaba en acercar a la herida un objeto metálico caliente. A pesar de la habilidad del Actualmente en el laboratorio de plasma química y na- médico que se encargaba de la operación, en la mayoría nomateriales del IVIC se están ensayando reactores para de los casos la piel quedaba pegada al metal y la herida se estudiar la oxidación de compuestos orgánicos que ten- regeneraba otra vez. gan una tensión de vapor muy baja. Esto facilita el ataque del oxigeno atómico, O3P, al sustrato líquido creando Un plasma de argón o de aire es tan caliente o más que el nuevas rutas de síntesis, en un solo paso, para obtener metal empleado en la cauterización, con las ventajas de compuestos oxigenados de un elevado valor agregado en que se puede emplear en todas las operaciones conocidas la industria petroquímica. y elimina la posibilidad de que el tejido quede pegado al utensilio. Las ventajas son aún más evidentes con los plasmas fríos. La pluma a la salida de la boquilla de la antorcha o micro antorcha, se puede orientar con precisión sobre el tejido que se desea curar, sin efectos térmicos apreciables sobre los otros tejidos situados en las adyacencias del tejido dañado. La pluma del plasma se puede orientar sobre la muestra de dos maneras distintas: una manera se conoce como arco transferido y otra como arco no transferido. Electrodos Tubo dieléctrico Entrada de gas Plasma JET Fuente de poder Figura 1. Visualización de un plasma a escala de laboratorio. Centro de Química IVIC. Se aprovecha el hecho que las sustancias que se estudian tienen una tensión de vapor muy baja y por consiguiente las reacciones en fase gaseosa son despreciables. Sin embargo, las condiciones experimentales limitan las posibilidades de escalación de los procesos que se pudieran encontrar. Para aplicaciones a gran escala es necesario que se vaya desarrollando una tecnología en la cual los plasmas operen a presión atmosférica y al mismo tiempo sean fríos, es decir fuera del equilibrio térmico. Figura 2. Modelo de una fuente de plasma adecuada para aplicaciones terapéuticas. Plasma JET (Dibujo Modificado de X. Lu et al 2012) Cuando el plasma se opera en la modalidad de arco transferido la piel es un electrodo y la corriente pasa por la piel. Las fuentes de poder que se utilizan contienen electrodos recubierto con un dieléctrico. Cuando en cambio el plasma opera en la modalidad de arco no transferido, la pluma del plasma se genera entre dos electrodos y es transferida al área de aplicación. Las plumas pueden ser tan finas como una aguja o tan grande como una antorcha; el tamaño depende de la aplicación: es una aguja para tratar dientes por ejemplo y es una antorcha para destruir basuras comunales. Actualmente se están abriendo nuevas vías para generar plasma fríos a presión atmosférica. Los reactores se están aplicando con éxito en un tópico emergente que se ha Hay otro montaje que es una mezcla de las dos anteriodenominado Plasma Medicina. res y se conoce como descarga hibrida o descarga corona con dieléctrico. Sea cual fuera el montaje, si el gas 2 N° 32, Año 2015 del plasma es aire, las especies activas mayoritaria de la pluma son el ozono, O3, el óxido nitroso, N2O, el óxido nítrico, NO, el radical OH•, la radiación UV y especies ionizadas; se forma, por así decirlo, un cóctel químico para aplicaciones biomédicas. Una modificación importante del equipo ha sido la de recubrir el electrodo con un dieléctrico resistivo. Este cambio ha permitido que el equipo funcionara tanto en el modo de corriente directa (DC) como alterna (AC). Empleando helio con trazas de oxigeno, el plasma no solo esteriliza sino que actúa en los cambios metabólicos No existen restricciones específicas para el empleo de los de los organismos vivos. Estos resultados ha conducido plasmas en medicina. Las restricciones sobre la corriente a una pregunta inmediata: ¿Pueden mutar las bacterias son las mismas que los organismos aplican para la salud que se tratan y ser luego resistentes al plasma? En prinhumana. La radiación UV y la naturaleza no tóxica de cipio se piensa que la energía asociada a las partículas de los productos que van a la atmósfera están igualmente la pluma fría del plasma elimina cualquier posibilidad y sometidos al reglamento sanitario. probabilidad de que se verifiquen mutaciones. En el tratamiento con los plasmas directos, un flujo significante de cargas llega al tejido vivo. Estas cargas son en Otro equipo que se emplea en la curación de las herigeneral electrones e iones negativos y positivos. das, regeneración de tejidos y coagulación de la sangre, A diferencia de los plasmas directos, los plasmas indirec- es el PLAZON; un generador de plasma que opera con tos e híbridos contienen más moléculas y átomos neu- corriente directa (CD). El aire entre al reactor mediante tros que partículas con cargas. un micro compresor, situado en el mismo reactor, y pasa a la zona de arco donde se forma el plasma que sale por En los tratamientos se prefieren los plasmas directos por la boquilla cuya configuración es distinta para cada apliser más flexibles y fáciles de dirigir al punto que se quie- cación médica. re tratar. En algunos casos sin embargo, se emplean los indirectos o los híbridos, especialmente cuando es nece- El gas de la pluma se enfría rápidamente mediante un sario que la pluma se deba colocar a una distancia res- sistema cuyo diseño permite tener un flujo rico en oxido petable de la superficie sobre la cual se va a aplicar. Las de nitrógeno (NO). La razón de tener a disposición un tres modalidades se aplican en el campo de la plasma plasma rico en (NO) radica en que esta molécula es immedicina. Esta es una nueva área o una recién llegada al portante en una vasta gama de funciones biológicas. Por campo tradicional de la plasma química que no solo se ejemplo, regula los vasos sanguíneos y la coagulación de está expandiendo en el campo de la investigación cien- la sangre, actúa sobre el sistema inmunológico, relaja los tífica sino que está teniendo un éxito sin precedentes en músculos bronquiales y gastrointestinales, genera defenbiología, microbiología, odontología, oncología y en va- sas antitumorales etc. rios campos más de la medicina (5). Para concluir se puede indicar que los plasmas en medicina se aplican con buena eficiencia en varios tópicos (Figura 3), algunos de los cuales se detallan a continuación: II. a.- Algunas aplicaciones de los plasmas en medicina 1.- Higiene del hospital. La bacteria MRSA es resisLa descarga directa se genera entre dos electrodos. Uno tente a antibióticos como la meticilina y puede afecde ellos es el tejido vivo y el otro es una superficie de tar la piel, la sangre y los pulmones. cuarzo recubierta con un dieléctrico adecuado, (DBD). El voltaje que se aplica es del orden de 10 a 40 KV (kilo 2.- Tratamiento antimicóticos. El pie de atleta o voltios). La corriente debe ser tan baja como sea posible tinea pedís es un infección micótica producida por para evitar que el tejido sufra cualquier tipo de lesión. En hongos que se alimentan de la queratina. general se emplean potencias entre 4 y 10 vatios. 3.- Cuidado dental. Más del 23% de la gente mayor El plasma contiene cargas eléctricas transportadas por de 65 años y un 73% de las mujeres embarazadas iones y electrones, luego la corriente pasa por la piel. La sufren de infecciones periodontales. La pluma del resistencia natural de la piel seca es de aproximadamente plasma penetra en aberturas microscópicas entre el 10 kΩ. Esto indica que la corriente es prácticamente desdiente y la encía. preciable. Sea cual fuera el montaje, la corriente no pasa de algunos miliamperios. Una vía para asegurar que no se 4.- Enfermedades de la piel. Se conocen más de produzcan lesiones en los tejidos vivos ha sido la creación 1.000 enfermedades de piel; entre ellas se encuentra del electrodo flotante. Es un montaje que funciona en el la dermatitis acneiforme, una inflamación crónica de modo de pulso de 30 a 100 nano segundos de duración (6). la unidad policebacea de la cara y de la parte superior del tórax; los melanocitos malignos que pueden En una mezcla de bacterias de estafilococos, estreptocoproducir cáncer; las afecciones vasculares; afección cos y levaduras, la población se ha reducido casi un mipruriginosa de la piel. Los plasmas no son muy efecllón de veces en menos de 5 segundos. Algo parecido ha tivos en estos casos, pero se espera que en un futuro ocurrido con la flora de la piel de un cadáver. Estos resulpuedan dispensar dragas moleculares que sean efectados abren nuevas posibilidades de aplicación en tratativas para los tratamientos. mientos preoperatorios, en la esterilización de catéteres, esterilización de heridas y quemaduras y en el tratamien5.- Enfermedades crónicas. Cerca del 1% de la to de órganos internos en gastroenterología. población de los países desarrollados sufren de N° 32, Año 2015 3 enfermedades crónicas tales como las enfermedades Referencias venosas, arteriales, diabetes mellitus, pioderma gangrenosa, carcinoma etc. Los plasmas puedan 1. Mc Taggart F.K. Plasma Chemistry in Electric Disayudar mucho en este campo eliminando las bacterias charges. Elsevier, London, 1967. y las infecciones por hongos. 2. Wilks P.H. The survival of plasma Chemistry. IUPAC. 6.- Cosméticos. Se están haciendo investigaciones Pure and Applied Chemistry, 39, Nº 3, 1974. relacionadas con la reconstrucción de tejidos dañados por el uso de cosméticos y para rejuvenecer las 3. Baddour R.F., Timmins R.S. The Application of Plasma células de la piel. Los plasmas de nitrógeno están to Chemical Processing. The M.I.T. Press 1967. dando buenos resultados. Los dientes se blanquean produciendo in situ el peróxido de hidrógeno. 4. Suhr H., Application of non-equilibrium plasmas to Orgánic Chemistry in Techniques and Applications Tratamiento de pie of Plasma Chemistry. Edited by John R. Hollahan and diabético Alexis T.Bell. John Wiley and sons, New York, 1974. Esterilización de instrumental medicoquirúrgico Desinfección de heridas TECNOLOGÍA DE PLASMA Eliminación de bio-películas: dientes, implantes, prótesis Terapia en periodontitis Cicatrización de heridas y estimulación de angiogénesis Tratamiento de úlceras varicosas Figura 3. Algunas aplicaciones importantes de la tecnología plasma en medicina. 5. Wertheimer M. R., Coulomb S.. La physique au Canada / Vol. 68, No. 4 (2012). 6. Weltmann K. D. Kindel E., Von Woedtke T., Hähnel M., Stieber M. , Brandenburg R. Pure Appl. Chem., 82, 6, 1223–1237, (2010). 7. Lu X. Laroussi M., Puech V., On atmospheric-pressure non-equilibrium plasma jets and plasma bullets Plasma Sources Sci. Technol. 21-034005 doi: 10.1088 / 0963 0252/21/3/034005, (2012). Un comentario final El cuerpo humano contiene cerca de 1.5 Kg de bacterias, cerca de 100 trillones de microbios; un porcentaje pequeño reside en nuestra piel. La mayoría de estas bacterias no son patógenas y se conocen como organismos comensales. El plasma, como los antibióticos no diferencia entre bacteria buena y bacteria mala. Con la tecnología de la cual se dispone actualmente, se ha logrado reducir casi un millón de bacterias en pocos segundos; pero cada 20 minutos las bacterias crecen de nuevo. El resultado es parecido al que se obtiene con los antibióticos. Se espera que en un futuro el plasma sea más específico y pueda sustituir el uso de los antibióticos en el tratamiento de algunas patologías■ 4 Autores Diodoro Iacocca Ángela B. Sifontes Marcos Ropero Edward E. Ávila Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas Centro de Química [email protected] N° 32, Año 2015
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