Наука та технології України - Холодна плазма проти бактерій
Новий спосіб боротьби з патогенними бактеріями та мікроорганізмами за допомогою холодної повітряної плазми розробляють вчені МІФД. Дослідження щодо створення установки, здатної генерувати потік холодної плазми при атмосферному тиску та кімнатній температурі, ведуться на кафедрі електротехніки, якою керує доктор фізико-математичних наук, професорЕдуард Школьніков.
Яких тільки способів не придумали люди для боротьби з мікробами: їх смажать сухим гарячим повітрям у спеціальних сухожарових шафах, винищують перегрітою насиченою парою високого тиску в автоклавах, труять усілякими отрутами, знищують потоками іонізуючих та ультрафіолетових (УФ) випромінювань. Але шкідливому війську все байдуже.
Експериментальна установка, що складається з високовольтного імпульсно-періодичного генератора та газорозрядної камери
Кожен із перерахованих методів має свої недоліки. Так, високотемпературні технології відрізняються великою інерційністю процесів нагрівання та охолодження, тривалістю самого процесу стерилізації та серйозними енерговитратами. У цьому вони дозволяють провести стерилізацію температурно-чувствительных матеріалів, т.к. температура стерилізаційного середовища може становити 150-200 градусів за Цельсієм. Сухожарові шафи можуть бути пожежонебезпечними, а автоклави не відкидають можливості випадкового викиду перегрітої пари. Незважаючи на потенційну небезпеку цих технологій для людини, для деяких вірусів вони можуть виявитися абсолютно нешкідливими: так, в автоклавах віруси далеко не інактивуються.
Ще менш ефективний спосіб знищення шкідливих мікроорганізмів (хоч і зберігає в цілості термочутливі матеріали) за допомогою так званої «холодної» технологіїстерилізації - обробки газоподібними (окис етилену, озон, пари формаліну тощо) та рідкими (іодоформ, гіпохлорити, етанол, склади на основі фенолу тощо) хімічно активними речовинами. Всі ці речовини, що дезінфікують, дуже токсичні і небезпечні для людини. Більшість з них дратують шкіру, очі, а також викликають корозію обладнання та інструментарію, що обробляється. Холодна процедура знезараження вимагає, як правило, ще більших витрат часу (до 24 годин).
Найефективнішим способом боротьби з патогенним середовищем є використання іонізуючих випромінювань, зокрема електронного, гамма- та рентгенівського випромінювань, які забезпечують надійне знезараження різних, у тому числі термочутливих матеріалів. Ця технологія реалізується за допомогою прискорювачів електронів на енергію 2-5 МеВ. Проте і вона має серйозний недолік: висока вартість обладнання та необхідність спеціально оснащених радіаційно-безпечних приміщень. До того ж, дані установки вимагають висококваліфікованого обслуговуючого персоналу.
Що стосується ще одного ультрафіолетового способу стерилізації, то УФ-випромінювачі (кварцові лампи) в основному використовуються для знезараження повітря, тобто мають досить обмежений спектр застосування.
Універсальний стерилізатор
Останніми роками увагу дослідників привернув ще один вид зброї, ефективної для боротьби з патогенними мікроорганізмами, — нерівноважна низькотемпературна газорозрядна плазма.
Довідка STRF:Низькотемпературна газорозрядна плазма містить заряджені (електрони та іони), нейтральні (атоми та молекули) частинки та деякі активні продукти плазмохімічних реакцій, ультрафіолетове та у ряді випадків рентгенівське випромінювання. Вона здатна окислюватимікроорганізми, руйнувати оболонки та ДНК бактерій та вірусів. Залишаючись холодною, плазма не руйнує термочутливі матеріали, що дозволяє широко використовувати її як універсальний стерилізатор. На відміну від традиційно використовуваних способів стерилізації, газорозрядні методи стерилізації на основі низькотемпературної плазми мають низку принципових переваг. Це, по-перше, низькі температури стерилізації, що дозволяє стерилізувати термочутливі матеріали. По-друге, короткий період на мікроби. Широкий спектр агентів стерилізації, які містить плазма газового розряду (заряджені частинки, високозбуджені нейтрали, активні продукти плазмохімічних реакцій, ультрафіолетове і, у ряді режимів, рентгенівське випромінювання) дозволяє значно скоротити час стерилізації - до декількох хвилин. І по-третє, на відміну від пристроїв, що стерилізують, на основі прискорювачів заряджених частинок, плазмові стерилізаційні установки не є джерелом радіаційної небезпеки, не вимагають спеціальних приміщень і спеціально підготовленого персоналу. З інших важливих якостей цих установок варто відзначити екологічну безпеку, низьке енергоспоживання та мінімальну вартість.
Електродна система газорозрядної камери
«Наша установка, — розповідає завідувач кафедри електротехніки МІФІЕдуард Школьніков,— відрізняється від собі подібних до двох особливостей. Перша полягає в тому, що плазма напрацьовується в розряді повітря при атмосферному тиску. І друга - структура розряду виходить об'ємною, однорідною. І це досягається в досить великих обсягах, коли міжелектродний проміжок становить 1-10 см. В аналогічних установках або є розряд за повітряно-атмосферних умов, але немає дифузності імалі обсяги міжелектродного проміжку, або, навпаки, є дифузність, але замість повітря використовуються газові суміші, наприклад гелій або аргон з малою кількістю повітря. Все це робить установки або дорогими або малоефективними. Щоб досягти такого поєднання, нам довелося виконати велику роботу. Зокрема ми створили фізичні моделі, які описують розрядні процеси в повітряних середовищах. З їх допомогою визначили оптимальне поєднання таких параметрів генераторів, що живлять розрядні проміжки, як амплітуда імпульсів, їх тривалість та частота проходження. Експерименти показали, що розряд має “капризний характер”: за недотримання цих умов він різко зменшує вироблення концентрацій активних компонент плазмохімічних реакцій, що різко зменшує ефективність стерилізаційного процесу».
Експериментальні та теоретичні роботи дослідників кафедри електротехніки МІФІ зараз у розпалі. За словами Едуарда Школьникова, прототип такої установки буде створено вже до кінця цього року. «Завдання, яке ми перед собою поставили, поки що не вирішене в жодній лабораторії світу, це я можу сказати безперечно, — каже Школьніков. — Якщо все вийде, то це буде гарний крок уперед».
Після створення подібної установки з потрібними характеристиками за справу візьмуться медики та мікробіологи. Їхнє завдання — випробувати, наскільки ефективно потік плазми знищує патогенні бактерії та мікроорганізми. Попередні дослідження з установкою, що вже є в МІФІ, дозволили накопичити експериментальний матеріал. «Я використав свій викладацький ресурс, – посміхається Едуард Школьніков. — В одного з наших студентів батьки працюють у медичній установі. Вони допомогли нам придбати зразки, заражені кишковою паличкою (E. coli). Миопромінювали ці зразки потоком плазми, і передавали їх медикам назад на експертизу. Результат є: кишкові палички повністю розкладаються за досить короткий час — близько кількох хвилин».
Висока, навіть космічна, стерильність
Новий високотехнологічний генератор холодної плазми з нетерпінням чекають на ГНЦ Україна — Інститут медико-біологічних проблем РАН. Згідно з дослідженням, проведеним фахівцями з Центру інфекційних захворювань та вакцинології при Аризонському університеті, хвороботворні бактерії, які побували в космосі, стають небезпечнішими. Справа в тому, що на основі подібних установок можуть бути розроблені унікальні пристрої для космічних станцій, зокрема обладнання для забезпечення карантину та мікробіологічної безпеки в житлових відсіках космічних апаратів та інших гермоприміщень тривалого функціонування, включаючи гермооб'єми зі штучними фізіологічно активними дихальними середовищами.
Однорідний потік плазми
Крім цього, дані установки послужать основою для розробки промислових низькотемпературних стерилізаторів широкого застосування для установ медичного профілю, сфери послуг різного призначення та обсягу (перукарень, кінотеатрів, кафе, ресторанів), а також житлових та офісних приміщень. Сьогодні через відсутність подібної технології стерилізації медичні установи змушені купувати дороге імпортне обладнання, наприклад пристрій для хімічної стерилізації в розчинах сильних окислювачів STERRAD-100S (США), в якому використовується розрядна плазма спеціального розчину на основі перекису водню. Стерилізація за його допомогою займає одну годину, при цьому вага установки дорівнює 350 кг, а її вартість становить 170 тисяч доларів США, що більшості українських поліклінік талікарень не по кишені. «Ми хочемо зробити недорогий компактний прилад для стерилізації інструментів та озброїти лікарні, — ділиться планами Едуард Школьніков. — Чим він добрий? Ефективний, простий та безпечний для медичного персоналу».