کاربردهای پلاسما در پزشکی – بخش یک

یکی از جدیدترین تکنولوژی کاربردی در حوزه‌های مختلف پزشکی در قرن بیست و یکم تکنولوژی پلاسما است. پلاسما گازهای یونیزه شده‌ای می‌باشد که به حالت برانگیخته در آمده‌اند. بنابراین حاوی اتم‌ها، یون‌ها و مولکول‌های واکنش‌پذیر هستند. این موضوع سبب شده تا به کمک پلاسما بتوان انواع مختلفی از تشعشعات الکترومغناطیسی را ساطع کرد. از جمله این تشعشات می‌توان نور مادون قرمز، مرئی و ماوراء بنفش (UV) را نام برد.

انواع پلاسما: پلاسمای سرد و پلاسمای گرم

در حالت کلی می‌توان انواع پلاسما را در دو گروه حرارتی و غیر حرارتی (سرد) دسته‌بندی کرد. در پلاسمای حرارتی، الکترون‌ها و یون‌ها انرژی یکسانی دارند. در حالی که پلاسمای غیر حرارتی ویژگی واکنش پذیری خود را از الکترون‌های پر انرژی به دست می‌آورد. بنابراین امواج حاصل از آن بدون حرارت خواهند بود. پلاسماهای حرارتی از جمله فراوان‌ترین پدیده‌های طبیعی هستند. بعنوان مثال شما می‌توانید در حوزه‌هایی مثل تولید انرژی برق از امواج خورشید شاهد به کارگیری تکنولوژی پلاسمای حرارتی بود. برخلاف این موضوع پلاسماهای غیر حرارتی عمدتاً با مداخله بشر تولید می‌شوند. بنابراین ترکیب و دمای آن در محدوده وسیعی با پارامترهایی مانند نوع انرژی ورودی، توان ورودی و نوع گاز قابل تنظیم خواهد بود. به عبارتی ساده‌تر بشر می‌تواند با اعمال میدان الکتریکی به مخلوط گازهای خنثی از تکنولوژی پلاسمای سرد بهره ببرد.

کاربردهای پلاسما در زیبائی

در پایان قرن بیستم، استفاده از تکنولوژی پلاسما سرد در حوزه‌های مختلف رواج یافت. از جمله مهم‌ترین کاربردهای آن در حوزه‌های تولید لامپ‌های کم مصرف، تصفیه مواد پلیمری، اصلاح سطح، مدیریت زباله و آلودگی هوا، میکروالکترونیک، نمایشگرهای صفحه تخت و … بود. در شکل شماره ۱ طیف گسترده‌ای از کاربردهای تکنولوژی پلاسما گردآوری شده‌اند:

کاربردهای مختلف تکنولوژی پلاسما

شکل ۱. کاربردهای تکنولوژی پلاسما در صنایع مختلف

امروزه محققین موفق شدند به پیشرفت‌های بالایی در حوزه‌های مختلف به کمک تکنولوژی پلاسما دست یابند. در سال ۲۰۰۴، VDI Technologiezentrum Düsseldorf یک نظرسنجی در خصوص آینده تکنولوژی پلاسما انجام داد. در این نظرسنجی، ۱۴۸ شرکت آلمانی مورد بررسی قرار گرفتند. طبق داده‌ها پیشبینی شد در سال‌های آینده شاهد رشد چشمگیر کاربرد پلاسما در حوزه‌های پزشکی، بیوتکنولوژی و داروسازی خواهیم بود. در شکل شماره ۲ نمودار حاصل شده از این نظرسنجی آورده شده است.

آینده تکنولوژی پلاسما

شکل ۲. پیشبینی انجام شده در خصوص آینده پلاسما در سال ۲۰۰۴ توسط شرکت آلمانی

با وجود پیشرفت‌های عظیم در حوزه پزشکی و تجهیزات پزشکی باز هم محققین برای رسیدن به پیشرفت‌های بیشتر تلاش می‌کنند. چرا که رشد مداوم جمعیت جهانی و افزایش میانگین سنی در غرب نیاز به مراقبت‌های بهداشتی را بیشتر کرده است. تکنولوژی پلاسما به عنوان یکی از نوظهورترین رشته‌ها توانسته انقلابی بزرگ در زمینه پزشکی ایجاد کند. به طوری که شواهد نشان از ویژگی‌های مثبت و مزایای استفاده از آن در علم پزشکی دارند. با استناد بر این صحبت‌ها در این مقاله سعی کرده‌ایم نگاهی کلی به پیشرفت و آینده کاربرد پلاسما در پزشکی داشته باشیم.

نگاهی کلی به کاربردهای پلاسما در پزشکی

اولین بار تکنولوژی پلاسما با هدف پزشکی در اواسط قرن نوزدهم استفاده شد. به طوری که در دهه ۱۸۵۰ از پلاسما در لامپ‌های قوس کربنی برای درمان فشار خون بالا استفاده شد. همچنین در این سال‌ها دستگاه‌های الکتروتراپی مانند ماشین‌های اشعه بنفش به بازار به عنوان اولین دستگاه‌های پلاسمای پزشکی عرضه شدند. در حالت کلی کاربردهای پلاسما در پزشکی را می‌توان در دو گروه اصلی قرار داد:

• استفاده غیر مستقیم از تکنیک‌های مبتنی بر پلاسما یا مکمل‌های پلاسما برای درمان سطوح، مواد یا دستگاه‌ها
• استفاده از پلاسما به صورت مستقیم در بدن انسان (یا حیوان) با هدف درمانی بر اساس تعامل مستقیم پلاسما با بافت زنده

کاربرد پلاسما برای درمان مواد یا دستگاه‌های پزشکی در طول‌ سال‌ها و دهه‌ها به شدت مورد تحقیق قرار گرفته است. چرا که پارامترهایی مانند انرژی ورودی، فشار، ترکیب گاز، افزودن مواد آغازگر، انواع برهمکنش‌های مبتنی بر واکنش شیمیایی با مواد و … را می‌توان با پلاسما افزایش داده و یا فعال کرد. از جمله این فعل و انفعالات عبارتند از: اچ کردن یا فرسایش، رسوب لایه دی الکتریک نازک، اصلاح شیمیایی و یا فیزیکی سطح، فعال سازی. برای درک بهتر به شکل شماره ۳ توجه فرمایید.

برهمکنش مبتنی بر پلاسما سطح

تمامی این موارد گفته شده نه تنها در صنعت بلکه در حوزه پزشکی می‌توانند کاربرد گسترده‌ای داشته باشند. به طوری که شاهد به کارگیری این پارامترها در دهه ۱۹۶۰ در حوزه پزشکی بودیم. از جمله مهم‌ترین کاربردهای تکنولوژی پلاسمای غیرحرارتی (سرد) در حوزه پزشکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

دستگاه‌های ایمپلنت‌ پزشکی، کاتترها، مواد موجود در سیستم‌های تصفیه خون که در تماس مستقیم به صورت کوتاه‌ مدت یا دائمی با بافت‌های زنده هستند، دفع آزمایشگاهی در کشت سلول، ابزارهای تشخیصی و داربست‌ها مهندسی بافت.

آنچه سبب توجه به تکنولوژی پلاسما در این حوزه‌های پزشکی شده، اصلاح سطح بدون ایجاد تغییر در ماهیت مواد است. تاکنون، طیف وسیعی از تکنیک‌های درمان سطحی مبتنی بر پلاسما توسعه یافته و تعدادی از آنها تجاری شده‌اند. این تکنیک‌های درمانی عبارتند از: کندوپاش و اچ پلاسما، کاشت پلاسما، رسوب پلاسما، پلیمریزاسیون پلاسما، اسپری پلاسما و … . این فرآیندها و تکنیک‌ها را می‌توان بر پایه پلاسمای کم فشار و فشار اتمسفر استوار کرد. مزیت پلاسماهای کم فشار همگن که در محفظه‌های خلاء تولید می‌شوند قابلیت کنترل و تکرار اشتعال پلاسما است. این مزیت می‌تواند سبب چشم پوشی از معایبی نظیر نیاز به تجهیزات خلاء در استفاده از پلاسمای کم فشار باشد.

با پلاسماهای فشار اتمسفری، عملیات غیر حرارتی سطوح بدون نیاز به تجهیزات خلاء میسر است. با این حال، یک نقطه ضعف اصلی دارند. چرا که چنین پلاسماهایی منقبض شده یا به اصطلاح پلاسمای رشته‌ای هستند. به این معنا که برخلاف پلاسمای کم فشار که همگن هستند، پلاسماهای فشار اتمسفر بصورت متمرکز و محلی می‌باشند. در نتیجه، هرگونه درمان در سطوح بزرگتر به شدت تحت تاثیر منبع پلاسما و پارامترهای جانبی خواهد بود. این ویژگی سبب می‌شود تا بتوان واکنش‌پذیری پلاسما را به طور خاص در ناحیه تحت درمان مورد استفاده قرار داد. این موضوع مزیت بزرگی برای این نوع از انرژی پلاسما محسوب می‌شود. بنابراین می‌توان به راحتی نواحی که دسترسی به آن‌ها دشوار است (مثل کاتترها) را تحت درمان قرار داد.

تغییر سطوح بیومتریال در نتیجه تغییرات مورفولوژی، بافت سطح، خواص فیزیکی و شیمیایی سطح با تکنولوژی پلاسما ممکن است. تمامی این کارها سبب افزایش ترشوندگی یا عملکرد ویژه سطوح برای افزایش و بهینه سازی چسبندگی سلول های زنده می‌گردد. همچنین با این روش می‌توان از چسبندگی مواد آلی مانند پروتئین‌ها، باکتری‌ها یا سلول‌ها جلوگیری کرد.

از دیگر کاربرد‌های مهم پلاسما که ارتباط نزدیکی با ضدعفونی سطوح دارد، استفاده از آن برای استریلیزاسیون وسایل پزشکی است. در سال‌های اخیر شاهد استفاده گسترده از مواد پلیمری در دستگاه‌های پزشکی بوده‌ایم. بنابراین نیاز به استریلیزاسیون وسیله‌ها بیشتر شده است. از طرفی دیگر روش‌های استریلیزاسیون بر پایه حرارت‌دهی در حال منسوخ شدن هستند. تمامی این موارد سبب شده تا تکنولوژی پلاسما بتواند انقلابی بزرگ در زمینه استریل کردن وسیله‌های پزشکی ایجاد کند. بکارگیری تشعشعات یونیزه و گازهای فعال ضد میکروبی مانند اکسید اتیلن در فارماکوپه‌ها در حوزه استریلیزاسیون به تایید محققین رسیده‌اند. یکی از رایج‌ترین وسیله‌هایی که استریل کردن آن‌ها با تکنولوژی پلاسما رواج یافته ایمپلنت‌های پزشکی هستند.

اولین بار در سال ۱۹۶۸ از تکنولوژی پلاسما به عنوان یک روش استریلیزاسیون استفاده شد. در این روش از انرژی RF پالسی برای ایجاد پلاسمای آرگون در فشار اتمسفر استفاده گردید. البته سال‌ها بعد استفاده از انرژی پلاسمای کم فشار نیز برای این منظور به کار گرفته شد. بطوری که مطالعه‌ها حاکی بر غیرفعال شدن یا حذف میکروارگانیسم‌ها و ویروس‌ها توسط پتانسیل بالای پلاسمای کم فشار بودند. در این تحقیقات نتایجی بر حذف مواد آلی مانند پروتئین‌ها، پیروژن‌ها یا پریون‌ها نیز در نتیجه انرژی پلاسما ارائه شدند.

مقاله پاک کردن تاتو با پلاسما را نیز حتما بخوانید.

در دهه 1990، دوره جدیدی در توسعه پلاسماهای فشار اتمسفر آغاز شد. به طوری که تحقیقات گسترده‌ای در زمینه استریلیزاسیون پلاسما تحت فشار اتمسفر و آلودگی زیستی در این سال‌ها انجام گردید. به طوری که تا به امروز نیز آزمایش‌های بسیاری برای شناسایی اثرات ضد میکروبی و بهینه‌سازی منابع پلاسمایی فشار اتمسفر برای کاربردهای مختلف استریلیزاسیون دستگاه‌های پزشکی و کاربردهای عمومی در زمینه بهداشت در حال انجام است. استریل کردن به کمک پلاسما گزینه‌ای بسیار مناسب برای وسیله‌هایی با اشکال پیچیده است. مثلا در استریلیزاسیون آندوسکوپ‌ها یا کاتترها استفاده از پلاسماهای تحت فشار اتمسفر گزینه بسیار مناسبی خواهند بود. چرا که دیگر روش‌ها می‌توانند محدودیت خاص خود را داشته باشند.

از طرفی، توصیه می‌شود پلاسمای کم فشار بجای پلاسمای فشار اتمسفری در روش‌های استریلیزاسیون حرارتی، تشعشع یا گاز استفاده شود. بزرگترین مزیت این کار امکان ادغام این روش با دیگر فرآیندهای موجود است. بنابراین بالاترین حد ایمنی در نتیجه استریل کردن ایجاد می‌گردد. البته نباید فراموش کرد که استفاده از فناوری پلاسمای فشار اتمسفر نقش کلیدی را در چنین شرایطی ایفا می کند.

استریلیزاسیون با تکنولوژی پلاسما

طبق مطالب مذکور تا کنون تحقیقات علمی گسترده‌ای در مورد استریل‌سازی با تکنولوژی پلاسما در حوزه پزشکی انجام شده است. با این حال هنوز تعداد کمی دستگاه‌های استریل‌سازی یا ضدعفونی‌کننده تجاری بر اساس این فناوری در بازار وجود دارند. البته در سال‌های اخیر دستگاه‌هایی بر اساس پلاسما کم فشار وارد بازار شده‌اند. در این دستگاه‌ها گاز فعال ضد میکروبی نظیر پراکسید هیدروژن با احتراق پلاسما در محفظه ضدعفونی‌کننده ترکیب می‌شود.

در حال حاضر، تنها سیستم تجاری مبتنی بر فناوری پلاسمای فشار اتمسفر موجود در بازار TipCharger نام دارد. این دستگاه با هدف زدودن آلودگی‌ها از سطح وسیله‌هایی مانند پیپت‌های آزمایشگاهی طراحی شده است.

کاربرد پلاسما در پزشکی بافت

علاوه بر استفاده از پلاسما در استریلیزاسیون سطح، کاربرد پلاسما در پزشکی شامل برخی فرآیندهای درمانی نیز می‌شود. بطوری که فناوری پلاسما در درمان سلول‌ها، بافت‌ها و اندام‌های زنده کارآیی بسیار خوبی را از خود نشان می‌دهد. برای این منظور انرژی پلاسما را مستقیما بر رو یا درون بدن انسان جهت تحقق اثرات درمانی استفاده می‌کنند. بااینکه کاربرد پلاسما برای اهداف درمانی از دیرباز وجود داشته اما اواسط قرن نوزدهم، نقطه عطفی بر این موضوع بود. چرا که در این دوره الکتروتراپی به عنوان یک مفهوم درمانی نوآورانه معرفی شد. در این حوزه‌های درمانی، نه تنها میدان‌های الکتریکی، تکانه‌های ولتاژ یا جریان به بدن انسان اعمال می‌شوند، بلکه از اسپارک نیز برای درمان بیماری‌ها استفاده می‌شود.

در آغاز قرن بیستم، مخترع اتریشی به نام والنتین زایلیس روش “Zeileis” را ابداع کرد. این روش درمانی الکترونیکی، بر اساس استفاده از ولتاژ متناوب فرکانس بالا با بافت انسان بعنوان بخشی از پیکربندی الکترود بنا شده بود. در کنار روش زایلیس روش درمانی دیگری نیز به نام “فولگوریشن” وجود دارد. در این روش تحریک پوست توسط ترشحات جرقه‌ای در فواصل طولانی که بین الکترود و پوست ایجاد می‌شود، صورت می‌گیرد. البته این روش درمان تا سال‌های قبل از ۱۹۳۳ با نام “شورایی” شناخته میشد. این روش را می‌توان بعنوان یک کاربرد مستقیم از پلاسمای فیزیکی در مراحل اولیه روی بافت انسان در نظر گرفت.

البته چندین روش دیگر الکتروتراپی وجود دارند که جزء جدایی‌ناپذیر درمان‌های مدرن در زمینه‌های مختلف مانند نورولوژی یا توانبخشی هستند. یکی دیگر از زمینه‌های شناخته شده کاربرد انرژی الکتریکی در پزشکی، جراحی الکتریکی است. در جراحی الکتریکی، حرارت بافت و خشک شدن سلول‌ها، دناتوره کردن پروتئین‌ها یا بی‌حسی بافت بترتیب برای انعقاد انتخابی یا برش بافت استفاده می‌شود. یکی از اصلی‌ترین روش‌های جراحی الکتریکی، APC نام دارد. APC خلاصه شده عبارت انگلیسی Argon Plasma Coagulation است. در این روش از تخلیه‌ آرگون در فشار اتمسفر برای انعقاد بافت استفاده می‌کنند. به عبارتی دیگر APC یک تکنیک تک قطبی است که در آن بافت مورد درمان به عنوان الکترود ضد عمل می‌کند.

APC  در دهه ۱۹۷۰ در حوزه پزشکی معرفی و در اوایل دهه ۱۹۹۰ برای کاربرد آندوسکوپی مورد استفاده قرار گرفت. این روش امروزه به یکی از رایج‌ترین تکنیک‌های انعقادی آندوسکوپی تبدیل شده است. به طوری که عمدتاً در گوارش، جراحی عمومی و احشایی، اورولوژی، زنان و … کاربرد دارد. در حال حاضر APC برای بیش از چهار دهه در حوزه پزشکی استفاده می‌شود. شواهد در این بازه زمانی حاکی بر عدم بروز عوارض جانبی در طول درمان به کمک این تکنولوژی هستند. به طوری که در طول درمان هیچ گونه آسیبی در سلول‌های بافت‌های اطرف مشاهده نمی‌شود.

تکنیک های جراحی با پلاسما

یکی از تکنیک‌های الکتروجراحی که شباهت زیادی به APC دارد، کوبلاسیون (coblation) نامیده می‌شود. به عبارتی دیگر در جامعه پزشکی می‌توان آن را با نام‌های cool ablation یا  controlled ablationنیز معرفی کرد. در این روش، یک سیستم الکترود دوقطبی فشرده در یک محیط رسانا، معمولا یک محلول الکترولیت (سالین) غوطه‌ور می‌شود. بنابراین پلاسمای بسیار موضعی شامل اتم‌ها یا مولکول‌های یونیزه یا واکنش‌پذیر و تشعشعات الکترومغناطیسی تولید می‌گردد. این انرژی پلاسما قادر به شکستن مولکول‌های آلی است. در نتیجه با اعمال بر روی بافت، یک فرسایش کنترل شده بدون حرارت و نکروز بافتی را می‌توان انجام داد. همانند APC، کوبلاسیون را می‌توان در دستگاه‌های آندوسکوپی به منظور ایجاد حداقل تهاجم استفاده کرد.

جراحی ستون فقرات، ارتوپدی و گوش و حلق و بینی به عنوان رایج‌ترین کاربردهای پزشکی APC تا به امروز بوده‌اند. در حالی که روش کوبلاسیون مبتنی بر افزودن محلول نمکی به ناحیه درمان است. بنابراین می‌توان از آن در اغلب روش‌های جراحی کمک گرفت. در برش بافت برای انجام جراحی بکمک تکنولوژی پلاسما از الکترولیت‌های بافتی به جای نمک تغذیه شده خارجی استفاده می‌کنند. در حوزه پزشکی به این روش‌ها تکنیک plasmacision  یا  plasmaknifeگفته می‌شود. اغلب پلاسماهای تخلیه فاز مایع مانع از عفونت زخم و همچنین ترومبکتومی الکتریکی برای رفع لخته‌های عروقی متمرکز می‌گردند.

کاربرد پلاسما در برش بافت

در دستگاه پلاسما جت از سیستم الکترود دوقطبی با جریان کم آرگون بعنوان گاز فرآیند برای برش یا انعقاد بافت استفاده می‌شود. همچنین از تکنیک پلاسما جت برای برداشتن بافت‌های اضافی از نواحی حساس کمک می‌گیرند. بنابراین در انجام بسیاری از جراحی‌ها می‌توان از آن بهره برد. هرچند این تکنیک ارتباط نزدیکی با منابع پلاسما در کاربردهای درمانی دارد، اما فعالیت آن بیشتر براساس برهمکنش حرارتی است. بنابراین همانند روش APC و کوبلاسیون بر اساس تعامل مخرب پلاسما با بافت زنده مورد استفاده قرار می‌گیرد.