Autoren: Xuran Li, Xiaoqing Rui, Danni Li, Yanhong Wang und Fei Tan

Publikation: Plasma oncology: Adjuvant therapy for head and neck cancer using cold atmospheric plasma. Front. Oncol. 12:994172. doi: 10.3389/fonc.2022.994172

Zuerst veröffentlicht: https://www.frontiersin.org/…

Zusammenfassung einer interessanten Publikation zur Grundlagenforschung zum möglichen Einsatz von Plasma als Begleittherapie für Kopf-Hals-Karzinome:

Mehr als eine halbe Millionen Menschen erkranken jährlich an Kpf-Hals-Tumoren (HNC, engl.: head and neck cancer). Zu den bereits klassisch etablierten Behandlungsmethoden, darunter operative Eingriffe, Chemo- und Immuntherapie, soll künftig eine begleitende Behandlung mit KAP (kalt atmosphärisches Plasma) untersucht und ermöglicht werden.

Exemplarisch wurde KAP für die Behandlungen in dieser Studie durch unseren piezobrush®PZ2 erzeugt. KAP hat als teilionisiertes Gas durch seine Anwendungsfreundlichkeit bereits verbreitet Einzug in den Medizinbereich gefunden. Dabei beruht die Plasmaentstehung auf der piezoelektrischen Direktentladung, wobei eine Temperatur von 50 °C nicht überschritten wird.

In der Publikation wurde zudem eine ausführliche Literaturrecherche durchgeführt, die auf die Auswirkungen von KAP als Behandlungsmethode von HNC zurückgreift. Viele dieser Studien berichten von einem positiven Effekt des Plasmas auf HNC, entweder auf mikrobiologischer Ebene oder durch Reduktion von Patientenbeschwerden. Eine mögliche Behandlung kann entweder direkt oder indirekt erfolgen. In Abbildung 1 werden HNC-Zellstrukturen in unterschiedlichen Medien direkt mit KAP plasmabehandelt. Auch eine in vivo Behandlung konnte erfolgreich durchgeführt werden. Bei der indirekten Behandlung werden die durch das KAP erzeugten reaktiven Spezies über einen Zwischenträger an einen lebenden Empfänger übermittelt.

Eine mögliche Behandlung kann entweder direkt oder indirekt erfolgen. In Abbildung 1 werden HNC-Zellstrukturen in unterschiedlichen Medien direkt mit KAP plasmabehandelt. Auch eine in vivo Behandlung konnte erfolgreich durchgeführt werden. Bei der indirekten Behandlung werden die durch das KAP erzeugten reaktiven Spezies über einen Zwischenträger an einen lebenden Empfänger übermittelt.

Der durch das Plasma erzeugte positive Effekt tritt ein durch ein Zusammenspiel chemischer und physikalischer Prozesse und wird unter anderem ausgelöst durch geladene Teilchen und reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies (ROS und RNS), welche oxidative Belastungen auf die zu behandelnden Tumorzellen ausüben. Damit verbundene Strukturveränderungen führen in häufigen Fällen zur Apoptose und verhindern somit eine Fortentwicklung des Tumors.

Dies gelingt durch eine erhöhte Selektivität für kranke gegenüber benachbarten gesunden Zellen. Zusätzlich werden durch KAP unterschiedliche DNA-Schäden hervorgerufen und eine mitochondriale Dysfunktion verursacht. Abbildung 2 erläutert die unterschiedlichen Einflüsse auf behandelte Krebszellen detailliert.

Als umfassende Therapie für die Behandlung von HNC (dazu gehören unter anderem auch Schilddrüsenkrebs und Melanome) kommt KAP nicht nur aufgrund seiner dualen Einsatzmöglichkeit infrage, sondern stellt als Hilfstherapie auch ein ergänzendes Mittel zur Karzinom-Bekämpfung dar.
Mit seiner bakteriziden Wirkung kann KAP beispielsweise zur postoperativen Behandlung nach der Entnahme von Tumorgeschwüren verwendet werden. Somit ist es möglich, eine Wundheilung zu beschleunigen, den Einsatz von schmerzlindernden Medikamenten zu verringern und ein Wohlbefinden des Patienten zu steigern.

Die vollständige Publikation können sie hier lesen.

Regensburg/Munich/Barcelona. Relyon plasma will be presenting its latest product developments at the booth of parent company TDK at electronica in Munich from November 15 to 18, 2022. The handheld piezobrush® PZ3, the piezobrush® PZ3-i compact plasma integration system, the associated exchangeable modules and the MediPlas® system will be on display in Hall A5 Booth 107. Almost simultaneously, the disinfection and sterilization congress WFHSS will take place in Barcelona from November 16 to 19, 2022. Relyon plasma will also present the new high-performance ozone generator "MediPlas® Reactor" and the intelligent driver unit "MediPlas® Drive" at booth no. 15.

Cold atmospheric plasma solutions for manual and integrated applications

The use of plasma positively influences surface properties of materials that are of high importance for processing and end use. Users can thus significantly improve not only the quality of their work and production processes, but also of their products. The piezobrush® PZ3 is a compact handheld plasma device for easy and mobile use in laboratories, pre-development and small batch assembly. The integration solution piezobrush® PZ3-i is suitable for various applications such as printing, bonding and laminating. It can be easily integrated into existing or new production lines. Five interchangeable modules are currently available for the piezobrush® PZ3 and piezobrush® PZ3-i.

Ozone generator for disinfection, sterilization and odor elimination

The latest innovation from relyon plasma is the MediPlas® system, consisting of the plasma components MediPlas® Reactor and MediPlas® Drive. The MediPlas® Reactor is a high-performance ozone generator. The MediPlas® Drive is the associated driver and provides the necessary voltage power for ozone generation. The two plasma components can be integrated into systems in industry, medical technology, pharmaceuticals, packaging, automotive, food and beverage, and agriculture for disinfection, sterilization and odor removal.

Regensburg/München/Barcelona. Relyon plasma präsentiert auf dem Stand des Mutterkonzerns TDK auf der electronica in München vom 15. bis 18. November 2022 seine neuesten Produktentwicklungen. In Halle A5 Stand 107 sind das Handgerät piezobrush® PZ3, die kompakte Plasmaintegration piezobrush® PZ3-i, die zugehörigen Wechselmodule sowie das MediPlas® System ausgestellt. Fast zeitgleich findet vom 16. bis 19. November 2022 der Desinfektions- und Sterilisationskongress WFHSS in Barcelona statt. Relyon plasma präsentiert auf dem Messestand Nr. 15 ebenfalls den neuen Hochleistungs-Ozongenerator „MediPlas® Reactor“ und die intelligente Treibereinheit „MediPlas® Drive“.

Kalt atmosphärische Plasmalösungen für die manuelle und integrierte Anwendung

Durch den Einsatz von Plasma werden Oberflächeneigenschaften von Materialien, die für die Verarbeitung und Endverwendung von hoher Bedeutung sind, positiv beeinflusst. Anwender können damit nicht nur die Qualität ihrer Arbeits- und Produktionsabläufe, sondern auch ihrer Produkte deutlich verbessern. Der piezobrush® PZ3 ist ein kompaktes Plasma-Handgerät für den einfachen und mobilen Einsatz in Laboren, der Vorentwicklung und der Montage von Kleinserien. Die Integrationslösung piezobrush® PZ3-i eignet sich für verschiedene Anwendungen wie zum Beispiel Drucken, Kleben und Laminieren. Er kann leicht in bestehende oder neue Fertigungsanlagen integriert werden. Für den piezobrush® PZ3 und piezobrush® PZ3-i gibt es derzeit fünf Wechselmodule.

Ozongenerator für die Desinfektion, Sterilisation und Geruchsbeseitigung

Die neueste Innovation von relyon plasma ist das MediPlas® System, bestehend aus den Plasmakomponenten MediPlas® Reactor und MediPlas® Drive. Der MediPlas® Reactor ist ein Hochleistungs-Ozongenerator. Der MediPlas® Drive ist der zugehörige Treiber und bietet die nötige Spannungsleistung für die Ozonerzeugung. Die zwei Plasmakomponenten können in der Industrie, der Medizintechnik, in der Pharma-, Verpackungs-, Automobil-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der Landwirtschaft zur Desinfektion, Sterilisation und Geruchsbeseitigung in Systeme integriert werden.

Use of the piezobrush PZ3 in the dental technology

The application possibilities of cold atmospheric pressure plasma are widely spread. Not only in industry, but also in dental technology, the technology opens up many advantages. In particular, the compact piezobrush® PZ3 handheld plasma unit can be used in the dental laboratory and in implantology.

In the dental laboratory, cold plasma is used to improve adhesion processes or to create a uniform color image during color individualization. In implantology, the focus is on increasing the wettability of implants. The increased surface energy improves the initial attachment of osteoblasts, which subsequently leads to increased new bone formation after implantation. Thus, surface activation with plasma can improve bone regeneration, leading to increased and accelerated osseointegration.

Technical data of the piezobrush PZ3:

• Electrical connection: 110-240 V / 50-60 Hz
• Power consumption: max. 18 W
• Weight: 110 g
• Design: Hand-held unit with power supply, integrated fan
• Loudness: 45 dBP
• Treatment speed: 5 cm²/s
• Typical treatment distance: 2 – 10 mm
• Typical treatment width: 5 – 29 mm

Dielektrische Barriereentladung

Die dielektrische Barriereentladung, auch stille Entladung oder auf Englisch Dielectric Barrier Discharge DBD, ist eine sehr einfache und robuste Form der Plasmaerzeugung für nichtthermisches Plasma, auch kaltes Plasma genannt. Bei der DBD-Technologie brennt die Entladung zwischen zwei Elektroden, von denen mindestens eine Elektrode durch eine isolierende Schicht (Dielektrikum) zum Brennraum getrennt ist. Auf einer Oberfläche verteilte Mikroentladungen mit einer Dauer von nur wenigen Nanosekunden pumpen heiße Elektronen in die Gas-Phase, während der Gesamtprozess „kalt“ bleibt (weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht).  

Plasmakomponenten basierend auf der DBD-Technologie 

Relyon plasma hat zwei Plasmakomponenten entwickelt, die auf der DBD-Technologie basieren. Der MediPlas® Reactor ist ein Hochleistungs-Ozongenerator, der als Komponente beispielsweise in Medizinprodukte eingebaut werden kann und so die Konzentration von Krankheitserregern auf kontaminierten Oberflächen wie medizinischen Geräten, Masken und Schläuchen effektiv reduziert. 

Der MediPlas® Drive ist der zugehörige Treiber für den MediPlas® Reactor und bietet die nötige Spannungsleistung für die Ozonerzeugung. Der MediPlas® Drive konvertiert mithilfe einer autoresonanten Schaltungstopologie eine Gleichstrom-Niederspannung in Wechselstrom-Hochspannung. Die Ausgangsfrequenz passt sich selbständig an die betriebene Last an. 

Anwendung der DBD-Technologie

Das Anwendungsgebiet ist vielfältig. Die Technologie kann in der Industrie, Medizintechnik, zur Verbesserung der Wasser- und Luftqualität sowie Geruchsbeseitigung eingesetzt werden. Die platzsparenden Einheiten sind besonders gut für eine Einbindung in Alltagsgegenstände wie z.B. Schränke, Staubsauger, Lüftungssysteme oder Abfallbehälter geeignet. Die DBD-Technologie kann in verschiedenen Medien wie beispielsweise Gas oder an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche innerhalb eines breiten Druck-, Energiedichte- und Temperaturspektrums angewandt werden. 

Typische DBD-Konfigurationen können in planaren oder zylindrischen Geometrien entworfen und unter erzwungener Strömung, strahlartig oder unter Diffusions- oder Konvektionsbedingungen betrieben werden. Das Grundprinzip kann über einen sehr weiten Bereich skaliert werden. Spannungsamplitude, Frequenz und Leistung der AC-Quelle können einfach an die Bedürfnisse der Anwendung angepasst werden. 

Vorteile der DBD-Komponenten

Die von relyon entwickelten DBD-Komponenten bieten folgende Vorteile: 

• Hohe Konzentrationen bei Luft und bei Sauerstoffbetrieb
• Materialien sind „medical grade“
• Klein, kompakt und leicht integrierbar 
• Interne Kühlung
• Breites Anwendungsgebiet (Schränke, Abfallsysteme, Spinde etc.) 
• Einfache Möglichkeit zur Reduktion von Gerüchen, Keimen, Viren, Schimmelpilzen, Pestiziden und Fungiziden
• Sehr umweltfreundlich – keine Hilfsstoffe wie Chemikalien oder Additive notwendig 

Summary of the endurance test

The subject of the study is the investigation of the long-term durability of Standard Modules. For the endurance test, 10 piezobrush^® PZ3 devices were used in combination with the Standard Modules, which are equipped with a polybutylene terephthalate (PBT) plasma liner. The modules were in operation for 37 weeks – more than 6000 hours. They were paused only briefly in between to measure the electrical parameters and the activation area.

The core of the Standard Module is the CeraPlas^® F. The high voltage generated with it leads to the ignition of the Piezoelectric Direct Discharge (PDD). A gas flow was maintained around the CeraPlas F. In the case of the piezobrush^® PZ3, ambient air was used for this, in the case of the piezobrush^® PZ3-i either compressed dry air (CDA) or nitrogen.

In the test performed, a continuous test cabinet was equipped with 10 holders for Standard Modules operated without substrates. All piezobrush^® PZ3 handheld devices were set to continuous operation.

Every two weeks, all tested modules were removed from the piezobrush^® PZ3, inspected for damage or wear, measured electrically, and also the activation area was measured. The latter is done with the help of the activation image recording system (AIR). In the first step of this procedure, the substrates made of high-density polyethylene (HDPE) were statically activated with the same piezobrush^® PZ3. Three substrates were then treated with each standard module. The distance between the nozzle edge and the substrate was 4.0 mm and the treatment time was 10 seconds.

After treatment, each substrate was positioned on the base of the AIR system and the AIR procedure was performed. The activation area was visualized with two drops of a 58 mN/m test ink applied to the plasma-treated surface with a small brush immediately after the plasma treatment. The observed behavior of the test ink means that the substrate had a higher surface energy than 58 mN/m. Otherwise, the test ink would not wet the HDPE substrate.

The most important evaluation parameter is the average of the mean values of the activation areas determined per module. In the example, it was 612.7 mm². Another important global parameter is the standard deviation of the module-related mean values of the activation area. In the present example, it was 13.19 mm², which corresponds to 2.2%. This parameter provides information about the reproducibility of the activation performance from piece to piece. This parameter should be particularly low in the present case.

Several factors influence the accuracy of the activation area determination:

• Aging of the test ink: A test ink that has been stored in air for a long time changes its properties and shows a significantly smaller activation area than a fresh test ink.
• Different HDPE properties: The properties of HDPE substrates vary from supplier to supplier and batch to batch.
• The influence of surface pretreatment: Various preparation procedures for the HDPE surface prior to plasma treatment are known.

The following measures have been taken to minimize the undesirable influences:

• To avoid the influence of aging of the test ink on the activation surface results, the test ink bottle was always stored sealed before it was used to apply the ink. In addition, for each series of measurements, a fresh test ink bottle was opened and labeled with an opening date.
• Only the "natural" HDPE from a single supplier was used for the study. The substrates of some batches had different surface properties on both sides, as one side was sometimes glossy and sometimes matte. However, the difference in activation area depending on the side of the substrate was not statistically significant. The substrates used were also not completely flat, but had a concave and a convex side. Therefore, for equal test conditions, each substrate was positioned with the convex side up.
• To avoid the influence of solvents and water on the results, no wet treatment of the substrates was performed. To remove dust particles and sawdust residues, the surfaces were wiped dry with paper towels.

The activation area varied with the duration of the endurance test. During the first 2000 hours, the activation area decreased slightly. From about 2000 hours onwards, an increase was observed. The maximum value, reached after 6000 hours, was 26% higher than the minimum value.

The test system, linked to a database, was used to measure and store the electrical parameters of the CeraPlas^® F of the modules tested. Each time the activation range was determined with the AIR system, the module was plugged into the electronic docking station and the excitation frequency, input voltage and current were automatically measured. Impedance was selected to monitor the change in module characteristics over time. There was a clear trend: a slight increase during the first 2000 hours and a monotonic decrease of 19% overall between 2000 and 6000 hours of operation. This trend was opposite to that of the activation area, which first slightly decreased and then increased.

Conclusion on the lifetime of Standard Module

All modules passed the 6000 hours of the endurance test without significant performance degradation. During the test, the activation area varied between 500 and 600 mm². The input impedance of the CeraPlas^® F decreased over 2000 h with the endurance test time. After 6000 h, it was 19% below the maximum value of 5800 mΩ. Both the increase in activation area and the decrease in input impedance of the CeraPlas^® F can be explained by the loosening of the shrink sleeve, which resulted in less mechanical damping of the CeraPlas^® F vibrations.

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Zusammenfassung des Dauertests

Gegenstand der Studie ist die Untersuchung der Langzeitbeständigkeit von Standardmodulen. Für den Dauertest wurden 10 piezobrush^® PZ3 Geräte in Kombination mit den Modulen Standard verwendet, die mit einem Plasmaliner aus Polybutylenterephthalat (PBT) ausgestattet sind. Die Module waren 37 Wochen – also mehr als 6000 Stunden – in Betrieb. Sie wurden zwischendurch nur kurzzeitig zur Messung der elektrischen Parameter und der Aktivierungsfläche pausiert.

Das Kernstück des Standardmoduls ist das CeraPlas^® F. Die damit erzeugte Hochspannung führt zur Zündung der piezoelektrischen Direktentladung (PDD). Um das CeraPlas F herum wurde ein Gasstrom aufrechterhalten. Im Falle des piezobrush^® PZ3 wurde dafür Umgebungsluft verwendet, beim piezobrush^® PZ3-i entweder komprimierte trockene Luft (CDA) oder Stickstoff.

In dem durchgeführten Test wurde ein Dauertestschrank mit 10 Haltern für Standardmodule ausgestattet, die ohne Substrate betrieben wurden. Alle piezobrush^® PZ3 Handgeräte wurden auf Dauerbetrieb eingestellt.

Alle zwei Wochen wurden alle getesteten Module aus dem piezobrush^® PZ3 entnommen, auf Beschädigungen oder Verschleiß untersucht, elektrisch vermessen und zudem die Aktivierungsfläche gemessen. Letzteres erfolgt mit Hilfe des Aktivierungsbildaufzeichnungssystems (AIR). Im ersten Schritt dieses Verfahrens wurden die Substrate aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) statisch mit dem demselben piezobrush^® PZ3 aktiviert. Mit jedem Standardmodul wurden danach drei Substrate behandelt. Der Abstand zwischen der Düsenkante und dem Substrat betrug 4,0 mm und die Behandlungszeit 10 Sekunden.

Nach der Behandlung wurde jedes Substrat auf dem Sockel des AIR-Systems positioniert und das AIR-Verfahren durchgeführt. Der Aktivierungsbereich wurde mit zwei Tropfen einer 58 mN/m Testtinte visualisiert, die mit einem kleinen Pinsel direkt nach der Plasmabehandlung auf die plasmabehandelte Oberfläche aufgetragen wurden. Das beobachtete Verhalten der Testtinte bedeutet, dass das Substrat eine höhere Oberflächenenergie als 58 mN/m aufwies. Andernfalls würde die Testtinte das HDPE-Substrat nicht benetzen.

Der wichtigste Bewertungsparameter ist der Mittelwert der pro Modul ermittelten Mittelwerte der Aktivierungsflächen. Im Beispiel betrug er 612,7 mm². Ein weiterer wichtiger globaler Parameter ist die Standardabweichung der modulbezogenen Mittelwerte der Aktivierungsfläche. Im vorliegenden Beispiel betrug sie 13,19 mm², was 2,2 % entspricht. Dieser Parameter gibt Auskunft über die Reproduzierbarkeit der Aktivierungsleistung von Stück zu Stück. Dieser Parameter sollte im vorliegenden Fall besonders niedrig sein.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Bestimmung des Aktivierungsbereichs:

• Die Alterung der Testtinte: Eine Testtinte, die längere Zeit an der Luft gelagert wurde, verändert ihre Eigenschaften und zeigt eine deutlich kleinere Aktivierungsfläche als eine frische Testtinte.
• Unterschiedliche HDPE-Eigenschaften: Die Eigenschaften der HDPE-Substrate variieren von Anbieter zu Anbieter und von Charge zu Charge.
• Der Einfluss der Oberflächenvorbehandlung: Es sind verschiedene Vorbereitungsverfahren für die HDPE-Oberfläche vor der Plasmabehandlung bekannt.

Folgende Maßnahmen wurden ergriffen, um die unerwünschten Einflüsse zu minimieren:

• Um den Einfluss der Alterung der Testtinte auf die Ergebnisse der Aktivierungsfläche zu vermeiden, wurde die Testtintenflasche immer verschlossen gelagert, bevor sie zum Auftragen der Tinte verwendet wurde. Zudem wurde für jede Messreihe eine frische Testtintenflasche geöffnet und mit einem Öffnungsdatum versehen.
• Für die Studie wurde nur das "natürliche" HDPE eines einzigen Anbieters verwendet. Die Substrate einiger Chargen wiesen auf beiden Seiten unterschiedliche Oberflächeneigenschaften auf, da eine Seite manchmal glänzend und manchmal matt war. Der Unterschied in der Aktivierungsfläche je nach Seite des Substrats war jedoch statistisch nicht signifikant. Die verwendeten Substrate waren auch nicht völlig eben, sondern hatten eine konkave und eine konvexe Seite. Deshalb wurde für gleiche Testbedingungen jedes Substrat mit der konvexen Seite nach oben positioniert.
• Um den Einfluss von Lösungsmitteln und Wasser auf das Ergebnis zu vermeiden, wurde keine Nassbehandlung der Substrate durchgeführt. Um Staubpartikel und Sägemehlreste zu entfernen, wurden die Oberflächen mit Papiertüchern trocken gewischt.

Die Aktivierungsfläche variierte mit der Dauer des Dauertests. Während der ersten 2000 Stunden nahm die Aktivierungsfläche leicht ab. Ab etwa 2000 Stunden war ein Anstieg zu beobachten. Der maximale Wert, der nach 6000 Stunden erreicht wurde, war um 26 % höher als der Minimalwert.

Das mit einer Datenbank verknüpfte Prüfsystem diente zur Messung und Speicherung der elektrischen Parameter des CeraPlas^® F der geprüften Module. Jedes Mal, wenn der Aktivierungsbereich mit dem AIR-System bestimmt wurde, wurde das Modul in die elektronische Docking-Station eingesteckt und automatisch die Erregerfrequenz, die Eingangsspannung und der Strom gemessen. Die Impedanz wurde ausgewählt, um die zeitliche Veränderung der Moduleigenschaften zu überwachen. Es war ein deutlicher Trend zu erkennen: ein leichter Anstieg während der ersten 2000 Stunden und ein monotoner Rückgang um insgesamt 19 % zwischen 2000 und 6000 Betriebsstunden. Dieser Trend war entgegengesetzt zu dem der Aktivierungsfläche, die zunächst leicht abnahm und dann zunahm.

Fazit zur Lebensdauer des Modul Standard

Alle Module haben die 6000 Stunden des Dauertests ohne signifikante Leistungseinbußen bestanden. Während des Tests variierte die Aktivierungsfläche zwischen 500 und 600 mm². Die Eingangsimpedanz des CeraPlas^® F nahm mit der Dauertestzeit über 2000 h ab. Nach 6000 Stunden lag sie um 19% unter dem Maximalwert von 5800 mΩ. Sowohl die Zunahme der Aktivierungsfläche als auch die Abnahme der Eingangsimpedanz des CeraPlas^® F lassen sich mit der Lockerung der der Schrumpfmuffe erklärt werden, was zu einer geringeren mechanischen Dämpfung der CeraPlas^® F Schwingungen führte.

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