Grundlegende Untersuchungen zur Wirkung kalter Plasmen auf kutane Lipidsysteme

Hirschberg, Joanna

Diese Arbeit basiert auf der Applikation nicht-thermischer, dielektrisch behinderter Plasmen auf einem in-vitro Modell des Stratum corneums. Als Quellenkonzepte finden hier in Umgebungsluft betriebene Volumenentladungen Anwendung, deren Anregung durch Hochspannungspulse im s- sowie ns-Bereich realisiert wurde. Die Zielsetzung der Arbeit umfasst die Validierung des in-vitro Modells, anhand dessen die Leistungsfähigkeit der Quellenkonzepte im medizinischen Einsatz sowie die Interaktion der Plasmen mit dem Stratum corneum betrachtet wurden. Die Herstellung des verwendeten Stratum corneum Modells erfolgte durch Anwendung des sogenannten Lipidstrippings. Eine Evaluierung dieses Modells für den plasmamedizinischen Einsatz wurde durch histologische und strukturelle Untersuchungen sowie durch einen Vergleich zwischen Modell und Haut, welcher die Bildung reaktiver Spezies umfasst, realisiert. Es konnte eine gute Eignung des Lipidstrippings als Modell des Stratum corneums festgestellt werden, wobei eine die Haut repräsentierende Wechselwirkung mit den biologisch relevanten Plasmakomponenten gewährleistet wird. Durch eine detaillierte Charakterisierung der Plasmen, u. a. hinsichtlich ihrer Temperaturverteilungen, Emission ultravioletter Strahlung sowie Konzentration reaktiver Spezies, wurden die Einflüsse der Anregungsart auf die Generation biologisch wirksamer Plasmakomponenten evaluiert. In diesem Rahmen wurde die Flankensteilheit der anregenden Hochspannungspulse als mögliche Stellgröße der Plasmaprozesse für eine Individualisierung der dermatologischen Therapie identifiziert. Darüber hinaus wurde durch eine Diskussion bestehender Grenzwerte eine Abschätzung möglicher Risikopotenziale für den medizinischen Einsatz dieser Plasmen durchgeführt. Durch einen Vergleich der Entladungen konnte eine hohe Leistungsfähigkeit des mittels ns-Pulsen angeregten Plasmas gezeigt werden. Basierend auf einer effizienten Bildung insbesondere von reaktiven Spezies und ultravioletter Strahlung, sowie einem großflächigen und homogenen Entladungsraum, weist dieses Konzept ein hohes Potenzial für den medizinischen Einsatz auf. Um einen Einblick in die Interaktion zwischen Plasmaentladung und kutanen Lipidsystemen zu erhalten, wurden Studien mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie durchgeführt, in deren Rahmen plasmainduzierte Änderungen in der Probenoberfläche identifiziert wurden. Es konnte eine Oxidierung, Nitrierung und Nitrosierung sowie ein Abtrag oberflächlicher Lipide nachgewiesen werden. Auch hier ist eine Tendenz sichtbar, nach welcher die durch ns-Pulse angeregte Entladung die größten Änderungen im Stratum corneum hervorruft. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch die Validierung des in-vitro Modells ein Vergleich verschiedener, für den medizinischen Einsatz konzipierter Plasmaquellen ermöglicht wird, auch ohne zeit- und kostenintensive in-vivo Studien. Basierend auf den Ergebnissen des Vergleiches wurden die Effizienz und das große Potential der ns-Quelle gezeigt; der nächste Schritt sieht die Entwicklung eines zulassungsfähigen Medizinproduktes vor. Insbesondere gilt es hierbei, die mit ns-Pulsen einhergehende Herausforderung der elektromagnetischen Verträglichkeit dieses Quellenkonzeptes anzugehen.

This work is based on the application of non-thermal dielectric barrier discharges on an in-vitro model of the stratum corneum. The plasma discharges were ignited in ambient, the excitation was realised by high voltage pulses with pulse durations in the s- and ns-range. The aim of the study comprises the validation of the in-vitro model, which was used afterwards to evaluate the capability of the plasma sources in medical application and to investigate the interaction between plasma and stratum corneum. The stratum corneum model, produced by stripping of lipids from the human skin, was evaluated by histological and structural investigations. Furthermore, the formation of reactive species on the plasma treated stratum corneum model and the human skin was compared. In summary, the model showed skin-representing interactions with biologically relevant plasma components. In compiling a detailed characterisation of the plasma sources, including their temperature distributions, emission of ultraviolet radiation and the concentration of reactive species, the influence of the type of excitation on the generation of biologically active plasma components was evaluated. Regarding this, the slope of the supply voltage was identified as a possible variable that can be manipulated to individualise dermatological therapies. In addition, an assessment of possible risk factors of these plasma sources concerning their medical use was carried out by discussing existing limits. Comparing the different discharges with each other, the ns-pulsed plasma concept exhibits the most homogeneous discharge with an efficient formation of reactive species and UV radiation, and thus has a high potential to be used as a medical tool. To gain an insight into the interaction between plasma discharge and stratum corneum, studies were carried out by means of X-ray photoelectron spectroscopy to identify plasma-induced changes in the sample surface. An oxidation, nitration and nitrosation as well as an ablation of superficial lipids could be detected, whereby the ns-pulsed plasma caused the most pronounced changes in the stratum corneum. In summary, the in-vitro model enables a comparison of performance efficiencies of different medical plasma sources without the effort of performing time-consuming and expensive in-vivo studies. Based on the great potential of the ns-plasma source, further objectives should be aiming at the development of an approval medical device, whereby the electromagnetic compatibility is one challenge to still be solved.

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Hirschberg, Joanna: Grundlegende Untersuchungen zur Wirkung kalter Plasmen auf kutane Lipidsysteme. 2017.

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