低溫等離子體技術在消毒殺菌領域的研究進展

王原莉 徐利佳 鄭春霞 黃朝暉 余皖婉 丁呈彪

摘要：隨著等離子體技術的應用與發(fā)展，其消毒殺菌技術的應用越來越受到關注。低溫等離子體是通過向氣體施加電能而產(chǎn)生的，由重粒子、電子和紫外線組成，其工作溫度可維持在25℃左右，因此在消毒殺菌領域得到了極大的發(fā)展。低溫等離子體彌補了傳統(tǒng)殺菌消毒方法的許多諸如抗生素的使用產(chǎn)生的耐藥性等缺點，其便捷、安全、無污染的特點，讓其成為一種很有前景的消毒工具。本文總結了低溫等離子體技術在消毒殺菌領域的研究進展，為相關研究提供理論依據(jù)。

關鍵詞：低溫等離子體;殺菌;消毒

Research?Progress?in?the?Field?of?Disinfection?and?Sterilization?by?Low?Temperature?Plasma?Technology

Wang?Yuanli1??Xu?Lijia1??Zheng?Chunxia1??Huang?Zhaohui1??Yu?Wanwan2??Ding?Chengbiao3*

1.Anhui?Medical?University，?Second?Clinical?Medical?College??AnhuiHefei??230601;2.Anhui?Medical?University??AnhuiHefei??230032;3.The?Second?Affiliated?Hospital?of?Anhui?Medical?University，?Department?of?rehabilitation?and?sports?medicine??AnhuiHefei??230601

Abstract：With?the?application?and?development?of?plasma?technology，?the?application?of?its?disinfection?and?sterilization?technology?has attracted?more?and?more?attention.?Low?temperature?plasma?is?produced?by?applying?electric?energy?to?gas.?It?is?composed?of?heavy?particles，?electrons?and?ultraviolet?rays.?Its?working?temperature?can?be?maintained?at?about?25℃，?so?it?has?been?greatly?developed?in?the?field?of?disinfection?and?sterilization.?Low?temperature?plasma?makes?up?for?many?shortcomings?of?traditional?sterilization?and?disinfection?methods，?such?as?drug?resistance?caused?by?the?use?of?antibiotics.?Its?convenient，?safe?and?pollution-free?characteristics?make?it?a?promising?disinfection?tool.?This?paper?summarizes?the?research?progress?of?low?temperature?plasma?technology?in?the?field?of?disinfection?and?sterilization，?so?as?to?provide?a?theoretical?basis?for?related?research.

Keywords：?low?temperature?plasma;?sterilization;?disinfect

在物理學中，等離子體描述的是部分或完全電離的氣體。電離氣體的物理性質與非電離氣體的物理性質有很大的差異。因此，等離子體也被稱為物質的第四態(tài)[1]。等離子體已經(jīng)被證明在如傷口愈合、凝血、血管生成抑制和癌癥治療，以及微生物失活等方面具有一定作用[2，3]。有研究表明，等離子體具有巨大的抗菌作用，使革蘭氏陽性和革蘭氏陰性菌株、酵母甚至病毒均能失活[4]。等離子體靶向破壞微生物的各種結構，蝕刻細胞壁，破壞生物膜和過氧化脂質，并且細菌?DNA?和?RNA可能會受到氧化損傷、堿基修飾和鏈斷裂的影響。此外，大分子（如蛋白質）還可能會被展開或修飾[5]，這些都是等離子體消毒殺菌的特殊機制。目前，低溫等離子體消毒殺菌技術已經(jīng)在各個領域被開發(fā)使用，并獲得了可觀的效果，同時，這種技術的發(fā)展也面臨著不同的挑戰(zhàn)，在未來的應用中，仍有許多問題等待解決。本文基于低溫等離子體在消毒殺菌領域的研究進行了總結，如圖1。

圖?1?低溫等離子體消毒殺菌在各領域的應用總結

一、基于低溫等離子體的滅菌器

低溫等離子體生物醫(yī)學研究越來越受到關注，主要是由于其殺菌特性[6]。低溫等離子體滅菌器的基本原理是活的微生物具有吸濕性，這意味著環(huán)境氣相中的水蒸氣優(yōu)先在其表面凝結。只要在適當?shù)沫h(huán)境條件（壓力和溫度）下，過氧化氫和過氧化乙酸這樣的過氧化物蒸汽或臭氧等氧化氣體可以在位于光滑支撐表面上的細菌形成的成核部位凝結，同樣地，病毒也是有效的成核位點。隨著塑料等不能承受高溫高壓的材料制成的設備越來越多，一些新的低溫滅菌系統(tǒng)，如最近研發(fā)的環(huán)氧乙烷滅菌和H2O2氣體等離子目前用于對醫(yī)療器械的滅菌[7]。但基于低溫等離子體的滅菌器的設計仍需要不斷完善和更新，來滿足實際應用的需求。

二、空氣和水中微生物的凈化

目前，等離子體技術已經(jīng)可以解決有關大量水性污染物和水傳播病原微生物（包括病毒）降解的某些問題，并已達到顯著水平。盡管低溫等離子體具有較好的殺菌效果，其作為一種廢水處理技術的發(fā)展仍然受到資本投資、熟練應用、宜居性和運營成本等信息的缺乏的阻礙，因此需要對其蓬勃發(fā)展的商業(yè)化進行額外的研究[8]。同時，低溫等離子體消毒殺菌技術對空氣中的微生物也具備消殺作用，但空氣放電后難免產(chǎn)生微量的臭氧、氮氧化物等化學物質殘留，可能對人體造成潛在的危害。在高效殺滅空氣中微生物的同時，如何減少或清除有害化學殘留，也是需要解決的問題[9]。此外，研究表明，這種新興技術可能具備有效滅活?COVID-19或其他冠狀病毒的能力，能有效阻斷病毒在空氣和水中的傳播渠道。

三、皮膚消毒與預防傷口感染

生活環(huán)境中存在大量病原微生物，皮膚屏障能夠有效的阻斷其進入人體，但當人體皮膚屏障功能減退或出現(xiàn)傷口時，這些病原微生物可能會趁機而入，造成感染。低溫等離子體在聚苯乙烯、硅膠材料和豬皮膚上的體外抗菌效果已得到證實。并且等離子體對慢性傷口也具有抗菌作用，且沒有任何副作用[10]。涉及使用低溫等離子體處理傷口的臨床試驗結果證明其可以改善大鼠開放傷口的愈合[11]，并減少定植或感染傷口的細菌負擔。柔性介質阻擋放電?（DBD）?被開發(fā)作為慢性傷口的替代抗菌治療[12]。鑒于細菌對抗生素的耐藥性的持續(xù)發(fā)展，這種基于非抗生素的方法來處理感染的傷口，在理論上有著更大的優(yōu)勢。但臨床中仍缺少足夠的研究證明，低溫等離子體處理人的皮膚時能夠產(chǎn)生足夠的消毒效果并且具有安全性，避免不良事件的發(fā)生。

四、清除口腔微生物

牙齒表面形成的生物膜會導致齲齒、牙齦和牙周疾病以及口腔粘膜炎。這些生物膜還可以通過引起粘膜周圍炎和種植體周圍炎來影響牙種植體。大多數(shù)牙科治療旨在去除或破壞口腔生物膜。體外研究的現(xiàn)有證據(jù)表明，低溫等離子體是一種很有前途的對抗牙齒生物膜的工具，其能夠破壞生物膜基質而不會對口腔組織造成任何損害。低溫等離子體在牙科中的應用適應癥包括：與牙本質和陶瓷結合、復合材料的固化、漂白、牙種植體的表面活化，以及在齲病學、牙髓病學、牙周病學和種植學中的抗菌治療干預[13]。但其潛在的機制和特定的微生物相互作用尚未完全了解，并且在文獻中進行了有爭議的討論[5]。

五、食品業(yè)和農(nóng)業(yè)的殺菌

等離子技術在農(nóng)業(yè)和食品領域有著廣泛的應用。例如，等離子體技術可應用于食品、包裝材料和設備以及種子、肥料、水和土壤等農(nóng)業(yè)資源的消毒。農(nóng)產(chǎn)品，如水果和蔬菜，很容易受到農(nóng)業(yè)來源的污染，包括種子、肥料、水和土壤。此外，農(nóng)產(chǎn)品在供應鏈的收獲、運輸、包裝和食品加工階段會與灰塵、昆蟲、動物糞便、田間工人和設備接觸，這些個體風險因素可能會導致微生物危害。低溫等離子體技術通過使用電和反應性載氣（例如氧氣、氮氣或氦氣）來滅活酶、破壞微生物、保存食物，從而避免了使用化學抗菌劑的技術。目前，低溫等離子體殺菌處理作為一種新興的加工技術，其設計的多功能性、特有的低溫性質、更好的經(jīng)濟標準等因素為其提供了與傳統(tǒng)處理方法相比無與倫比的優(yōu)勢。即便如此，深入了解低溫等離子體對功能性和生物活性食品成分的影響仍然是一項迫在眉睫的研究課題，并且對其作為現(xiàn)代非常規(guī)加工技術的廣泛認可勢在必行[14]。

綜上所述，低溫等離子體消毒殺菌技術已經(jīng)在醫(yī)療器械、環(huán)境污染、皮膚與口腔疾病、食品與農(nóng)業(yè)等方面的應用中顯示出了巨大的潛力，除了上述方面，低溫等離子體消毒殺菌技術仍有望在其他應用方面取得重大突破。然而，在實際應用中該技術可能會產(chǎn)生化學物質殘留或造成其他安全影響，此過程中存在的種種問題與挑戰(zhàn)，仍需要進一步的研究提出相應的解決辦法。

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基金項目：2020年度國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（202010366045）;安徽省高等學校省級質量工程項目（2019jyxm0999）

作者簡介：王原莉（2002—??），女，漢族，安徽阜陽人，本科在讀。

*?通訊作者：丁呈彪（1986—??），男，漢族，安徽合肥人，骨科學碩士，博士在讀，研究方向：骨科康復及低溫等離子體生物應用。

*?通訊作者：丁呈彪。