Refine
Year of publication
Document Type
- Doctoral Thesis (18)
Has Fulltext
- yes (18)
Is part of the Bibliography
- no (18) (remove)
Keywords
- Atmosphärendruckplasma (18) (remove)
Institute
- Institut für Hygiene und Umweltmedizin (5)
- Institut für Physik (5)
- Institut für Pharmazie (3)
- Institut für Biochemie (1)
- Klinik und Poliklinik für Chirurgie Abt. für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie (1)
- Klinik und Poliklinik für Hautkrankheiten (1)
- Klinik und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie/Plastische Operationen (1)
- Poliklinik für Kieferorthopädie, Präventive Zahnmedizin und Kinderzahnheilkunde (1)
- Poliklinik für Zahnerhaltung, Parodontologie und Endodontologie (1)
Microalgae are aquatic, unicellular, eukaryotic organisms, which perform photosynthesis. They have gained interest within the last decades not only for biofuel production due to their high amount of lipids, but also for pharmaceutical and for nutraceutical purposes. Interesting compounds are proteins, carbohydrates, or pigments, such as carotenoids. However, microalgae possess strong and rigid cell walls, which hinder a sufficient and yet, gentle extraction of those valuable compounds. Although standard extraction techniques are available, several shortcomings occur, e.g. high energy demand, use of environmentally harmful solvents or alteration of compounds due to heat or chemicals. Therefore, an alternative method is needed, which is able to address these disadvantages. Physical plasmas were thus studied to answer the question whether they are able to disintegrate the cell walls of microalgae effectively and yet, without degradation of the extractives.
First step of the thesis was to find a suitable plasma source that has an effect on the cell walls because plasma effects, such as electric fields, shockwaves, UV light emission, and the generation of reactive species can be tailored with the respective setup. It was found that spark discharges are most effective for the extraction of Chlorella vulgaris, which was chosen as model organism. All extraction yields were compared to reference methods, whereat microwave radiation was found to be the most effective reference method and were hence, applied for comparative studies.
For the next step, proteins were selected as targets to answer the question, which differences can be determined between plasms-treated and microwave-radiated proteins are observable although the extraction yields were equal. Furthermore, plasma effects, especially the effects of reactive species on the extracted proteins had to be studied. Findings indicate that heat sensitive proteins, such as photosystem-related proteins, or histones are better extractable with spark discharges than with microwave exposure and the effect of reactive species is only minor.
The last step was to determine, which plasma effect is responsible for the observed cell wall disintegration. Therefore, the tensile strength of Chlorella vulgaris was determined and compared to the shockwave pressure, which is generated from the spark channel. It was proven that the shockwave pressure exceeds by far the tensile strength of the microalgae an can be thus held responsible for mechanism for cell wall rupture.
In this thesis, it was found that spark discharges are a promising alternative for the extraction of valuable compounds from microalgae. The discharges are not only effective, but also gentle enough for sensitive compounds, such as proteins or pigments.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von kaltem Atmosphärendruckplasma (CAP) auf die Oberfläche des dentalen Restaurationsmaterials Amalgam untersucht.
Bisher liegen in der Literatur noch keine vergleichbaren Untersuchungen vor.
Die Amalgamprüfkörper wurden aus dem kupferhaltigen Non-Gamma-2-Amalgam Amalcap plus (Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein) hergestellt, welches in zylinderförmige Polyoxymethylenformen kondensiert wurde. Die Kaltplasma-Behandlung erfolgte mit dem kINPen® (neoplas GmbH, Greifswald, Deutschland) in 3 Behandlungsgruppen. Gruppe A wurde 60 Sekunden rasternd, Gruppe B 30 Sekunden stationär und Gruppe C 5 Minuten stationär mit CAP behandelt.
Die Amalgamprüfkörperoberflächen wurden jeweils vor und nach der Plasmabehandlung untersucht. Die mikroskopische Dokumentation erfolgte hierbei mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie (REM), die chemische Analyse durch die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Für die Beurteilung der Oberflächenrauheit wurden Weißlichtinterferometer und Profilometer eingesetzt. Zur Ermittlung der Hydrophilität kam die Kontaktwinkelmessung zum Einsatz.
Optisch traten in Behandlungsgruppe A und B keine Veränderungen auf. Lediglich bei den 5 Minuten plasmabehandelten Amalgamproben waren leichte Veränderungen erkennbar, die vor allem im Bereich der Poren und der optisch dunkleren Cu6Sn5-Phase lokalisiert waren und sich mikroskopisch braun-orange beziehungsweise dunkelgrau bis schwarz darstellten. Mittels Focused Ion Beam (FIB) präparierte Querschnitte zeigten hierbei keine Veränderungen in der Tiefe, sodass anzunehmen ist, dass die Effekte sich auf die direkt mit dem Plasma in Kontakt stehende Oberfläche beschränken.
Eine Veränderung der Oberflächenrauheit konnte in keiner Behandlungsgruppe festgestellt werden.
Direkt nach der Plasmabehandlung zeigte sich in allen Behandlungsgruppen eine Hydrophilisierung der Oberfläche. Diese war in Gruppe C am stärksten ausgeprägt. Allerdings haben sich bereits nach 2 Tagen die Ausgangswerte wieder eingestellt, der Effekt war also reversibel. Elementar hat durch die Plasmabehandlung im Rahmen eines Reinigungseffekts der oberflächliche Kohlenstoffanteil deutlich abgenommen, der Sauerstoffanteil hingegen zugenommen. Gleichzeitig stieg das Zinn/Quecksilberverhältnis zugunsten des Zinns. Zusätzlich ist es in Gruppe A zu einer Verschiebung des Cu 2p-Peaks in Richtung einer geringeren Bindungsenergie gekommen, das Kupfer lag also nicht mehr einwertig, sondern zunehmend zweiwertig vor.
Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) war es zudem möglich, die an der Oberfläche optisch differenzierbaren Phasen des Amalgams zu charakterisieren.
Insgesamt kann festgestellt werden, dass es in durchgeführten Untersuchungen keine Hinweise gab, die darauf schließen lassen, dass es durch die Einwirkung von CAP auf Amalgamrestaurationen zu unerwünschten Effekten bezüglich der Oberflächeneigenschaften kommt, die sich negativ auf Patienten oder Behandler auswirken könnten. Um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die klinische Praxis sicherzustellen, sind allerdings noch weitere Untersuchungen notwendig.
Ziel dieser Arbeit war die Darstellung der physikalischen Charakteristik der zu untersuchenden DBD-Plasmaquelle. Außerdem sollte orientierend gezeigt werden, dass die entwickelte und geprüfte Plasmaquelle in dieser Konzeption biologisch verträglich ist und eine klinisch relevante Bakterienreduktion in vitro (RF) ermöglicht. Für die Risikobewertung wurden Untersuchungen der zu erwartenden UV-Belastung nach gültiger Referenzierung (ICNIRP), Ex-vivo-Studien mit Behandlung von Hautbiopsien sowie In-vivo-Studien am Mausmodell durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass bei keimwirksamen Behandlungsdosen mit großer therapeutischer Breite keine schädigungsrelevanten UV-Dosen appliziert wurden und weder ex vivo noch in vivo mikroskopische Schädigungen im Hautzellverband auftraten. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die charakterisierte und geprüfte DBD-Plasmaquelle für die Behandlung humaner Haut geeignet erscheint, was durch weiterführende Untersuchungen in vitro, ex vivo und in vivo in größeren Untersuchungsserien abzusichern ist. Anhand der Daten kann als potenzielle Behandlungsindikation die antimikrobielle Hautbehandlung abgeleitet werden, z.B. MRSA-Dekontamination oder die Behandlung von oberflächlichen Hautinfektionen.
In this work the mechanisms leading to the generation of the various reactive oxygen and nitrogen species (RONS) in a cold atmospheric plasma (CAP) jet and means to control their composition were studied. The investigated CAP jet kinpen is typically operated with Ar feed gas (pure or with molecular admixtures), driven at a frequency of approximately 1 MHz and features fast ionization waves or guided streamers, traveling at velocities of several km/s. The complex reaction networks were investigated by numerical and experimental techniques. Detailed experimental, analytical and computational investigations on the mass and heat transport in the plasma plume were performed: A novel analytical approach to diffusion in jet flows, the non-dispersive path mapping approximation (NDPM) was developed. The method for the first time allows for an estimation of the ambient species density in the near-field of jets that feature a non-homogeneous flow-field. The NDPM approximation was employed for the evaluation of laser induced fluorescence measurements on OH. Through combining measurements and NDPM approximation, this approach yielded an estimation for the ambient species density at the position of the guided streamers, not only in the laminar, but also in the (standard) turbulent operating regime. Accurate measurements of the temporally averaged ambient species density and temperature in the plasma plume were obtained by quantitative Schlieren measurements. The method yields temperature values with sub-Kelvin accuracy and, through combination with computational fluid dynamics (CFD) simulations, allowed for an estimation of the calorimetric power of the jet. In order to obtain a defined environment for the jet to operate in, a shielding gas device was designed in this work, which creates a gas curtain of defined composition around the plasma plume. The plasma dynamics on the ns timescale was investigated by phase resolved optical measurements. The effect of different shielding compositions ranging from pure N2 to pure O2 on guided streamer propagation was investigated. An electrostatic focusing mechanisms was discovered, which promotes the propagation of guided streamers along the channels formed by a noble gas in the plume of plasma jets operating in electronegative gases (such as air or O2). Two zero-dimensional (volume averaged) models were developed: First, the local processes in the guided streamer were modeled using an electron impact reaction kinetic model, which is closely correlated to densities of metastable argon (Ar*) obtained by laser atom absorption measurements. This first model shows that Ar* is the species which dominantly drives the plasma chemistry in the plasma plume. This is exploited in the second plug-flow reaction kinetics model, which is employed to investigate the formation of long-living RONS and uses an Ar* source term as sole energy input. The model uses the previous experimental data on mass and heat transport and temporal dynamics as input and is in turn verified by quantitative FTIR absorption measurements on O3, NO2, N2O, HNO3 and N2O5 in the far-field of the jet, where large absorption lengths can be achieved using a multi pass cell. For the evaluation of the zero-dimensional model, the time-of-flight of RONS from their generation to reaching the multi pass cell was determined using CFD simulations. The insight gained through this combined experimental-modeling approach on the reaction networks revealed relevant control parameters and enabled adjusting the plasma chemistry towards a desired RONS output. Through choosing appropriate feed-gas admixtures and shielding gas compositions, it is possible to generate an NOx-dominated plasma chemistry, although the jet usually produces a strongly O/O3-dominated chemistry. Understanding and controlling the plasma chemistry of cold atmospheric plasma sources for medical applications is not only essential for research, but is also the key for designing future plasma sources for specific medical applications that yield an optimum efficacy and avoid potential side effects of plasma treatment.
Die Inaktivierung von Bakterien durch Antiseptika, z. B. auf chronischen Wunden ist unter anderem aufgrund der Bildung von Biofilmen erschwert. Ebenso stellt die Entwicklung von Resistenzen gegenüber Antibiotika ein immer größer werdendes Problem bei der Behandlung von Infektionen dar. Zudem ist die antimikrobielle Behandlung nur ein Teilaspekt, um chronisch infizierte Wunden in einen regenerativen Heilungsprozess zu überführen. Daher sind neue, alternative Behandlungsstrategien von hoher Bedeutung. Hierfür scheint physikalisches Plasma aufgrund seiner antimikrobiellen wie auch wundheilungsfördernder Wirkungsweise eine aussichtsreiche Perspektive darzustellen. Zur Erzeugung von sog. Tissue Tollerablen Plasma (TTP) stehen verschiedene Plasmaquellen zur Verfügung, die zur Anwendung gegen Mikroorganismen in Biofilmen in Frage kommen. In der vorliegenden Arbeit wurden der kinpen09 und zwei Dielektrisch-Behinderte-Oberflächen-Entladungs-Quellen, die Conplas- und die Epoxidharz-Plasmaquelle, auf ihre antimikrobielle Wirkungsweise mit Argonplasma mit und ohne Sauerstoffbeimischung und mit Luftplasma v. a. an Biofilmen mit P. aeruginosa SG81 und S. epidermidis RP62A untersucht. Mit dem kinpen09 wurde zusätzlich die antimikrobielle Effektivität von Plasma mit Helium oder Stickstoffbeimischungen getestet. Bei Einsatz des kinpen09 zeigte sich Argon als das antimikrobiell effektivste Trägergas. Bei der Epoxidharz-Plasmaquelle war Luftplasma am wirksamsten. Bei der Conplas sind Luft- und Argonplasma etwa gleich effizient gegen mikrobielle Biofilme. Die Reduktionsraten bei Argonplasma mit dem kinpen09 und Conplas lagen nach 300 s Expositionszeit bei P. aeruginosa bei ca. 5 log10 und mit dem kinpen09 bei S. epidermidis bei 3 log10. Diese Reduktionsraten übersteigen mit Ausnahme von 300 s Ar+O2-Plasma (kinpen09) die Wirksamkeit von Chlorhexidin (0,1 %), einem Standard-Antiseptikum zur Behandlung von Biofilmen, nach 10 min Behandlungsdauer von ca. 1,5 log10 signifikant (p < 0,005). In Übereinstimmung zur Literatur lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass v. a. Sauerstoffradikale für die antimikrobielle Wirksamkeit verantwortlich sind. Neben der alleinigen Anwendung von TTP könnten Kombinationsbehandlungen mit Antiseptika aussichtsreiche Verfahren zur gezielten Inaktivierung von Mikroorganismen in Biofilmen und zur Modulation von Wundheilungsprozessen darstellen.
Die Zahl von Parodontitispatienten steigt jährlich an. Außerdem wurden vermehrt Implantate insertiert, die analog zur Parodontitis von Periimplantitis betroffen sind. Ursächlich für beide Erkrankungen sind Biofilme. Es gibt keine befriedigenden Methoden zur Biofilmentfernung, die außerdem eine wundheilungsfördernde Oberfläche erzeugen. Daher werden neue Behandlungsmethoden benötigt. In dieser Arbeit wurde drei Biofilmmodelle mit C. albicans, S. mutans und Speichelmikroorganismen mit drei verschiedenen Plasmaquellen (kINPen09, Hohlelektroden-DBD, Volumen-DBD) sowie zwei verschiedenen Gasmischungen (Argon und Argon+1% O2) jeweils 1, 2, 5 und 10 min mit Plasma behandelt. Als Positivkontrolle wurde Chlorhexidin mitgeführt. Außerdem wurden verschiedene Titanbearbeitungsformen (maschiniert, diamantbearbeitet, pulverbestrahlt sowie geätzt und gestrahlt) mit Argon+1%O2-Plasma mittels kINPen09 behandelt. Anschließend wurden die Elementzusammensetzung, der Kontaktwinkel sowie die Ausbreitung von osteoblastenartigen Zellen MG-63 auf diesen Oberflächen bestimmt. SLactive􀂓 wurde hierbei als Positivkontrolle verwendet. Um eine potentielle Anwendung in der Parodontologie zu prüfen, wurden diese Untersuchungen auch auf Dentin durchgeführt. Alle Plasmaquellen und –parameter wirkten antimikrobiell. Die Zerstörung der Zellen wurde im Rasterelektronenmikroskop deutlich. Hierbei reduzierte die Volumen-DBD die Koloniebildenden Einheiten um circa 5 log-Stufen und wies damit die höchste antimikrobielle Wirksamkeit auf. Sauerstoffzumischung führte nur bei der Hohlelektroden-DBD zu einer erhöhten antimikrobiellen Wirksamkeit. Die Plasmabehandlung reduzierte die Kontaktwinkel auf allen Oberflächen teilweise bis in den superhydrophilen Bereich. EDX-Analysen zeigten eine Reduktion der Masseprozent von Kohlenstoff sowie eine Erhöhung des Sauerstoffgehalts aller Oberflächen nach Plasmabehandlung. Die Ausbreitung der Osteoblasten war auf den plasmabehandelten Oberflächen signifikant höher als auf den unbehandelten Oberflächen und konnte sogar die Werte der hydrophilen SLactive􀂓-Oberfläche übersteigen. Diese Effekte konnten sowohl auf Titan als auch auf Dentin nachgewiesen werden. Da Plasma antimikrobiell wirkt und, wie in weiterführenden Versuchen gezeigt werden konnte, auch Biofilm entfernt, eignet es sich zur Therapie der Periimplantitis und Parodontitis. Außerdem wird die Oberfläche biokompatibler, wodurch die Wundheilung gefördert werden könnte. Da Plasma weitere wundheilungsstimulierende Faktoren beinhaltet, stellt es in Zukunft eine Erfolg versprechende Therapieoption für die Behandlung von Parodontitis und Periimplantits dar.
Für den zukünftigen Einsatz von Niedertemperaturplasma in Bereichen der Medizin müssen potentielle genotoxische Risiken von Plasma ausgeschlossen werden. Bisherige Risikoanalysen sind durch die unterschiedlich existierenden Plasmaquellen erschwert, die in den energetischen Einstellungen und Konzentrationen der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) variieren können. Zur Untersuchung des mutagenen Risikopotentials von Argonplasma, erzeugt mit den Plasma-Jets kINPen MED und kINPen 09, wurde auf dem Micronucleustest am angebrüteten Hühnerei (HET-MN), der eine Alternativmethode zwischen in-vitro und in-vivo Tests ist, zurückgegriffen. Die Plasmabehandlung mit Argongas erfolgte in unterschiedlichen Behandlungszeiten am 8. Bebrütungstag auf der inneren Membran des Hühnerembryos. Nach der Blutentnahme am 11. Tag, wurde das Blut im Blutausstrich auf das Vorhandensein von Micronuclei (MN) untersucht. Die gezählten MN der definitiven Erythrozyten (E II) dienten zur Bestimmung der Genotoxizität (MNE II). Die Ergebnisse der Plasmabehandlung mit dem kINPen MED ergaben in der Höchstdosis von einer Behandlungszeit von 10 min keine erhöhten MNE II Werte, obwohl die akute Toxizität bei > 40 % lag. Mit dem kINPen 09 konnten bei einer maximalen Behandlungsdauer von 2,5 min ebenfalls keine erhöhten MNE II Häufigkeiten ermittelt werden. Möglicherweise haben die im Hühnerembryo vorkommenden Abwehr- und Reparatursysteme gegenüber ROS das negative Ergebnis beeinflusst.
Because of the vital role of the liquid as interface in plasma medicine, this work is focused on the elucidation of the interaction of plasmas with biologically relevant liquids. The results of this thesis are an important step in the direction of the applications to real biological liquids such as blood and wound secretion ex vivo as well as in vivo. In this thesis the following questions are investigated and answered with the special focus on the free radicals as highly reactive and, therefore, hard to detect relevant group of chemical species: What is the impact of the atmospheric-pressure argon plasma jet on biologically relevant solutions? Which species are generated due to the plasma treatment of liquids? What is an appropriate detection procedure for the qualification and quantification of the short-lived species? Does the surrounding conditions influence the formation of liquid-phase reactive species and can this influence be used to tailor a desired liquid composition? What is the influence of the plasma surroundings? What is the influence of feed gas manipulation regarding the reactive species generation? Can these impacts be used for a selected reactive species composition generation? Does the treated liquid medium affect the plasma-generated reactive species output and in what way? Which are the underlying mechanisms and origins of the plasma-caused chemical changes in the solutions? Do reactive species exist, which origin is located in the gaseous phase? What is the impact of the plasma jet radiation?
In the last decade a new domain has developed in plasma physics: plasma medicine. Despite the successes that have already been achieved in this exciting new field, the interaction of plasmas with “biological materials” is not yet fully understood. Further investigations in particular with respect to the properties of the applied plasmas sources are therefore essential in order to decode this complex interaction process. Currently, a great variety of different discharge types are used in plasma medical investigation which are generally are operated in noble gases like helium and argon or with dry air. In the present work, the main focuses is on the diagnostics of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) resulting from the plasma chemistry of an argon radio-frequency (RF) atmospheric pressure plasma jet (APPJ) and its interaction with the ambient atmosphere. To conduct this study, a commercially available plasma device, so-called kinpen is used due to its technical development maturity and its accessibility on the market. As a method of choice, diagnostic techniques are based on optical spectroscopy known to be a reliable tool to investigate plasmas. Consequently, three complementary optical laser diagnostics, namely quantum cascade laser absorption spectroscopy (QCLAS), laser induced fluorescence (LIF) and planar single shot LIF (PLIF), have been successfully applied to the plasma jet itself or its effluent. All of these diagnostics offer a high species selectivity and an excellent spatial and temporal resolution. They are used in this work for i) the characterization of the plasma chemical dynamics with respect to the generation of biological active RONS – in particular for the case of N2 and O2 admixtures. ii) the measurement of the NO density profile in the plasma effluent iii) the investigation of the flow characteristics of the neutral gas component (laminar vs. turbulent) and its influence on the plasma chemistry. Numerical analysis have been carried out in collaboration with PLASMANT (University of Antwerp) via kinetic simulations of the entire plasma chemistry. Expectingly, atomic oxygen (O) and nitric oxide (NO) turn out to be precursors of ozone (O3) and nitric dioxide (NO2). However, it was intriguing to unveil that atomic oxygen and nitrogen metastable (N2(A)) play together a key part --as intermediate species-- in the generation of more stable RONS, e.g. NO. The absolute density of NO space resolved was measured by LIF and absolutely calibrated molecular beam mass spectrometer. LIF was used to determine relative density of OH radical in the plasma plume. 2D-LIF was used to investigate the gas flow pattern with OH as a flow tracer. The results are discussed in details and show different operating mode of the jet, e.g. laminar or turbulent and that the plasma influences these regimes. The first detection and relative measurement by LIF of nitrogen metastable (N2(A)) produced by an argon APPJ is also shortly reported in this work. The outcome of this thesis will bring new insights in the field of argon APPJs chemistry and its interaction with the ambient atmosphere which can be valuable to support plasma modelling and to consider for the applications in plasma medicine.
Das Ziel dieser Studie war es, die Wirkung von kaltem Atmosphärendruckplasma und Natriumhypochlorit, allein oder in Kombination, auf einen Enterococcus faecalis Biofilm in Wurzelkanälen von extrahierten Zähnen zu vergleichen. Die antibakterielle Wirksamkeit wurde durch Ermittlung des Logarithmus der koloniebildenden Einheiten pro Milliliter bestimmt (log10CFU/ml). Zusätzlich wurden rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen angefertigt, um den Behandlungseffekt auf den Biofilm zu visualisieren. Die adjuvante Behandlung mit NaOCl + Argon-O2-Plasma hat im Vergleich zur 12 min Monotherapie mit Natriumhypochlorit einen besseren, wenn auch statistisch nicht signifikanten Effekt auf die Keimreduktion in einem Enterococcus faecalis Biofilm. Die Behandlung mit Argon-O2-Plasma allein zeigt eine signifikante Verbesserung der Wirksamkeit bei einer Verlängerung der Behandlungszeit von 6 auf 12 min, blieb aber hinter der Keimreduktion nach Behandlung mit NaOCl + Argon-O2-Plasma zurück.