ปริมาณพลาสมาเย็นเพื่อการประยุกต์ด้านต่างๆ (Plasma dose for diverse application)

18-10-2023 อ่าน 1,741
รูปที่ 1 เครื่องพลาสมาในรูปแบบต่างๆ ได้แก่ ก) พลาสมาเจ็ทอากาศ: ไนติงเกล (Nightingale®) สำหรับการรักษาแผลเรื้อรัง (บน) และสัญญาณไฟฟ้าแบบพัลส์ที่ใช้ผลิตพลาสมาที่ออกแบบเพื่อให้เป็นพลาสมาเย็น (ล่าง) ข) พลาสมาแบบดิสชาร์จข้ามฉนวน (dielectric barrier discharge หรือ DBD) สำหรับใช้ในการทำลายจุลินทรีย์ในอาหารสด และ ค) อาร์คพลาสมาร่อน (gliding arc plasma) สำหรับการตรึงไนโตรเจนเพื่อใช้เป็นปุ๋ยของพืช


          พลาสมาเย็น (cold plasma) เป็นพลาสมาที่มีอุณหภูมิเฉลี่ยไม่เกิน 40 องศาเซลเซียส ซึ่งสามารถผลิตขึ้นได้โดยใช้สนามไฟฟ้าในการให้พลังงานแก่อิเล็กตรอน อนุภาคในพลาสมาเย็นจึงประกอบไปด้วย อิเล็กตรอน ไอออน และอนุมูลของก๊าซพลาสมา ที่สำคัญคือแสง (photon) ครอบคลุมย่านยูวีถึงอินฟราเรด เทคโนโลยีพลาสมาเย็นนั้นได้รับการศึกษาวิจัยกันอย่างแพร่หลายสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้งานในหลากหลายด้าน ได้แก่ ด้านการเกษตร อาหาร สิ่งแวดล้อม และชีวการแพทย์ เนื่องจากคุณสมบัติความสามารถเฉพาะในการผลิตอนุมูลออกซิเจนและไนโตรเจน (reactive Oxygen Nitrogen species:RONS) ได้โดยตรงด้วยกระบวนการทางไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์สำคัญ รวมถึงความสามารถในการมีอันตรกิริยากับเนื้อเยื่อที่มีชีวิต โดยที่ไม่ก่อให้เกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญจากความร้อนส่วนเกิน ดังนั้นปริมาณพลาสมาเย็น (dosage) ที่จะประยุกต์ใช้งาน จึงมีบทบาทสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพและความปลอดภัยในด้านเกษตร อาหาร สิ่งแวดล้อม และชีวการแพทย์ ซึ่งปริมาณพลาสมาเย็น (dose) โดยทั่วไปอาจจะนิยามให้นับวัดในหน่วยพลังงานเป็น จูลต่อพื้นที่ (J/cm²) หรือจูลต่อปริมาตร (J/mL) ทั้งนี้จะอาศัยแนวทางเดียวกันกับการกำหนดมาตรฐานปริมาณการประยุกต์เลเซอร์ทั่วไปในการเทียบเคียง เนื่องจากแหล่งให้พลังงานเพื่อการผลิตอนุมูลของพลาสมาเย็นเป็นสนามไฟฟ้านั่นเอง
จากรูปที่ 1 ก) กำลังไฟฟ้าเฉลี่ย (average power) ที่ใช้ผลิตพลาสมาหาได้จากค่าเฉลี่ยของกำลังไฟฟ้าชั่วขณะ (instantaneous power)  ในหนึ่งคาบของสัญญาณไฟฟ้า โดยกำลังไฟฟ้าชั่วขณะ คือ ผลคูณระหว่างแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะที่ตกคร่อมขั้วอิเล็กโทรดที่ใช้ผลิตพลาสมาและกระไฟฟ้าชั่วขณะที่ไหลผ่านอิเล็กโทรด

                                            
ดังนั้นพลังงานจากกำลังไฟฟ้าทั้งหมด ที่ประยุกต์จึงหาได้จาก 
 
            พลังงานพลาสมาเย็น (จูล) = กำลังไฟฟ้าเฉลี่ย (วัตต์) x เวลา (วินาที)        (2)
 
ซึ่งเมื่อพิจารณาพลังงานของพลาสมาเย็นต่อลักษณะการประยุกต์ จึงเป็นความเหมาะสมที่จะนิยามปริมาพลาสมาเป็นสองแบบ (หน่วย) คือ
          -    พลังงานต่อพื้นที่ (J/cm²): Joules per area metric แสดงถึงปริมาณพลังงานที่พลาสมาเย็นส่งไปยังพื้นผิวเฉพาะเจาะจง โดยจะวัดปริมาณพลังงานที่ไปถึงพื้นที่เป้าหมาย อาทิ พื้นผิวสารชีวภาพ ผิวเนื้อเยื่อ ซึ่งจำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้ในงานทางด้านชีวการแพทย์ต่างๆ เช่น การบำบัดแผล การกระตุ้นเนื้อเยื่อใหม่ และการยับยั้งจุลินทรีย์เกิดใหม่ ตัวอย่างเช่น ในการบำบัดรักษาแผล สามารถปรับปริมาณพลังงาน J/cm² เพื่อส่งเสริมการเพิ่มจำนวนเซลล์ (cell proliferation) การย้ายถิ่น (cell migration) และการเปลี่ยนแปลงเมทริกซ์ภายนอกเซลล์ จากการศึกษาวิจัยพบว่าพลาสมาเย็นปริมาณหนึ่งสามารถเร่งการสมานแผลและส่งเสริมการสร้างเนื้อเยื่อใหม่
          -    พลังงานต่อปริมาตร (J/mL): Joules per volume metric ใช้เมื่อปริมาณพลาสมาเย็นถูกส่งถ่ายผ่านไปในปริมาตรของสารตัวกลางที่เป็นของเหลว เช่น สารละลายที่กระตุ้นด้วยพลาสมาเย็น หรือประยุกต์พลาสมาเย็นเพื่อลดการปนเปื้อนในน้ำ ค่านี้แสดงถึงพลังงานที่ส่งไปยังของเหลวในปริมาตรเฉพาะ และจำเป็นสำหรับการประยุกต์ใช้งาน เช่น การฆ่าเชื้อหรือการขจัดเชื้อในอุปกรณ์ทางการแพทย์และตัวกลางที่เป็นของเหลว ปริมาณ J/mL มีความสำคัญในการศึกษาการยับยั้งจุลินทรีย์ เนื่องจากช่วยกำหนดปริมาณที่ต้องการใช้เพื่อให้ปริมาณจุลินทรีย์ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยที่ไม่ส่งผลเสียต่อของเหลวที่ผ่านการประยุกต์พลาสมาเย็น

          นอกจากนี้ปริมาณพลาสมาเย็นที่ถ่ายลงสู่พื้นผิวต่างๆ เช่น ผิวหนัง กลุ่มเซลล์มีชีวิต รวมทั้งสารละลายชีวภาพ หากพิจารณาสมการที่ 2 ที่เทียบเคียงได้กับพลังงานจากสนามไฟฟ้าของเลเซอร์แล้ว พบว่าพลาสมาเย็นยังปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าร่วมด้วย ดังนั้นจึงควรแยกพิจารณาให้ครอบคลุมมาตรฐานเป็นสองส่วนดังนี้

          (1) พลังงานสนามไฟฟ้า: วัดได้จากกำลังไฟฟ้าของพลาสมาเย็นในรูปที่ 1 (ก) อยู่ที่ระหว่าง 300 mW ถึง 620 mW ซึ่งเป็นค่ากำลังที่เทียบเท่ากับมาตรฐานกำลังแสงเลเซอร์จาก ANSI Z136.1/.3 [1] โดยเลเซอร์ Class 3R  (Restricted) จะมีกำลังอยู่ระหว่าง 1 mW ถึง 5 mW  หรือ 60 mJ ถึง 300 mJ ภายในเวลา 1 นาที โดยตัวอย่างของเลเซอร์ระดับที่ 3R คือ เลเซอร์อาร์กอนที่ให้แสงสีเขียว มีความยาวคลื่น 514.5 nm ที่มีกำลัง 5 mW และในส่วนของเลเซอร์ที่มีกำลังอยู่ระหว่าง 5 mW แต่ไม่เกิน 500 mW หรือ 300 mJ ถึง 30 J ภายในเวลา 1 นาที เรียกว่าเลเซอร์ Class 3B (Burn) ซึ่งในส่วนของเลเซอร์ในระดับที่ 3 ทั้งสองระดับย่อยนี้ทั้งสองคลาสจะเป็นเลเซอร์ที่มีกำลังปานกลาง 

          (2) พลังงานแสงยูวี: พลาสมาเย็นปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปของแสงยูวีชนิด A-C ที่มีผลกระทบเชิงชีวภาพปะปนมาพร้อมกับแสงที่ตามองเห็น (radiative emission) จำเป็นต้องแยกพิจารณาออกจากพลังงานรวมของพลาสมาเย็น ด้วยวิธีเทียบเท่ากำลังแสงยูวีจากแสงแดด เมื่อพิจารณาในแง่เวลาประยุกต์ ดังต่อไปนี้
 
ตารางที่ 1 แสดงค่ากำลังต่อพื้นที่ของแสงยูวี เมื่อประยุกต์บนผิวหนังสัตว์เป็นเวลา 1 นาที

          ทั้งนี้โดยมีตัวอย่างจากตารางที่ 1 ข้างต้นเป็นกรณีศึกษาปริมาณแสงยูวีจากพลาสมาเย็นเทียบกับแสงแดด จะเห็นได้ว่าพลาสมาแบบ dielectric barrier discharge หรือ DBD plasma (รูปที่ 1ข) ซึ่งเป็นพลาสมาเย็นแบบฉายลงบนพื้นผิวจะให้ปริมาณของแสง UV-A มากที่สุด แต่ทั้งนี้ก็ยังอยู่ในระดับที่ต่ำกว่าปริมาณของ UV-A จากแสงแดดเป็นอย่างมากถึง 8 เท่า ซึ่งเมื่อทำการเปรียบเทียบกันกับค่ามาตรฐานของ WHO-ICNIRP [2] ซึ่งได้กำหนดปริมาณแสง UV-B และ UV-C ในแสงแดดที่ยอมรับได้ใน 1 นาทีไว้ว่าต้องมีค่าต่ำกว่า 50 μW/cm2  (เท่ากับปริมาณแสงยูวี 3 mJ/cm²) ซึ่งแสงยูวีทั้งสองนั้นสามารถก่อให้เกิดอันตรายต่อผิวหนังของมนุษย์ได้ แต่ทั้งนี้เมื่อเรารวมค่าปริมาณของแสง UV-B และ UV-C ของพลาสมานั้นกลับพบว่ามีปริมาณรวมที่ต่ำกว่าค่ามาตรฐานเป็นอย่างมาก ถึงแม้ว่าจะเปิดพลาสมาเย็นใช้งานต่อเนื่องถึง 10 นาที (600 วินาที) ก็ตาม ค่าปริมาณของแสงยูวีที่เกิดขึ้นนั้นก็ยังคงอยู่ในระดับที่ปลอดภัยตามที่มาตรฐานสากลกำหนดไว้ อันเนื่องมาจากในพลาสมาเย็นนั้นจะมีองค์ประกอบของแสงยูวีในแต่ละชนิดอยู่ในระดับที่ต่ำหรือเพียงเล็กน้อยเท่านั้นและไม่ได้อยู่ในระดับที่ก่อให้เกิดอันตรายต่อผิวหนังของมนุษย์ 

 
 
 
รูปที่ 2 จำลองการกระจายตัวของอนุมูลพลาสมาเจ็ทอากาศ O3 (ซ้าย) NO2 (ขวา) ที่ระยะ 1.5 ซม. เวลา 20 มิลลิวินาที


          อนึ่งเราสามารถจำลองการกระจายตัวของอนุมูลในพลาสมาเจ็ทอากาศได้ดังรูปที่ 2 โดยใช้โปรแกรม COMSOL multiphysics ทั้งนี้เพื่อใช้ยืนยันผลการวัดปริมาณอนุมูล O3 กับ NO2 ที่แพร่กระจายถึงพื้นผิวเป้าหมาย ก่อนที่จะทำปฏิกริยากันเกิดเป็นอนุภาคเคมีใหม่บนพื้นผิว หรือในตัวกลาง ดังตารางที่ 2 [3-6]

 
ตารางที่ 2 ปริมาณพลาสมาเย็น (dose) อนุภาคพลาสมา ความเข้มข้นเคมี และลักษณะการประยุกต์


          ดังนั้นเมื่อสามารถนิยามปริมาณพลาสมาเย็นขึ้นได้แล้ว จากผลการศึกษาการประยุกต์พลาสมาเย็นที่ผ่านๆมาจำนวนมาก จึงย่อมสามารถแยกช่วงปริมาณพลาสมาเย็นในการประยุกต์ด้านชีววิทยาศาสตร์ต่างๆ ที่หลากหลายได้ดังนี้

ปริมาณพลาสมาเย็นเพื่อการฆ่าเชื้อและยับยั้งจุลินทรีย์:
          สำหรับการยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์หรือการฆ่าเชื้อ ปริมาณพลาสมาเย็น ส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 1 ถึง 100 J/cm² ปริมาณพลาสมาเฉพาะที่จำเป็นเพื่อให้สามารถลดจำนวนจุลินทรีย์ได้อย่างมีนัยสำคัญนั้นอาจขึ้นอยู่กับชนิดและจำนวนของจุลินทรีย์ ความต้านทานต่อการบำบัดด้วยพลาสมาของจุลินทรีย์ และปริมาณอัตราการลดลงของปริมาณจุลินทรีย์ (log reduction)

ปริมาณพลาสมาเย็นเพื่อการบำบัดแผล:
ในการบำบัดรักษาแผล ปริมาณพลาสมาเย็นโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 1 ถึง 10 J/cm² ปริมาณที่ลดลงนี้เพียงพอที่จะส่งเสริมและกระตุ้นกระบวนการหายของแผล เช่น ฆ่าเชื้อจุลินทรีย์บนแผล กระตุ้นกระบวนการแบ่งตัวและการเจริญเติบโตของเซลล์ (cell proliferation) กระตุ้นการสร้างเส้นเลือดใหม่ (angiogenesis) ทำให้แผลหายเร็วขึ้น โดยไม่ทำให้เนื้อเยื่อปกติบริเวณบาดแผลเกิดความเสียหายอย่างมีนัยสำคัญ

ปริมาณพลาสมาเย็นเพื่อการรักษาเนื้องอกหรือมะเร็ง:
          พลาสมาเย็นมีศักยภาพในการรักษามะเร็ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเหนี่ยวนำให้เกิดการตาย (apoptosis) ของเซลล์เนื้องอก ปริมาณพลาสมาเย็นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการรักษาเนื้องอกอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของมะเร็ง วิธีการรักษาด้วยพลาสมาที่เฉพาะเจาะจง และผลการรักษาที่คาดหวังไว้ ปริมาณอาจมีตั้งแต่ 10 ถึง 100 J/cm² หรือมากกว่านั้น

          สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าช่วงของปริมาณพลาสมาเย็นเหล่านี้เป็นค่าโดยประมาณและอาจมีความแตกต่างกันไปตามอุปกรณ์พลาสมาเย็นที่ใช้ในแต่ละชนิด รวมทั้งค่าพารามิเตอร์เพื่อการบำบัดเฉพาะ (เช่น องค์ประกอบของก๊าซ ระยะเวลาการบำบัด) และวัตถุประสงค์ของการนำไปประยุกต์ใช้งาน

ความท้าทายและทิศทางในอนาคต:
          แม้ว่าในการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีพลาสมานั้นจะมีผลลัพธ์ไปในทิศทางเชิงบวกดังที่คาดหวังไว้ แต่ในการประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยีพลาสมาเย็นนั้นเป็นเทคโนโลยีที่มีความใหม่ เมื่อเทียบเคียงกับเทคโนโลยีเลเซอร์ที่ได้มีการระบุประเภทการใช้งาน ความปลอดภัย ข้อแนะนำการใช้งาน รวมถึงมีมาตรฐานต่างๆออกมาอย่างมากมายในการประยุกต์ใช้งานเลเซอร์ในด้านต่างๆ โดยสรุปปริมาณของพลาสมาเย็นซึ่งแสดงเป็นหน่วยจูลต่อพื้นที่ (J/cm²) หรือปริมาตร (J/mL) เป็นการกำหนดนิยามที่สำคัญ ซึ่งจะกำหนดประสิทธิภาพและความปลอดภัยของการประยุกต์ใช้งานพลาสมาเย็นในด้านต่างๆ และนอกจากนี้ในการประยุกต์ใช้งานเทคโนโลยีพลาสมาเย็นยังมีความท้าทายที่ต้องเผชิญในหลายๆด้านที่พึงจะต้องมีการบูรณาการร่วมกันจากในหลายภาคส่วน ซึ่งสิ่งเหล่านี้รวมถึงการกำหนดมาตรฐานปริมาณพลาสมาที่เหมาะสม สำหรับการประยุกต์ใช้งานทางด้านต่างๆที่มีความแตกต่างกัน ทั้งในแง่ของวัตถุประสงค์การใช้งาน พื้นผิวที่ประยุกต์ใช้ ระดับความลึก ความปลอดภัย ความเข้าใจถึงกลไกพื้นฐานของปฏิกิริยาของพลาสมาเย็นกับเซลล์เนื้อเยื่อมีชีวิต และรับประกันผลลัพธ์ที่มีความสม่ำเสมอ ไปในทิศทางเดียวกันและสามารถทำซ้ำได้ ในขณะที่การศึกษาวิจัยยังคงดำเนินการต่อไป ฐานสำคัญขององค์ความรู้เหล่านี้ย่อมจะเติบโตขึ้นตามไปด้วยต่อเนื่องไป
---------------------------------------------------------------------------------------
 
บทความโดย
ธีรวรรณ บุญญวรรณ
พุฒิธร ธะนะ
พิพัฒน์ ปรมาพิจิตรวัฒน์

อ้างอิง
  • 1.    ANSI Z136.1-2014, American National Standard for the Safe Use of Lasers, Orlando, FL: Laser Institute of America (2014)
  • 2.    ICNIRP Statement on Protection of Workers Against Ultraviolet Radiation, Health Physics 99(1) 2010 pp 66‐87
  • 3.    Bennett, C., Ngamrung, S., Ano, V., ... Sawangrat, C. ,Boonyawan, D. Comparison of plasma technology for the study of herbicide degradation RSC Advances, 2023, 13(21), 14078–14088
  • 4.    Poramapijitwat, P., Thana, P., Sukum, P. … Boonyawan, D. Selective Cytotoxicity of Lung Cancer Cells—A549 and H1299—Induced by Ringer's Lactate Solution Activated by a Non-thermal Air Plasma Jet Device, Nightingale®. Plasma Chem Plasma Process, 2023, 43, 805–830
  • 5.    Thana, P., Wijaikhum, A., Poramapijitwat, P., ... Sarapirom, S., Boonyawan, D. A compact pulse-modulation cold air plasma jet for the inactivation of chronic wound bacteria: development and characterization Heliyon, 2019, 5(9), e02455
  • 6.    ธีรวรรณ บุญญวรรณ พิพัฒน์ ปรมาพิจตรวัฒน์ ๒๕๖๖ “ฟิสิกส์-เคมีพลาสมากับการตรึงไนโตรเจน ตอนที่ 2” http://www.thaiphysoc.org/article/412/