Reaktive Moleküle in nichtklassischem ZustandKaltes Plasma – Ionen antibakteriell einsetzen

Berührungsfrei und bei Umgebungstemperatur kann Plasma Oberflächen sterilisieren und die Heilung von Hautwunden fördern. Einzig auf die ausreichende Einwirkzeit ist zu achten. Was geht dabei vor sich? Welche Chemie steckt dahinter? Welche Rolle spielen reaktive Moleküle im Plasma, die Sauerstoff und Stickstoff enthalten?

Handplastik unter Jetplasma, das leuchtend dargestellt ist.

Ionisierte Luft bildet ein kaltes Plasma und tötet Keime auf der Haut ab. Foto: HAWK

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Beim Rundgang über die Hannover Messe präsentierte in Halle 2 ein Gemeinschaftsstand von Partnern aus Wissenschaft und Industrie namens „Plasma for Life“ aktuelle Entwicklungen mit kaltem Plasma. Es wird einerseits zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen verwendet  – daran haften dann Lackierungen besser –, aber auch medizinisch zur Behandlung von Haut. Wodurch zeichnet sich so ein Plasma aus? Wie geht die Ionisation vonstatten und wieso ist es für Mikroorganismen so tödlich, schädigt aber nicht die Haut? Diese Fragen beantwortete Wolfgang Viöl von der HAWK [1].

Kaltes Plasma

Wer regelmäßig die Blogbeiträge liest, erinnert sich sicherlich an das Leuchten und Blitzen des Plasmas, das mit Weintrauben in der Mikrowelle entsteht (Link zum Beitrag). Hier geht es jedoch um ein sogenanntes kaltes Atmosphärendruckplasma. Im Namen sind die Umweltbedingungen genannt: das Plasma wird in der Atmosphäre erzeugt und die wirksame Temperatur entspricht der Umgebung. Also ein nichtthermisches Plasma – im Gegensatz zu dem Versuch in der Mikrowelle. Dieses kalte Atmosphärendruckplasma durchdringt leicht die Membran von Einzellern und tötet sie ab, Zellkerne in Hautzellen sind jedoch besser geschützt und bleiben unversehrt. Bevor es zu der Wirkung geht, jedoch noch eine Begriffsklärung.

Ist es ein Aggregatzustand?

Die Physiker sprechen beim Plasma vom vierten Aggregatzustand. Ist das eigentlich berechtigt? Die Frage kann sicherlich diskutiert werden. Nachvollziehbar ist es, denn es handelt sich bei einem Plasma um ein ionisiertes Gas, bei dem gerade nicht einzelne Gasmoleküle zerfallen oder Atome ionisieren. Es sind in kurzer Zeit viele und die freigesetzten Elektronen zeigen ein kollektives Verhalten. Teilchen in der Gasphase wirken in der Regel nur schwach aufeinander ein, sodass hier deutliche Unterschiede bestehen.

Insofern bleibt der fachwissenschaftliche Kompromiss, von einem nichtklassischen Zustand zu sprechen, denn auch der Begriff Phase kann nicht angewandt werden, da es sich um nicht um einen Feststoff handelt. Die Aggregatzustände definieren sich über den Einfluss von Druck und Temperatur, die elektrische Leitfähigkeit gehört bislang nicht zum Kanon. Für besonders interessierte Schülerinnen und Schüler bietet sich hier ein Diskurs an, um Ankerpunkte des Konzepts zu durchleuchten.

Anregung zu einem Plasma

Um ein neutrales Gas zu ionisieren, muss Energie zugeführt werden. Denn die Atome oder Moleküle müssen so angeregt werden, dass sie ein Elektron abgeben. Daneben können auch Moleküle zerfallen, also dissoziieren. In der Lufthülle der Erde kann dies durch Strahlungsenergie geschehen – die Ionosphäre und Nordlichter zeugen davon. Andere Wege sind die thermische Anregung und die Zufuhr elektrischer Energie.

Das kalte Plasma erzeugt in der Umgebungsluft Moleküle, die reaktiven Sauerstoff (ROS) oder Stickstoff (RNS) enthalten. In den Abkürzungen steht R für das Adjektiv „reaktiv“ und das S für „Spezies“, abgeleitet vom Englischen Reactive Oxygen/Nitrogen Species. Es gibt technisch zwei wichtige Verfahren, um kalte Plasmen zu erzeugen.

Beim Jetplasma sind die Elektroden in einer Düse angeordnet, durch die das Gas geleitet wird. Flächige Elektroden kommen bei der sogenannten Barrierenentladung zum Einsatz. Eine isolierende Schicht schirmt die Elektroden weitgehend ab, physikalisch gesehen ein Dielektrikum. Auch bei hoher Spannung fließt so nur ein geringer Strom.

Genauer betrachtet, nehmen die Atomrümpfe kaum thermische Energie auf und damit kann ein ionisiertes Gas unter 40 °C erzeugt werden. Anders ergeht es den Elektronen, die durch den Spannungspuls angeregt werden. Die mittleren Werte liegen bei medizinischen Geräten bei rund zehn Elektronenvolt, sodass sie bei Zusammenstößen mit neutralen Teilchen zur Dissoziation und Ionisation führen.

Das Verfahren wird als dielektrisch behinderte Entladung bezeichnet, abgekürzt DBE. Der Trick ist, dass die Haut die zweite Elektrode ersetzt. Wird beispielsweise die Hand aufgelegt, wird die Luft zwischen der Haut und der Elektrode im Gerät ionisiert. Dadurch können gleichzeitig mehrere Quadratzentimeter Haut behandelt werden.

Die Vision: Wunden mit Plasma heilen

Auf der Haut wirkt dabei alles zusammen: antibakterielle und entzündungshemmende Wirkungen summieren sich. In zahlreichen Mikroentladungen rekombinieren die ionisierten Moleküle und Atome mit Elektronen oder anderen reaktiven Spezies. Dabei wird Energie als UV-A- und UV-B-Strahlung abgegeben. Die Dosis ist gering und lokal begrenzt: schädlich gegen Keime, doch die Schutzbarriere der Hautzellen wird nicht überwunden. Der Stromfluss durch die ionisierten Moleküle ist gering und kann zu einem leichten Kribbeln führen.

Neurodermitis oder auch chronische Wunden könnten damit behandelt werden. Bei ersten Versuchen sanken der Juckreiz und die mikrobielle Besiedlung der behandelten Hautstellen erheblich. Gegen Mikroben und Viren sind die reaktiven Spezies sehr wirksam. Zu den ROS zählt vor allem Ozon, daneben entstehen auch Sauerstoff- und Hydoxyl-Radikale.

 


Ansprechpartner für die Forschung

[1] HAWK

Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst

Hildesheim/Holzminden/Göttingen

Fakultät Naturwissenschaften und Technik, Göttingen

Prof. apl. Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Viöl

Statt Glossar:

  • ROS: Link zur Beschreibung von Spektrum
  • RNS: Link zur Beschreibung von Wikipedia

Weitere Artikel zum Thema:

  • NDR, 2016: Link
  • Reinhard Breuer, Spektrum der Wissenschaft, 2015: Link

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