Atmospheric pressure plasma as CO source for biomedical applications

International audienceIn this work we developed a plasma source based on a Plasma Gun reactor able to generate small quantities of CO. The production fraction of CO molecules has been measured ex-situ by means of gas chromatography. We showed that the density is in the 100-10000 ppm range. The CO concentration can be controlled by varying the gas mixture and by tuning the applied voltage. In CO clinical application, the typical dose used is in the range of 100-1000 ppm. It means that this plasma reactor is suitable as CO source for biological applications

Electric field characterization of plasma gun and multi-jet plasma arrays

Invited oralInternational audienceRoom temperature Pulsed Atmospheric Plasma Streams (PAPS) have already demonstrated their unique potential in biology and medicine. Lately, the validation of multi-jet plasmas resulting from metallic and dielectric assemblies-containing many orifices-plugged to a single Plasma Gun (PG) and operating at moderate feed gas flow rate (from hundreds to thousands standard cubic centimeters) has been demonstrated [1]. This technological improvement enhances the credibility of plasma jets to treat large areas and volumes being beneficial in biomedical and recently in agriculture applications. Although the role of reactive oxygen and nitrogen species (RONS) produced by plasma is currently under many investigations, the simultaneous contribution of intense pulsed electric fields (EF) in the activation of biological mechanisms still remains unclear. Therefore, in this work, the authors focus on the characterization of EF in PAPS applied to the treatment of cells and culture medium. EF maps [2] time and space resolved have been recorded with an electro optic sensors [3] and contribute to the interpretation of biological responses, e.g. electroporation, electropermeabilization and the impacts on cell viability. The controlled propagation of multi-jet plasmas depends on the nature of the assemblies and is observed by time resolved iCCD imaging as shown in Fig. 1 and Fig. 2. While the metallic one allows for simultaneous ignitions of multiple PAPS, the dielectric one leads to a controlled splitting of the PG ionization wave, inducing a propagation delay between each orifice. Effects of multi-jet plasmas on the hydrodynamic of the gas are studied together via fast-schlieren imaging and by EF characterization. The outcome of this work will be of significant interest towards the use of multiple jets in plasma treated cells, agriculture and biomedical applications. XD is supported with the grant INEL/Région Centre Val de Loire

Experimental study of ultra-fast electric field in an atmospheric pressure discharge in a pin to plate geometry

oralInternational audienc

He (23S) helium metastable monitoring through N2+ (B-X) emission in atmospheric pressure plasma jets

International audienceHe (23S) helium metastable is a key state in the energetic transfers occurring in atmospheric pressure plasma jets now widely used for applications related to biology or material processing. Its measurement mainly relies on laser absorption which is not always easy to perform. In this work, we show that a simple way to follow the time evolution of this state can be found in the late time evolution of the transitions emitted from the N2+B state which is mainly populated by Penning ionisation from He (23S)

Plasmas froids pour des applications thérapeutiques

National audienceL’association plasmas froids et biologie n’est pas spécialement nouvelle (on peut rappeler que l’une des premières applications industrielles des plasmas a été la production d’ozone pour la désinfection de l’eau au début du siècle dernier), mais elle a pris un cours particulièrement intéressant ces dernières années au point qu’un nouveau champ de recherche est apparu : Plasma Medicine. Dans un premier temps, au cours des deux dernières décennies, de nombreuses équipes à travers le monde ont démontré de très intéressantes applications des plasmas froids hors équilibre (PFHE) dans les domaines de la stérilisation et de la décontamination, montrant là tout l’intérêt des interactions des plasmas avec le vivant. Dans un deuxième temps, beaucoup plus récemment, il a été montré que ces plasmas pouvaient présenter un intérêt énorme pour des applications thérapeutiques. L’engouement suscité par les recherches concernant les applications biomédicales des plasmas s’est récemment encore amplifié au point que de nombreuses conférences et workshops spécifiques ont été organisés en plus de sessions spécialisées dans tous les grands symposiums ou conférences plasmas. De même des numéros spéciaux de journaux ont été édités [1,2,3]. Une conférence internationale « International Conference on Plasma Medicine », ICPM, incluant aussi les procédés plasmas qui concernent les biomatériaux et l’ingénierie des tissus, a vu le jour en octobre 2007 aux USA, suivie par une seconde au printemps 2009, la troisième se déroulant en septembre de cette année à Greifswald en Allemagne. Parallèlement, un très récent rapport [4] du National Research Council of the National Academies of USA « Plasma Science, Advancing Knowledge in the National Interest » réalisé par le Plasma 2010 Committee, souligne l’extrême importance que les plasmas devraient prendre dans les Biotechnologies et la Médecine dans les années à venir. Ces domaines font partie des « Selected highlights » et sont présentés comme des domaines à très fort potentiel. Jusqu’à un passé très récent, les technologies plasmas avaient trouvé relativement peu d’applications dans le médical alors que de nombreuses avancées technologiques basées sur l’exploitation de divers phénomènes physiques, incluant lasers, RF et microondes, stimulation électrique et magnétique, ultrasons, rayonnements ionisants et beaucoup d’autres encore, ont transformé la pratique moderne de la médecine. Les avancées récentes réalisées dans le contrôle des plasmas froids hors équilibre, associées au fait que ces PFHE à l’air libre pouvaient efficacement traiter des tissus vivants sans les endommager, ont vraiment conduit à l’émergence de ce nouveau champ d’application des procédés plasmas qu’est la « Médecine Plasma », domaine particulièrement pluridisciplinaire impliquant plasmiciens, biologistes, biochimistes, médecins et ingénieurs. Les derniers développements dans le domaine montrent que de très nombreuses applications pourront être abordées. Cela concernent aussi bien le la coagulation du sang [5] ou la prévention du développement de bactéries sur des organes opérés, que les soins sur des plaies persistantes ou des ulcères [6], le traitement de cellules cancéreuses [7,8] ou de tumeurs [9] pour ne citer que ces quelques exemples. On doit aussi bien sûr mentionner tout ce qui concerne la prévention des infections au travers de l’éradication des organismes pathogènes qui se trouvent dans l’environnement immédiat du patient (corps et organes, instruments, air), applications liées à la stérilisation et décontamination [10]. A l’opposé des plasmas thermiques qui sont employés occasionnellement en médecine, par exemple pour l’électrocautérisation, l’hemostase ou la coupe de tissus [11], les PFHE offrent une plus grande flexibilité et permettent de créer des conditions préservant les tissus sains pour des traitements présentant a priori une meilleure sélectivité. L’activité des plasmas non-thermiques peut être a priori ajustée en adaptant les propriétés des plasmas générés en faisant varier les proportions de radicaux, d’espèces excitées, d’ions ou d’électrons et les flux de photons, principalement UV dont la production doit être extrêmement contrôlée [12] et aussi la maîtrise de la température au niveau de l’échantillon biologique . Les travaux n’en sont qu’à leurs débuts et les résultats observés sont dans la plupart des cas mal compris et les mécanismes d’actions très mal identifiés. Il existe un besoin énorme de travaux expérimentaux et de modélisation pour permettre de clarifier les modes d’actions des PFHE et des effets des diverses espèces présentes dans le plasma, notamment des ions, dans les divers traitements. En parallèle, des travaux plus fondamentaux sur les interactions espèces réactives/molécules d’intérêt biologiques doivent être poursuivis [13]. Un effort considérable est actuellement fait dans la plupart des grands pays industrialisés, Allemagne, USA, Japon, Russie, Grande Bretagne, pour rapprocher les communautés concernées et mettre en place des structures adaptées à l’instar de « Campus PlasmaMed » en Allemagne, qui regroupe l’INP-Greifswald, les universités de Greifswald et Rostock, et les deux universités des sciences appliquées de Stralsund et Neubrandenburg. En France, la communauté s’est rassemblée dans un GDR, ABioPLas, Applications Biomédicales des Plasmas, créé début 2010. Ce GDR devrait permettre de favoriser et renforcer les collaborations dans ce domaine où les laboratoires français sont particulièrement bien représentés.A côté des applications proprement dites, il existe un effort considérable pour le développement de nouveaux systèmes de décharges ou post décharge [14] permettant l’obtention de PFHE appropriés. Dans ce contexte, est apparu un certain nombre de développements concernant des générateurs de plasmas à la pression atmosphériques (Décharges à barrière diélectrique à potentiel flottant (FE-DBD), « aiguille plasma », jets de plasma) [8, 15, 16]. Dans la plupart des cas, les décharges générant les milieux plasmas sont créées à faible distance de la surface à traiter (~mm), soit à cause du type même de décharge (c’est le cas par exemple des décharges à barrière diélectrique, DBD) ou à cause de l’extinction rapide du plasma se propageant dans l’air (plume plasma DBD, aiguille plasma RF). Dans nombre de cas, il existe un intérêt évident pour la génération de plasmas à distance permettant de séparer la zone de décharge (utilisation de haute tension) et la cible à traiter. La mise au point du système Plasma gun [17], qui permet de générer des balles de plasmas sur des distances allant de quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres, va peut-être permettre d’apporter une première réponse à ce problème. Après une introduction générale du sujet, la première partie de la présentation sera consacrée aux derniers développements à travers le monde concernant les applications biomédicales des plasmas et plus particulièrement les applications à la médecine, ainsi que la structuration des communautés concernées dans les principaux pays où ce domaine connaît une activité significative. La deuxième partie sera consacrée plus spécifiquement aux travaux effectués à Orléans dans le cadre du programme « Plasmed », consacré à l’étude des applications thérapeutiques des plasmas dans les domaines de la cancérologie et de la dermato-cosmétologie, avec des réacteurs FE-DBD et Plasma gun, in vitro et in vivo sur des souris (études de tolérance, efficacité antitumorale in-vitro, activation de facteurs de transcription, induction de l’apoptose, activité antitumorale in-vivo). D’ores et déjà, des résultats très encourageants ont été obtenus in vivo [9,18], montrant une activité antitumorale des plasmas dans le cas de glyoblastomes greffés (cellules tumorales U87-Luc humaines). Cette présentation sera aussi l’occasion de faire le point sur les nouvelles décharges mises en œuvre par diverses équipes, en particulier les jets de plasma à la pression atmosphérique et les « plasma gun » tels que ceux développés au GREMI.Références [1] Plasma Processes and Polymers, 3 (2006), Plasma Processes and Polymers, 5 (2008)[2] Plasma Process. Polym., 7 (2010)[3] Plasma Medicine J., 1, 1 (2010)[4] Plasma Science, Advancing Knowledge in the National Interest, Report of the National Research Council of the National Academies of USA, (Winter 2007)[5] M.Balasubramanian, ,A. Sebastian, M. Peddinghaus, G. Fridman, A. Fridman, A. Gutsol, G. Friedman, andB. Ari. Blood 108(11):89b-89b, (2006)[6] GLloyd, G Friedman, SJafri, G Schultz, AFridman, Keith Harding Plasma Process. Polym., 7, 194 (2010)[7] G C Kim, G J Kim, S R Park, S M Jeon, H J Seo, F Iza and J K Lee, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 032005[8] G Fridman, A Shereshevsky, MM Jost, et al., Plasma Chem. Plasma Process., 27, 163 (2007)[9] M. Vandamme, E. Robert, S. Pesnel, E. Barbosa, S. Dozias, J. Sobilo, S. Lerondel, A. Le Pape, J.-M. Pouvesle, Plasma Process. Polym., 7, 264 (2010)[10] M. Laroussi, IEEE Trans. Plas. Sci., 30, 1409 (2002)[11] J. J.Vargo, Gastrointest. Endosc. 59(1):81–88, 2004 [12] T Shimizu, T Nosenko, GE Morfill, T Sato, Hans-Ulrich Schmidt, Takuya Urayama, Plasma Process. Polym., 7, 288 (2010)[13] JS Sousa, G Bauville, B Lacour, V Peuch, M Touzeau, EPJ-AP 47, 22807 (2009)[14] E. Panousis, F. Clement, E. Lecoq, IEEE Trans. Plas. Sci. 36, 1338 (2008)[15] Kieft IE, Darios D, Roks AJM, Stoffels E, IEEE Trans. Plas. Sci., 33, 771 (2005)[16] X. Lu, M. Laroussi, J. Appl. Phys., 100, 063302 (2006)[17] E. Robert, E. Barbosa, S. Dozias, M. Vandamme, C. Cachoncinlle, R. Viladrosa, J.-M. Pouvesle, Plasma Process. Polym., 6, 795 (2009)[18] M. Vandamme, E. Robert, S. Dozias, J. Sobilo, S. Lerondel, A. Le Pape, J.-M. Pouvesle, Plasma Medicine J., 1, 1 (2010) in press

Study of Chemico-Physical Properties of a He Plasma Gun in the Context of Skin Physioxia for Cosmetical Applications

International audienceNowadays the increases of life expectation in developed world has radically changed people demand and their shopping basket. Since medical research has assuring physical wellness until old age, today people ask not only to stay healthy but also to look young. For this reason in the last decades cosmetic research has literally exploded. New generation cosmetics has appeared on the market and small companies started to develop plasma devices for skin care. Although cold plasma is already used in cosmetics, very little is known about the beneficial mechanism that lead to skin renewing. Cold plasma in fact could produce opposite effects on cells. It could either lead to cell death or stimulate their growth. We have also demonstrated that respecting skin microenvironment and particularly its physiological oxygen level (called physioxia) in in vitro experiments is crucial to be as close as possible to in situ skin [1, 2]. It is especially important for cold plasma treatments as the level of oxygen is closely related to the production of reactive oxygen and nitrogen species (RONS), components of the produced plasma. In this work, we characterized the chemico-physical properties of a He plasma gun [3, 4] (run at 14kV, 2 kHz, He flow of 0.5 sml at 10 mm above target) and its effects on culture media and on skin cells. In particular we analyzed O 2 partial pressure (see Fig. 1), RONS species produced, pH modification, effects on dissolved O 2 levels and electric field generation in order to understand plasma treatment consequences and to define the best settings to achieve a stimulating effect on skin cells. This will be first evaluated in physioxia versus normoxia, by assessing cell viability and motility on human keratinocytes and dermal fibroblasts. These results bring new elements to better understand the physiological response of skin cells to plasma treatment and will help to develop new strategies for cosmetical use. Fig. 1: O 2 pressure and temperature variations versus time in medium (7mm high) in a well of 96 well plate This work was supported by ARD 2020 Cosmetoscience PLASMACOSM project

Comparison of two electric field measurement methods for a kHz microsecond atmospheric pressure plasma jet

International audienceElectric field associated with a kHz microsecond atmospheric pressure plasma jet has been measured using two different methods. The first one consists in an electro-optic probe allowing to measure the electric field outside the capillary in which propagates the plasma. The second one relies on Stark polarization spectroscopy on the 492.19nm line of helium. If the first one offers a nice time resolution, the second method has a better spatial accuracy but can be used only where light is emitted by the plasma. Thus these two methods complement one another and can even be compared depending on the conditions. If plasma is powered by a positive polarity voltage pulse both techniques are in good agreement. Nevertheless when negative polarity is used some discrepancies are observed

Développement et caractérisation d’une source plasma à pression atmosphérique réalisée par impression 3D pour l’assistance d’un procédé SALD

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