一种便携式等离子体消毒系统的制作方法

1.本发明属于医疗器械的制备技术领域，尤其涉及一种便携式快速等离子体消毒系统，以及用于伤口消毒灭菌并促进伤口愈合的应用。


背景技术：

2.机体遭受创伤、手术等易附带病原菌、异物等致病因子，使得创伤口的污染率与感染率极高。常见的创伤口感染病原菌谱包括金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、梭形芽孢杆菌、大肠埃希菌、产气杆菌、创伤弧菌和克雷白氏菌等，这些病原菌能够吸附在伤口繁殖生长形成生物被膜，生物被膜更能抵抗免疫系统和药物的作用。病原菌还会产生一些毒素和酶，引起局部组织坏死、基质或胶原纤维溶解，不仅加重局部组织损伤，也妨碍伤口愈合。如不能采取有效的救治措施进行伤口消毒清创，局部感染往往会进一步恶化成全身性感染，并造成其他并发症甚至危及生命。因而，早期消毒能够有效清除创面沾染的致病微生物，降低感染的风险。目前对于伤口细菌的预防和治疗方法主要为抗生素使用。但自20世纪90年代以来，多重耐药菌对战创伤的感染比例逐年攀升，已严重威胁伤患生命。而且这些致病菌变异的速度远远快于人类更新抗生素的速度，临床常常无药可治，只能依赖机体免疫功能的重建来杀灭细菌。
3.随着研究的不断深入，等离子设备发展越来越迅速。美国强生公司开发了国际上第一台等离子体医疗器械灭菌器，于2003年通过了fda(美国食品药品监督管理局)认证并广泛推广应用。但此设备需要在真空条件下产生等离子体，因此设备体积较为庞大。同样，德国科学家开发的等离子慢性伤口治疗仪也具有体积大，质量重，功率大等情况。基于等离子体有效的抗菌性能，如其能变得便捷的同时发明新的优化的内部结构，可以第一时间处理伤口进行杀菌消毒，对于伤口的后续治疗将产生有利的帮助。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明提出一种便携式快速等离子体消毒系统，其目的在于解决传统装置笨重不易随身携带使用的问题，同时优化设备性能。
5.技术方案：
6.一种便携式等离子体消毒系统，该系统的过压保护模块与电池模块电连接，电池模块分别与空气泵和升压转换模块电连接，电池模块与空气泵和升压转换模块连接的电路上设置有开关，空气泵与等离子体发生器气路连接，升压转换模块与等离子体发生器电连接，等离子体发生器与操作头气路连接；所述系统应用于伤口消毒灭菌并促进伤口愈合。
7.进一步的，所述电池模块为锂电池组，为高度集成化的小型模块电源，模块电源首先将电池输出的dc12v逆变成ac220v，再将ac220通过升压转换模块升压至ac7000v左右后输出。
8.进一步的，所述等离子体发生器为微间隙同轴环状介质阻挡放电的等离子体结构，其电极结构包括外环电极、内环电极、石英介质层，外环电极内壁固定有石英介质层，石
英介质层与内环电极之间通入的空气电离成等离子体；外环电极接电压，电压为ac7kv，内环电极接地。
9.进一步的，石英介质层与内环电极之间的间隙为0.30mm。
10.进一步的，所述空气泵气体流速为1.0～1.5l/min。
11.进一步的，操作头包括三种形状，分别为尖嘴操作头、扁平嘴操作头和弯嘴操作头。
12.有益效果：
13.1.本发明利用“微间隙同轴环状介质阻挡放电”结构产生等离子体，其中电极的放电间隙0.30mm，实现了等离子体发生电极组装或维修的快速化、便携化；
14.2.本发明直接利用环境空气作为工作气体，气体流速为1.0～1.5l/min，可直接利用气泵提供工作气体，舍弃了钢制气瓶，彻底实现便携化。
15.3.本发明利用高度集成化的小型模块电源，在激励电压ac7.0kv左右，电压频率15khz条件下，可均匀稳定产出等离子体，产出的等离子体温度37℃～50℃，安全可触碰。
16.4.本发明产出的等离子体包括多种长寿命和短寿命粒子。
附图说明
17.图1为本发明结构示意图；
18.图2为等离子体发生器内部电极结构示意图；
19.图3为箱体结构示意图；
20.图4为操作头结构示意图；
21.图5为等离子体处理细胞不同时间细胞活力；
22.图6为等离子体首次处理细胞细胞凋亡流式图；
23.图7为子代细胞等离子体处理凋亡流式图；
24.图8为金黄色葡萄球菌细菌计数(logcfu/g)；
25.图9为等离子体促愈合效果观察；
26.图中标注：1、电池模块，2、过压保护模块，3、空气泵，4、升压转换模块，5、等离子体发生器，51、外环电极，52、内环电极，53、石英介质层，6、操作头，61、尖嘴操作头，62、扁平嘴操作头，63、弯嘴操作头，7、操作面板，8、箱体，81、箱底结构，82、箱盖，9、固定架，10、开关，11、l型气动接头，12、充电插座，13、指示灯，14、软管，15、活性气体出口。
具体实施方式
27.以下结合说明书附图更详细的说明本发明。
28.无气瓶、体积小、质量轻、电池供电是实现等离子体设备便携化的前提。遂便捷式等离子体的研发成为新兴的领域。若便捷式等离子设备得到合适的应用，其摆脱了不易搬运及操作的问题，将使其得到更广泛的应用，例如在院外环境下，由于条件有限和情况危急，无法及时装运到医院，便捷式等离子体可以及时处理伤口，进行早期消毒操作后，能够有效清除创面沾染的致病微生物，降低感染的风险，终止或延缓创伤发展进程。并且便捷式等离子设备应该便于操作，医护人员经过培训后均可使用。由此可知，等离子设备的便捷化将扩大等离子体的应用范围及应用人群。对于等离子体射流消毒设备，其体积、重量越小，
越能发挥其作用。因此，本发明对设备中的电源、气体发生装置、电极以及外壳等较大的零部件进行优化设计，减小其体积和重量。
29.如图1所示，一种便携式等离子体消毒系统，该系统包括过压保护模块2、电池模块1、空气泵3、升压转换模块4、等离子体发生器5和操作头6，过压保护模块2与电池模块1电连接，电池模块1分别与空气泵3和升压转换模块4电连接，电池模块1与空气泵3和升压转换模块4连接的电路上设置有开关10，空气泵3与等离子体发生器5气路连接，升压转换模块4与等离子体发生器5电连接，等离子体发生器5与操作头6通过气体连接软管14气路连接。
30.其中电池模块1为锂电池组，为高度集成化的小型模块电源：逆变电路 升压电路 其他接口和线路共同组成了模块电源，模块电源首先将电池输出的dc12v逆变成ac220v，再将ac220通过升压转换模块4升压至ac7000v左右后输出，用于激励“微间隙同轴环状介质阻挡”电极进行放电，产生等离子体。在激励电压ac7.0kv左右，电压频率15khz条件下，可均匀稳定产出等离子体，产出的等离子体温度37℃～50℃。
31.如图2所示，等离子体发生器5为微间隙同轴环状介质阻挡放电的等离子体结构，电极结构包括外环电极51、内环电极52、石英介质层53，外环电极51内壁固定有石英介质层53，石英介质层53与内环电极52之间通入的空气电离成等离子体；外环电极51接电压，电压为ac7kv，内环电极52接地。石英介质层53与内环电极52之间的间隙(电极的放电间隙)为0.30mm。
32.在本装置中电极的放电间隙为0.3mm，距离过大，会需要更高的激励电压，对设备使用时整体的安全性不利，并且等离子体发生器短时间内升温高，发热量大，不利于长时间使用；若距离过小，气流量很微小，一方面不利于结构装配，另一方面也无法满足使用效果。
33.所述小型空气泵实现使用环境空气，型号rk-528tb，气体流速为1.0～1.5l/min。等离子体成分中的羟基、氧化物、氮氧化物联合作用主要对于灭菌和激励细胞新生会起到促进作用。环境空气属于混合物，其中包含所有粒子所需的化学成分，常用氮气中成分较单一，对于广谱性使用较为局限。
34.如图4所示，操作头6包括三种形状，分别为尖嘴操作头61、扁平嘴操作头62和弯嘴操作头63，尖嘴操作头61主要适用于小缝隙、沟槽等表面的处理；扁平嘴操作头62主要适用于逐行扫描处理较大面积的表面；弯嘴操作头63主要适用于腔体内部表面的处理。
35.本实施例中一种便携式等离子体消毒系统可设计为一种便携式等离子体消毒箱体，应用于伤口消毒灭菌并促进伤口愈合。
36.如图3所示，箱体8的箱底结构81和箱盖82铰接，箱底结构81内壁固定有固定架9，固定架9内设置有过压保护模块2、电池模块1、空气泵3、升压转换模块4、等离子体发生器5结构，固定架9用于固定上述设备并用于支撑箱体8，过压保护模块2与电池模块1电连接，电池模块1分别与空气泵3和升压转换模块4电连接，电池模块1与空气泵3和升压转换模块4连接的电路上设置有开关10，空气泵3与等离子体发生器5气路连接，升压转换模块4与等离子体发生器5电连接，等离子体发生器5与操作头6通过气体连接软管14气路连接，固定架9上方固定有操作面板7，开关10设置于操作面板7上，操作面板7上设置有活性气体出口15，活性气体出口15处为便于连接设置有l型气动接头11，l型气动接头11用于变换方向，l型气动接头11的一端通过软管14连接等离子体发生器5，l型气动接头11的另一端通过软管14连接操作头6，l型气动接头11穿过操作面板7的活性气体出口15，操作头6和软管14能卡接于箱
盖82内壁上。
37.过压保护模块2通过电路连接有充电插座12和指示灯13，充电插座12和指示灯13设置在操作面板7上。
38.便携式等离子体消毒箱体的物理性能如下：
39.1.装置体积＜60立方分米，其中探头部分便于手持操作；
40.2.装置重量＜8kg；
41.3.电池供电持续工作时间＞0.5小时；
42.4.工作环境温度：-41℃～46℃；
43.5.相对湿度95％(40℃)持续时间48h恒定湿热下，保持正常功能和性能稳定；
44.6.平均故障间隔时间≥240h；
45.7.有过压保护装置，具有报警提示；
46.8.工作环境噪声≤90db(a)。
47.消毒操作过程如下：
48.1.从箱盖82上取下气体导管和所需操作头6；
49.2.将气体导管一端插入活性气体出口15，另一端插入操作头6尾端，其中操作头6尾部和活性气体出口15均为气动快插接头，气体软管14插入时只需按下接头边缘即可；
50.3.再按下开关10，手持操作头6对准待处理部位，即可实现杀菌消毒处理；
51.4.最后再按下开关10，将操作头6和气体软管14归回原位，结束本次处理。
52.实施例1活性检测
53.利用电子自旋共振谱仪检测o
2-、onoo-；利用酶标仪检测h2o2、no
2-、no
3-，明确等离子体中长寿命和短寿命粒子浓度。
54.结果：
55.(1)过氧亚硝酸根离子、过氧根离子242.73μmol/l；
56.(2)亚硝酸根离子275.05μmol/l；
57.(3)硝酸根离子37854.25μmol/l；
58.(4)过氧化氢90.2μmol/l。
59.实施例2细胞毒性实验-cck8法
60.(1)细胞复苏：将成纤维细胞(l929细胞)从液氮中提取出，放置于恒温水浴箱中，37℃水浴，2至3分钟内融化，转移至4ml离心管中，再加入3mldmdm培养基，离心(1000rap/min,5min),弃上清，加入1ml培养基重悬，吹打混匀(20～30次)，转移至细胞培养瓶中，在培养瓶中加入培养基至5ml,24小时后观察细胞状态及换液。
61.(2)细胞换液：移除旧培养基，加入2mlpbs,漂洗2次，加入5mldmem培养基。
62.(3)细胞传代：镜下观察细胞融合至80～90％时，需要进行传代，移除旧培养基，加入2mlpbs进行漂洗2次，加入1ml胰蛋白酶，放入细胞培养箱中，2分钟后镜下观察细胞变圆，安1:3的比例加入培养基终止消化，轻轻吹打下细胞，转移至离心管中，离心，1000rap/min,5min,弃上清，加入1ml培养基重悬，吹打混匀(20～30次)，分装至2个细胞培养瓶中。每瓶500ul，加入培养基至5ml.
63.(4)细胞接种：选取第二代或第三代细胞进行细胞接种。在超净台内，将细胞消化，重悬，计数，调整细胞浓度为1x105个/ml,按照10000个/孔细胞接种到96孔板中，每孔100ul
悬液，设置6个复孔，分为加药组，0加药组，空白孔。细胞培养箱中培养24小时使其贴壁生长。
64.(5)细胞处理：弃掉旧培养基，pbs漂洗一次。加药组换入等离子体培养基，其余组换入正常培养基。等离子体活化培养基制作方法：将1ml培养基加入24孔板中，等离子体操作头距离液面5mm上方顺时针旋转。
65.(6)cck8实验：每孔加入10ul的cck8试剂，2小时后使用酶标仪在450nm处测吸光度值，利用公式计算细胞活力。
66.细胞活力＝[od(加药)-od(空白)]/[od(0加药)-od(空白)]x100％/
[0067]
实验结果如图5所示，便携式等离子体设备对于l929细胞在1分钟以内是安全的。
[0068]
实施例3细胞毒性实验-凋亡检测
[0069]
(1)细胞接种：选取第二代或第三代细胞进行接种。在6孔板中按照1x106个/孔进行接种，每孔2ml培养基。分2组，每组设置3个复孔，上面3个孔为试验孔，下面3个孔为对照组。接种之后放入培养箱中培养24小时，使其贴壁。
[0070]
(2)细胞处理:制备等离子体活化培养基换入试验孔内。对照组换入正常培养基。
[0071]
(3)凋亡染色及上机检测
[0072]
实验结果如图6-7所示：等离子体处理细胞1分钟，细胞未受到严重损伤，实验组与对照组未见显著性差异，传7代之后的细胞实验组与对照组未见显著性差异。
[0073]
实施例4等离子体抑菌实验
[0074]
(1)动物感染模型建立
[0075]
实验动物与分组
[0076]
选择健康sd大鼠30只，雄性，体重180-220g，鼠龄8周，购自辽宁长生生物技术有限公司，实验前统一饲养在spf级实验室，室温20
±
2℃，湿度45％-55％，自由饮食饮水，适应性饲养7天。实验前一天禁食不禁水。开始实验前将sd大鼠称随机分3组(每组10只)，即模型对照组、等离子体射流组和阳性对照组。
[0077]
金黄色葡萄球菌皮肤感染模型制作
[0078]
大鼠腹腔注射10％水合氯醛溶液(0.03ml/g)麻醉后，用脱毛膏脱去后背部区域的毛发，俯卧位固定在手术台上并调整体位及致伤处皮肤平整度，术区进行碘伏消毒，于大鼠后背部脊柱正中处用打孔器剪去直径1.5cm的圆形全层皮肤,深度达真皮层，但不破坏肌肉层和筋膜层。对于处理伤口进行止血。止血处理后，在大鼠伤口处均匀涂抹金黄色葡萄球菌菌液(最佳浓度-1010cfu/ml)在大鼠伤口处均匀涂抹金黄色葡萄球菌菌液(最佳浓度)100μl。要求所有伤口均由同一实验员制作。观察大鼠的伤口感染情况及一般情况并拍照。
[0079]
(2)创面处理
[0080]
大鼠创面模型建立成功后，每天用cpb-i便捷式等离子体消毒仪处理sd大鼠感染伤口。为保证实验的统一性，要求等离子装置在距离伤口5mm左右进行射流，且尽量让实验员在用等离子装置处理时，按照在伤口上从上到下蛇形射流，以保证伤口均匀被处理。同时对伤口进行拍照记录，于不同时间点取组织匀浆后固体培养基培养、计数。
[0081]
①
创面细菌计数
[0082]
按下列公式计算出创面每克组织金葡菌的菌量:log每克组织的细菌含量＝log(5n/m x 10n 1)，式中n为最佳计数平皿状态下细菌的菌落数，m为组织块质量，n为稀释倍
数。
[0083]
②
杀菌率
[0084]
每克组织中的含菌量(cfu/g)＝n x 10n 1/m(n为最佳计数平皿状态下细菌的菌落数，m为组织块质量，n为稀释倍数)
[0085]
杀菌率＝(模型组每克组织中的含菌量-实验组每克组织中的含菌量)/对照组每克组织中的含菌量x 100％
[0086]
实验结果如图8所示：便捷式等离子体消毒仪处理sd大鼠感染伤口7天后，实验组感染创面的细菌计数为(7.91
±
0.12)logcfu/g,明显少于空白对照创面的细菌计数《(8.15
±
0.06)logcfu/g》，p《0.05,差异具有统计学意义。等离子处理14天，实验组感染创面的细菌计数为(6.82
±
0.09)logcfu/g,明显少于空白对照创面的细菌计数《(7.09
±
0.06)logcfu/g》，p《0.05,差异具有统计学意义。
[0087]
实施例5等离子体促愈合实验
[0088]
①
动物感染模型建立同前
[0089]
②
感染伤口的处理同前
[0090]
③
创面愈合情况
[0091]
将大鼠放置在充满异氟烷的密闭空间，待大鼠麻痹无知觉后，固定四肢，应用数码相机拍照，imagej软件测量创面面积。并用如下公式计算创面愈合率：创面愈合率＝(建模成功后面积-干预n天面积)/建模成功后面积x100％。
[0092]
实验结果如图9所示：便捷式等离子体消毒仪处理sd大鼠感染伤口后，实验组和对照组伤口愈合率可见显著差异。
[0093]
综上所述，本研究证明了便携式等离子体装置在消毒灭菌和促创面愈合中的有效性，为寻找新的消毒灭菌和促感染创面愈合提供新思路。
[0094]
本发明便携式等离子体设备的安全性和灭菌有效性，该装置安全有效，能够有效灭菌，故本装置提供了物体和伤口表面消毒新方法的同时有效促进大鼠感染性皮肤伤口愈合，可有效促进感染性创面愈合，应用于感染性创面愈合。