低温等离子体技术在消毒杀菌领域的研究进展

王原莉 徐利佳 郑春霞 黄朝晖 余皖婉 丁呈彪

摘要：隨着等离子体技术的应用与发展，其消毒杀菌技术的应用越来越受到关注。低温等离子体是通过向气体施加电能而产生的，由重粒子、电子和紫外线组成，其工作温度可维持在25℃左右，因此在消毒杀菌领域得到了极大的发展。低温等离子体弥补了传统杀菌消毒方法的许多诸如抗生素的使用产生的耐药性等缺点，其便捷、安全、无污染的特点，让其成为一种很有前景的消毒工具。本文总结了低温等离子体技术在消毒杀菌领域的研究进展，为相关研究提供理论依据。

关键词：低温等离子体;杀菌;消毒

Research Progress in the Field of Disinfection and Sterilization by Low Temperature Plasma Technology

Wang Yuanli1  Xu Lijia1  Zheng Chunxia1  Huang Zhaohui1  Yu Wanwan2  Ding Chengbiao3*

1.Anhui Medical University， Second Clinical Medical College  AnhuiHefei  230601;2.Anhui Medical University  AnhuiHefei  230032;3.The Second Affiliated Hospital of Anhui Medical University， Department of rehabilitation and sports medicine  AnhuiHefei  230601

Abstract：With the application and development of plasma technology， the application of its disinfection and sterilization technology has attracted more and more attention. Low temperature plasma is produced by applying electric energy to gas. It is composed of heavy particles， electrons and ultraviolet rays. Its working temperature can be maintained at about 25℃， so it has been greatly developed in the field of disinfection and sterilization. Low temperature plasma makes up for many shortcomings of traditional sterilization and disinfection methods， such as drug resistance caused by the use of antibiotics. Its convenient， safe and pollution-free characteristics make it a promising disinfection tool. This paper summarizes the research progress of low temperature plasma technology in the field of disinfection and sterilization， so as to provide a theoretical basis for related research.

Keywords： low temperature plasma; sterilization; disinfect

在物理学中，等离子体描述的是部分或完全电离的气体。电离气体的物理性质与非电离气体的物理性质有很大的差异。因此，等离子体也被称为物质的第四态[1]。等离子体已经被证明在如伤口愈合、凝血、血管生成抑制和癌症治疗，以及微生物失活等方面具有一定作用[2，3]。有研究表明，等离子体具有巨大的抗菌作用，使革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株、酵母甚至病毒均能失活[4]。等离子体靶向破坏微生物的各种结构，蚀刻细胞壁，破坏生物膜和过氧化脂质，并且细菌 DNA 和 RNA可能会受到氧化损伤、碱基修饰和链断裂的影响。此外，大分子（如蛋白质）还可能会被展开或修饰[5]，这些都是等离子体消毒杀菌的特殊机制。目前，低温等离子体消毒杀菌技术已经在各个领域被开发使用，并获得了可观的效果，同时，这种技术的发展也面临着不同的挑战，在未来的应用中，仍有许多问题等待解决。本文基于低温等离子体在消毒杀菌领域的研究进行了总结，如图1。

圖 1 低温等离子体消毒杀菌在各领域的应用总结

一、基于低温等离子体的灭菌器

低温等离子体生物医学研究越来越受到关注，主要是由于其杀菌特性[6]。低温等离子体灭菌器的基本原理是活的微生物具有吸湿性，这意味着环境气相中的水蒸气优先在其表面凝结。只要在适当的环境条件（压力和温度）下，过氧化氢和过氧化乙酸这样的过氧化物蒸汽或臭氧等氧化气体可以在位于光滑支撑表面上的细菌形成的成核部位凝结，同样地，病毒也是有效的成核位点。随着塑料等不能承受高温高压的材料制成的设备越来越多，一些新的低温灭菌系统，如最近研发的环氧乙烷灭菌和H2O2气体等离子目前用于对医疗器械的灭菌[7]。但基于低温等离子体的灭菌器的设计仍需要不断完善和更新，来满足实际应用的需求。

二、空气和水中微生物的净化

目前，等离子体技术已经可以解决有关大量水性污染物和水传播病原微生物（包括病毒）降解的某些问题，并已达到显著水平。尽管低温等离子体具有较好的杀菌效果，其作为一种废水处理技术的发展仍然受到资本投资、熟练应用、宜居性和运营成本等信息的缺乏的阻碍，因此需要对其蓬勃发展的商业化进行额外的研究[8]。同时，低温等离子体消毒杀菌技术对空气中的微生物也具备消杀作用，但空气放电后难免产生微量的臭氧、氮氧化物等化学物质残留，可能对人体造成潜在的危害。在高效杀灭空气中微生物的同时，如何减少或清除有害化学残留，也是需要解决的问题[9]。此外，研究表明，这种新兴技术可能具备有效灭活 COVID-19或其他冠状病毒的能力，能有效阻断病毒在空气和水中的传播渠道。

三、皮肤消毒与预防伤口感染

生活环境中存在大量病原微生物，皮肤屏障能够有效的阻断其进入人体，但当人体皮肤屏障功能减退或出现伤口时，这些病原微生物可能会趁机而入，造成感染。低温等离子体在聚苯乙烯、硅胶材料和猪皮肤上的体外抗菌效果已得到证实。并且等离子体对慢性伤口也具有抗菌作用，且没有任何副作用[10]。涉及使用低温等离子体处理伤口的临床试验结果证明其可以改善大鼠开放伤口的愈合[11]，并减少定植或感染伤口的细菌负担。柔性介质阻挡放电 （DBD） 被开发作为慢性伤口的替代抗菌治疗[12]。鉴于细菌对抗生素的耐药性的持续发展，这种基于非抗生素的方法来处理感染的伤口，在理论上有着更大的优势。但临床中仍缺少足够的研究证明，低温等离子体处理人的皮肤时能够产生足够的消毒效果并且具有安全性，避免不良事件的发生。

四、清除口腔微生物

牙齿表面形成的生物膜会导致龋齿、牙龈和牙周疾病以及口腔粘膜炎。这些生物膜还可以通过引起粘膜周围炎和种植体周围炎来影响牙种植体。大多数牙科治疗旨在去除或破坏口腔生物膜。体外研究的现有证据表明，低温等离子体是一种很有前途的对抗牙齿生物膜的工具，其能够破坏生物膜基质而不会对口腔组织造成任何损害。低温等离子体在牙科中的应用适应症包括：与牙本质和陶瓷结合、复合材料的固化、漂白、牙种植体的表面活化，以及在龋病学、牙髓病学、牙周病学和种植学中的抗菌治疗干预[13]。但其潜在的机制和特定的微生物相互作用尚未完全了解，并且在文献中进行了有争议的讨论[5]。

五、食品业和农业的杀菌

等离子技术在农业和食品领域有着广泛的应用。例如，等离子体技术可应用于食品、包装材料和设备以及种子、肥料、水和土壤等农业资源的消毒。农产品，如水果和蔬菜，很容易受到农业来源的污染，包括种子、肥料、水和土壤。此外，农产品在供应链的收获、运输、包装和食品加工阶段会与灰尘、昆虫、动物粪便、田间工人和设备接触，这些个体风险因素可能会导致微生物危害。低温等离子体技术通过使用电和反应性载气（例如氧气、氮气或氦气）来灭活酶、破坏微生物、保存食物，从而避免了使用化学抗菌剂的技术。目前，低温等离子体杀菌处理作为一种新兴的加工技术，其设计的多功能性、特有的低温性质、更好的经济标准等因素为其提供了与传统处理方法相比无与伦比的优势。即便如此，深入了解低温等离子体对功能性和生物活性食品成分的影响仍然是一项迫在眉睫的研究课题，并且对其作为现代非常规加工技术的广泛认可势在必行[14]。

综上所述，低温等离子体消毒杀菌技术已经在医疗器械、环境污染、皮肤与口腔疾病、食品与农业等方面的应用中显示出了巨大的潜力，除了上述方面，低温等离子体消毒杀菌技术仍有望在其他应用方面取得重大突破。然而，在实际应用中该技术可能会产生化学物质残留或造成其他安全影响，此过程中存在的种种问题与挑战，仍需要进一步的研究提出相应的解决办法。

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基金項目：2020年度国家级大学生创新创业项目（202010366045）;安徽省高等学校省级质量工程项目（2019jyxm0999）

作者简介：王原莉（2002—  ），女，汉族，安徽阜阳人，本科在读。

* 通讯作者：丁呈彪（1986—  ），男，汉族，安徽合肥人，骨科学硕士，博士在读，研究方向：骨科康复及低温等离子体生物应用。

* 通讯作者：丁呈彪。