STUDY OF DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE PLASMA JET (DBDJ) FOR BACTERICIDAL IN CONTAMINATED WOUNDS

Abstract

The cold atmospheric pressure plasma (CAPP) technique has been recognized in medical fields to bring a new innovative approach in biomedical applications such a contaminated wound healing enhancement as well as relieving the patient’s pain without side effects. Contaminated wounds are a major health problem in many countries. Factors of patient health problems are such as diabetes, contaminated wounds, bacteria as well as others. The patients endures pain and requires long treatment periods using antibiotics or other therapies. Moreover, using antibiotics for a long period of time bacterial resistance occurs, such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Bacteria have the ability to develop resistance to antibiotics faster than one can develop new drugs. This being the main problem in contaminated wound healing. In this study, the dielectric barrier discharge plasma jet (DBDJ) was used for bactericidal and treated the Primary Human Dermal Fibroblasts Adult (HDFa) cells to study the side effect of DBDJ. This DBDJ is driven by high voltage dc pulse at 20 kHz and using 1 L/min of helium (He) as plasma gas. The DBDJ plasma varied the plasma dissipated power from 0.27 W to 0.50 W and the exposure time 15 s to 60 s. Plasma radical species were utilized by using an optical emission spectroscopy (OES). The results of the OES study found NO and OH radical groups, which play an important role in bactericidal and contaminated wound healing. The increase of radical plasma density depends on the plasma dissipated power. The Colony Forming unit (CFU) method was used to monitor the efficiency of bacteria killing. Staphylococcus aureus (S. aureus) and Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) were used in the vitro bacteria killing test. The results showed that the plasma dissipated power and exposure time were major factors in bactericidal. When increasing the plasma dissipated power to 0.50 W and exposure time to 60 s, the effect of bacteria killing increased to 100%. Therefore, this condition was choosing to study the effect of plasma on bacteria biofilm and HDFa cells. The result from fluorescent images by live/dead assay showed that DBDJ had high efficiency to removed biofilm. Studying the effects of DBDJ on HDFa cells using optical microscopes, live/dead assay and Muse Cell Analyzer with the Muse Count & Viability Assay Kit and Muse Annexin V and Dead Cell Assay Kit, the result showed the DBDJ being highly efficient for bactericidal as well as not having any side effects on HDFa cells under the same conditions. Therefore, the DBDJ at plasma dissipated power 0.50 W and exposure time 60 s has a high efficiency to kill bacteria, destroy bacteria biofilm by without damage cell and also without side effect to cell viability, apoptosis and death of HDFa cells as in vitro is essential for clinical use.

พลาสมาความดันบรรยากาศ (CAPP) เป็นเทคนิคที่ได้รับการยอมรับการใช้งานทางด้านการแพทย์ ซึ่งเป็นนวัตกรรมใหม่ที่มีการนำไปใช้งานทางด้านการแพทย์ เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพของการรักษาแผลติดเชื้อพร้อมกับบรรเทาอาการเจ็บปวดของผู้ป่วยไม่มีผลข้างเคียง แผลติดเชื้อเป็นปัญหาสุขภาพที่สำคัญในหลายประเทศ ปัจจัยที่เป็นสาเหตุของปัญหาสุขภาพของผู้ป่วย ได้แก่ โรคเบาหวาน บาดแผลที่ปนเปื้อนแบคทีเรียและอื่น ๆ ผู้ป่วยต้องทนทุกข์ทรมานและต้องใช้เวลานานในการบำบัดรักษาด้วยยาปฏิชีวนะหรือวิธีการรักษาอื่น ๆ นอกจากนี้การใช้ยาปฏิชีวนะเป็นระยะเวลานานจะก่อให้เกิดการดื้อยาของแบคทีเรียเกิดขึ้น เช่น methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) โดยเชื้อแบคทีเรียนั้นมีขีดความสามารถในการพัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะได้รวดเร็วกว่าการที่เราจะทำการพัฒนายาปฏิชีวนะตัวใหม่ออกมา ด้วยเหตุนี้จึงเป็นปัญหาหลักในการรักษาแผลติดเชื้อ ในการศึกษานี้จะใช้พลาสมาเจ็ทแบบไดอิเล็คทริกแบร์ริเออร์ดิสชาจ์น (DBDJ) ในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียและทดลองกับ Primary Human Dermal Fibroblasts Adult (HDFa) cells เพื่อศึกษาผลข้างเคียงของ DBDJ ต่อเซลล์ โดย DBDJ กำเนิดด้วยเงื่อนไขที่ไฟฟ้าแรงดันสูงความถี่ 20 กิโลเฮิร์ทซ์และอัตราการไหลของก๊าซฮีเลียม 1 ลิตรต่อนาที กำลังของพลาสมาในช่วงระหว่าง 0.27 วัตต์ ถึง 0.50 วัตต์และระยะเวลาในการทดลองระหว่าง 15 วินาที ถึง 60 วินาที อนุมูลในพลาสมาจะใช้เครื่องมือวิเคราะห์สเปกตรัมทางแสง (OES) ในการตรวจวัด ผลสเปกตรัมจาก OES พบกลุ่มของ NO และ OH ซึ่งเป็นอนุมูลที่สำคัญต่อการรักษาบาดแผลที่เกิดจากเชื้อแบคทีเรีย การเพิ่มขึ้นของปริมาณอนุมูลอิสระในพลาสมาขึ้นอยู่กับกำลังของพลาสมา โดยวิธี Colony Forming Unit (CFU) จะใช้เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของการฆ่าแบคทีเรีย Staphylococcus aureus (S. aureus) และ Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) ซึ่งใช้ในการศึกษาประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่ากำลังของพลาสมาและระยะเวลาที่ใช้เป็นปัจจัยสำคัญในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เมื่อใช้กำลังพลาสมาที่ 0.50 วัตต์และ ณ เวลาที่ 60 วินาที ผลของการฆ่าเชื้อแบคทีเรียเพิ่มขึ้นถึง 100% ดังนั้นจึงเลือกที่สภาวะการทดลองดังกล่าวในการศึกษาผลกระทบของพลาสมาต่อแบคทีเรียไบโอฟิล์มและเซลล์ HDFa ผลการทดลองจากกล้องจุลทรรศน์แบบฟลูออเรสเซนต์ โดยใช้เทคนิค live/dead assay แสดงให้เห็นว่าพลาสมามีประสิทธิภาพสูงในการกำจัดแบคทีเรียไบโอฟิล์ม การศึกษาผลกระทบของ DBDJ ต่อเซลล์ HDFa จะใช้กล้องจุลทรรศ์แบบเชิงแสง เทคนิค live/dead assay และเครื่อง Muse Cell Analyzer ร่วมกับชุด Muse Count & Viability Assay Kit และ Muse Annexin V and Dead Cell Assay Kit ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่า DBDJ มีประสิทธิภาพสูงในการฆ่าเชื้อแบคทีเรียโดยไม่ก่อให้เกิดผลกระทบข้างเคียงต่อเซลล์ HDFa ภายใต้สภาวะเงื่อนไขเดียวกัน ดังนั้น DBDJ ที่กำลังพลาสมา 0.50 วัตต์และ ณ เวลา 60 วินาที มีประสิทธิภาพสูงในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย การกำจัดแบคทีเรียไบโอฟิล์มและไม่ก่อให้เกิดความเสียหายหรือผลข้างเคียงต่อ การมีชีวิตของเซลล์ การเกิดอะพอพโทซิส และการตายของเซลล์ HDFa ในการทดลองซึ่งเป็นสิ่งที่สำคัญ