Изучение и количественная оценка антимикробного потенциала низкотемпературной (холодной) плазм для изделий медицинского назначения

Н.В. Дудчик, О.А. Емельянова

В республиканском унитарном предприятии «Научно-практический центр гигиены» совместно с учеными Института физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси в течение десяти лет ведется научно-исследовательская работа в области количественной оценки антимикробного потенциала низкотемпературной (холодной) плазмы.

В настоящее время в ряде отраслей фармацевтической, косметической и пищевой промышленности сформировалась высокая потребность в развитии и интенсификации методов дезинфекции и стерилизации, в т.ч. для медицинского инструментария разового использования, изготовленного из различных полимерных и композитных материалов. Это приводит к необходимости изучения и эффективного использования факторов различной природы для достижения антимикробных эффектов в отношении про- и эукариотических микроорганизмов.

Одним из интенсивно развивающихся направлений является оценка эффективности антимикробного действия факторов физической природы, в частности, стерилизующих эффектов плазмы, что обусловлено актуальностью и практической востребованностью разработки новых высокоэффективных методов инактивации биологических патогенов в газах, жидкости и на поверхностях. Одним из важнейших практических приложений данной проблемы является профилактика внутрибольничных инфекций.

Плазма является сложной, многокомпонентной системой, включающей излучение плазмы, заряженные и нейтральные частицы, и представляет интерес вследствие своей сильной химической активности и термодинамической неравновесности, выступая одновременно и как источник излучения, и как химически активная среда, при этом обе составляющие могут оказывать антимикробное действие. Механизмы взаимодействия плазмы с живыми системами весьма сложны, как следствие разнообразия процессов, происходящих при возникновении плазмы, так и сложности организации живых систем. Действие плазмы на клетки эукариот, прокариот и ткани многоклеточных организмов отличается. В ряде работ авторы излагают проблему плазменной стерилизации в целом, показывают множество физических, химических и физико-химических процессов, определяющих плазменную стерилизацию, выявляют доминирующие и оценивают их роль.

Наиболее эффективными факторами антимикробного эффекта плазменных сред является вакуумный ультрафиолет с длинами волн 160–220 нм, сочетающийся с возбужденными атомами и молекулами кислорода, азота, озона, окислов азота. Это приводит к усилению процессов перекисного окисления липидного слоя клеточных мембран микроорганизмов за счет воздействия положительных и отрицательных ионов плазмы и зависит от наличия и состояния водной фазы.

В результате выполненных научно-исследовательских работ установлены следующие закономерности.

1. На основании результатов исследований на разработанной клеточной тест-модели оценки эффективности инактивации в неравновесной низкотемпературной плазме высокочастотного разряда санитарно-значимых тест-штаммов микроорганизмов и клинических изолятов бактерий, нанесенных на медицинские изделия из различных материалов, установлена зависимость эффективности обработки плазменной средой от вида тест-штаммов, режимов и времени обработки, а также вида и свойств используемого материала. Показана высокая стерилизующая эффективность плазмы по отношению к используемым тест-культурам бактерий при экспозиции 20 минут. Наименьший инактивационный эффект при воздействии плазменных струй на основе тлеющего разряда атмосферного давления на постоянном токе на бактерии Staphylococcus aureus наблюдался при использовании азотной струи, наибольший был получен для воздушной струи, обработка которой поверхности питательной среды площадью 15 см2, инокулированный культурой S. aureus с поверхностной плотностью 105-106 КОЕ/см2 приводила к полной биодеконтаминации за 10 минут.

2. При плазменном воздействии на контаминированные тест-штаммами медицинские изделия чувствительными являются вегетативные клетки грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов (в течение 20 мин наблюдается снижение концентрации живых клеток в 100000 раз), менее чувствительны – споры Bacillus subtilis АТСС 6633, причем более выраженный бактерицидный эффект плазмы установлен в отношении микроорганизмов на поверхности медицинских изделий из металлов и сплавов, чем из капиллярно-пористых и полимерных материалов.

3. Установлено, что плазма классического и неклассического (барьерного) высокочастотного емкостного разрядов, возбуждаемых на промышленной частоте f = 5,28 МГц в атмосфере воздуха при давлениях Р~0,4 Торр и удельных энерговкладах W»0,1-0,85 Вт/см3, является высокоэффективным антимикробным агентом в отношении тест-штаммов бактерий E. сoli, B. subtilis, C. albicans и S. aureus при начальной контаминации N0 £103 КОЕ/мл. Установлен более выраженный стерилизующий эффект плазмы высокочастотного «барьерного» разряда по сравнению с классическим емкостным. Выявлено отсутствие зависимости эррадикации всех используемых тест-культур от давления (0,4¸1,5 Торр) плазмы высокочастотного барьерного разряда.

4. Время инактивации вегетативных клеток микроорганизмов при воздействии несамостоятельного ТРАД в воздухе изменяется от нескольких сек до десятков сек при удалении от оси разряда с 2 до 4 см. В слаботочном диффузном несамостоятельном ТРАД в гелии при токах от 1 до 5 мА показатель D-время инактивации грамположительных S. aureus и грамотрицательных E. coli находится в диапазоне от 2 до 10 минут, при этом с увеличением силы тока происходит повышение биоцидных свойств неравновесной плазмы.

5. Методом атомно-силовой микроскопии показано, что плазменная обработка в несамостоятельном разряде в гелии приводит к гибели клеток  тест-штамма S. aureus до наступления видимых морфологических изменений. При добавлении в плазмообразующий газ паров воды обнаружены повреждения оболочки клетки, что, вероятно, связано с образованием в плазме радикалов OH и их воздействием на клеточную стенку.

На основе использования разработанных тест-моделей установлена зависимость эффективности обработки плазменной средой с различными физико-техническими характеристиками от вида тест-культур, времени обработки, вида носителя для тест-штаммов. Показано, что полученные результаты могут быть использованы как методическая основа количественной оценки динамики микробной контаминации под воздействием физических факторов среды, так и создания экономичного и экологически безопасного лабораторного оборудования, что позволило усовершенствовать физические основы и инженерные принципы создания плазменных устройств и их  использования в создании современных нетрадиционных низкотемпературных методов контаминации (обеззараживания) микроорганизмов, создании экономичного, экологически безопасного и компактного лабораторного оборудования, использующего новые эффективные нетоксичные дезинфицирующие и стерилизующие агенты, оказывающие минимальное разрушающее действие на поверхность обрабатываемых изделий и материалов, широко используемых в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, фармакологии, парфюмерно-косметической промышленности, ветеринарии и т.д., что и определяет направленность их практического использования.

Таким образом, доказана возможность применения неравновесной плазмы несамостоятельного ТРАД для эффективной инактивации микроорганизмов различной таксономической принадлежности. Определены основные параметры плазмы, обусловливающие наибольший инактивационный эффект в отношении тест-штаммов бактерий. Определены перспективы дальнейшего научного развития и практического использования полученных результатов, в т.ч. в международных проектах с Молдовой и Республикой Сербия.

 

Русский