La tecnología de plasma en medicina

La materia se presenta en tres estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Pero, gran parte de la materia del universo existe en estado plasma o cuarto estado. Una manifestación del estado plasma es la aurora boreal. La belleza de este fenómeno natural se debe a la excitación de los átomos y moléculas ionizadas en la estratosfera.

Michael Faraday y Sir William Crookes han sido los primeros en reproducir este fenómeno en el laboratorio. Fue este último que logró generar en unos tubos de vidrio unas descargas eléctricas que simulaba muy de cerca el fenómeno natural.

Crookes sugirió el nombre de cuarto estado para el ambiente gaseoso que se estaba observando en la descarga. Aplicando un campo eléctrico moderado a un gas encerrado en un tubo de vidrio o de cuarzo que contenga dos electrodos, se detecta una corriente infinitesimal que rápidamente sube hasta alcanzar un valor tal que los electrones  presentes en el gas, adquieran una velocidad suficiente para producir excitación, ionización y fragmentación de las moléculas con las cuales ellos chocan. En este punto, el número de iones aumenta y la corriente en el gas aumenta también, de manera que haga falta solamente un pequeño campo eléctrico para mantener la descarga.(1)

En 1874 De Wilde sometió el acetileno a una descarga eléctrica y obtuvo un producto sólido, duro, quebradizo y amorfo que no logró solubilizar en ningún solvente a su alcance. ¡Era un polímero! En 1910 Dewar pasó vapores de disulfuro de carbono por un ozonizador (descarga silente) y condensó el producto en una trampa enfriada con aire líquido. En la trampa había un sólido de un  color marrón tenue que, al retirar el aire líquido, producía un flash de luz y una detonación, en algunos casos, violenta. Dewar había congelado el radical CS (monosulfuro de carbono) que, al calentarse, polimerizaba rápidamente desprendiendo mucho calor.

Los productos que se obtenían con otras sustancias, mediante estas reacciones no convencionales, eran mezclas complejas, difíciles de analizar; además las condiciones de las descargas no eran fáciles de reproducir, a diferencia de las condiciones en las reacciones químicas normales o clásicas. Esto ocasionó que se perdiera un poco el interés en las reacciones vía plasma. Wilks en una conferencia en el año 1974, preguntó a la audiencia: ¿Que tenemos que hacer para salvar a los plasmas y a la química de los plasmas? Hacían falta investigaciones en ciencia  básica para orientar los desarrollos tecnológicos que permitieran aplicaciones industriales rentables.(2)

Apoyándose en los desarrollos de la electrónica, han ido apareciendo un sin número de equipos a plasma. El principio es simple: Uno se puede imaginar un plasma como un ambiente en el cual coexistan por lo menos dos poblaciones de partículas: los electrones, con una temperatura Te, y  partículas de átomos, moléculas y iones en sus estados fundamentales y excitados, con una temperatura Tp. Dependiendo de las condiciones experimentales, la temperatura de los electrones puede ser casi igual o muy distinta de la temperatura de las otras partículas.

Cuando Te = Tp, se forma un plasma en equilibrio térmico o plasma caliente. Cuando en cambio Te >> Tp se forma un plasma frío o plasma fuera del equilibrio térmico.
Los plasmas térmicos se emplean actualmente en soldadura, corte, recubrimientos anticorrosivos, en reactores para la destrucción de materiales tóxicos, en el tratamiento de la basura municipal, en la gasificación de coques y en gran parte de aquellos procesos  en los cuales es necesario utilizar altas temperaturas y los ambientes son corrosivos. Los plasmas térmicos han ido entrando en la industria revolucionando, en particular,  el mercado metal- mecánico. Sus temperaturas son generalmente elevadas y, dependiendo de la zona de la pluma del plasma, ellas van cambiando rápidamente. A unos dos milímetros de la boquilla de la antorcha por ejemplo, se miden temperaturas entre 8.000 y 12.000 ºK en un plasma de argón a presión atmosférica.(3)

Un plasma térmico no es adecuado para reacciones orgánicas. Sin embargo, en condiciones de presión relativamente bajas, cerca de 1 torr, se genera un plasma luminiscente; La Te, puede ser tan alta como 50.000 ó 100.000 ºK y la Tp puede estar cerca de la temperatura ambiente. Estas condiciones, Te >> Tp,  son típicas de un plasma frío. Así, un choque inelástico electrón-molécula ocasiona cambios en la estructura molecular y conduce a la formación de nuevos productos.
Se han estudiado varias sustancias orgánicas sometiendo su fase de vapor a una descarga eléctrica. Los productos se han condensado en una trampa de aire líquido.(4)

Actualmente en el laboratorio de plasma química y nanomateriales del IVIC se están ensayando reactores para estudiar la oxidación de compuestos orgánicos que tengan una tensión de vapor muy baja. Esto facilita el ataque del oxigeno atómico, O3P, al sustrato líquido creando nuevas rutas de  síntesis, en un solo paso, para obtener compuestos oxigenados de un elevado valor agregado en la industria petroquímica.

Se aprovecha el hecho que las sustancias que se estudian tienen una tensión de vapor muy baja y por consiguiente las reacciones en fase gaseosa son despreciables. Sin embargo, las condiciones experimentales  limitan las posibilidades de escalación de los procesos que se pudieran encontrar.

Para aplicaciones a gran escala es necesario que se vaya desarrollando una tecnología en la cual los plasmas operen a presión atmosférica y al mismo tiempo sean fríos, es decir fuera del equilibrio térmico.

Actualmente se están abriendo nuevas vías para generar plasma fríos a  presión atmosférica. Los reactores se están aplicando con éxito en un tópico emergente que se ha denominado Plasma Medicina.