102.- Fiebre hemorrágica venezolana endemia viral de los llanos centroccidentales
110.- Cerca del 50% de los pacientes con glaucoma desconocen que lo padecen

I.- Breve historia

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.

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Figura 1. Visualización de un plasma a escala de laboratorio. Centro de Química IVIC.

II.- Plasma Medicina

La aplicación en medicina del calor y de las temperaturas elevadas para esterilizar herramientas y cauterizar las heridas, ha sido una práctica que se encuentra documentada desde el tiempo de los guerreros hititas.
El procedimiento se fundamentaba en acercar a la herida un objeto metálico caliente. A pesar de la habilidad del médico que se encargaba de la operación, en la mayoría de los casos la piel quedaba pegada al metal y la herida se regeneraba otra vez.

Un plasma de argón o de aire es tan caliente o más que el metal empleado en la cauterización, con las ventajas de que se puede emplear en todas las operaciones conocidas y elimina la posibilidad de que el tejido quede pegado al utensilio. Las ventajas son aún más evidentes con los plasmas fríos. La pluma a la salida de la boquilla de la antorcha o micro antorcha, se puede orientar con precisión sobre el tejido que se desea curar, sin efectos térmicos apreciables sobre los otros tejidos situados en las adyacencias del tejido dañado.

La pluma del plasma se puede orientar sobre la muestra de dos maneras distintas: una manera se conoce como arco transferido y otra como arco no transferido.

Figura 2. Modelo de una fuente de plasma adecuada para aplicaciones terapéuticas. Plasma JET  (Dibujo Modificado de X. Lu et al 2012)

Cuando el plasma se opera en la modalidad de arco transferido la piel es un electrodo y la corriente pasa por la piel. Las fuentes de poder que se utilizan contienen  electrodos recubierto con un dieléctrico. Cuando en cambio el plasma opera en la modalidad de arco no transferido, la pluma del plasma se genera entre dos electrodos y es transferida al área de aplicación. Las plumas pueden ser tan finas como una aguja o tan grande como una antorcha; el tamaño depende de la aplicación: es una aguja para tratar dientes por ejemplo y es una antorcha para destruir basuras comunales.

Hay otro montaje que es una mezcla de las dos anteriores y se conoce como descarga hibrida o descarga corona con dieléctrico. Sea cual fuera el montaje, si el gas del plasma es aire, las especies activas mayoritaria de la pluma son el ozono, O3, el óxido nitroso, N2O, el óxido nítrico, NO, el radical OH, la radiación UV y especies ionizadas; se forma, por así decirlo, un cóctel químico para aplicaciones biomédicas.

No existen restricciones específicas para el empleo de los plasmas en medicina. Las restricciones sobre la corriente son las mismas que los organismos aplican para la salud humana. La radiación UV y la naturaleza no tóxica de los productos que van a la atmósfera están igualmente sometidos al reglamento sanitario.
En el tratamiento con los plasmas directos, un flujo significante de cargas llega al tejido vivo. Estas cargas son en general electrones e iones negativos y positivos.
A diferencia de los plasmas directos, los plasmas indirectos e híbridos contienen más  moléculas y átomos neutros que partículas con cargas.

En los tratamientos se prefieren los plasmas directos por ser más flexibles y fáciles de dirigir al punto que se quiere tratar. En algunos casos sin embargo, se emplean los indirectos o los híbridos, especialmente cuando es necesario que la pluma se deba colocar a una distancia respetable de la superficie sobre la cual se va a aplicar. Las tres  modalidades se aplican en el campo de la plasma medicina. Esta es una nueva área o una recién llegada al campo tradicional de la plasma química que no solo se está expandiendo en el campo de la investigación científica sino que está teniendo un éxito sin precedentes en biología, microbiología, odontología, oncología y en varios campos más de la medicina.(5)

II. a.- Algunas aplicaciones de los plasmas en medicina

La descarga directa se genera entre dos electrodos. Uno de ellos es el tejido vivo y el otro es una superficie de cuarzo recubierta con un dieléctrico adecuado, (DBD). El voltaje que se aplica es del orden de 10 a 40 KV (kilo voltios). La corriente debe ser tan baja como sea posible para evitar que el tejido sufra cualquier tipo de lesión. En general se emplean potencias entre 4 y 10 vatios.

El plasma contiene cargas eléctricas transportadas por iones y electrones, luego la corriente pasa por la piel. La resistencia natural de la piel seca es de aproximadamente 10 kΩ. Esto indica que la  corriente es prácticamente despreciable. Sea cual fuera el montaje, la corriente no pasa de algunos miliamperios. Una vía para asegurar que no se produzcan lesiones en los tejidos vivos ha sido la creación del electrodo flotante. Es un montaje que funciona en el modo de pulso de 30 a 100 nano segundos de duración.(6)

En una mezcla de bacterias de estafilococos, estreptococos y levaduras, la población se ha reducido casi un millón de veces en menos de 5 segundos. Algo parecido ha ocurrido con la flora de la piel de un cadáver. Estos resultados abren nuevas posibilidades de aplicación en tratamientos preoperatorios, en la esterilización de catéteres, esterilización de heridas y quemaduras y en el tratamiento de órganos internos en gastroenterología.
Una modificación importante del equipo ha sido la de recubrir el electrodo  con un dieléctrico resistivo. Este cambio ha permitido  que el equipo funcionara tanto en el modo de corriente directa (DC) como alterna (AC). Empleando helio con trazas de oxigeno, el plasma no solo esteriliza sino que actúa en los cambios metabólicos de los organismos vivos. Estos resultados ha conducido a una pregunta inmediata: ¿Pueden mutar las bacterias que se tratan y ser luego resistentes al plasma? En principio se piensa que la energía asociada a las partículas de la pluma fría del plasma elimina cualquier posibilidad y probabilidad de que se verifiquen mutaciones.

Otro equipo que se emplea en la curación de las heridas, regeneración de tejidos y coagulación de la sangre, es el PLAZON; un generador de plasma que opera con corriente directa (CD). El aire entre al reactor mediante un micro compresor, situado en el mismo reactor, y pasa a la zona de arco donde se forma el plasma que sale por la boquilla cuya configuración es distinta para cada aplicación médica.

El gas de la pluma se enfría rápidamente mediante un sistema cuyo diseño permite tener un flujo rico en oxido de nitrógeno (NO). La razón de tener a disposición un plasma rico en (NO) radica en que esta molécula es importante en una vasta gama de funciones biológicas. Por ejemplo, regula los vasos sanguíneos y la coagulación de la sangre, actúa sobre el sistema inmunológico, relaja los músculos bronquiales y gastrointestinales, genera defensas antitumorales etc.

Para concluir se puede indicar que los plasmas en medicina se aplican con buena eficiencia en varios tópicos (Figura 3), algunos de los cuales se detallan a  continuación:

  1. Higiene del hospital. La bacteria MRSA es resistente a antibióticos como la meticilina y puede afectar la piel, la sangre y los pulmones.
  2. Tratamiento antimicóticos. El pie de atleta o tinea pedís es un infección micótica producida por hongos que se alimentan de la queratina.
  3. Cuidado dental. Más del 23% de la gente mayor de 65 años y un 73% de las mujeres embarazadas sufren de infecciones periodontales. La pluma del plasma penetra en aberturas microscópicas entre el diente y la encía.
  4. Enfermedades de la piel. Se conocen más de 1.000 enfermedades de piel; entre ellas se encuentra la dermatitis acneiforme, una inflamación crónica de la unidad policebacea de la cara y de la parte superior del tórax; los melanocitos malignos que pueden producir cáncer; las  afecciones vasculares; afección pruriginosa de la piel. Los plasmas no son muy efectivos en estos casos, pero se espera que en un futuro puedan dispensar dragas moleculares que sean efectivas para los tratamientos.
  5. Enfermedades crónicas. Cerca del 1% de la población de los países desarrollados sufren de enfermedades crónicas tales como las enfermedades venosas, arteriales, diabetes mellitus, pioderma gangrenosa, carcinoma etc. Los plasmas puedan ayudar mucho en este campo eliminando las bacterias y las infecciones por hongos.
  6. Cosméticos. Se están haciendo investigaciones relacionadas con la reconstrucción de tejidos dañados por el uso de cosméticos y para rejuvenecer las células de la piel.  Los plasmas de nitrógeno están dando buenos resultados. Los dientes se blanquean produciendo in situ el peróxido de hidrógeno.

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Figura 3. Algunas aplicaciones importantes de la tecnología plasma en medicina.

Un comentario final

El cuerpo humano contiene cerca de 1,5 Kg de bacterias, cerca de 100 trillones de microbios; un porcentaje pequeño reside en nuestra piel. La mayoría de estas bacterias no son patógenas y se conocen como organismos comensales. El plasma, como los antibióticos no diferencia entre bacteria buena y bacteria mala. Con la tecnología de la cual se dispone actualmente, se ha logrado reducir casi un millón de bacterias en pocos segundos; pero cada 20 minutos las bacterias crecen de nuevo. El resultado es parecido al que se obtiene con los antibióticos. Se espera que en un futuro el plasma sea más específico y pueda sustituir el uso de los antibióticos en el tratamiento de algunas patologías.

Referencias

  1. Mc Taggart F.K.  Plasma Chemistry in Electric Discharges. Elsevier, London, 1967.
  2. Wilks P.H. The survival of plasma Chemistry. IUPAC. Pure and Applied Chemistry, 39, Nº 3, 1974.
  3. Baddour R.F., Timmins R.S. The Application of Plasma to Chemical Processing. The M.I.T. Press 1967.
  4. Suhr H., Application of non-equilibrium plasmas to Orgánic Chemistry in Techniques and Applications of Plasma Chemistry. Edited by John R. Hollahan and Alexis T.Bell.  John Wiley and sons, New York, 1974.
  5. Wertheimer M. R., Coulomb S.. La physique au Canada / Vol. 68, No. 4 (2012).
  6. Weltmann K. D.   Kindel E., Von Woedtke T., Hähnel M., Stieber M. , Brandenburg R. Pure Appl. Chem.,  82, 6, 1223–1237, (2010).
  7. Lu X. Laroussi M., Puech V., On atmospheric-pressure non-equilibrium plasma jets and plasma bullets Plasma Sources Sci. Technol. 21-034005 doi: 10.1088 / 0963 0252/21/3/034005, (2012).
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Ángela B. Sifontes

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