Diponegoro University
Plasma untuk Aplikasi Biomedis Aplikasi Radiasi Al Basyid
Chapter 1 Pengenalan Umum Plasma
Plasma merupakan gas yang terionisasi mengandung ion, radikal beba bebas s dan dan elek elektr tron on.. Plas Plasma ma pada pada umum umumny nya a mema memanc ncar arka kan n cahaya cahaya UV, suhu elektron elektronnya nya di atas 10.000 K, suhu partikel partikel netral dan ion sangat tergantung pada jenis plasma dan dapat bervariasi dari suhu kamar sampai 107 K. Plasma kadang disebut sebag ebagai ai fas fase kee eemp mpat at dar dari mater ateri. i. Co Cont nto oh plasm lasma a adal adalah ah matahari. Kadang-kadang api lilin juga dianggap plasma, namun konse onsent ntra rasi si ionn ionnya ya renda endah. h. Sala Salah h satu satu ka kara rakt kter eris isti tik k plas plasma ma adalah aktivitas kimia, dimana plasma mengandung radikal dan mater aterii
lain lain
yag
rea eakt ktif if..
Pla Plasma sma
dapat apat
dibu ibuat
di
bumi, umi,
laboratorium dan di dalam ruang vakum pada tekanan rendah. Berdasarkan suhu relatif dari elektron, ion, dan netral, plasma diklas diklasifi ifika kasik sikan an sebaga sebagaii "term "termal" al" atau atau "non-t "non-ter ermal mal". ". Therm Thermal al plasma plasma memilik memilikii elektr elektron on dan partik partikel el berat berat pada pada suhu suhu yang yang sama sama,, yait yaitu, u, mer merek eka a bera berada da dala dalam m keset esetim imba bang ngan an ter termal mal dengan satu sama lain. Non-termal plasma di sisi lain memiliki ion dan netral pada temperatur yang jauh lebih rendah (biasanya suhu kamar), sedangkan elektron jauh "panas". Padat Gas Plasma Cair
Gambar. 1.1 Perubahan fase materi
Sebuah plasma kadang-kadang disebut sebagai "hot" jika hampir sepenuhnya terionisasi, atau "dingin" jika hanya sebagian kecil (misalnya 1%) dari molekul gas terionisasi, namun definisi lain
dari istilah "plasma panas" dan "plasma dingin" yang umum. Bahkan dalam plasma "dingin", suhu elektron masih biasanya beberapa
ribu
derajat
Celcius.
Plasma
digunakan
dalam
"teknologi plasma" ("plasma teknologi") biasanya dingin dalam arti bahwa hanya sebagian terionisasi.
kecil dari
molekul gas yang
Chapter 2 Pembangkitan Plasma dalam Biomedis Plasma adalah gas (sebagian) terionisasi, yang berisi pembawa muatan bebas (elektron dan ion), radikal aktif dan molekul yang reaktif. Dalam dua dekade terakhir non-thermal plasma telah membuat revolusioner penampilan dalam teknologi pengolahan solid state. Fokus tren terbaru untuk menggunakan plasma dalam perawatan kesehatan untuk "pengolahan" peralatan medis dan bahkan jaringan hidup. Tujuan utama dari pengobatan jaringan dengan plasma adalah operasi tanpa kerusakan dan terkendali serta dengan presisi yang tinggi. Selain itu, plasma memungkinkan sterilisasi dengan cepat dan efisien, seehingga cocok untuk sterilisasi alat-alat bedah dan desinfektan.
Plasma Non Thermal (Plasma Dingin)
Plasma adalah gas terionisasi media. Sifat yang unik hasil dari kehadiran dari pembawa muatan bebas, elektron dan ion, sebagian besar materi di alam semesta merupakan keadaan yang terionisasi, benda besar seperti bintang atau planet nebula yang tidak lain sangat padat berwujud plasma. Plasma dapat dibuat dalam beberapa cara, misalnya dengan sinar laser. Biasanya, keluarnya gas adalah diinduksi elektrik, dengan menerapkan tegangan untuk satu set elektroda. Dalam hal ini hanya dikenakan spesies (elektron dan ion) dapat memperoleh energi dari listrik, plasma yang dihasilkan oleh listrik dibagi dalam, •
direct current (DC) discharges
•
pulsed DC discharges
•
alternating current (AC)
•
radio frequency (RF) discharges
•
microwave discharges.
Pembuangan RF dapat dibagi di induktif dan konfigurasi capacitively digabungkan. Skema umum dari debit capacitively digabungkan RF digambarkan pada Gambar 2.1. Jarum plasma, yang digunakan dalam penelitian ini, adalah plasma capacitively digabungkan RF dalam unipolar konfigurasi. Lingkungan sekitarnya bertindak sebagai counter-elektroda.
Gambar 2.1. Skema dari RF kapasitif
Dalam
persepsi
memancarkan
umum,
plasma
adalah
gas
panas
cahaya dan menghantarkan listrik
yang
Memang,
plasma sering mengandung elektron energik (pada 3 eV atau lebih tinggi) bahwa dalam transfer gilirannya mereka energi untuk molekul netral dan menggairahkan memancar transisi. Namun, tidak semua Plasmas panas. Elektron Kecil dan ringan tidak dapat memanaskan molekul besar dan berat yang sangat efisien, sehingga dalam banyak kasus gas latar belakang tetap pada atau dekat dengan suhu kamar. Dalam non-ekuilibrium sistem (sering disebut non-thermal plasma), plasma kompleks kimia
didorong
oleh elektron.
Mereka
melakukan ionisasi,
diperlukan untuk mempertahankan plasma; di samping itu, mereka bertanggung jawab untuk eksitasi atom / molekul, pemisahan dan produksi "eksotis" spesies. Hasilnya adalah
media gas aktif yang dapat digunakan secara aman tanpa kerusakan termal ke sekitarnya. Seperti biasa non-ekuilibrium kimia merupakan dasar dari aplikasi plasma dalam teknologi pencahayaan, gas buang pengobatan dan pengolahan bahan.
Ada beberapa metode untuk menghasilkan non-thermal plasma. Ketika partikel bermuatan dalam minoritas, pemanasan molekul netral terbatas. Dengan demikian, plasma menyebar di mana fraksi spesies terionisasi di bawah 0,1%, biasanya non-termal. Situasi ini mudah dicapai di bawah tekanan berkurang, di kisaran 10 sampai 1000 Pa dan tekanan rendah ganda: dalam peristiwa ionisasi gas dijernihkan langka, yang menjaga densitas muatan rendah. Selain itu, frekuensi tabrakan elastis antara elektron dan atom / molekul rendah, sehingga elektron tidak memiliki banyak kesempatan
untuk
menyampaikan energi mereka
ke
gas.
Tekanan rendah plasma adalah nilai yang besar dalam penelitian fundamental serta teknologi plasma, tetapi mereka memiliki kelemahan serius. Plasma ini harus dibatasi dalam reaktor vakum besar, operasi mereka mahal, dan akses untuk pengobatan pengamatan atau sampel terbatas. Oleh karena itu, salah satu tren baru-baru ini berfokus pada pengembangan sumber plasma baru,
yang
beroperasi
pada
tekanan
atmosfer,
tetapi
mempertahankan sifat-sifat pada tekanan rendah.
Sebuah
"biokompatibel"
plasma
sumber:
isu-isu
keselamatan
Apa yang dimaksud dengan "bio-kompatibel" plasma? Ini sangat tergantung pada apa yang diharapkan dari plasma pengobatan. Namun umumnya, semua orang setuju bahwa kerusakan pada organisme hidup harus dihindari atau setidaknya diminimalkan.
Hal ini menyebabkan cukup banyak pembatasan plasma sumber, khususnya pada sifat termal dan listrik dan aktivitas kimia (toksisitas). Sebelum masuk ke rincian tentang kemungkinan dan konsekuensi dari in vivo plasma pengobatan, beberapa fitur dasar
plasma
atmosfer
harus
diuraikan,
dan
persyaratan
keselamatan yang diperlukan akan dibahas. Thermal sifat nonekuilibrium plasma Sebagaimana dinyatakan di atas, nonekuilibrium plasma sering disebut sebagai non-termal. Dalam plasma, suhu elektron dapat 100 sampai 1000 kali lebih tinggi dari tem-gas netral perature. Tapi apakah suhu gas selalu cukup rendah untuk sepenuhnya menghilangkan kerusakan termal?
Sebagai contoh, peningkatan suhu hanya 2,2 0 C dalam pulpa gigi tidak hanya menyebabkan rasa sakit, tetapi juga nekrosis pulpa parsial.
Sebaliknya,
jaringan
seperti
kulit
dapat
menahan
temperatur elevasi sampai 60 0 C atau lebih selama beberapa detik tanpa kerusakan besar. Tergantung pada efek yang diinginkan dari pengobatan plasma, kontrol ketat dari suhu gas dalam plasma, dan suhu permukaan dari jaringan terkena mungkin diperlukan. Dalam non- spesifik pengobatan, seperti pembakaran dan koagulasi luka (lihat bagian 2.2 tentang in vivo pengobatan), pemanasan jaringan merupakan bagian dari terapi. Untuk ini, plasma tujuan panas digunakan, dan suhu tidak begitu penting asalkan tidak ada karbonisasi atau dalam kerusakan. Dalam
aplikasi
devitalization
lain,
jaringan,
seperti Suhu
pengobatan merupakan
khusus
masalah
tanpa penting.
Jaringan dapat menghangat hingga paling beberapa derajat di atas suhu lingkungan, dan waktu pengobatan harus dibatasi hingga beberapa menit.
Gambar 2.2 Plasma dari jarum plasma berekspansi pada kulit.
Ada
banyak
teknik
untuk
penentuan
plasma
dan
permukaan.
suhu di
sebagian besar plasma pekerjaan fisik, pengukuran spektroskopi intensitas relatif rotation band (suhu rotasi) adalah metode yang populer
untuk
menentukan
temperatur
gas.
Sayangnya,
akurasinya terbatas, pada suhu rendah (mendekati suhu kamar) kesalahan dalam kasus terbaik dari urutan sepuluh derajat.
Kelistrikan dan Plasma
Gas dan listrik debit yang pasti ditambah. Pada tekanan atmosfer, tegangan breakdown mungkin cukup tinggi: dari beberapa ratus Volt bahkan sampai 10 kV, tergantung pada jenis debit (DC, RF, microwave), elektroda kesenjangan dan komposisi gas. Demikian medan listrik yang tinggi yang pasti soal
kepedulian
terhadap
kesehatan
pasien:
mereka
dapat
berinteraksi dengan sistem saraf, mengganggu detak jantung, dan menyebabkan kerusakan pada sel-sel individual.
Jelas, listrik tidak menimbulkan bahaya, petir mungkin yang paling mengagumkan dan manifestasi menakutkan. Namun, sebagian besar dari fenomena listrik yang biasa ditemui percikan dalam udara kering, guncangan yang dialami setelah menyentuh beberapa permukaan, pengisian rambut dan pakaian yang jauh tidak begitu merusak. Namun listrik tegangan yang menginduksi seperti fenomena mungkin cukup tinggi, misalnya, percikan api yang dihasilkan ketika lokal Kekuatan lapangan sekitar 3x106 m V. Alasan untuk tidak menyakiti mereka terletak pada sangat rendah listrik arus dan disipasi daya rendah akibatnya. Dengan demikian,
seseorang
dapat
menyatakan
ragu-ragu
bahwa
kerusakan yang berhubungan dengan kekuatan (terlalu tinggi) listrik daripada tegangan atau kekuatan lapangan.
Chapter 3 Aplikasi Plasma dalam Biomedis
Plasma merupakan sumber yang kaya radikal dan ion aktif. Radikal bebas mendapatkan tempat yang buruk dalam bidang biologi
dan
kedokteran,
karena
kemampuan
mereka
menyebabkan kerusakan sel yang parah. Terutama ROS (reactive oxygen species) yang dikenal sebagai perusak jaringan tubuh. ROS terdiri dari radikal seperti O, OH dan HO2, anion peroksida O2 dan HO 2, ozon dan hidrogen peroksida. Jenis ini mudah dibuat dalam udara dan air (misalnya, karena radiasi), dan dapat hidup cukup lama untuk mencapai sel dan menyerang bahan organik. Ketika tingkat ROS dalam tubuh menjadi terlalu tinggi, berbagai jenis kerusakan terjadi, dikenal dengan nama umum dari oksidatif. Namun, plasma dapat digunakan untuk aplikasi biomedis karena sifatnya yang reaktif, berikut kelebihan plasma untuk pengobatan, Kelebihan dari pengobatan plasma •
•
•
Mengubah sifat permukaan material tanpa mempengaruhi sifat dasar bahan mengubah permukaan secara terkendali dapat dugunakan pada permukaan yang sangat tipis (thin film)
•
bersifat amah lingkungan
•
tidak memerlukan air dan zat kimia
•
meminimalkan efeki degradasi thermal
•
penyembuhan berlangsung cepat
Perubahan yang dilakukan oleh plasma pada bahan atau materi •
Sifat permukaan
•
Stuktur kimia
•
Konduktivitas bahan
Interaksi plasma dengan bahan
Plasma berinteraksi dengan bahan atau material makluk hidup dengan mengubah beberapa gugus fungsi, Aplikasi Plasma, Biomaterial •
Biomaterial Bahan yang layak digunakan dalam perangkat biomedis dimaksudkan untuk berinteraksi dengan sistem biologi atau makhluk hidup
•
Biokompatibilitas kemampuan bahan untuk melakukan dengan respon inang yang tepat dalam aplikasi tertentu.
•
Blood Compatibility
Sebuah turunan dari biokompatibilitas, fungsi kompleks banyak parameter termasuk karakteristik dari bahan, darah dan waktu. Aplikasi Pada Polimer
Polimer didefinisikan sebagai substansi yang terdiri dari molekulmolekul yang menyertakan rangkaian satu atau lebih dari satu unit monomer. Polimer atau kadang-kadang disebut sebagai makromolekul,
adalah molekul besar
yang dibangun oleh
pengulangan
kesatuan
kimia
yang
kecil
dan
sederhana.
Kesatuan-kesatuan berulang itu setara dengan monomer, yaitu bahan dasar pembuat sel. Akibatnya molekul-molekul polimer umumnya mempunyai
massa molekul yang sangat besar.
Sebagai contoh, polimer poli (feniletena) mempunyai harga ratarata
massa
molekul
menyebabkan
polimer
mendekati tinggi
300.000.
Hal
memperlihatkan
ini
sifat
yang sangat
berbeda dari polimer bermassa molekul rendah, sekalipun susunan kedua jenis polimer itu sama. Klasifikasi Polimer Senyawa-senyawa polimer didapatkan dengan dua cara, yaitu yang berasal dari alam (polimer alam) dan di polimer yang sengaja dibuat oleh manusia (polimer sintetis). Polimer yang sudah ada dialam (polimer alam), seperti : 1. Amilum dalam beras, jagung dan kentang 2. Selulosa dalam kayu 3. Protein terdapat dalam daging 4. Karet alam diperoleh dari getah atau lateks pohon karet Karet alam merupakan polimer dari senyawa hidrokarbon, yaitu 2-metil-1,3 butadiena (isoprena). Ada juga polimer yang dibuat dari bahan baku kimia disebut polimer sintetis seperti polyetena, polipropilena, poly vynil chlorida (PVC), dan nylon. Kebanyakan polimer ini sebagai plastik yang digunakan untuk berbagai keperluan baik untuk rumah tangga, industri, atau mainan anak-anak. Reaksi Polimerisasi Reaksi
polimerisasi
adalah
reaksi
penggabungan
molekul-molekul
kecil
(monomer) yang membentuk molekul yang besar. Ada dua jenis reaksi polimerisasi, yaitu : polimerisasi adisi dan polimerisasi kondensasi. Polimerisasi Adisi Polimerisasi ini terjadi pada monomer yang mempunyai ikatan tak jenuh (ikatan rangkap dengan melakukan reaksi dengan cara membuka ikatan rangkap (reaksi adisi) dan menghasilkan senyawa polimer dengan ikatan jenuh. Mekanisme reaksi :
Atau dapat dituliskan :
Pembentukan Polietena (sintesis) Polietena merupakan plastik yang dibuat secara sintesis dari monomer etena (C2H4) menurut reaksi adisi berikut :
Pembentukan Poli-isoprena (alami) Poli-isoprena merupakan karet alam dengan monomer 2-metil-1,3 butadiena. Reaksi yang terjadi dengan membuka salah satu ikatan rangkap dan ikatan rangkap yang lainnya berpindah, menurut reaksi adisi :
Fungsi pelapisan pada biomaterial •
Pelapisan anti bakteri
•
Mengatur reaksi obat
•
Micropatterning
•
Penyerapan protein pada permukaan bahan
Aplikasi polimer dalam bidang biomedis
Polimer
Aplikasi polimer
Polyethylene
Berbagai tabung untuk kateter, sendi panggul, lutut dan sendi prostesis
Polypropylene
Bahan jahitan, hemodialisis, darah tas transfusi
PolyTetrafluroethylene
Prostheses pembuluh darah dan pendengaran, kateter
Polyacetals
Pengganti jaringan keras
Mengapa
plasma digunakan
dalam
pengobatan
atau
aplikasi biomedis? •
•
Tidak banyak mengubah sifat permukaan Sifat permukaan dapat mempengaruhi ikatan antar sel
•
RF plasma dapat mengubah sifat permukaan bahan tanpa mempengaruhi sifat asli bahan
•
Halus, dapat digunakan pada lapisan tipis
•
Dapat digunakan untuk mengatur atau mengubah sifat permukaan bahan
Pelapisan anti bakteri •
Kepatuhan bakteri ke permukaan-hasil polimer dalam pembentukan biofilm
•
Biofilm
- tahan terhadap antibiotik membuat infeksi
perangkat terkait sulit untuk mengobati dan memerlukan penghapusan dan penggantian perangkat yang terinfeksi •
Zat antibakteri dilapisi polimer medis untuk mencegah pembentukan biofilm
•
Permukaan pengobatan mencegah adhesi awal bakteri ke permukaan polimer atau membunuh bakteri ketika mereka datang dalam bersentuhan dengan permukaan
•
Silver ions - membawa antimikroba baik, anti-inflamasi dan
meningkatkan tingkat penyembuhan •
Permukaan
sifat
mempengaruhi
perekatan
bakteri-
hidrofobik, komposisi, sifat mekanis dan morfologi •
Metallic and ionic silver - dimasukkan ke dalam beberapa
bahan bioaktif
seperti
polyurethane,
hidroksiapatit, dan
kaca
Plasma untuk aplikasi tertentu dalam Biomedis •
Orthopedic implants
•
bioseparation
•
Plasma sterilisasi
•
biosensor
•
Ophthalmology
•
Cardiac implants
Orthopedic implants
Setiap
bahan
yang
memiliki
sifat
mekanik
yang
disyaratkan dan biokompatibilitas (tidak asing bagi sel hidup) dengan tulang yang akan digunakan dalam penggantian tulang
Implan dibuat menggunakan paduan titanium untuk kekuatan dan dilapisi dengan polimer yang bertindak sebagai tulang rawan buatan
Masa pemakaian selama 10-15 tahun
Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE) dan polytetrafluoroethylene (PTFE) digunakan untuk mengganti bagian tulang socket
UHMWPE, digunakan dalam bedah penggantian tulang rawan yang rusak total atau gabungan dan pada sendi yang sakit
Polyurethane, dipakai dalam sendi tulang karena tahan aus, abrasi, dan korosi
Cardiac implants
Jantung buatan merupakan prostheses untuk menggantikan fungsi jantung biologis. Jantung buatan tersusun atas pintas jantung-paru, yang bekerja di luar tubuh manusia. Jantung buatan dapat menimbulkan masalah fungsi menahun. Dengan implantasi itu sebenarnya jantung terpisah. Beberapa bahan yang digunakan dalam pembuatan jantung buatan,
Polymers dalam cardiac implants, merupakan bahan utama dalam pembuatan jantung buatans
Non-biodegradable
berasal
dari
bahan
polymers-
polyurethane, silicone rubber, ethylene vinyl acetate
Biodegradable polymers-poly(glycoliclactic acid), and high molecular weight polyanhydride
Berikut ilustrasi dari jantung buatan, tipe Jarvik 2000,
Dental implants
Dental
implants
memanfaatkan
atau
teknologi
disebut
juga
bioplasma,
gigi
buatan
juga
Polymethylmethacrylate
(PMMA) merupakan bahan digunakan dalam implan gigi sebagai bahan utama gigi tiruan tetap atau permanen, gigi tiruan yang dapat dilepas, gigi anterior dan gigi untuk kecantikan. Bio-separation
Bioseparation adalah proses pemisahan komponen dengan melewatkan larutan campuran melalui kolom penyerap dan saringan biopori, sehingga setiap komponen diserap pada bagian permukaan yang berbeda. Proses ini digunakan untuk pemurnian protein, bahan kimia dan bio-bahan kimia yang digunakan dalam pembuatan produk farmasi dan makanan, untuk pemurnian air, dan untuk lainnya bio-kimia proses.
Membran yang digunakan untuk aplikasi biomedis harus memiliki ion tinggi / permeabilitas terlarut, kompatibilitas darah, stabilitas mekanik dan stabilitas dimensi pada pembengkakan. Membran komposit hidrofilik terdiri dari polimer asam akrilat dan polypropylene berpori dengan permeabilitas ion tinggi dan stabilitas dimensi yang dikembangkan oleh teknik jaringan plasma saling meresap dalam polimer. Ophthalmology Ophthalmology merupakan
cabang
ilmu
kedokteran
yang
berhubungan dengan fisiologi, anatomi dan penyakit mata. Ophthalmology banyak memanfaatkan bahan plasma antara lain
pada pembuatan lensa kontak. Plasma Sterilization Plasma
Sterilization
merupakan
proses
srerilisasi
dengan
menggunakan plasma. Teknik ini dipakai dalam bidang ndustri yang rentan terhadap kontaminasi seperti medis, farmasi dan makanan. Plasma sterilization dapat membersihkan kontaminasi dari semua jenis mikroorganisme seperti jamur, spora, bakteri dan virus. Persyaratan yang diharuskan dalam sterilisasi dengan plasma ini antara lain, •
Efisiensi tinggi
•
Tidak bersifat racun
•
Tidak membutuhkan waktu lama
•
Tidak merusak bahan
•
Dapat diaplikasikan pada banyak jenis material atau bahan
Referensi 1. E.
M.
van
Veldhuizen.
Electrical
discharges
for
environmental purposes: Fundamentals and applications.
NOVA Science Publishers, Inc., Huntington, New York, 1999. 2. E. Stoffels, A. J. Flikweert, W. W. Sto®els, and G. M. W.
Kroesen. Plasma needle: a non- destructive atmospheric plasma source for fine surface treatment of (bio)materials. Plasma Sources Sci. Technol., 4: 383-388, 2002. 3. I. S. Marshak. Pulsed Light Sources. New York Consultants
Bureau, New York, 1984. 4. J.
Reece Roth. Industrial Plasma Engineering, vol 2:
Applications
to
nonthermal
plasma
processing.
IOP
Publishing Ltd, Cornwall, UK, 2001. 5. R. Hippler, S. Pfau, and M. Schmidt. Low temperature
plasma physics: fundamental aspects and applications.
Wiley VCH, Berlin, 2001. 6. R. Hippler, S. Pfau, and M. Schmidt. Low temperature
plasma physics: fundamental aspects and applications.
Wiley VCH, Berlin, 2001. 7. T. J. M. Boyd and J. J. Sanderson. The physics of plasmas.
Cambridge University press, Cambridge, 2003. 8. W.
Nicholas
and G. Hitchon.
Plasma
processes
for
semiconductor fabrication. Cambridge University Press,
Cambridge; New York, 1999. 9. Y. P. Raizer, M. N. Schneider, and N. A. Yatsenko. Radio-
Frequency Capacitive Discharges. CRC Press, Boca Raton,
Florida, 1995. 10. Y. P. Raizer. Gas discharge physics. Springer, Berlin, 1991.
Website:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ophthalmology januari 2013
tanggal
akses
1
http://www.cs.purdue.edu/research/cse/softlab/softlabvlabs/softbiolab/bioseparation/physical-lab-bio.html
tanggal
akses 1 januari 2013 http://www.eyecareamerica.org/eyecare/tmp/what-is-anophthalmologist.cfm tanggal akses 1 januari 2013 http://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_heart
tanggal
akses
januari 2013 http://www.jarvikheart.com tanggal akses 1 januari 2013
1
