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大气压非平衡等离子体射流在生物膜上的应用效果

时间:2023-11-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:通过脉冲高压使掺有药剂的气体产生等离子体,所用脉冲电压的幅值为8 kV,频率为8kHz,脉宽为1600ns。等离子体喷嘴末端距样本的间距为5mm。而使用药物增强型等离子体射流处理,无论是2min 还是5min,其灭活效率相比其他处理方式都是最优的,表明将抗菌药物与等离子体结合使用可以明显改善总体的抗菌效果。

大气压非平衡等离子体射流在生物膜上的应用效果

由前述结果可知,N-APPJ能够高效地灭活口腔内的各种细菌生物膜。而在实际临床应用中,往往还需采用多种医疗手段辅助治疗。例如,在口腔临床上,除了采用生理盐水进行冲洗,还会使用一些其他药物来加强消毒效果,例如采用洗必泰(CHX)等抗生素药物进行抗菌。由于上述药物对生物膜的穿透作用有限,而N-APPJ已证实具有很好的穿透细菌生物膜灭菌的能力,因此,本节将介绍使用等离子体与CHX 相结合的方式来实现灭菌的效果。

首先采用标准方法制备粪肠球菌悬液,通过分光光度计调整粪肠球菌悬液浓度为3×106 CFU/mL;然后从5名患有根尖周炎的志愿者的受感染单根牙齿的根管中收集混合菌群,混合在BHI中;之后按照标准步骤将细菌细胞浓度调整到3.0×107CFU/mL。

将无菌牛牙本质块(5mm×5mm×0.17mm)放入24 孔板内,其中一半用粪肠球菌感染,而另一半用人的根管感染混合菌群感染。将200μL 细菌悬液和1.8mL无菌BHI肉汤滴入到每个孔中,在37 ℃厌氧条件下分别培养一周和三周,隔天换液。培养完毕除去孔板中多余的肉汤,将长满生物膜的牛牙本质片用无菌盐水冲洗1min,除去未附着的细菌以及杂质后备用。

实验装置结构在2.2.1节的基础上加设了一个装有2% CHX 的药剂瓶,其中,CHX 溶液由浓度为20%的原液配制,并连接在气管上,如图2.3.17所示。通过脉冲高压使掺有药剂的气体产生等离子体,所用脉冲电压的幅值为8 kV,频率为8kHz,脉宽为1600ns。工作气体为He+1% O2,气体流量为1L/min。等离子体喷嘴末端距样本的间距为5mm。

图2.3.17 CHX N-APPJ发生装置示意图[71]

实验分为5组,分别进行2min和5min的处理。第一组由单独N-APPJ处理,第二组由2%CHX 改良的N-APPJ处理,第三组由掺2% CHX 的工作气体处理(无等离子体),第四组由2 mL2% CHX 处理,最后一组由2 mL 0.9% 生理盐水处理,每组单个实验条件重复三个样本。处理完毕,用生理盐水轻轻冲洗样品。

每个样品随机选取5个区域(每个区域0.3mm×0.3mm)使用CLSM 检测,并进行三维重建分析。每组进行30次观测,两种处理时间各观测15次。对于培养一周的生物膜扫描深度设置为15μm(步长为1μm,扫描15次),对于培养三周的生物膜扫描深度设置为50μm。通过SPSS统计软件进行随机多重比较,结合单因素方差分析检验组间差异,当P<0.05时认为结果具有统计学意义。

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图2.3.18 培养三周的生物膜的三维CLSM 图像[71]

(a)~(j)为粪肠球菌生物膜;(k)~(t)为多菌种混合生物膜;(a)和(k)为等离子体处理2min;(b)和(l)为等离子体处理5min;(c)和(m)为CHX N-APPJ处理2min;(d)和(n)为CHX N-APPJ处理5min;(e)和(o)为2%CHX+工作气体处理2min;(f)和(p)为2%CHX+工作气体处理5min;(g)和(q)为CHX 冲洗2min;(h)和(r)为CHX 冲洗5min;(i)和(s)为生理盐水处理2min;(j)和(t)为生理盐水处理5min

图2.3.18给出了牛牙本质块上生物膜的三维CLSM 图像,可以看出,培养一周和三周的细菌生物膜生长良好。其中处理组的死细胞(红色)比例从40%~80%不等,而对照组(第三组和第五组,分别为工作气体以及生理盐水处理)的死细胞比例仅为10%~13%。

图2.3.19为各个实验条件下细菌死亡的占比数据。随着时间的增加,生物膜中细菌死亡数目明显增加(P<0.05)。单独N-APPJ处理和CHX 处理之间的抗菌效率没有明显差异(P>0.05),这表明N-APPJ具有较好的灭活能力。而使用药物增强型等离子体射流处理,无论是2min 还是5min,其灭活效率相比其他处理方式都是最优的(54%~80%,P<0.05),表明将抗菌药物与等离子体结合使用可以明显改善总体的抗菌效果。此外,进一步计算表明,处理仅培养一周的生物膜死细胞数量要比培养三周的高出7%~14%,说明在生物膜形成早期处理将具有更好的治疗效果。

图2.3.19 杀菌处理2min和5min后生物膜中死细胞体积占比[71]

*处理时间之间的差异明显(P<0.05);†‡处理有明显的效果(P<0.05);§新老生物膜之间差异明显(P<0.05)

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