Chapter 1

Pengenalan Umum Plasma

Plasma merupakan gas yang terionisasi mengandung ion, radikal bebas dan

elektron. Plasma pada umumnya memancarkan cahaya UV, suhu elektronnya di

atas 10.000 K, suhu partikel netral dan ion sangat tergantung pada jenis plasma

dan dapat bervariasi dari suhu kamar sampai 107 K. Plasma kadang disebut

sebagai fase keempat dari materi. Contoh plasma adalah matahari. Kadang-

kadang api lilin juga dianggap plasma, namun konsentrasi ionnya rendah. Salah

satu karakteristik plasma adalah aktivitas kimia, dimana plasma mengandung

radikal dan materi lain yag reaktif. Plasma dapat dibuat di bumi, laboratorium dan

di dalam ruang vakum pada tekanan rendah.

Berdasarkan suhu relatif dari elektron, ion, dan netral, plasma diklasifikasikan

sebagai "termal" atau "non-termal". Thermal plasma memiliki elektron dan

partikel berat pada suhu yang sama, yaitu, mereka berada dalam kesetimbangan

termal 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".

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

kecil dari molekul gas yang terionisasi.

Plasma untuk Aplikasi BiomedisAplikasi Radiasi

Al Basyid

Diponegoro University

Cair PlasmaGas Padat

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 umum, plasma adalah gas panas yang memancarkan cahaya dan

menghantarkan listrik 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 non-

ekuilibrium plasma Sebagaimana dinyatakan di atas, non-ekuilibrium 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 2,20 C dalam pulpa gigi tidak hanya

menyebabkan rasa sakit, tetapi juga nekrosis pulpa parsial. Sebaliknya, jaringan

seperti kulit dapat menahan temperatur elevasi sampai 600 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 lain, seperti pengobatan khusus

tanpa devitalization jaringan, Suhu merupakan masalah 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 suhu permukaan. 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 molekul-molekul 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 rata-rata

massa molekul mendekati 300.000. Hal ini yang menyebabkan polimer tinggi

memperlihatkan sifat 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 polimerPolyethylene Berbagai tabung untuk kateter, sendi

panggul, lutut dan sendi prostesisPolypropylene Bahan jahitan, hemodialisis, darah tas

transfusiPolyTetrafluroethylene Prostheses pembuluh darah dan

pendengaran, kateterPolyacetals 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 seperti

polyurethane, hidroksiapatit, dan kaca bioaktif

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 atau disebut juga gigi buatan juga memanfaatkan teknologi

bioplasma, 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 tanggal akses 1 januari 2013

http://www.cs.purdue.edu/research/cse/softlab/softlab-vlabs/softbiolab/

bioseparation/physical-lab-bio.html tanggal akses 1 januari 2013

http://www.eyecareamerica.org/eyecare/tmp/what-is-an-ophthalmologist.cfm

tanggal akses 1 januari 2013

http://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_heart tanggal akses 1 januari 2013

http://www.jarvikheart.com tanggal akses 1 januari 2013