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
Top Related