Possibilities of use of arc-type discharge low-temperature air plasma of atmospheric pressure for burn wound treatment

Abstract


Results of experimental assessment of efficiency of use of low-temperature air plasma of the arc category of atmospheric pressure at treatment of burns of skin of the III degree in small laboratory animals are given. It is established that use of low-temperature air plasma of the arc-type discharge of atmospheric pressure allows to accelerate terms of final healing of wounds for 49% (p<0,05), to reduce development frequency in them purulent inflammation by 45,5% (p<0,01). Positive influence of air and plasma processing on dynamics of the area of a hem which after single influence by 35 days is reduced for 67% is revealed (p<0,01). The analysis of a histologic picture confirms acceleration of formation of an extracellular matrix and epitelization against the background of impact of an air and plasma stream on wounds. Processing of a wound of low-temperature air plasma of the arc category of atmospheric pressure after an early surgical escharotomy allows to form on a wound surface a so-called nanofilm of a layer the coagulated proteins of wound exudate and cellular fragments which has selective vapor permeability, reduces an rate of wounds pathogenic infection, prevents drying and as a result, allows to reduce the frequency of development of purulent complications and extent of zones of a secondary necrosis. Influence of a stream of low-temperature air plasma of the arc-type discharge of atmospheric pressure allows to optimize significantly processes of reparative regeneration in a zone of a deep burn of skin at a stage of preparation for their surgical treatment.

Введение. Удельный вес ожогового травматизма в Российской Федерации составляет около 3-4% от всех видов травм. Ежегодно в нашей стране около 400 тысяч людей подвергается воздействию терми- ческих, электрических или химических поражающих агентов, приводящих к формированию ожогов кожи различной локализации и глубины, треть из которых госпитализируется [2]. Оказание помощи данной категории пострадавших требует мультидисциплинарного подхода, реализу- емого с учетом патогенеза ожоговой болезни и осо- бенностей течения раневого процесса, характерного для данного вида повреждений [17]. Общепринятой как в нашей стране, так и за рубежом следует при- знать систему активного хирургического лечения тяжелообожженных [12]. Данный подход обладает рядом недостатков: относительно высокая частота лизиса аутодермотрансплантатов; неизбежность длительного этапного лечения и частых перевязок под наркозом; высокая частота местных и общих инфекционных осложнений; длительность реабили- тационного периода [1]. В арсенале хирурга, помимо традиционных спосо- бов восстановления кожного покрова пострадавших с ожогами, существует ряд методик воздействия на раны, основанных на различных физических факторах, к которым относятся ультрафиолетовое облучение, ультразвук, магнитно-лазерная терапия и др [7, 8, 11]. Они позволяют достичь антибактериального, проли- феративного эффекта, стимулировать капиллярный кровоток, улучшить микроциркуляцию и стимулиро- вать тканевой метаболизм [5]. Одной из перспективных физических методик воздействия на раневые поверхности признается применение плазмы, которая представляет собой ионизированный газ высокой температуры, состоя- щий из заряженных частиц, свободных электронов, ионов, химических радикалов, инфракрасного, уль- трафиолетового излучений [9]. Кроме температуры, электромагнитных полей, существенным фактором воздействия является способность компонентов плазмы повреждать структуру цитоплазматических мембран микроорганизмов и вирусов с поражением их системы жизнедеятельности [4]. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 171 Экспериментальные исследования В 90-х годах XX в. появились первые сообщения о результатах применения плазменного потока гелия для обработки ожогов. В частности, воздействие на раны с помощью разработанного устройства (ап- парат «СУПР-М») ускоряло процесс очищения ран и стимулировало процессы их регенерации, а также повышало частоту приживления аутодермотрансплан- татов [13]. В клинической практике для лечения ран и ожогов активно используется ряд плазменных генераторов как отечественного, так и зарубежного производства. К ним относятся аппараты «Плазон» и «Плазма» (РФ), «The J-Plasma System» (Соединенные Штаты Америки - США) и «Neoplas Tools» (Германия) [3, 6, 15-18, 20]. В первых двух лечебное воздействие осуществляется путем подвода к биологическим тканям газовых пото- ков атмосферного воздуха с оксидом азота («Плазон») и аргона («Плазма») различной температуры (от тем- пературы окружающей среды до 4000°С). В генера- торах плазмы зарубежных производителей компании «The J-Plasma System» (США) используется самый легкий из стабильных, благородных газов - гелий, который может быть ионизирован при очень низкой энергии. Гелиевый газ, проходящий через возбуж- денный электрод, формирует сфокусированный поток плазмы [15, 16]. Аналогом установки является аппарат компании «Neoplas Tools» (Германия), которая выпу- стила первый плазменный генератор, использующий аргон, сертифицированный Евросоюзом для лечения хронических ран и гнойных заболеваний кожи [20]. Перечисленные медицинские плазмогенераторы обладают рядом недостатков: ширина зоны охвата составляет от 2 до 10 мм и ограничена техническими характеристиками оборудования; для работы необ- ходимы дополнительные комплектующие, представ- ленные баллонами с инертными газами (аргон, гелий); при их работе невозможно обеспечить мгновенную коагуляцию микрососудов более 2-3 мм в диаметре и, как следствие, стойкий гемостаз. Перспективным для оптимизации процессов ре- паративной регенерации при раневом процессе при- знается применение низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления, ко- торая обладает комплексным эффектом (антимикроб- ный, гемостатический, пролиферативный). Рабочая температура генерируемой плазмы в разработанном нами ранее устройстве [15] колеблется в диапазоне ±50°C и не оказывает повреждающего действия на жизнеспособные ткани. Важной особенностью пред- ложенного аппарата является тот факт, что в качестве рабочего газа при генерации плазмы используется атмосферный воздух. Также эта методика способна обеспечивать достижение устойчивого гемостаза, при этом, в отличие от электро- или аргоноплазменной коагуляции, не происходит высокотемпературного повреждения окружающих тканей. Остановка кро- вотечения достигается за счет ускорения агрегации тромбоцитов и формирования фибринового сгустка. Обработка раневой поверхности плазменным факелом не только её стерилизует, но и предохраняет от микробного загрязнения из окружающей среды за счет формируемой нанопленки из тончайшего слоя коагулированного белка раневого экссудата. Материалы и методы. Экспериментальная ра- бота выполнена на 44 самцах крыс линии Wistar-Kyoto массой 230-250 гр. Общая продолжительность экс- перимента составила 40 суток. Все манипуляции с животными осуществляли под ингаляционным (эфир- ным) наркозом в асептических условиях. Ожоги кожи III степени воспроизводили по автор- ской методике (рационализаторское предложение № 14287/1 от 19.01.2016 г. Военно-медицинская академия). Спустя 60 мин после его воспроизведения выполняли некрэктомию до собственной фасции с последующей обработкой низкотемпературной воз- душной плазмой дугового разряда атмосферного давления и аппликацией средств местного лечения. Расстояние между источником пучка и раневой по- верхностью составляло 1,5-2 см (рис. 1). Рис. 1. Схема работы пучка низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления Генерацию плазмы осуществляли разработанным нами оригинальным устройством [15] (рис. 2). В на- стоящее время это единственный известный прибор с таким принципом работы. Методика может быть признана уникальной. Разработанный плазменный генератор с диаметром факела 100 мм позволяет совместить в себе непосредственное воздействие вещества плазмы на поверхность с терапевтическим эффектом окиси азота. Все животные были разделены на 4 группы (по 11 особей) с учетом выбора методики их местного лече- ния: 1-я группа (контроль) - без лечения, 2-я группа - влажно-высыхающие повязки с растворами анти- септиков, 3-я группа - повязки с многокомпонентной антибактериальной мазью левомеколь, 4-я группа - обработка послеоперационных ран низкотемпера- 172 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования турной воздушной плазмой дугового разряда атмос- ферного давления, формирование нанослоя пленки. Оценку эффективности анализируемых методик лечения ран проводили ежедневно. Выполняли ос- мотр ран, отмечали характер отделяемого, наличие и вид грануляций, фиксировали сроки отторжения струпа и заживления раневых поверхностей. Плани- метрически (методика Л.Н. Поповой [10]) определяли площадь раны и вычисляли индекс заживления по формуле: (S - Sn)×100 , S×T где S - площадь раны при предыдущем измерении, мм2 ; Sn - площадь раны при данном измерении, мм2; T - интервал между измерениями, сут. Отбор биоптатов для гистологического иссле- дования осуществляли на 2-е, 9-е, 15-е, 21-е, 35-е, 40-е сутки лечения. Парафиновые срезы окрашивали гематоксилином и эозином с последующим их иссле- дованием с помощью светооптической микроскопии. Обработка полученных результатов проводилась в соответствии с общепринятыми методами вариаци- онной статистики. Критерием достоверности считали величину p<0,05. Результаты и их обсуждение. Установлено, что исследуемые средства местного лечения обладали различным ранозаживляющим эффектом. Результаты сравнительной оценки сроков окончательного за- живления экспериментальных ран в зависимости от методики их лечения приведены в таблице 1. Таблица 1 Планиметрическая оценка процессов заживления ран в исследуемых группах животных За время эксперимента было зафиксировано 9 случа- ев развития гнойного воспаления различной степени выраженности. Наибольшая частота осложнений течения раневого процесса (54,5%) отмечена в 1-й группе. Во 2-й и 3-й группах аналогичный показатель составил 27,2 и 18,2% (p<0,05) соответственно. В 4-й группе был зафиксирован единичный эпизод развития гнойного воспаления (табл. 2). Таблица 2 Частота гнойных осложнений раневого процесса в исследуемых группах Группа Частота инфекционных осложнений, % 1-я 54,5±1,8 2-я 27,2±2,3* 3-я 18,2±1,2** 4-я 9%*** Примечание: * - различия по сравнению с 1-й группой; ** - по сравнению с 1-й и 2-й группами; *** - по сравнению с 1-й, 2-й и 3-й группами, p<0,05. Заживление экспериментальных ран у животных завершалось за счет их контракции и сопровожда- лось формированием рубца, сравнительный анализ площади которого к исходу 35 суток представлен в таблице 3. Таблица 3 Площадь рубца, сформировавшегося после заживления ран, в исследуемых группах Примечание: * - различия по сравнению с 1-й группой; ** - по сравнению с 1-й, 2-й и 3-й группами, p<0,05. Примечание: * - различия по сравнению с 1-й группой; ** - по сравнению с 1-й, 2-й и 3-й группами, p<0,05. Установлено, что при обработке ожоговых ран низкотемпературной воздушной плазмой дугового разряда атмосферного давления окончательное их за- живление наступает на 18-е сутки, что на 49% быстрее (p<0,05) по сравнению с группой животных, лечение которых не проводилось. При использовании повя- зок с растворами антисептиков и мазью левомеколь контракция дефекта отмечена на 28-е и 24-е сутки соответственно. В 1-й группе животных раны само- стоятельно заживали лишь к 35-м суткам. Ожоговые раны облигатно контаминированы ши- роким спектром патогенной микрофлоры, вызыва- ющим выраженную воспалительную реакцию и, как следствие, осложненное течение раневого процесса. Данные таблицы 3 позволяют заключить, что минимальная площадь рубца после окончательного заживления экспериментальных ран, зафиксирован- ная в группе животных, лечение которых проводили с использованием низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления, составила лишь 4 см2, что на 67% меньше (p<0,05), чем в группе животных без лечения. Применение влажно-высыхающих повязок с растворами антисеп- тиков позволило снизить площадь рубца по сравнению с контролем на 25% (p<0,05), а повязок с много- компонентной мазью левомеколь на 42% (p<0,05). В контрольной группе, где лечение ран не проводилось, сформировался рубец площадью 12 см2. При гистологическом исследовании биоптатов ран установлено, что у животных 1-й группы на 15-е сутки в области экспериментальной раны определяется круп- ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 2 (62) - 2018 173 Экспериментальные исследования Рис. 2. Внешний вид разработанного устройства генерации плазмы Рис. 3. Кожа крысы 1-й группы на 15-е сутки после ожога III степени. Видна массивная инфильтрация нейтрофильными лейкоцитами, формирование зоны демаркации, вторичного некроза. Окраска гематоксилин- эозином. Ув. ×100 Рис. 5. Кожа крысы 4-й группы на 9-е сутки после ожога III степени. Видна новообразованная грануляционная ткань с незначительной лейкоцитарной инфильтрацией и очаги краевой эпителизации. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×100 Рис. 4. Кожа крысы 4-й группы на 3 сутки после ожога III степени. Видны участки белковой нанопленки и дермы с умеренной лейкоцитарной инфильтрацией. Окраска гематоксилин-эозином. Ув. ×100 Рис. 6. Кожа крысы 4-й группы на 15-е сутки после ожога III степени. Видна созревшая грануляционная ткань с активной краевой эпителизацией. Окраска гематоксилин- эозином. Ув. ×100 174 2 (62) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Экспериментальные исследования ный раневой дефект с обильным гнойным экссудатом на его поверхности. Субэпителиально визуализирует- ся волокнистая ткань дермы без деления на сосочко- вый и сетчатый слои, с массивными кровоизлияниями и очаговыми лимфогистиоцитарными инфильтратами с примесью нейтрофильных лейкоцитов (рис. 3). Применение влажно-высыхающих повязок с рас- творами антисептиков и мази левомеколь не позволи- ло существенно оптимизировать течение процессов репаративной регенерации. При использовании пер- вых на 15-е сутки рана была представлена крупным дефектом, на дне которого расположена волокнистая соединительная ткань с диффузной, слабо выражен- ной лимфогистиоцитарной инфильтрацией и очаговой примесью нейтрофильных лейкоцитов. Деление на сосочковый и сетчатый слои дермы не наблюдается. Определяется полнокровие множественных капилля- ров, мелкоочаговые кровоизлияния, зоны вторичного некроза. На фоне применения мази левомеколь на 15-е сутки в области раны отмечено наличие отечной волокнистой соединительной ткани с диффузной лимфогистиоцитарной инфильтрацией и примесью нейтрофильных лейкоцитов. Местами наблюдаются мелкие очаги отложения гемосидерина и вторичного некроза. На поверхности препарата определяется гнойный экссудат. Наибольшая выраженность ранних процессов репаративной регенерации отмечена в группе жи- вотных, раны у которых обрабатывали воздушным плазменным потоком. При гистологическом анализе биоптатов, взятых на 3-и сутки, установлено, что раневая поверхность представлена тонкой полоской сформированной пленки толщиной 50-70 нм из коагу- лированного белка раневого экссудата (рис. 4). На дне расположена дерма с нечеткой границей и умеренно выраженным отеком. Сохраняется диффузная, уме- ренно выраженная лимфоцитарная и нейтрофильная воспалительная инфильтрация. На 9-е сутки нанопленка на поверхности раны практически полностью отторглась. Дно дефекта представлено новообразованными грануляциями. Отек выражен незначительно. В очаге сохраняется диффузная, слабовыраженная лимфоцитарная и нейтрофильная воспалительная инфильтрация. Пред- ставлены очаги эпителизации с краев раны в виде тонкого клина с дифференцировкой эпителия (рис. 5). К 15-м суткам нанопленка на поверхности раны полностью отторглась. По периферии раны визуали- зируется эпителиальный вал, активно распростра- няющийся на созревшую грануляционную ткань. От- ека нет. Сохраняется слабовыраженная диффузная, лимфоцитарная и нейтрофильная воспалительная инфильтрация (рис. 6). Таким образом, применение низкотемпературной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления по сравнению с традиционными методиками ведения ожоговых ран позволяет оптимизировать те- чение раневого процесса и, как следствие, уменьшить сроки заживления и площадь рубца. Формируемая в ходе обработки плазменным потоком на раневой по- верхности тонкая биологическая пленка из нанослоя коагулированных белков раневого экссудата белка является эффективным барьером, так называемым «протезом эпидермиса», предохраняющим рану от пересыхания и вторичной контаминации. Заключение. Установлено, что применение низко- температурной воздушной плазмы дугового разряда атмосферного давления при лечении пострадавших от ожогов является перспективной методикой, позволя- ющей оптимизировать раневой процесс в зоне дефек- тов кожи, в том числе и глубокого ожога. Применение данной методики позволяет ускорить процесс регене- рации ран на 49%, а также уменьшить площадь фор- мируемого рубца на 67% (p<0,05). Обработка раны низкотемпературной воздушной плазмой дугового разряда атмосферного давления после ранней хирур- гической некрэктомии позволяет генерировать на по- верхности раны так называемую нанопленку толщиной 50-70 нм из слоя коагулированных белков раневого экссудата и клеточных фрагментов, непроницаемую для микроорганизмов, обладающую избирательной паро- и влагопроницаемостью. Обработка плазмой и формирование пленки уменьшает обсемененность ран патогенной микрофлорой, предотвращает пере- сыхание и, как следствие, позволяет снизить частоту развития гнойных осложнений и протяженность зон вторичного некроза.

E V Zinovyev

V N Tsygan

M S Asadulayev

O V Borisov

I M Lopatin

Email: forlopatin@yandex.ru

S A Lukyanov

I V Artsimovich

M B Paneyakh

D V Kostyakov

S N Kravtsov

V V Zubov

K F Osmanov

  1. Алексеев, А.А. Современные методы лечения ожогов и ожо- говой болезни / А.А. Алексеев // Комбустиология. - 1999. - № 1. - С. 1-9.
  2. Анощенко, Ю.Д. Медико-социальная характеристика больных с ожоговой травмой / Ю.Д. Анощенко // Комбустиология. - 1993. - № 8. - С. 16-17.
  3. Братийчук, А.Н. Применение аппарата «Плазон» при лечении больных с гнойной хирургической инфекцией в поликлини- ке / А.Н. Братийчук [и др.] // Воен.-мед. жур. - 2009. - № 3. - С. 72-73.
  4. Васильева, Т.М. Плазмохимические технологии в биологии и медицине: современное состояние проблемы / Т.М. Васильева // Тонкие химические технологии. - 2015. - Т. 10, № 2. - С. 6-9.
  5. Герасимова, Л.И. Лазеры в хирургии и терапии термических ожогов: руководство для врачей / Л.И. Герасимова. - М.: Медицина, 2000. - 224 с.
  6. Ермаков, А.М. Активация регенерации планарий низкотемпе- ратурной аргоновой плазмой, генерируемой плазменным скальпелем / А.М. Ермаков [и др.] // Биофизика. - 2012. - № 13. - С. 547-555.
  7. Знаменский, Г.М. Первый опыт применения аппарата «Плазон» в лечении ожогов и ран / Г.М. Знаменский, Ю.Р. Скворцов // II съезд комбустиологов России: сб. науч. трудов. - М., 2008. - С. 225.
  8. Крылов, К.М. Современные возможности местного лечения ожогов / К.М. Крылов [и др.] // Амбулаторная хирургия. Ста- ционарозамещающие технологии. - 2010. - № 1. - С. 30-35.
  9. Подойницына, М.Г. Применение магнитоплазменной терапии для подготовки ожоговых ран к дерматомной пластике / М.Г. Подойницына [и др.] // Актуальные проблемы кли- нической и экспериментальной медицины: материалы Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием, по- свящ. 60-летию Читинской гос. мед. академии. - Чита, 2013. - С. 137-138.
  10. Попова, Л.Н. Как изменяются границы вновь образующегося эпидермиса при заживлении ран: автореф. дис. … канд. мед. наук / Л.Н. Попова. - М., 1942. - 16 с.
  11. Сергеева, Е.Н. Применение монохромного некогерентного светодиодного излучения в комплексном лечении ожогов кожи у детей: дис. … канд. мед. наук / Е.Н. Сергеева. - СПб., 2008. - 142 с.
  12. Филимонов, К.А. Совершенствование местного лечения ран у больных с локальными ожогами: дис. … канд. мед. наук / К.А. Филимонов. - Самара, 2013. - 144 с.
  13. Яськов, И.М. Применение плазменного потока гелия для заживления глубоких ожоговых ран / И.М. Яськов [и др.] // Мед. техника. - 2010. - № 2. - С. 43-46.
  14. Hyakusoku, H. Color atlas of burn reconstructive surgery / H. Hyakusoku [et al.]. - Berlin: Springer Science & Business Media, 2010. - 499 p.
  15. Patent 054534 Switzerland, PCT/IB2017/054534 Tissue tolerable plasma generator and method for the creation of protective film from the wound substrate / O.V. Borisov, 26. July 2017.
  16. Pedroso, J. Comparative thermal effects of j-plasma, monopolar, argon and laser electrosurgery in a porcine tissue model / J. Pedroso [et al.] // Journal of Minimally Invasive Gynecology. - 2014. - Vol. 21, №. 6. - P. 59.
  17. Reuter, S. Detection of ozone in a MHz argon plasma bullet jet / S. Reuter // Plasma Sources Science and Technology. - 2012. - Vol. 21, №. 3. - P. 45-50.
  18. Stolz, W. Low-temperature argon plasma for sterilization of chronic wounds: from bench to bedside / W. Stolz [et al.] // Conf. on Plasma Med. - Corpus Christi, 2007. - P. 134.
  19. Tyler, M.P. Dermal cellular inflammation in burns. An insight into the function of dermal microvascular anatomy / M.P. Tyler // Burns. - 2001. - Vol. 27, № 5. - P. 433-438.
  20. Weltmann, K.D. Atmospheric pressure plasma jet for medical therapy: plasma parameters and risk estimation / K.D. Weltmann // Contributions to plasma physics. - 2009. - Vol. 49, № 9. - P. 631-640.

Views

Abstract - 10

PDF (Russian) - 12

Cited-By



Copyright (c) 2018 Zinovyev E.V., Tsygan V.N., Asadulayev M.S., Borisov O.V., Lopatin I.M., Lukyanov S.A., Artsimovich I.V., Paneyakh M.B., Kostyakov D.V., Kravtsov S.N., Zubov V.V., Osmanov K.F.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies