Conception et réalisation de systèmes d’exposition plasma nanoseconde pour des applications biomédicales

par Martinus Dobbelaar

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-Hugues Paillol et de Philippe Lévêque.


  • Résumé

    Les plasmas froids dans l’air à pression atmosphérique ont trouvé de nombreuses applications ces dernières années. Grâce à une chimie très réactive, les plasmas froids offrent une solution prometteuse pour le traitement bio-médical. Dans ce contexte, deux dispositifs d’exposition au plasma sont présentés :• le premier dispositif permet de générer des DBD (Décharges à Barrière Diélectrique) sur une échelle de temps nanoseconde (ns-DBD). L’échantillon biologique joue le rôle d’une électrode. La décharge se développe dans l’intervalle d’air entre la surface du diélectrique et l’échantillon biologique.• le.second dispositif d’exposition permet de générer des DBD de surface sur une échelle de temps nanoseconde (ns-SDBD). La décharge se forme le long de la surface du diélectrique, à proximité de l’électrode active. Pendant l’exposition au plasma, l’échantillon est placé face à l’applicateur. Contrairement à l’applicateur DBD, la décharge n’est pas directement en contact avec la solution biologique.Les deux systèmes d’exposition au plasma sont conçus de façon similaire, leurs dimensions autorisent l’exposition d’un échantillon biologique placé dans une boite de Petri classique. La cible biologique est un ensemble de cellules cancéreuses placées dans une solution de culture. Le travail présenté est essentiellement expérimental. Il se concentre sur la caractérisation électrique des décharges. Le plasma est créé avec des impulsions haute tension (de 4 kV à 11 kV), sur des temps très courts (de 10 ns à 14 ns de largeur) et avec des temps de montée brefs (2,5 ns, en fonction du générateur utilisé). Dans la configuration ns-DBD, l’énergie déposée par le plasma par impulsion est de l’ordre du mJ. En configuration ns-SDBD, l’énergie déposée est calculée, elle est de l’ordre de quelques dizaines de μJ. Une étude préliminaire sur le traitement d’échantillons biologiques est réalisée dans la configuration ns-SDBD. La viabilité de cellules de glioblastome est présentée en fonction de l’énergie déposée dans le plasma par impulsion. Selon les résultats de cette première étude, le plasma ns-SDBD a un effet sur la viabilité des cellules exposées dans les conditions décrites.

  • Titre traduit

    Study and realisation of nanosecond plasma exposure devices for biomedical applications


  • Résumé

    Cold plasmas in atmospheric pressure air have been used in many different applications in the past few years. Because of its high chemical reactivity, cold plasma treatment appears to be a promising solution for biomedical applications. In this context the study and realization of nanosecond plasma exposure devices for biomedical applications are presented :• the first exposure device generates DBD (Dielectric Barrier Discharge) on a nanosecond time scale (ns-DBD). The biological sample acts as an electrode. The discharges develops in the air gap be- tween the dielectric layer and the biological sample.• The second exposure device generates surface DBD on a nanosecond time scale (ns- SDBD). The discharge develops along the dielectric layer surface close to an active electrode. During plasma exposure, the biological sample faces the discharge device. By contrast to the DBD configuration, the discharge is not in direct contact with the surface of the solution.Both exposure devices are designed in a same way,. the dimensions allow plasma treatment of biological sample contained in a standard Petri dish. The biological targets are cancer cells in a liquid culture medium. The work is mainly experimental. It focuses on the electrical characterization of discharges. The plasma is created using short (10-14 ns of FWHM) high-voltage (up to 4 or 11 kV) pulses of fast rise times (2-5 ns depending on the pulse generator). In the ns-DBD configuration the energy deposited into plasma per pulse is in the order of millijoule. In the ns-SDBD configuration, we calculated the energy deposited into plasma per pulse in a range of tens of μJ. A preliminary study on treatment of biological samples by ns-SDBD plasma is performed. The glioblastoma cells viability was presented as a function of the energy deposited into plasma per pulse. According to this preliminary result the ns-SDBD plasma has an influence on the viability of the cells in the given conditions.


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