Non-thermal atmospheric pressure plasma interacting with water for biological applications

par Bo Liu

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Antoine Rousseau.

Soutenue le 19-09-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Physique des Plasmas (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Loïc Rajjou.

Le jury était composé de Antoine Rousseau, Loïc Rajjou, Chedly Tizaoui, Ahmed Khacef, Nofel Merbahi, Angelo Pierangelo, Françoise Corbineau.

Les rapporteurs étaient Chedly Tizaoui, Ahmed Khacef.

  • Titre traduit

    Plasma à pression atmosphérique non thermique interagissant avec l'eau pour applications biologiques


  • Résumé

    Les plasmas froids produits par les décharges électriques sont des gaz faiblement ionisés, ce qui maintient la température du gaz à une température proche de la température ambiante, contrairement à la température de l'électron qui peut atteindre plusieurs électron-volts. Les applications des plasmas froids en médecine et en agriculture sont des nouveaux domaines de recherche multidisciplinaires basés sur les interactions de ces plasmas avec des organismes vivants. Le champ électrique ainsi que les espèces réactives de l’oxygène et de l'azote peuvent inactiver les bactéries, stimuler la régénération de la peau (dermatologie), la réduction tumorale (oncologie) et la germination des graines (agriculture). Ces nouveaux domaines de recherche, basé sur la chimie produite par l’interaction plasma-liquide est très prometteur et se développe rapidement. L’objectif de ce travail est d’étudier les interactions entre les plasmas froids et l’eau pour les applications biologiques, d’une part la promotion de la germination des graines au moyen d’une décharge à barrière diélectrique (DBD) et, d’autre part, l’effet ex vivo d’un traitement par jet de plasma froid sur la peau.Ce manuscrit est divisé en cinq chapitres: i) On présente tout d'abord une revue de la littérature présentant l'état de l’art concernant l'interaction plasma-liquide et les principales avancées en matière d'applications des plasmas froids à la germination des semences. Ii) Deuxièmement, les dispisitifs expérimentaux sont décrits, en particulier la fabrication de réacteurs à plasma utilisant l’impression 3D. Iii) Ensuite, la production d'espèces réactives gazeuses et aqueuses formées par des plasmas de type DBD a été mesurée quantitativement et l'interaction plasma-liquide a été analysée. Iv) Puis, plusieurs variétés de graines ont été sélectionnées pour évaluer l’effet un traitement par plasma DBD ; l'étude des mécanismes de promotion de la germination du plasma a été spécifiquement étudiée en traitant les graines de soja vert dans différentes conditions de décharge, dans différents milieux, avec un champ électrique seul et dans différentes conditions de cultures ou de niveau d'hydratation des graines.v) Enfin, l'imagerie paramétrique de Muller (MPI) a été appliquée pour la modification de la peau de souris ex vivo traitées par un plasma à jet d'hélium.


  • Résumé

    Non-Thermal-Plasmas (NTP) produced by electric discharges are weakly ionized gases, which keeps the gas temperature at near room temperature contrary to the electron temperature which can reach several electron-Volts. Applications of NTP to medicine and agriculture are new multidisciplinary research fields based on interactions of the Non-Thermal-Plasmas with living organisms. Electric field as well as Reactive Oxygen and Nitrogen Species produced by NTP may inactivate bacteria, stimulate skin regeneration (dermatology), tumor reduction (oncology) and seeds germination (agriculture). These new fields of research are based on the plasma-liquid chemistry. The objective of this work is to study the NTP interacting with water for biological applications including on one hand, the promotion of the germination of seeds using a Dielectric Barrier Discharge (DBD) and on the other hand, the effect of a plasma jet treatment ex vivo on skinThis manuscript is divided in five chapters: i) First a literature review is presented showing the state of the art of the plasma-liquid interaction, and the main advances of the application of non thermal plasmas to seed germination. Ii) Second, experimental set ups are described, in particular the manufacturing of plasma reactors using 3D printing. Iii) then , the production of gaseous and aqueous reactive species formed by DBD plasmas was measured quantitatively and plasma-liquid interaction was analyzed. Iv) Next, different varieties of seeds were selected to evaluate the effect of a DBD plasma treatment and the study of the mechanisms of plasma germination promotion was specifically investigated by treating mung bean seeds in different discharge conditions, in different mediums, in electric field alone and in different hydration levels of seeds.v) Finally, Muller parametric imaging (MPI) was applied to study the modification of ex vivo mice skin treated by a helium jet plasma.


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