学术报告

研究团队与论文基本信息

本研究由 E. Wu、L. Nie、D. Liu、X. Lu 和 Kostya (Ken) Ostrikov 等人共同完成。其中，E. Wu、L. Nie 和 D. Liu 分别隶属于华中科技大学先进电磁工程与技术国家重点实验室，Kostya Ostrikov 则来自昆士兰科技大学（Queensland University of Technology）。论文发表于 Free Radical Biology and Medicine 杂志，文章的题目为《Plasma poration: transdermal electric fields, conduction currents, and reactive species transport》，并于 2023 年 2 月正式公开。

研究背景与目的

这项研究属于生物医学工程与物理等交叉领域，其焦点是利用等离子体（plasma）进行跨皮肤治疗的基础与机制研究。近年来，等离子体所产生的自由基（Reactive Oxygen and Nitrogen Species，RONS）及强电场已逐渐被应用于皮肤病学治疗，包括癌症、炎症及牛皮癣等疾病。但皮肤的结构特性，尤其是角质层（stratum corneum）的致密性，对等离子体治疗的有效性构成巨大障碍。因此当前研究通过测量等离子体在皮肤各层所诱导的电场与导电电流，以及验证活性物质的渗透与传输路径，旨在解析等离子体穿透（plasma-poration）的具体机制，为提升治疗效率提供科学依据。

研究的主要目标包括：（1）首次测量等离子体诱导的皮肤内部电场；（2）针对不同皮肤层（角质层、表皮、真皮）的导电特性进行对比分析；（3）验证等离子体处理后皮肤结构及其影响的转运效能。

研究流程详述

本研究的整个实验流程分为以下步骤，以系统验证等离子体在生物医学中的作用：

1. 等离子体系统设计与运行验证
研究团队使用了一套大气压等离子体射流装置（Atmospheric Pressure Plasma Jet，APPJ），其核心为介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）结构。具体参数包括： - 使用高压脉冲电源（6.5 kV 振幅，8 kHz 频率，10 μs 脉冲宽度）。 - 工作气体为高纯氦气（流速：2 SLM）。 - 测量装置包括高压探针、电流探针及数字示波仪，用以记录电压与电流波形。 等离子体射流用于对样品皮肤进行表面处理，其运行状态通过图像（例如 Fig 2）进行了物理验证。

2. 皮肤样品的制备 实验中采用猪耳朵皮肤，因其结构与人类皮肤具有高相似性。研究分别制备了正常皮肤样本（包含角质层与活性表皮下层）、去除角质层样本（通过20次胶带剥离法）以及纯角质层样本（酶裂法）。样本的制备确保了不同皮肤层结构的物理特性可以被逐层研究。

3. 电场测量 实验使用了一种先进的光学方法——基于 Pockels 效应的电场测量系统（如 Fig.1 所示）。核心测量装置为 Bi4Ge3O12（BGO）晶体，其通过入射的偏振光计算电场强度。皮肤样本覆盖在 BGO 晶体表面，通过调整等离子体射流的参数来记录皮肤不同层级（角质层、真皮和表皮）上的电场强度分布，为国际首次精确量化皮肤内的电场。

4. RONS 渗透测试
通过 Franz 垂直扩散装置（FVTDD）测量等离子体诱导的 NO3⁻ 和 NO2⁻ 浓度变化。具体操作包括在经过处理的样品中提取渗透液，通过微孔板比色法定量分析 RONS 的传递效率。

研究结果详述

1. 角质层的屏障特性 研究发现，覆盖角质层的皮肤对等离子体诱导的电场有显著削弱作用（如 Fig.5）。无皮肤覆盖时，最大电场为 2.91 kV/cm；正常皮肤覆盖时，此强度降至 1.04 kV/cm，其中 64%的电势损失由皮肤屏障造成。当去除角质层后，剩余皮肤的最大电场提升至 1.65 kV/cm。

2. 不同皮肤层的电场分析
角质层的厚度仅占正常皮肤的 2%，但电场测量表明76%的电压衰减集中在此层段，说明其导电性极低（10⁻⁸Ω⁻¹cm⁻¹），而活性表皮和真皮具有较高的导电性（10⁻⁵~10⁻³Ω⁻¹cm⁻¹）。在等离子体处理过程中，角质层内可达到高达 43 kV/cm 的电场，远超电穿孔（electroporation）阈值。

3. 皮肤结构变化与渗透效率 连续5分钟等离子体处理显著降低了角质层厚度（减少约60%，见 Fig.10）。角质层外的 RONS 渗透效率也随时间显著提升，其中 NO3⁻ 浓度提高到 3.8 μM，而 NO2⁻ 则达到 1.4 μM。

研究结论与价值

综合实验结果，研究表明等离子体通过诱导高强度电场对皮肤角质层的直接改性，可以有效改善跨皮肤治疗的传导性。相比传统的电穿孔技术，等离子体处理具备以下科学价值与应用前景： 1. 科学价值：本研究提出了等离子体作用于皮肤的新机制，首次定量测得其在不同皮肤层的电场强度。这种特性可在未来应用到多种生物医学领域，如药物渗透、皮肤屏障研究等。 2. 应用前景：等离子体治疗操作过程中没有患者明显疼痛，且避免了传统技术（如电针与微针）造成的医疗废弃物问题，为无创、重复性高的护理系统提供替代方案。

研究亮点

1. 创新性测量手段：基于 Pockels 效应的方法精确测得皮肤分层中的等离子体诱导电场，为行业前沿。
2. 高效结构改性：证明等离子体能够在短时间内快速改变角质层屏障，为高效治疗铺平道路。
3. 安全性与舒适性：低电流强度（0.014 A）显著减少患者痛感。

研究的意义与展望

本研究开启了等离子体在皮肤病学中新的应用路径。未来，研究者可以针对特定的医学 美容 或药物进行更深层次探索，例如开发等离子治疗多功能设备并完成临床试验，以推动等离子体在医疗领域的大规模应用。