Conception, caractérisation et étude d'une source de monoxyde de carbone (CO) à partir d'un jet plasma à pression atmosphérique en vue d'applications pour le traitement des plaies.

Design, characterization and study of a source of carbon monoxide by an atmospheric pressure plasma jet for wound healing

• Auteur / Autrice : Eloïse Mestre
• Direction : Titaina Gibert, Claire Douat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GREMI - Groupe de Recherches sur l'Energie des Milieux Ionisés

Mots clés

Mots clés libres

Jet plasma

Co

Médecine par plasma

Spectroscopie

Absorption laser

Plasma jet

Co

Plasma medicine

Spectroscopy

Laser absorption

Résumé

Au début des années 2000, de nouveaux types de réacteurs plasmas ont été développés et ont permis de générer un plasma avec une température proche de la température ambiante, permettant ainsi aux plasmas d'interagir avec un tissu biologique sans risque de le brûler. Ceci eut pour conséquence d'ouvrir le champ d'applications des plasmas à la biologie, notamment en médecine, donnant alors naissance à un nouveau domaine de recherche : Plasma Medicine. Les plasmas ont rapidement connu un franc succès dû à leur capacité à générer diverses espèces réactives tout en produisant un champ électrique, des espèces chargées et des UV. La combinaison de ces différents composants permit d'induire des effets synergiques intéressants, comme par exemple des effets anti-tumoraux, stérilisateurs et cicatrisants. Rapidement, les plasmas furent étudiés pour d'éventuelles applications dans différents domaines de la médecine, comme la cancérologie et la dermatologie. A l'heure actuelle, une grande partie de la communauté se focalise sur l'étude de la chimie générée par ces plasmas afin d'expliquer leurs différents effets positifs. Ces espèces sont principalement les espèces réactives de l'oxygène et de l'azote, qui sont issues de l'interaction du plasma et de l'air environnant. Mais étonnamment, le monoxyde de carbone (CO), qui peut être produit aisément par la dissociation du CO2 ambiant par plasma a complétement été omis. Pourtant il est connu depuis longtemps que cette molécule est naturellement présente dans l'organisme et qu'elle joue un rôle clef contre le stress. C'est une molécule de signalisation, qui permet entre autres de diminuer l'inflammation et de réguler la dilatation des vaisseaux sanguins. L'objectif de cette thèse sera dédiée à l'étude physico-chimique d'un jet plasma afin de déterminer les mécanismes de production du CO permettant ainsi d'optimiser cette source plasma en vue d'un traitement de plaie. Les jets de plasma sont étudiés au GREMI depuis plus d'une dizaine d'années, et représentent l'une des principales sources utilisées en Plasma Medicine. Ils sont alimentés par un gaz rare (argon, hélium ou néon) interagissant avec l'air ambiant. Le CO proviendra essentiellement de la dissociation du CO2 présent dans l'air ambiant ou ajouté artificiellement dans le mélange de gaz. Les atomes métastables de l'argon, de l'hélium ou du néon représentent un réservoir d'énergie capable de dissocier le CO2. Dans un premier temps l'étudiant mettra en place un dispositif permettant de mesurer le CO et les atomes métastables, ce qui permettra d'en déduire les mécanismes de production du CO. Puis dans un second temps, il optimisera cette source plasma afin de l'adapter à des traitements plaies. L'étudiant rejoindra le projet Procope franco-allemand avec Judith Golda de l'Université de Bochum. Il aura l'opportunité, lors d'un séjour à Bochum, de compléter les mesures orléanaises par des mesures de spectrométrie de masse. Par ailleurs, un autre projet franco-allemand commencera en avril 2021 sur le traitement de plaies infectées par plasma. L'étudiant pourra également le rejoindre afin d'y apporter sa contribution sur le CO.

In the early 21st century, it was demonstrated that plasma can be used for biomedical applications. Non equilibrium plasma has the ability to generate large population densities of reactive species, while keeping the overall gas temperature near room temperature (below 40°C), allowing the plasma to be in direct contact with living tissues with no risk of burning. This singular feature led to the development of a new area, called Plasma Medicine. Research is now performed on many different topics including work on cancer treatment, wound healing, blood coagulation, dentistry, cosmetology, sterilization and decontamination, among others. The successes of plasmas have come so far from their versatility and their capacity to generate large amounts of reactive species combined with electric field, photons (IR, visible and UV) and charged particles. All these components can act on tissues and their combination induces synergetic effects. A great number of the species produced by plasma are reactive oxygen and nitrogen species (RONS), such as atomic oxygen, ozone (O3), nitric oxide (NO) and hydroxide (OH), produced by the interaction of the plasma with air. These RONS are known to have various beneficial effects such as antibacterial and vasodilator properties. But surprisingly, the role of CO has so far been neglected in biological plasma treatment, while this molecule has many beneficial effects for human health and has a broad spectrum of biological activities such as anti-inflammatory, vasodilator, anti-apoptotic, and anti-proliferative effects, and can be easily produced by plasma by the dissociation of CO2. The work will be dedicated to the study of the physics and the chemistry of an atmospheric pressure plasma jet in order to get an insight of the production of CO. The plasma source will be optimized in order to use it to treat wounds. In GREMI, plasma jet is studied for more than ten years, and this plasma source represents one of the main sources used in Plasma Medicine field. The device will be fed with noble gas (argon, helium or neon), and CO will be produced from CO2 naturally present in ambient air or added artificially in the gas mixture. Metastable atoms of argon, helium or neon represents an energy reservoir able to dissociate CO2 into CO. The first goal of this thesis will be to build a setup to measure these metastable atoms in order to get an insight of the main production reactions of CO. The second goal will be to optimize and adapt this plasma source to treat wounds. The student will have the opportunity to join a project with German partners from the University of Bochum. Secondment will be organized to perform mass spectroscopy measurement to complete the measures done in Orleans. In order to optimize the source for wound healing, the student will work in collaboration with INSERM (University of Paris Est) with a biologist specialized in CO.