Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất (ngoài 3 thể thường gặp là rắn, lỏng và khí), trong đó các chất bị ion hóa mạnh. Ví dụ với nước, một viên nước đá (thể rắn) đun nóng đến nhiệt độ nhất định thì thành thể lỏng (nước), tăng nhiệt lên nữa nước sẽ bốc thành hơi (thể khí). Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ lên cao nữa, các electron mang điện âm bắt đầu bứt khỏi nguyên tử và chuyển động tự do, nguyên tử trở thành các ion mang điện dương. Nhiệt độ càng cao thì số electron bứt ra khỏi nguyên tử chất khí càng nhiều, hiện tượng này gọi là sự ion hóa của chất khí. Các nhà khoa học gọi thể khí ion hóa là “trạng thái plasma”. Plasma không phổ biến trên trái đất, tuy nhiên trên 99% vật chất thấy được trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma, vì thế trong 4 trạng thái vật chất, plasma được xem như trạng thái đầu tiên trong vũ trụ.

Theo tính chất nhiệt động lực học, công nghệ plasma hiện có plasma nóng (thermal plasma) được tạo thành ở nhiệt độ, áp suất và năng lượng cao; và plasma lạnh (cold plasma) được tạo thành ở áp suất thường hoặc chân không, cần ít năng lượng hơn. Trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, các nước tiên tiến trên thế giới đã tập trung nhiều nguồn lực cho việc nghiên cứu ứng dụng plasma lạnh trong các lĩnh vực như y sinh, hóa học hay nông nghiệp… Đối với lĩnh vực y học, plasma lạnh đang chứng tỏ được tiềm năng rất lớn, được đánh giá là tác nhân quan trọng tạo ra cuộc cách mạng mới trong y sinh của thế kỷ XXI.

Plasma lạnh

Từ lâu, tính năng diệt khuẩn của plasma nóng hay plasma lạnh đã được biết và sử dụng trong vệ sinh dịch tễ và y tế. Tuy vậy, plasma nóng có thể làm hại đến mô xung quanh nên khá hạn chế dùng trên người. Năm 2005, plasma lạnh áp suất khí quyển (CAP) lần đầu tiên được sử dụng để điều trị lâm sàng tại CHLB Đức, mở ra kỷ nguyên của “y học plasma”. Để phát triển các thiết bị plasma lạnh áp suất khí quyển cần sự cộng tác liên ngành của các nhà vật lý, hóa học, sinh học… và tất nhiên là cả các bác sỹ lâm sàng.

Khả năng làm bất hoạt các vi sinh vật trên bề mặt mà không làm ảnh hưởng hay ảnh hưởng rất ít đến các cấu trúc xung quanh của plasma đã thu hút được sự quan tâm của các bác sỹ. Trên thực tế, có rất nhiều bệnh tật gây ra do nhiễm khuẩn trên da lành cũng như vết thương. Vì vậy, điều trị các vết thương chậm liền ở da trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu đầu tiên của plasma y tế. Thiết bị plasma lạnh đầu tiên vượt qua thử nghiệm lâm sàng pha I và được cho phép tác động trực tiếp lên con người là máy MicroPlaster alpha, được phát triển bởi Viện Max Planck (CHLB Đức) và Công ty Công nghệ Plasma Adtec (Nhật Bản).

Các thử nghiệm lâm sàng đã chứng minh, plasma lạnh rất hiệu quả khi điều trị các vết thương chậm liền, nhiễm khuẩn. Sở dĩ như vậy vì plasma đã tiêu diệt các vi sinh vật cản trở quá trình liền vết thương như: vi khuẩn, virus và nấm. Khi tiếp xúc với vi sinh vật, plasma có thể phá vỡ màng tế bào của chúng nhờ sự bắn phá của ion và electron cũng như sự ăn mòn của các gốc tự do, hoạt chất. Các gốc tự do và tia cực tím còn có thể xuyên qua màng tế bào của vi sinh vật để làm mất hoạt tính của protein, khiến cho vi sinh vật không thể hoạt động. Không chỉ tiêu diệt vi khuẩn đơn lẻ, plasma còn phá hủy màng sinh học do vi khuẩn tạo ra (màng giúp cho vi khuẩn chống chịu tốt hơn với điều kiện bất lợi, khiến cho vết thương khó lành). Không chỉ tiêu diệt vi khuẩn thường, plasma còn tiêu diệt được vi khuẩn kháng kháng sinh do plasma là tác nhân vật lý, và đa tác nhân nên vi khuẩn không thể biến đổi để hình thành khả năng kháng plasma (điều này rất hữu ích vì như chúng ta biết tốc độ vi khuẩn phát triển thành kháng thuốc nhanh hơn rất nhiều so với tốc độ xuất hiện của thuốc kháng sinh mới). Bên cạnh đó, plasma giúp tạo nên một lớp màng protein trên bề mặt vết thương, chống vi khuẩn tái xâm nhập. Plasma cũng giúp cơ thể giải phóng các yếu tố hỗ trợ liền vết thương nhanh hơn (như tăng lưu thông máu, tăng sinh tân mạch, tiêu diệt nội độc tố, giảm viêm, giảm đau, tăng sinh tế bào, tăng sinh collagen, kích thích tái tạo biểu bì). Do đó có thể dùng plasma điều trị các vết thương cấp tính như bỏng, vết mổ, các vết thương mạn tính (loét do đái tháo đường, loét do tì đè, loét do nằm lâu…), ứng dụng trong da liễu (điều trị nấm, chàm…) và thẩm mỹ (chữa mụn trứng cá, vết thương sau phẫu thuật thẩm mỹ)… Các nghiên cứu mới đây còn cho thấy plasma có rất nhiều triển vọng trong chữa ung thư, đặc biệt là ung thư máu.

Ứng dụng plasma lạnh trong bảo quản thực phẩm

Các tác dụng khử khuẩn của plasma lạnh đã được biết đến và nghiên cứu. Các nghiên cứu đã chỉ ra ba cơ chế cơ bản làm chết tế bào bằng plasma lạnh.

Đặc tính hấp dẫn của plasma lạnh là khả năng khử khuẩn nhận được rất nhiều quan tâm trong việc xử lý thực phẩm, đặc biệt là sản phẩm tươi sống. Đối với ứng dụng này, plasma lạnh cho thấy ưu điểm trong việc xử lý khử khuẩn mà không làm hỏng hay ảnh hưởng có hại tới chất lượng sản phẩm. Theo đó, công nghệ này có thể làm giảm nguy cơ mắc bệnh do thực phẩm hỏng hoặc kéo dài thời hạn sử dụng của trái cây và rau quả.

Luồng plasma với nồng độ oxy cao sẽ làm tăng mức độ ức chế các vi sinh vật do tồn tại các nhiều hoạt chất chứa oxy như oxy nguyên tử hay ozon.Các hoạt chất sinh ra trong quá trình phóng plasma như hydroxyl (OH), oxy nguyên tử, ozon hay hay các gốc tự do sẽ khởi tạo quá trình oxy hóa chất béo để tạo ra các chuỗi axit béo ngắn hơn làm tăng tính lưu động của màng dẫn đến dễ phá vỡ cấu trúc toàn vẹn của màng [10,11]. Các nghiên cứu sâu hơn tiếp tục được tiến hành để tìm ra sự liên quan giữa việc xử lý của plasma lạnh đối với mức độ an toàn và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

Gần đây, plasma lạnh còn được ứng dụng trong việc bảo quản lưu trữ hạt giống hoặc xử lý trước khi gieo trồng. Plasma lạnh có thể ngừa nấm mốc và thối hạt nhưng mặt khác nó còn có thể cải thiện tỷ lệ nảy mầm và thúc đẩy sự tăng trưởng của cây con.

Như vậy có thể thấy, công nghệ plasma lạnh có tiềm năng ứng dụng cho chuỗi giá trị trong nông nghiệp từ hạt mầm cho tới làm sạch thực phẩm trên bàn ăn.

Ứng dụng ở Việt Nam

Theo báo cáo, tia Plasma lạnh này được sản xuất hoàn toàn tại Việt Nam sử dụng nguyên lý hồ quang trượt để tạo tia Plasma. Nguyên lý này sẽ ion hóa khí trơ Agon và trong quá trình này sẽ tạo các gốc tự do, electron, ion và tia cực tím có khả năng diệt khuẩn. Mặc dù là công nghệ mới được nghiên cứu và ra mắt nhưng cho đến nay đã có gần 50 cơ sở y tế trên địa bản cả nước và gần 3000 bệnh nhân sử dụng tia Plasma lạnh trong việc điều trị vết thương, vết mổ và đem lại hiệu quả tốt.

Không chỉ thế, plasma còn là công cụ phục vụ cho các ngành khoa học địa chất, khoáng sản, môi trường, địa hóa, khoáng vật và tinh thể học, sinh hóa, khoa học hình sự, khoa học luyện kim và công nghệ vật liệu, bán dẫn, điện tử, hóa dược và nhiều ngành khoa học khác.

Plasma lạnh là một công nghệ mới về khử khuẩn, làm sạch mà không làm hỏng bề mặt của các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ. Chính khả năng này của công nghệ plasma lạnh làm cho nó có khả năng ứng dụng rất to lớn trong công nghệ thực phẩm như kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm tươi sống, hoa quả và trong lĩnh vực y tế như làm lành vết thương hở, điều trị nha khoa. Các nghiên cứu về plasma lạnh cần tiếp tục và mở rộng để có thể hiểu rõ hơn về các cơ chế của sự tương tác giữa các thành phần khác nhau được tạo ra trong plasma lạnh tới hoạt động của các vi sinh vật, tế bào và chất lỏng để từ đó có được sự thành công khi chuyển giao chúng thành các sản phẩm công nghiệp và thương mại.