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Building and Characterization of Biomedical-Grade Cold Atmospheric Plasma Jet for Cancer Treatment

Jean-Baptiste Billeau

Master's thesis (2023)

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Abstract

Therapeutic properties of cold plasma have been the subject of many successful studies in cancer research over the last two decades. Innovative designs, such as that of cold atmo-spheric pressure plasma jets, have enabled local and non-invasive treatment that is able to inhibit cancer growth and trigger cancer cell death. Despite large knowledge of the reactive species production pathways from plasma source to biological material, comprehensive mod-els to translate plasma parameters into biological response are still to be fully developed. Fundamental for this, always, is a well characterized plasma source and biological systems. This thesis addresses the first part of this statement; the design and characterization pro-cess of a plasma source able to treat cancer cells. Through the research objectives, I aim to establish a reliable method for linking the plasma treatment process to its interaction with a cellular environment. Assuming that the biological effect of the plasma mainly involves chemical species and electric fields, in this work, an atmospheric pressure plasma jet was designed and the plasma was characterized in its thermal, electrical and chemical properties. To ensure safe use of the source of an individual, leakage current standards on a patient issued by the International Electrotechnical Commission were followed. With a leakage cur-rent limited to less than 150 µA, achieved through design choices such as the implementation of a helical ground electrode, a flow rate of 2.5 litres per minute and a duty cycle set at 40 %, plasma jet interaction with tissues without causing damage was assured. The first and basic characterization of the gas temperature plasma jet was performed by comparing three different methods: measurement with a thermocouple, Schlieren imaging and a technique involving a fibre with Bragg grating directly exposed to the plasma jet. The latter exploits the thermo-optic effect to convert the shift in reflected light in the grating into thermal val-ues. These measurements provide a reliable method for the temporal and spatial analysis of the plasma gas temperature evolution and demonstrated the plasma jet’s tissue tolerable operation regime of below 35 ◦C. To gain a deeper understanding of the fundamentals of the chemical and electrical processes within the plasma, an electric field measurement technique called Electric-Field Induced Second Harmonic (E-FISH) light generation was employed. A major achievement of this work is the development of a novel E-FISH technique. This tech-nique uses two intersecting laser beams and is amplified by interferometry of second harmonic light generated from the intersecting beams with a third, external, beam at the second har-monic frequency, referred to as the local oscillator.

Résumé

Le présent mémoire aborde le processus de création et de caractérisation d’une source de plasma pouvant traiter des cellules cancéreuses. L’objectif de cette recherche est d’établir une méthode permettant de lier de manière fiable le processus de traitement plasma et son interaction avec un environnement cellulaire. En supposant qu’une majorité de l’effet biologique du plasma relève des espèces chimiques et de son champ électrique, un jet de plasma à pression atmosphérique a donc été conçu puis caractérisé au niveau thermique, électrique et chimique. Afin de s’assurer d’une utilisation sécuritaire de la source avec un individu, les normes de courant de fuite sur un patient émis par la Comission International Électrotechnique ont été suivies. Avec un courant de fuite limité à moins de 150 µA notamment conditionné par des choix de conceptions tel que la mise en place d’une électrode de mise à terre en forme hélicoïdale, un flux de 2.5 litres par minute et un pourcentage d’opération fixé à 40 %, il est possible d’interagir avec un tissu sans créer des dommages. Similairement, une température biocompatible de 35 ◦C fut caractérisée par comparaison entre trois méthodes différentes: la mesure par thermocouple, la mesure par imagerie Schlieren et par une technique utilisant une fibre ayant un réseau de Bragg exposé directement au jet de plasma. Cette dernière exploite notamment l’effet thermo-optique afin de convertir le décalage de lumière réfléchie dans le réseau en valeurs thermiques. Ces mesures permettent d’obtenir une méthode fiable d’analyse temporelle et spatiale de l’évolution de la température du gaz de sortie du plasma. De manière à comprendre plus en profondeur les principes fondamentaux du processus chim-ique et électrique au sein du plasma, une technique de mesure de champ électrique appelée Seconde Harmonique Induite par Champ Électrique (E-FISH) fut employée. Cette technique utilise deux faisceaux lasers se croisant et amplifiés par interférométrie par un troisième fais-ceau communément appelé oscillateur local. Cette technique permet entre autres d’obtenir une précision spatiale et directionnelle de la polarisation du champ électrique encore inégalée, ce qui ouvre la voie vers de nouvelles études de l’effet de la polarisation du champ électrique sur les propriétés physico-chimiques du plasma. Afin de lier l’ensemble de ces expériences avec des effets biologiques, l’aspect chimique de l’interaction entre le plasma et des modèles d’hydrogel servant d’expérience in vitro a été effectué. Plus précisément, le pH, étudié par la décroissance d’un fluorophore, soit la fluorescéine, fut examiné spatialement. Cette étude permet de cibler les zones où les espèces réactives sensibles au pH peuvent proliférer tout en observant son effet au niveau cellulaire. Pour des espèces chimiques de longues vies telles que le nitrite et le nitrate, des méthodes de colorimétrie utilisant un réactif chimique, appelé réactif de Griess, fut utilisé.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Stephan Reuter and Derek Rosenzweig
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/57048/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 10 May 2024 10:48
Last Modified: 11 May 2024 12:29
Cite in APA 7: Billeau, J.-B. (2023). Building and Characterization of Biomedical-Grade Cold Atmospheric Plasma Jet for Cancer Treatment [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/57048/

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