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本书从六个方面重点介绍了N-APPJs在生物医学方面的机理研究，首先在杀灭病菌和病毒方面相关研究，包括各种活性成份在杀菌中所起的作用，对口腔内致病细菌和真菌的灭活，对口腔典型病毒的灭活，以及对各种生物膜的灭活作用；其次，针对其诱导癌细胞凋亡的研究，主要从APPJ对质粒DNA的影响、对多种肿瘤细胞系的增殖抑制作用、对HepG2细胞的凋亡作用及机制研究、对人肝癌HepG2细胞和人正常肝细胞L-02处理的选择性等方面展开介绍；第三，针对其对干细胞分化的影响，主要从APPJ及一氧化氮对小鼠C17.2-NSCs分化的影响、APPJ对小鼠C17.2-NSCs分化相关信号通路的影响、APPJ对大鼠原代神经干细胞分化的影响等方面展开；第四，针对APPJ产生的活性粒子（RONS）在生物组织中穿透深度的研究，主要从RONS穿透肌肉组织的深度 、RONS穿透皮肤组织的深度及角质层对其穿透深度的影响以及RONS 穿透皮肤角质层的分子动力学模拟等方面展开；第五，针对APPJ的生物安全性，主要从APPJ产生的NO2-, NO3-的安全、APPJ处理的培养液(PAM)和RONS溶液对正常细胞和癌细胞的毒性、APPJ对正常细胞的遗传毒性和诱变特性等方面展开；第六，针对等离子体的剂量的介绍，主要从基于“等效总氧化势”的等离子体剂量模型描述以及基于“等效总氧化势”的等离子体剂量模型的有效性分析两个方面展开。

第1章绪论/1

1.1引言/1

1.2等离子体对细菌的消杀/1

1.3等离子体对病毒的消杀/3

1.4等离子体治疗伤口/5

1.5大气压非平衡等离子体射流诱导癌细胞凋亡/5

1.6大气压非平衡等离子体射流促进神经干细胞的增殖与分化/6

1.7活性氮氧粒子穿透组织的深度/8

1.8大气压非平衡等离子体的生物安全性/8

1.9等离子体的剂量/10

第2章大气压非平衡等离子体射流灭活口腔内致病微生物及促进

伤口愈合/16

2.1引言/16

2.2大气压非平衡等离子体射流各组分对微生物灭活的影响研究/21

2.3大气压非平衡等离子体射流针对口腔内细菌灭活及生物

膜作用研究/27

2.4大气压非平衡等离子体射流对致病真菌的灭活研究/47

2.5大气压非平衡等离子体射流灭活病毒研究/52

2.6大气压非平衡等离子体射流活化油作用伤口愈合研究/56

第3章大气压非平衡等离子体射流诱导癌细胞凋亡/85

3.1引言/85

3.2大气压非平衡等离子体射流对质粒DNA的影响/86

3.3大气压非平衡等离子体射流对多种肿瘤细胞系的增殖

抑制作用/90

3.4大气压非平衡等离子体射流诱导HepG2细胞的凋亡/92

3.5大气压非平衡等离子体射流诱导细胞凋亡的机制/97

3.6大气压非平衡等离子体射流对HepG2细胞周期的影响/111

第4章大气压非平衡等离子体射流促进干细胞分化/118

4.1引言/118

4.2大气压非平衡等离子体射流对小鼠C17.2NSCs增殖的影响/119

4.3大气压非平衡等离子体射流对小鼠C17.2NSCs分化的影响/120

4.4大气压非平衡等离子体射流对小鼠C17.2NSCs分化神经

元亚型的影响/126

4.5一氧化氮与大气压非平衡等离子体射流促进小鼠C17.2NSCs

分化的关系/127

4.6大气压非平衡等离子体射流对小鼠C17.2NSCs分化相关信号

通路的影响/130

4.7大气压非平衡等离子体射流对大鼠原代神经干细胞分化的

影响/132

第5章大气压非平衡等离子体射流产生的活性粒子穿透生物

组织的研究/138

5.1引言/138

5.2RONS穿透肌肉组织的研究/140

5.3液体溶质对穿透肌肉组织的长寿命活性氮氧化物浓度的影响/146

5.4活性氮氧化物穿透皮肤组织的研究/156

5.5活性氮氧化物穿透皮肤角质层的研究/165

5.6活性氮氧化物穿透皮肤角质层的分子动力学模拟研究/172

5.7总结/181

第6章大气压非平衡等离子体射流的生物安全性/190

6.1引言/190

6.2大气压非平衡等离子体射流产生的H2O2、NO-2和NO-3的

细胞毒性研究/192

6.3PAM对肝癌细胞的选择性杀伤研究/197

6.4活性氮氧化物溶液、PAM和大气压非平衡等离子体射流

处理对黑色素瘤细胞和角质形成细胞的毒性比较研究/204

6.5大气压非平衡等离子体射流对正常细胞的遗传毒性和诱变

特性研究/215

6.6总结/225

第7章等离子体的剂量——等效总氧化势/234

7.1引言/234

7.2基于“等效总氧化势”的等离子体剂量模型描述/238

7.3基于“等效总氧化势”的等离子体剂量模型的有效性分析评估/243

7.4讨论/253 

华中科技大学电气与电子工程学院教授，博导，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者。主要从事气体放电、水中放电、气液两相放电，及放电等离子体在生物医学方面的应用研究。第*作者和通讯作者发表SCI论文160余篇，包括Physics Reports 2篇（影响因子22.9），Appl. Phys. Rev. 1篇（影响因子12.8）, SCI引用约6000余次。H因子36。5篇ESI高被引/热点论文。入选爱思唯尔(Elsevier)2014年以来中国高被引学者榜单。授权发明专利9项。在IEEE国际等离子体会议(ICOPS)等国际大会做大会/特邀报告约30次，担任国际等离子体会议等其他国际会议委员约20次。应邀在ICOPS的Minicourse上授课。应IEEE Trans. On Plasma Sci.邀请发起和主持了第*、二、三期《等离子体射流及其应用专刊》，开辟了一个新的研究方向。研制成果多次被Nature、Science、美国物理学会、英国物理学会等多次作为研究亮点报道，并被写进专著。担任IEEE Tran. Radiation Plasma Medical Sci.编委，Plasma Research Express编委，IEEE Tran. On Plasma Sci.客座编辑，Europe Physics Letter客座编辑，Plasma Science & Technology 编委，High Voltage编委，等离子体科学与技术专业委员会委员，脉冲功率与等离子体专业委员会委员。湖北省自然科学奖一等奖（第*完成人）。

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大气压非平衡等离子体射流（N-APPJ）是在开放空间而不是在两个电极间隙之间产生大气压非平衡等离子体，这就使得被处理对象不受空间尺寸的限制，从而大大拓展了其应用范围。N-APPJ的研究同时极大地推动了其在生物医学方面的应用，并形成了一个新兴的研究方向，即等离子体医学。等离子体医学是研究等离子体所产生的各种活性成分，包括各种自由基、带电粒子、激发态粒子、紫外线、电场等对生物体的综合效应的一门学科。

大气压非平衡等离子体射流与传统的流注放电有许多共同点，如它的推进速度与流注推进速度在一个数量级，它所产生的空间电荷会对电场产生畸变，光电离在其推进过程中扮演着重要的角色等。但人们在研究N-APPJ时又发现了传统流注放电所未观测到的许多新现象。

本书分为两册，其中册介绍了我们在N-APPJ相关物理机理的研究方面所做的一些工作，第二册介绍了我们在N-APPJ用于生物医学应用方面所做的一些基础性研究。 

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编辑推荐

书中详细阐述了N-APPJs对致病微生物杀灭机理，首次实现了对典型口腔致病细菌（粪肠球菌、牙龈卟啉单胞菌、白色念珠菌）和典型口腔病毒（腺病毒、I型单纯性疱疹病毒）的杀灭，系统研究了等离子体各类活性成分在杀菌过程中所起的作用，指出等离子体中的活性氧粒子以及带电粒子是导致微生物灭活的关键活性粒子，而激发态氮气离子及紫外光的作用可忽略。癌症治疗一直以来是医学研究的重点和难点问题。研究显示，癌症的发生发展不仅与细胞增殖失控和细胞异常分化有关，同时与癌细胞的凋亡失衡也有关。近年来随着等离子体医学的发展，利用等离子体诱导癌细胞凋亡的方法受到越来越多的关注。但对等离子体诱导癌细胞凋亡的机理及其关键作用因子的研究报道甚少。本书对于等离子体与癌细胞相互作用的研究进行了系统的阐述，分别从生物化学、分子生物学角度，并从不同的层面上，包括细胞周期、DNA结构以及基因水平上，揭示了等离子体诱导癌细胞凋亡的作用机制，这些对等离子体的临床应用具有重要指导意义。神经系统疾病如脑外伤、脊髓损伤、阿尔茨海默病和帕金森病等，通常表现为感觉、运动、意识、植物神经功能障碍，严重影响人们的生活质量，本书中报道了关于N-APPJs能够对神经干细胞分化的有效调控的研究内容，并详细阐述了神经功能重建的干预调节机制，对等离子体与细胞相互作用的内在机理进行系统研究；书中介绍了N-APPJs作用于生物组织时关于其穿透深度的研究内容，具有重要的临床应用价值。一直困扰等离子体医学界并决定等离子体医学应用价值的一个核心关键问题等离子体能够穿透生物组织的深度、其生物安全性以及其作用于生物体时剂量的研究，本书都进行了系统地研究与报道。

媒体评论

全面、系统地介绍了大气压等离子体射流及其生物医学应用

前言

大气压非平衡等离子体射流（N-APPJ）是在开放空间而不是在两个电极间隙之间产生大气压非平衡等离子体，这就使得被处理对象不受空间尺寸的限制，从而大大拓展了其应用范围。N-APPJ的研究同时极大地推动了其在生物医学方面的应用，并形成了一个新兴的研究方向，即等离子体医学。等离子体医学是研究等离子体所产生的各种活性成分，包括各种自由基、带电粒子、激发态粒子、紫外线、电场等对生物体的综合效应的一门学科。大气压非平衡等离子体射流与传统的流注放电有许多共同点，如它的推进速度与流注推进速度在一个数量级，它所产生的空间电荷会对电场产生畸变，光电离在其推进过程中扮演着重要的角色等。但人们在研究N-APPJ时又发现了传统流注放电所未观测到的许多新现象。本书分为两册，其中第*册介绍了我们在N-APPJ相关物理机理的研究方面所做的一些工作，第二册介绍了我们在N-APPJ用于生物医学应用方面所做的一些基础性研究。第*册第1章简要介绍针对各种具体应用研制的几种惰性气体N-APPJ和空气N-APPJ。第2章较为系统地介绍了各种实验参数对N-APPJ的影响的研究结果。第3章对N-APPJ中所观测到的诸多新现象做了详细的分析，包括N-APPJ随机推进与可重复推进模式之间的转换、人体可任意触摸的等离子体射流激发次级等离子体射流的接力现象、一个电压脉冲出现的多子弹现象、射流呈现的羽毛状现象、蛇形推进现象、射流的分节现象等，以及在外加电压消失后的放电现象和无外加磁场的螺旋状等离子体现象。从大约一个世纪前流注理论提出，正流注推进过程中，流注头部的光电离是二次电子崩的主要电子来源，到1982年，Zheleznyak提出较为完整的空气放电光电离假设。他认为在空气等N2/O2混合气体放电中，辐射来源主要是氮分子三种激发态b1Πu、b′1Σ u和 c′14Σ u在98～102.5 nm范围内的辐射。但一直未在大气压放电中测量到该辐射。第*册第4章介绍了我们*近采用真空差分窗口首次对大气压等离子体射流及空气放电的VUV光谱测量结果。N-APPJ的一个显著特点是其子弹推进模式往往具有高可重复性，即其时间和空间的确定性。第*册第5章对国内外相关研究工作进行了系统的梳理，并根据我们的研究成果，指出了实现放电可重复性所需要满足的条件，*后提出了高种子电子密度放电理论。研究大气压非平衡等离子体的一个难点是诊断其各种参数。第*册*后一章对几种适合于大气压非平衡等离子体的诊断方法做了较为详细的介绍，包括利用辐射光谱法诊断气体的温度、电子密度和温度，以及空间电场分布；利用毫米波干涉诊断电子的密度和温度；利用激光诱导荧光获得OH和O原子密度；利用激光散射获得电子温度和密度，以及中性粒子密度。该章*后介绍了利用液相化学分析方法测量液体中羟基（OH）、单线态氧（1O2）、超氧阴离子（·O-2）、过氧亚硝酸（ONOOH）、双氧水（H2O2）、亚硝酸盐（NO-2）和硝酸盐（NO-3）的方法。本书第二册介绍了大气压等离子体射流在生物医学应用方面的研究成果。第二册第2章首先对N-APPJ用于杀灭典型的口腔内的致病菌、细菌生物膜、混合菌种生物膜、真菌和病毒的研究成果进行了较为系统、全面的介绍，然后介绍了利用N-APPJ活化油促进伤口愈合的研究成果。研究发现，在合适的处理条件下，N-APPJ可以诱导癌细胞凋亡，与此同时对正常的细胞无显著影响，这就使得N-APPJ具有在癌症治疗方面的潜在应用价值而受到研究者的关注。第二册第3章首先介绍了N-APPJ对质粒DNA的影响、N-APPJ对多种肿瘤细胞系的增殖抑制作用，探讨了N-APPJ在各种癌症治疗中的应用潜力；然后分别介绍了N-APPJ对HepG2细胞形态、细胞染色质、细胞线粒体膜电位、细胞凋亡率的影响；*后介绍了N-APPJ诱导细胞凋亡机制的研究成果，包括氧化/硝化应激与N-APPJ诱导HepG2细胞凋亡的关系，内质网应激与N-APPJ诱导HepG2细胞凋亡的关系等。神经系统疾病严重危害着人类健康，中枢神经系统修复成为临床医学的热点和难点；替代丢失的神经细胞，修复损伤的神经网络结构，促进神经功能的恢复，是治疗这类疾病的一种方法。等离子体中的重要活性粒子——一氧化氮（NO）是一种重要的神经递质，在神经系统的发育、信号传递中发挥重要作用。在第二册第4章中，给出了大气压非平衡等离子体对小鼠C17.2NSCs细胞分化影响的研究成果，同时使用细胞形态分析、免疫荧光技术、Western Blot和qRTPCR等细胞生物学和分子生物学技术研究了大气压非平衡等离子体对小鼠C17.2NSCs细胞分化的影响，鉴定所产生的神经元亚型，并探讨NO及下游信号通路对细胞分化的调控机制。等离子体产生的RONS能在生物组织中穿透多深是等离子体医学重要的基础课题。研究该课题一方面可以帮助人们更加深入地理解等离子医学的基本原理，另一方面也能为进一步优化等离子体医学应用时的等离子体源的各种参数，甚至拓宽其医学应用领域提供参考和指导。第二册第5章分别介绍了我们采用肌肉组织、皮肤组织、皮肤角质层为组织模型，研究RONS穿透这些组织模型的情况。由于接收池内的液体种类可能会对RONS浓度的测量产生影响，因此该章还探究了接收池内的液体种类对穿透组织的长寿命RONS浓度的影响。此外，为了从微观上理解RONS穿透皮肤角质层的行为，该章还介绍了采用分子动力学模拟的方法模拟并分析等离子体产生的主要RONS穿透角质层双脂质分子层的研究成果。N-APPJ直接作用于人体时对人体可能造成的热损伤、电损伤以及紫外辐射等潜在的直接物理伤害，以及放电过程中产生的O3等气体可能对人体造成的伤害比较容易评估，也是早期N-APPJ安全性研究所关注的。除了直接的物理损伤，N-APPJ对生物体还可能存在潜在的生物安全风险。例如，N-APPJ与细胞或组织相互作用过程中生成的各种RONS在生物体中的作用效果存在着明显的剂量依赖效应，如果处理剂量过高，就可能会导致一系列病理生理效应，甚至可能具有致突变的风险，造成细胞遗传的不稳定性。针对N-APPJ的生物安全性问题，第二册第6章首先阐述了通过化学方法配制不同浓度的长寿命活性粒子（H2O-2、NO-2和NO-3）溶液及其组合，得到了这些长寿命粒子对人体正常细胞的细胞毒性的实验结果；接着，为了深入了解等离子体处理介质（PAM）在肝癌治疗中的应用前景，系统研究了PAM对于肝癌细胞的选择性；然后系统比较了使用化学方法配制的RONS溶液、PAM和N-APPJ直接处理三种方法对正常细胞和癌细胞的毒性；*后，为了确认N-APPJ的长期安全性，还介绍了N-APPJ对于正常细胞的遗传毒性和诱变特性的实验结果。“等离子体剂量”是等离子体生物医学领域的重要基本概念之一。尽管国内外研究者在等离子体生物医学领域开展了大量的基础和应用研究，然而，关于“什么是等离子体剂量”这一基本问题仍没有一个被广泛接受的科学定义。科学定义“等离子体剂量”是开展等离子体临床应用的基础和前提。正如临床药理学中所讨论的“剂量效应”关系，在利用等离子体处理特定对象时，同样需要回答“等离子体剂量”与“生物效应”的对应关系。由于RONS是主导等离子体生物效应的关键活性粒子，并且在细胞的病理过程起重要作用，因此基于RONS定义等离子体剂量就成了一种自然的选择。基于此，第二册第7章提出等效总氧化势（ETOP）作为等离子体剂量的定义，其值代表等离子体对其生物效应的总贡献。进一步地，该章通过构建拟合模型研究了ETOP作为等离子体剂量的可行性。结果表明，ETOP可以很好地预测kINPen和FlatPlaster的杀菌效果。此外，为了进一步了解ETOP作为等离子体剂量的可行性，我们采用自制的一种典型的N-APPJ装置处理了干燥的金黄色葡萄球菌，并结合诊断和模拟方法计算了ETOP。相应的拟合结果同样表明，ETOP与抑菌效率之间存在线性关系，进一步验证了ETOP作为等离子体剂量的适用性。本书是我们*新研究成果的一个总结，故有许多科学问题还有待今后进一步研究。如“高种子电子密度放电理论”是否适用于空气放电，这仍有待进一步实验与理论研究。再比如用总氧化势来定义等离子体剂量，这里做了许多简化，在未来还需要考虑各种活性粒子的权重因子、考虑带电粒子的影响、考虑电场效应以及考虑各种液相活性粒子等。希望本书的内容能起到抛砖引玉的作用，从而推进等离子体射流及其生物医学应用的发展。