JPhysD编辑优选：皮肤结构如何影响等离子体治疗效果？毛囊与厚度变化的关键作用

文章介绍

Hao Shang（尚豪）, Huimiao Tang（汤辉苗）, Wenjun Ning（宁文军）, Xiang Wen（文翔）, Saikang Shen（申赛康）, Xiaolong Huang（黄小龙） and Shenli Jia（贾申利）

通讯作者：

• 宁文军，四川大学电气工程学院
• 文翔，四川大学华西医院皮肤科、四川大学华西医院疾病分子网络前沿科学中心免疫炎症研究院皮肤病学研究室

研究背景：

大气压等离子体射流（APPJ）在皮肤消毒、伤口愈合及癌症治疗等生物医学领域展现出广阔的应用前景。然而，人体皮肤结构复杂，表皮、真皮及脂肪层的厚度因身体部位、年龄和性别而异，差异显著。目前，这些结构变化如何影响APPJ的治疗效果（如活性粒子通量与皮下电场分布），尚缺乏系统性的认识。现有研究多集中于平坦、均匀的介质靶材，忽略了皮肤的复杂几何结构，以及皮肤各层次的电学性质差异。因此，亟需从物理机制层面厘清皮肤结构对等离子体-皮肤相互作用的影响，从而为等离子体治疗参数优化提供理论依据。

研究内容：

本研究建立了二维轴对称流体模型，耦合中性气体流动与等离子体瞬态反应，模拟了APPJ作用于真实多层皮肤结构的过程。模型包含表皮、真皮、脂肪及肌肉层，并引入毛囊（直径300 μm、深度2 mm）结构。通过对比不同皮肤参数的仿真案例，分析了有无毛囊、不同表皮/真皮厚度及不同脂肪厚度等皮肤参数对表面活性粒子通量及皮下电场强度的影响。

研究得出如下结论：

(1)毛囊的存在能够显著增强APPJ疗效：有毛囊时，表面O和O₂⁺通量明显提高，且真皮内最大电场强度达到 4×10⁷ V/m，为无毛囊时的4倍。表明毛囊可在提升表面放电强度的同时，作为等离子体深部渗透的“通道”，提升真皮层电场强度。

(2)表皮与真皮厚度存在协同作用：表皮越薄，表面放电越强，活性粒子通量越高；真皮内电场强度则受到表皮和真皮的共同作用。例如，女性乳房（表皮最薄）表面电场比男性手背（表皮最厚）高5%，而男性腹部（真皮最厚）在深度7 mm处电场却略低于女性乳房，说明表皮厚度对真皮内电场也有显著影响。

(3)脂肪层影响有限但不可忽视：脂肪厚度从0.5 mm增至1.5 mm时，表面通量仅降低约8%，但真皮内电场下降约1×10⁶ V/m，主要是由于皮肤表面至深层的距离增加，以及脂肪层增厚导致的分压效应增强。

这些发现首次将皮肤结构与等离子体治疗效果定量关联，为临床针对不同皮肤区域（如手掌、头皮、腹部）优化电压、脉冲宽度等参数提供了理论指导。研究验证了实验与模拟的一致性（对比ICCD图像），具有较高的可信度。

作者介绍

• 2024年影响因子：3.2  Citescore：6.4
• Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。