Rapid Self-Driven Formation of Conducting Polymers for Bioelectronics.

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपके शरीर के अपने विद्युत संकेत—जैसे कि वह स्पार्क जो आपके हृदय को धड़कने या आपके पैर को लात मारने के लिए कहता है—एक छोटे, कोमल कंप्यूटर से सीधे बात कर सकें। यह बायोइलेक्ट्रॉनिक्स (bioelectronics) का सपना है: ऐसे उपकरण बनाना जो नसों को धीरे से गले लगा सकें, उनकी फुसफुसाहट सुन सकें और यहाँ तक कि उन्हें ठीक होने में मदद करने के लिए एक हल्का सा धक्का भी दे सकें। इसे काम करने के योग्य बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को विशेष सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो दोनों "भाषाओं" को बोल सकें: तारों की इलेक्ट्रॉनिक भाषा और नमकीन शारीरिक तरल पदार्थों की आयनिक भाषा। इन सामग्रियों को ऑर्गेनिक मिक्स्ड आयनिक-इलेक्ट्रॉनिक कंडक्टर्स (OMIECs) कहा जाता है। इन्हें एक सुपर-स्पंज की तरह समझें जो बिजली का संचालन करता है जबकि कोमल और गीला बना रहता है, बिल्कुल आपके अपने ऊतकों (tissues) की तरह।

हालाँकि, इन उपकरणों का निर्माण करना एक गीली, चलती हुई दीवार पर एक भारी, औद्योगिक स्प्रे गन का उपयोग करके एक छोटा, जटिल भित्ति चित्र (mural) बनाने जैसा रहा है। पारंपरिक तरीकों के लिए जटिल मशीनों, उच्च ताप, जहरीले रसायनों और इन विशेष पॉलिमर के साथ डिवाइस के धातु के हिस्सों को लेपित (coat) करने के कई थकाऊ चरणों की आवश्यकता होती है। यह धीमा, महंगा है और अक्सर वास्तविक जीवन के चिकित्सा उपयोग के लिए आवश्यक नाजुक, कोमल संरचनाओं को नुकसान पहुँचाता है। सबसे बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे थे, वह था: क्या हम इन कोटिंग्स को बिना किसी भारी मशीनरी के, तेजी से और कोमलता से खुद को विकसित (grow) करने के लिए बना सकते हैं?

यह शोध पत्र कहता है, "हाँ, हम कर सकते हैं।" लिंकोपिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने सेल्फ-ड्रिवन पॉलीमराइजेशन (self-driven polymerization) नामक एक चतुर तरीका खोजा है। सामग्री को उगाने के लिए बिजली की आपूर्ति का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने एक तरीका खोजा जिससे डिवाइस के अपने धातु के हिस्से एक सूक्ष्म बैटरी के रूप में कार्य कर सकें। एक साधारण जल-आधारित घोल (solution), जिसमें एक विशेष बिल्डिंग ब्लॉक (मोनोमर) होता है, में धातु के इलेक्ट्रोड को डुबोकर, धातु स्वाभाविक रूप से बिल्डिंग ब्लॉक्स से इलेक्ट्रॉन "चुराता" है। यह रासायनिक प्रतिक्रिया इन बिल्डिंग ब्लॉक्स को आपस में जोड़ने और तुरंत धातु की सतह पर एक चालक, चिपचिपी कोटिंग बनाने का कारण बनती है। यह एक बीज को मिट्टी में डालने और एक बेल को बिना खींचे खुद ऊपर चढ़ते हुए देखने जैसा है; बेल बस जानती है कि उसे कहाँ जाना है।

टीम ने दिखाया कि यह तरीका अविश्वसनीय रूप से तेज़ है और यह चपटे तारों से लेकर 3D नर्व कफ (nerve cuffs) जैसे सभी प्रकार के कठिन आकारों पर काम करता है। वे यहाँ तक कि कोटिंग विकसित होते समय इसमें "स्मार्ट" सामग्रियां, जैसे कि चीनी का पता लगाने वाले एंजाइम, भी मिला सके, जिससे एक तैयार उपयोग योग्य सेंसर बन गया। जब उन्होंने इन नए, कोठे हुए नरम इलेक्ट्रोड्स का एक चूहे की सायटिक नर्व (sciatic nerve) पर परीक्षण किया, तो परिणाम प्रभावशाली थे: ये उपकरण बिजली की बहुत कम मात्रा (मात्र 25–30 µA जितनी कम) के साथ विशिष्ट मांसपेशियों को उत्तेजित कर सके और तंत्रिका संकेतों को स्पष्ट गुणवत्ता के साथ रिकॉर्ड कर सके। यह संकेत देता है कि भविष्य में हम उन्नत चिकित्सा उपकरण बना सकते हैं जो बनाने में आसान, उत्पादन में सस्ते और मानव शरीर के साथ सहजता से काम करने के लिए पर्याप्त कोमल हों।

स्व-संयोजन कोटिंग्स का जादू

इस खोज का मूल आधार PEDOT-C नामक एक चालक पॉलिमर को बाहरी बिजली स्रोत के बिना सीधे धातु की सतहों पर उगाना है। आमतौर पर, धातु के तार को चालक पॉलिमर से कोट करने के लिए, आपको एक इलेक्ट्रोकेमिकल सेटअप की आवश्यकता होती है: आप एक बैटरी जोड़ते हैं, वोल्टेज लगाते हैं, और पॉलिमर को बढ़ने के लिए मजबूर करते हैं। यह कार पर स्प्रे पेंट करने के लिए एक उच्च-दबाव वाले होज़ (hose) का उपयोग करने जैसा है। लेकिन यह नया तरीका एक स्व-पेंट करने वाले रोबोट की तरह है जो पेंट को छूते ही चालू हो जाता है।

वैज्ञानिकों ने EEE-COONa नामक एक जल-घुलनशील अणु का उपयोग किया। जब आप इस अणु के घोल में एक धातु इलेक्ट्रोड (जैसे सोना, प्लैटिनम, या पैलेडियम) डालते हैं, तो कुछ जादुई होता है। धातु की सतह स्वाभाविक रूप से अणु का ऑक्सीकरण करती है। यह ऑक्सीकरण अणुओं को लंबी श्रृंखलाओं में जुड़ने के लिए प्रेरित करता है, जिससे धातु की सतह पर एक ठोस, चालक फिल्म बन जाती है। लेकिन यहाँ एक पेंच है: इसके लिए धातु इलेक्ट्रोड को एक "साथी" की आवश्यकता होती है।

इसे एक गैल्वेनिक सेल, या एक छोटी बैटरी की तरह समझें। जिस इलेक्ट्रोड पर पॉलिमर बढ़ता है, वह बैटरी का एक पक्ष है। दूसरा पक्ष, एक अलग धातु पैड है जो उसी डिवाइस का हिस्सा है, जो विद्युत रूप से पहले वाले से जुड़ा हुआ है और उसी पानी में स्थित है। जब डिवाइस को पानी में डुबोया जाता है, तो दो धातु भागों के बीच एक सूक्ष्म करंट बहता है। यह करंट उस अंतर से संचालित होता है कि पानी और धातु एक-दूसरे के साथ कैसे क्रिया करते हैं। "बढ़ने वाला" इलेक्ट्रोड पॉलिमर को इलेक्ट्रॉन देता है, और "साथी" वाला पैड उन्हें स्वीकार करता है (आमतौर पर पानी में ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करके)। इलेक्ट्रॉनों का यही प्रवाह पॉलिमर के विकास को शक्ति देता है।

यह शोध पत्र उन कुछ चीजों को खारिज करता है जो स्पष्ट लग सकती हैं। पहला, आप केवल इलेक्ट्रोड को घोल में डुबोकर छोड़ नहीं सकते; आपके पास पानी में वह दूसरा, विद्युत रूप से जुड़ा हुआ धातु पैड होना अनिवार्य है। यदि आप डुबोने से पहले इलेक्ट्रोड और पैड दोनों को मोनोमर से कोट करते हैं, तो कुछ नहीं होता क्योंकि "बैटरी" शॉर्ट हो जाती है। दूसरा, यह केवल एक रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं है जो हर जगह होती है; यह एक विशिष्ट, स्व-संचालित प्रक्रिया है जिसके लिए धातु और पानी के सही संतुलन की आवश्यकता होती। यदि आप इसे बिना पानी वाले विलायक (जैसे DMSO) में आज़माते हैं, तो पॉलिमर नहीं बनेगा। सर्किट को पूरा करने के लिए पानी आवश्यक है।

गति, सरलता, और "वन-स्टेप" सेंसर

इस कार्य के सबसे रोमांचक हिस्सों में से एक इसकी गति और सरलता है। शोधकर्ता मात्र कुछ मिनटों में 32 सूक्ष्म इलेक्ट्रोडों के एक पूरे समूह को कोट कर सके। उन्होंने बस समाधान को डिवाइस पर डाला, पाँच मिनट प्रतीक्षा की, और उसे धो दिया। कोई फैंसी मशीनें नहीं, कोई उच्च ताप नहीं, कोई जहरीला धुआं नहीं।

इससे भी बेहतर, उन्होंने दिखाया कि आप पॉलिमर बढ़ते समय इसमें अन्य चीजें भी मिला सकते हैं। उन्होंने मोनोमर मिश्रण में ग्लूकोज ऑक्सीडेज (वह प्रकार जो ब्लड शुगर टेस्ट स्ट्रिप्स में पाया जाता है) नामक एंजाइम को सीधे मिला दिया। जैसे ही पॉलिमर बना, उसने एंजाइम को अपने भीतर कैद कर लिया। परिणाम? एक कार्यात्मक ग्लूकोज सेंसर जो पूरी तरह से तैयार होकर "पैदा" हुआ। आमतौर पर, आपको पहले सेंसर बनाना पड़ता है और फिर बाद में सावधानी से एंजाइम को उस पर चिपकाना पड़ता है, जो धीमा है और जिससे एंजाइम निकल सकता है। यहाँ, एंजाइम पॉलिमर के अंदर पैदा हुआ, जिससे सेंसर स्थिर और तुरंत उपयोग के लिए तैयार हो गया। यह "वन-स्टेप" दृष्टिकोण बीमारियों का पता लगाने या स्वास्थ्य की निगरानी करने वाले बायोसेंसर्स को बनाने के तरीके में क्रांति ला सकता है।

तंत्रिका के "हाइवे" पर परीक्षण

यह देखने के लिए कि क्या यह नया तरीका वास्तविक चिकित्सा उपकरणों के लिए वास्तव में काम करता है, टीम ने एक सॉफ्ट माइक्रोइलेक्ट्रोड एरे कफ (soft microelectrode array cuff) बनाया। एक लचीले सोने के नैनोवायर से बने एक छोटे, खिंचाव वाले ब्रेसलेट की कल्पना करें जो एक तंत्रिका (nerve) के चारों ओर लिपटा जा सके। उन्होंने इस ब्रेसलेट के बारीक सोने के तारों को उनके स्व-विकसित पॉलिमर से कोट किया।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। कोटिंग से पहले, सोने के तारों में उच्च विद्युत प्रतिरोध (impedance) था, जिससे स्पष्ट संकेत भेजना कठिन हो जाता है। स्व-संचालित पॉलीमराइजेशन के बाद, प्रतिबाधा (impedance) लगभग छह गुना कम हो गई। यह विद्युत संकेतों के लिए एक ऊबड़-खाबड़, कीचड़ भरे रास्ते को एक चिकनी, तेज़ हाईवे में बदलने जैसा है। कोटिंग ने इलेक्ट्रोड की चार्ज संचय क्षमता (capacitance) को भी बेहतर बनाया, जो तंत्रिकाओं को नुकसान पहुँचाए बिना उन्हें सुरक्षित रूप से उत्तेजित करने के लिए महत्वपूर्ण है।

उन्होंने इसका परीक्षण चूहे की सायटिक नर्व (sciatic nerve - पैर में चलने वाली बड़ी नस) पर किया। जब उन्होंने कोफ (cuff) के माध्यम से सूक्ष्म विद्युत स्पंदन भेजे, तो वे चुनिously विशिष्ट मांसपेशियों को जगा सके। उदाहरण के लिए, वे बिना पिंडली (shin) की मांसपेशी को हिलाए, चूहे की पिंडली की मांसपेशी को उत्तेजित कर सके, या इसके विपरीत। इसे चयनात्मक उत्तेजना (selective stimulation) कहा जाता है, और यह तंत्रिका इंटरफेस के लिए एक परम लक्ष्य (holy grail) है क्योंकि इसका अर्थ है कि आप दूसरों को प्रभावित किए बिना विशिष्ट गतिविधियों को नियंत्रित कर सकते हैं।

डिवाइस अविश्वसनीय रूप से कुशल था। यह मात्र 25–30 µA के करंट के साथ मांसपेशी की प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सका। यह बहुत कम बिजली है—पुराने, बिना कोटे वाले उपकरणों की तुलना में बहुत कम। उन्होंने तंत्रिका से आने वाले संकेतों (जब चूहे के पैर को छुआ गया) को भी उच्च स्पष्टता के साथ रिकॉर्ड किया। डिवाइस ने तंत्रिका की "आवाज़" को स्पष्ट रूप से सुना, यहाँ तक कि पैर के विभिन्न हिस्सों से भी, जिससे सिद्ध हुआ कि यह तंत्रिका तंत्र के साथ बात करने और सुनने, दोनों में सक्षम है।

यह क्यों मायने रखता है

यह शोध पत्र केवल एक नई रासायनिक तकनीक नहीं दिखाता है; यह हमें यह सोचने का एक नया तरीका प्रदान करता है कि हम बायोइलेक्ट्रॉनिक्स को कैसे बनाते हैं। यह जानकर कि हम अपनी सामग्री को उनकी अपनी ऊर्जा का उपयोग करके विकसित होने दे सकते हैं, हम महंगे, जटिल कारखानों को छोड़कर इन उपकरणों को एक साधारण लैब में बना सकते हैं। यह विधि सोने, प्लैटिनम और पैलेडियम पर काम करती है, और यह खिंचाव वाले नैनोवायर और 3D कफ जैसे जटिल आकारों को भी संभाल सकती है।

लेखक सुझाव देते हैं कि यह दृष्टिकोण बहुक्रियात्मक उपकरणों (multifunctional devices) के निर्माण के लिए गेम-चेंजर हो सकता है। चूंकि यह प्रक्रिया बहुत कोमल है और पानी में होती है, इसलिए यह नाजुक जैविक घटकों के लिए एकदम सही है। चाहे वह ग्लूकोज का पता लगाने वाला सेंसर हो, एक कफ जो लकवाग्रस्त व्यक्ति को चलने में मदद करता है, या मस्तिष्क का इम्प्लांट जो विचारों को सुनता है, यह "स्व-संचालित" विधि इन उपकरणों के निर्माण के मार्ग को बहुत सुगम, तेज़ और अधिक सुलभ बनाती है। यह सूक्ष्म, कोमल इलेक्ट्रॉनिक्स को कोट करने के कठिन कार्य को एक तार को पानी में डुबोने और कुछ मिनट प्रतीक्षा करने जितना सरल बना देता है।