Development of a biomimetic hydrogel cervical spinal cord surrogate for transverse compression across loading rates

मानव शरीर की कल्पना एक हाई-टेक वाहन के रूप में करें, और रीढ़ की हड्डी (स्पाइनल कॉर्ड) को इसके सबसे महत्वपूर्ण डेटा केबल के रूप में, जो सीधे चेसिस के बीचों-बीच चलती है। यह केबल मस्तिष्क के निर्देशों को शरीर के बाकी हिस्सों तक ले जाती है और संवेदी फीडबैक वापस ऊपर भेजती है। जब एक कार दुर्घटनाग्रस्त होती है, तो धातु का ढांचा मुड़ सकता है, लेकिन यदि वह डेटा केबल दब जाए, टूट जाए या खिंच जाए, तो ड्राइवर पूरे मशीन पर नियंत्रण खो देता है। स्पाइनल कॉर्ड इंजरी (रीढ़ की हड्डी की चोट) में यही होता है। दशकों से, इन चोटों को रोकने के तरीके को समझने की कोशिश कर रहे वैज्ञानिक एक निराशाजनक चक्र में फंसे हुए हैं: वे परीक्षण कर सकते हैं कि हड्डियां कैसे टूटती हैं और डिस्क कैसे दबती हैं, लेकिन वे वास्तविक स्पाइनल कॉर्ड के उस नरम, लचीले हिस्से का परीक्षण आसानी से नहीं कर सकते क्योंकि ऐसा करने से वह नष्ट हो जाएगा। आप क्रैश टेस्ट के दौरान वास्तविक स्पाइनल कॉर्ड के अंदर एक छोटा सेंसर नहीं लगा सकते क्योंकि सेंसर ऊतक (टिश्यू) को तोड़ देगा, और ऊतक सेंसर को तोड़ देगा। इसलिए, उन्हें कॉर्ड का एक "डमी" संस्करण चाहिए था—एक आदर्श नकली संस्करण जो बिल्कुल असली चीज़ की तरह महसूस करे, दबे और खिंचे, लेकिन इतना मजबूत भी हो कि टकराने पर जीवित रह सके और इतना स्मार्ट हो कि हमें बता सके कि उसने कितना बल महसूस किया।

बायोमिमेटिक हाइड्रो जेल (biomimetic hydrogels) की दुनिया में प्रवेश करें। इन्हें पिकनिक पर खाए जाने वाले जेली (Jell-O) के रूप में न सोचें, बल्कि ये सुपर-इंजीनियर्ड, पानी से भरे स्पंज की तरह हैं जो सॉफ्ट टिश्यू की तरह काम करते हैं। चुनौती एक ऐसा नकली कॉर्ड बनाने की थी जो न केवल असली जैसा दिखे, बल्कि उसके जैसा व्यवहार भी करे। वास्तविक स्पाइनल कॉर्ड का ऊतक जटिल होता है: यह शुरू में नरम और लचीला होता है, लेकिन यदि आप इसे जोर से या तेजी से दबाते हैं, तो यह अचानक सख्त हो जाता है और विरोध करता है, लगभग एक ऐसे स्पंज की तरह जो तेजी से टकराने पर रबर बन जाता है। यह इस बात पर भी अलग तरह से प्रतिक्रिया करता है कि उसे कितनी गति से दबाया जा रहा है। यदि आप धीरे से दबाते हैं, तो यह कोमल होता है; यदि आप तेजी से दबाते हैं (जैसे कार दुर्घटना के दौरान), तो यह अधिक प्रतिरोध करता है। वैज्ञानिकों ने पहले सिलिकॉन रबर का उपयोग करने की कोशिश की थी, लेकिन वह एक मार्शमैलो को रबर की गेंद से सिम्युलेट करने जैसा है—यह बहुत सख्त है और इसमें वह विशेष "दबना-फिर-सख्त-होना" वाला व्यवहार नहीं है। यह शोध पत्र एक नए प्रकार के "मार्शमैलो" के निर्माण के बारे में है जो वास्तव में उसी तरह से प्रतिक्रिया करता है जैसे वास्तविक स्पाइनल कॉर्ड करता है, ताकि हम अंततः बेहतर क्रैश टेस्ट डमी और सर्जिकल ट्रेनिंग टूल्स बना सकें जो न केवल असली दिखें, बल्कि असली महसूस भी हों।

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एक नकली स्पाइनल कॉर्ड की रेसिपी

स्ट्राथक्लाइड और एडिलेड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार की सामग्री बनाने का लक्ष्य रखा: एक डबल-नेटवर्क हाइड्रो जेल। एक घर बनाने की कल्पना करें। पहला नेटवर्क लकड़ी के ढांचे की तरह है (पॉलीएक्रिलामाइड से बना), जो संरचना को आकार देता है। दूसरा नेटवर्क ड्राईवॉल और प्लास्टर की तरह है (एल्जिनेट से बना, जो समुद्री घास का एक व्युत्पन्न है), जो खाली जगहों को भरता है और मजबूती जोड़ता है। इन दोनों को आपस में मिलाकर, उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो दबने के बावजूद काफी मजबूत है और नाजुक नसों की नकल करने के लिए पर्याप्त नरम भी है।

एक आदर्श रेसिपी खोजने के लिए, उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने एक बड़े किचन एक्सपेरिमेंट (रसोई प्रयोग) का संचालन किया। उन्होंने इस हाइड्रो जेल कॉर्ड के 27 अलग-अलग संस्करण बनाए। उन्होंने तीन मुख्य सामग्रियों में बदलाव किया:

1. समुद्री घास (एल्जिनेट) की मात्रा: उन्होंने कम, मध्यम और उच्च मात्रा (भार के अनुसार 4.7%, 7.8%, और 10.3%) का उपयोग किया।
2. "गोंद" (आयन) का प्रकार: उन्होंने समुद्री घास को आपस में चिपकाने के लिए तीन अलग-अलग प्रकार के मेटल साल्ट्स का उपयोग किया: कैल्शियम (CaCl₂), आयरन (FeCl₃), और एल्युमीनियम (AlCl₃)। इन्हें अलग-अलग ताकत के गोंद के रूप में समझें।
3. गोंद के सेट होने का समय: उन्होंने कॉर्ड्स को 1, 2, या 3 घंटे तक भिगोया।

क्रैश टेस्ट

एक बार जब उनके पास ये 27 अलग-अलग "नकली कॉर्ड" आ गए, तो उन्होंने उन्हें कड़ी परीक्षा से गुजारा। उन्होंने उन्हें केवल धीरे से नहीं दबाया; उन्होंने उन्हें चार अलग-अलग गतियों पर टेस्ट किया, जो एक धीमी, कोमल प्रेस (जैसे डॉक्टर आपके रिफ्लेक्स चेक कर रहे हों) से लेकर एक बिजली जैसी तेज टक्कर (जैसे गंभीर कार दुर्घटना के दौरान हड्डी का झटका लगना) तक फैली हुई थी। सबसे तेज़ गति लगभग 140 प्रति सेकंड थी, जो सामग्री परीक्षण के लिए अविश्वसनीय रूप से तेज़ है।

उन्होंने इन अंडाकार आकार के कॉर्ड्स को बगल से दबाने (ट्रांसवर्स कंप्रेशन) के लिए एक विशेष मशीन का उपयोग किया और उनके रिएक्शन को सटीक रूप से रिकॉर्ड किया। उन्होंने अपने परिणामों की तुलना अन्य अध्ययनों में प्रकाशित वास्तविक मानव और सूअर के स्पाइनल कॉर्ड के डेटा से की।

उन्हें क्या पता चला

परिणाम "हमने कर दिखाया" और "हमने सीखा कि क्या नहीं करना है" का मिश्रण थे।

1. "गोंद" सबसे महत्वपूर्ण है
सबसे बड़ा आश्चर्य यह नहीं था कि उन्होंने कितनी समुद्री घास का उपयोग किया, बल्कि यह था कि उन्होंने किस तरह के गोंद को चुना। जेल को क्रॉसलिंक करने के लिए उपयोग किए गए आयन के प्रकार का कठोरता (stiffness) पर बहुत बड़ा प्रभाव पड़ा।

• कैल्शियम (CaCl₂) गोंद ने कॉर्ड्स को नरम और लचीला बनाया, जो वास्तविक ऊतक के बहुत समान है।
• आयरन (FeCl₃) और एल्युमीनियम (AlCl₃) गोंद ने कॉर्ड्स को अविश्वसनीय रूप से सख्त बना दिया—कैल्शियम वाले कॉर्ड्स की तुलना में लगभग पाँच गुना अधिक सख्त।
• शोध पत्र स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज करता है कि केवल अधिक समुद्री घास (एल्जिनेट सांद्रता) जोड़ना कठोरता को नियंत्रित करने का मुख्य तरीका है। हालांकि अधिक समुद्री घास जोड़ने से चीजें सख्त हुईं, लेकिन इसका प्रभाव "घटता हुआ" (diminishing) था, जिसका अर्थ है कि एक निश्चित बिंदु के बाद, अधिक जोड़ने से कोई खास मदद नहीं मिली। गोंद का प्रकार ही असली बॉस था।

2. "J-शेप्ड" प्रतिक्रिया
उनके सभी 27 रेसिपी ने एक "J-आकार" का वक्र दिखाया। यह स्पाइनल कॉर्ड सामग्री के लिए 'होली ग्रेल' (सर्वोच्च लक्ष्य) है। इसका मतलब है कि सामग्री शुरू में नरम होती है (J का निचला हिस्सा), लेकिन जैसे-जैसे इसे अधिक दबाया जाता है, यह धीरे-धीरे सख्त होती जाती है (J का ऊपर की ओर बढ़ता हिस्सा)। यह बिल्कुल वैसा ही है जैसा वास्तविक स्पाइनल कॉर्ड व्यवहार करता है। यदि आप इसे धीरे से दबाते हैं, तो यह कोमल होता है; यदि आप इसे तेजी से दबाते हैं, तो यह सख्त हो जाता है। यह दर-निर्भर (rate-dependent) व्यवहार महत्वपूर्ण है क्योंकि इसका मतलब है कि नकली कॉर्ड एक कार दुर्घटना के दौरान अलग तरह से प्रतिक्रिया करता है बजाय एक कोमल स्पर्श के, ठीक एक असली कॉर्ड की तरह।

3. समय का कारक
उन्होंने सोचा कि क्या कॉर्ड्स को अधिक समय तक भिगोने (2 बनाम 3 घंटे) से कुछ बदलेगा। उन्होंने पाया कि 2 घंटे तक भिगोना 3 घंटे के समान ही था। इसलिए, आपको अनंत काल तक प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं है; सामग्री काफी जल्दी स्थिर हो जाती है।

विजेता: कैल्शियम रेसिपी

सभी 27 संयोजनों का परीक्षण करने के बाद, शोधकर्ताओं ने एक "चैंपियन" रेसिपी की पहचान की जो वास्तविक चीज़ से सबसे अच्छी तरह मेल खाती है।

• रेसिपी: 10.3% एल्जिनेट का मिश्रण, जिसे कैल्शियम (CaCl₂) में 2 से 3 घंटे तक भिगोया गया।
• मैच: 50 s⁻¹ की उच्च गति पर परीक्षण करने पर (जो दर्दनाक चोटों के लिए प्रासंगिक है), इस विशिष्ट रेसिपी ने वास्तविक सूअर के स्पाइनल कॉर्ड की कठोरता से लगभग पूरी तरह से मेल खाया।
  • कठोरता (टेंजेंट मॉड्यूलस): नकली कॉर्ड 1180 kPa था, जबकि वास्तविक सूअर का कॉर्ड 1176 kPa था। यह लगभग एक आदर्श मिलान है।
  • शक्ति (स्ट्रेस): नकली कॉर्ड विफल होने से पहले 490 kPa के दबाव को झेल गया, जबकि वास्तविक कॉर्ड 458 kPa तक झेल सका।

धीमी गति पर, कैल्शियम-आधारित जेल भी अच्छी तरह से मेल खाते हैं, हालांकि वास्तविक ऊतक की शुरुआत में थोड़ा लंबा "सॉफ्ट फेज" होता है। आयरन और एल्युमीनियम वाले संस्करण बहुत अधिक सख्त थे, इसलिए वे अच्छे विकल्प नहीं थे।

यह क्यों मायने रखता है (बिना अतिशयोक्ति के)

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि ये PAAm-एल्जिनेट हाइड्रो जेल एक आशाजनक नया उपकरण हैं। वे अभी तक स्पाइनल इंजरी का जादुई इलाज नहीं हैं, लेकिन वे एक विशिष्ट, परेशान करने वाली समस्या का समाधान करते हैं: हमारे पास अंततः एक ऐसी सामग्री है जिसे यह मापने के लिए इंस्ट्रुमेंट किया जा सकता है (सेंसर लगाया जा सकता है) कि दुर्घटना या सर्जरी के दौरान स्पाइनल कॉर्ड कितनी बार दबता है।

लेखकों का सुझाव है कि इससे दो बड़ी चीजें हो सकती हैं:

1. बेहतर क्रैश टेस्ट: कार दुर्घटना में स्पाइनल कॉर्ड कितना बल झेलता है, इसका केवल अनुमान लगाने के बजाय, हम सीधे मापने के लिए इन इंस्ट्रुमेंटेबल नकली कॉर्ड्स का उपयोग कर सकते हैं।
2. बेहतर सर्जिकल ट्रेनिंग: सर्जन इन जेलों पर अभ्यास कर सकते हैं और उन्हें वास्तविक समय में फीडबैक मिल सकता है कि क्या वे "कॉर्ड" को बहुत ज़ोर से दबा रहे हैं, बजाय इसके कि वे केवल स्क्रीन को देखकर अंदाज़ा लगाएं।

हालाँकि, शोध पत्र सावधानी बरतते हुए उन चीजों को भी बताता है जो उन्होंने अभी तक नहीं की हैं। वे स्वीकार करते हैं कि उनके नकली कॉर्ड अभी भी वास्तविक ऊतक की तुलना में शुरुआत में थोड़े अधिक सख्त हैं ("टो रीजन" में)। उन्होंने एक सरल अंडाकार आकार का उपयोग किया है, न कि एक जटिल आकार का जिसमें वास्तविक स्पाइनल कॉर्ड की तरह अलग-अलग परतें हों। और हालांकि वे उच्च गति पर सूअर के डेटा से बहुत अच्छी तरह मेल खाते हैं, वे नोट करते हैं कि हमें 100% सुनिश्चित होने के लिए उन अत्यधिक तेज़ क्रैश स्पीड पर मानव ऊतक के बारे में अभी और डेटा की आवश्यकता है।

संक्षेप में, उन्होंने स्पाइनल कॉर्ड इंजरी को हल नहीं किया है, लेकिन उन्होंने एक बहुत अच्छा, ट्यून करने योग्य और मापने योग्य "डमी" बनाया है जो हमारे पास मौजूद किसी भी अन्य चीज़ की तुलना में वास्तविक चीज़ के बहुत अधिक करीब व्यवहार करता है। यह सर्जरी को सुरक्षित बनाने और दुर्घटनाओं को बेहतर ढंग से समझने की दिशा में एक ठोस कदम है।