Host-guest Encapsulation of Photosensitizer to Construct Antibacterial Silicone Rubber: Enhanced Homogeneity and Dual-action

सिलिकॉन रबर एक ऐसा पदार्थ है जो उन कई जगहों पर पाया जाता है जहाँ मनुष्य दुनिया के साथ संपर्क करता है, खिड़कियों की सील से लेकर अस्पतालों में उपयोग होने वाली नलियों तक। इसे इसकी मजबूती, लचीलेपन और शरीर के लिए सुरक्षित होने के कारण सराहा जाता है, यही कारण है कि डॉक्टर अक्सर इसका उपयोग कैथेटर और इम्प्लांट्स के लिए करते हैं जो लंबे समय तक किसी व्यक्ति के शरीर के अंदर रहते हैं। हालाँकि, यह सुरक्षा अपने साथ एक छिपा हुआ संकट भी लाती है। क्योंकि सिलिकॉन रबर की सतह पानी को दूर भगाती है (repels), यह बैक्टीरिया के चिपकने, बढ़ने और चिपचिपी परतों या बायोफिल्म बनाने के लिए एक आदर्श वातावरण बनाती है। एक बार जब ये बैक्टीरिया अपनी पकड़ बना लेते हैं, तो वे गंभीर संक्रमण का कारण बन सकते हैं जिन्हें ठीक करना कठिन होता है, विशेष रूप से इसलिए क्योंकि कई आधुनिक बैक्टीरिया मानक एंटीबायोटिक्स के प्रति प्रतिरोधी हो गए हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात का तरीका खोज रहे हैं कि कैसे इस सामग्री को अपने उपयोगी गुणों को खोए बिना कीटाणुओं से लड़ने के लायक बनाया जाए, लेकिन एंटीबैक्टीरियल एजेंट जोड़ने से अक्सर नई समस्याएँ पैदा होती हैं, जैसे कि एजेंटों का बह जाना या सामग्री का भंगुर (brittle) हो जाना।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसे हल करने के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है, जिसमें उन्होंने रबर को एक साथ दो अलग-अलग तरीकों से बैक्टीरिया को मारने की क्षमता दी है। उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो एक रासायनिक "कॉन्टैक्ट किलर" (स्पर्श से मारने वाले) को एक प्रकाश-सक्रिय "फोटोडायनामिक" हथियार के साथ जोड़ती है। उनकी सफलता की कुंजी एक विशेष प्रकार के नमक से बनी नन्ही, स्पंज जैसी संरचनाओं वाला एक चतुर प्रयोग था। ये संरचनाएं मेजबान (hosts) के रूप में कार्य करती हैं जो एक प्रकाश-संवेदनशील डाई को पकड़कर रख सकती हैं, जो सामान्यतः रबर के साथ नहीं मिल पाती। इन स्पंजों के भीतर डाई को फंसाकर, शोधकर्ता इसे रबर के पूरे ढांचे में समान रूप से फैलाने में सक्षम हुए, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि धोने के बाद भी यह अपनी जगह से न हटे। इसने उन्हें एक ऐसी सामग्री बनाने की अनुमति दी जो केवल स्पर्श मात्र से बैक्टीरिया को मार देती है, और फिर प्रकाश के संपर्क में आने पर दूसरा शक्तिशाली प्रहार करती है, जिससे ऑक्सीजन का एक ऐसा रूप उत्पन्न होता है जो शेष कीटाणुओं को नष्ट कर देता है।

शोधकर्ताओं ने इन नन्ही मेजबान संरचनाओं को बनाकर शुरुआत की, जिन्हें वे 'एम्फीफिलिक हाइपरब्रांच्ड क्वाटर्नरी अमोनियम साल्ट्स' कहते हैं। एक जटिल, शाखाओं वाली अणु की कल्पना करें जिसका केंद्र पानी को पसंद करने वाला (water-loving) है और बाहरी आवरण लंबी कार्बन श्रृंखलाओं से बना पानी को दूर भगाने वाला (water-repelling) हिस्सा है। यह डिज़ाइन इस संरचना को एक नैनो कैप्सूल की तरह कार्य करने की अनुमति देता है। टीम ने इन कैप्सूलों का उपयोग 'रोज़ बंगाल' (Rose Bengal) को पकड़ने के लिए किया, जो एक लाल रंग की डाई है और एक फोटोसेंसिटाइज़र के रूप में कार्य करती है। सामान्यतः, यह डाई सिलिकॉन रबर के साथ असंगत है और यह गुच्छे बना सकती है या बह सकती है, लेकिन जब इसे मेजबान कैप्सूल के भीतर लपेटा गया, तो यह पूरी तरह से संगत हो गई। शोधकर्ताओं ने इन भरे हुए कैप्सूलों को तरल सिलिकॉन रबर में एक रासायनिक लिंकर के साथ मिलाया, जिसने रबर के सख्त (cure) होने के दौरान सब कुछ आपस में जोड़ दिया। परिणाम स्वरूप, एक ठोस, लाल रंग की रबर शीट प्राप्त हुई जहाँ एंटीबैक्टीरियल एजेंट अपनी जगह पर सुरक्षित थे और काम करने के लिए तैयार थे।

यह परीक्षण करने के लिए कि यह नई सामग्री कितनी अच्छी तरह काम करती है, टीम ने इसे बैक्टीरिया के दो सामान्य प्रकारों के संपर्क में रखा: ई. कोलाई (E. coli), जो अक्सर आंत में पाया जाता है, और स्टैफिलोकोकस ऑरियस (Staphylococcus aureus), जो त्वचा का एक सामान्य संक्रमण है। उन्होंने पाया कि इस कैप्सूल युक्त रबर ने बिना प्रकाश के, केवल संपर्क से ही ई. कोलाई के लगभग 94% और एस. ऑरियस के 96% को मार दिया। यह संपर्क-मारने की क्षमता तब बेहतर हुई जब शोधकर्ताओं ने कैप्सलों में सक्रिय नमक समूहों की संख्या बढ़ाई। जब उन्होंने प्रकाश-सक्रिय डाई जोड़ी और सामग्री पर एक मानक एलईडी लाइट डाली, तो प्रभावशीलता काफी बढ़ गई। तीस मिनट के प्रकाश के संपर्क के बाद, सामग्री ने ई. कोलाई के 98% और एस. ऑरियस के 99% को मार गिराया। प्रकाश ने डाई को अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन के रूप में मुक्त करने के लिए प्रेरित किया, जिसने बैक्टीरिया की आंतरिक संरचनाओं पर हमला किया, जिससे रक्षा की एक शक्तिशाली दूसरी पंक्ति प्रदान हुई।

कीटाणुओं को मारने के अलावा, सामग्री को इतना मजबूत होना आवश्यक था कि वह एक चिकित्सा उपकरण के रूप में कार्य कर सके। शोधकर्ताओं ने सामग्री के भौतिक गुणों का परीक्षण किया और पाया कि सिलिका कणों और एक विशिष्ट क्यूरिंग एजेंट को जोड़कर, वे इस सामग्री को बहुत अधिक मजबूत बना सकते हैं। अंतिम उत्पाद की संपीड़न शक्ति (compressive strength) 25 मेगापास्कल थी और यह अपनी ताकत खोए बिना बार-बार खिंच सकता था और अपने मूल आकार में वापस आ सकता था। यह स्थायित्व चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है जहाँ सामग्री शरीर के अंदर मुड़ सकती है या दब सकती है। इसके अलावा, टीम ने पाया कि सतह पर मौजूद लंबी कार्बन श्रृंखलाओं को जोड़ने वाले रासायनिक बंधों को एक हल्के क्षारीय घोल (alkaline solution) द्वारा तोड़ा जा सकता है। इस विशेषता ने उन्हें सतह पर जमा मृत बैक्टीरिया को धोने की अनुमति दी, जिससे प्रभावी रूप से सामग्री की नए कीटाणुओं को मारने की क्षमता को "नवीनीकृत" (renew) किया जा सका, जो लंबे समय तक चलने वाले इम्प्लांट्स के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि संपर्क-मारने की रणनीति और प्रकाश-सक्रिय रणनीति को संयोजित करने से एक श्रेष्ठ एंटीबैक्टीरियल सतह बनती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि 'होस्ट-गेस्ट एनकैप्सुलेशन' पद्धति ने सफलतापूर्वक पानी को पसंद करने वाली डाई को पानी को दूर भगाने वाले रबर के साथ मिलाने की समस्या को हल कर दिया, जिसके परिणामस्वरूप एक समान और धोने के प्रति प्रतिरोधी सामग्री प्राप्त हुई। हालांकि यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि यह सभी चिकित्सा उपकरणों के लिए अंतिम समाधान है, लेकिन यह एक स्पष्ट और प्रभावी मार्ग प्रदर्शित करता है। सामग्री ने प्रकाश के तहत लगभग सभी परीक्षण किए गए बैक्टीरिया को मारने और बार-बार उपयोग के बावजूद अपनी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखने में सफलता दिखाई। यह कार्य सुझाव देता है कि भविष्य के चिकित्सा इम्प्लांट्स को समान दोहरी-क्रिया वाली प्रणालियों का उपयोग करके अधिक सुरक्षित और टिकाऊ बनाया जा सकता है ताकि उन संक्रमणों को रोका जा सके जो वर्तमान में दीर्घकालिक देखभाल को जटिल बनाते हैं।