Design and Fabrication of Bio-Inspired Bouligand-Structured Scaffold for Bone Tissue Engineering Applications

जब हड्डी बुरी तरह टूट जाती है, तो डॉक्टरों को अक्सर गायब हुए हिस्से को एक स्कैफोल्ड (scaffold) से बदलने की आवश्यकता होती है, जो एक अस्थायी त्रि-आयामी ढांचा होता है जो नई हड्डी के विकास का मार्गदर्शन करता है। इसके सफल होने के लिए, स्कैफोल्ड को केवल एक खोखले पिंजरे से कहीं अधिक होना चाहिए; इसे वजन सहने के लिए पर्याप्त मजबूत, रक्त वाहिकाओं और पोषक तत्वों के प्रवाह के लिए पर्याप्त छिद्रपूर्ण, और कोशिकाओं को नया ऊतक बनाने के लिए प्रोत्साहित करने हेतु पर्याप्त रूप से रासायनिक रूप से सक्रिय होना चाहिए। प्रकृति ने पहले ही इस समस्या का समाधान क्रस्टेशियंस (crustaceans) के कवच और मछलियों के शल्क (scales) में कर दिया है, जहाँ सामग्री की परतें एक सर्पिल पैटर्न में मुड़ी हुई होती हैं ताकि ऐसी संरचनाएं बनाई जा सकें जो मजबूत और लचीली दोनों हों। वैज्ञानिक इस संरचना को 'बोलिगैंड संरचना' (Bouligand structure) कहते हैं। इंजीनियरों के लिए चुनौती इस प्राकृतिक डिजाइन को इस तरह से फिर से बनाना है जो मानव हड्डी की नकल करे, लेकिन बहुत अधिक सख्त न हो (जिससे आसपास की हड्डी कमजोर होकर घुल सकती है), या शरीर का भार उठाने के लिए बहुत कमजोर न हो।

भारत के वेल्लोर इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का बोन स्कैफोल्ड डिजाइन करने और बनाने का लक्ष्य रखा, जो इस सर्पिल वास्तुकला को विशेष सामग्रियों के मिश्रण के साथ जोड़ता है। वे एक ऐसा ढांचा बनाना चाहते थे जो न केवल वजन का समर्थन करे बल्कि दबने पर सूक्ष्म विद्युत संकेत भी उत्पन्न करे, जिसे पीजोइलेक्ट्रिसिटी (piezoelectricity) कहा जाता है। मानव शरीर में, प्राकृतिक हड्डी वजन सहने पर ये विद्युत संकेत उत्पन्न करती है, और ये संकेत हड्डी की कोशिकाओं को बढ़ने और खुद की मरम्मत करने के लिए संकेत देने में मदद करते हैं। इसे प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने हाइड्रोक्सीएपेटाइट (hydroxyapatite) नामक हड्डी जैसी सिरेमिक, बेरियम टाइटेनेट (barium titanate) नामक एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और ग्राफीन (graphene) नामक कार्बन सामग्री की एक सूक्ष्म मात्रा को मिलाया। उन्होंने विभिन्न सामग्रियों के हजारों संयोजनों और विभिन्न स्तर की सरंध्रता (porosity) का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, ताकि उस आदर्श संतुलन की खोज की जा सके जहाँ स्कैफोल्ड मजबूत हो, तरल पदार्थ का प्रवाह हो सके, और हड्डी को ठीक करने के लिए पर्याप्त बिजली उत्पन्न कर सके।

शोधकर्ताओं ने सबसे पहले अपने सामग्री मिश्रण के सूक्ष्म क्यूब्स का मॉडल बनाना शुरू किया ताकि यह अनुमान लगाया जा सके कि विभिन्न सामग्रियां एक साथ कैसे व्यवहार करेंगी। उन्होंने पाया कि बेरियम टाइटेनेट मिलाने से सामग्री अधिक सख्त और विद्युत रूप से सक्रिय हो गई, जबकि ग्राफीन ने विद्युत आवेश को अधिक कुशलता से संचालित करने में मदद की। हालांकि, उन्होंने यह भी पाया कि पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री की बहुत अधिक मात्रा कोशिकाओं के लिए हानिकारक हो सकती है, इसलिए सही मात्रा का पता लगाना महत्वपूर्ण था। इसके बाद उन्होंने इन निष्कर्षों को पूर्ण आकार के स्कैफोल्ड डिजाइन करने के लिए बढ़ाया, जिसमें एक सर्पिल, परतदार संरचना थी। उन्नत कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग करते हुए, उन्होंने सिम्युलेट किया कि ये स्कैफोल्ड दबाव को कैसे संभालेंगे और उनके छिद्रों के माध्यम से पानी कैसे प्रवाहित होगा। सिमुलेशन ने दिखाया कि 70 प्रतिशत ठोस सामग्री और 30 प्रतिशत खाली स्थान वाला स्कैफोल्ड सबसे अच्छा संतुलन प्रदान करता है। यह विशिष्ट डिजाइन, जो 90 प्रतिशत हाइड्रोक्सीएपेटाइट, 9.9 प्रतिशत बेरियम टाइटेनेट और 0.1 प्रतिशत ग्राफीन के मिश्रण से बना था, घने मानव स्पंजी हड्डी की कठोरता से मेल खाता था और हड्डी के विकास के लिए सुरक्षित, लाभकारी सीमा के भीतर एक विद्युत संकेत उत्पन्न करता था।

एक बार जब कंप्यूटर डिजाइन अंतिम हो गया, तो टीम ने इसे प्रयोगशाला में बनाया। उन्होंने सिरेमिक पाउडर को एक तरल बाइंडर (binder) के साथ मिलाकर एक गाढ़ा पेस्ट बनाया, जो भारी मिट्टी के समान था, जिसे उन्होंने 3D प्रिंटर में लोड किया। प्रिंटर एक उच्च-सटीक ग्लू गन की तरह काम कर रहा था, जो पेस्ट की पतली लड़ियों को परत दर परत बाहर निकाल रहा था। शोधकर्ताओं को प्रिंटिंग की गति और पेस्ट को बाहर धकेलने के लिए उपयोग किए जाने वाले दबाव को सावधानीपूर्वक ट्यून करना पड़ा, यह सुनिश्चित करते हुए कि लड़ियाँ बिना ढहे या बहुत अधिक फैले अपना आकार बनाए रखें। उन्होंने बाइंडर के विभिन्न सांद्रता (concentrations) का परीक्षण किया ताकि वह एक ऐसा विकल्प मिल सके जिससे लड़ियाँ प्रिंट होने के तुरंत बाद स्थिर रह सकें। सही सेटिंग्स के साथ, उन्होंने सफलतापूर्वक जटिल सर्पिल संरचना को प्रिंट किया, जिससे एक ठोस वस्तु बनी जिसमें छोटे, जुड़े हुए छिद्रों का एक नेटवर्क था।

अंतिम उत्पाद एक छोटा, सफेद, छिद्रपूर्ण सिलेंडर था जो एक लघु मधुमक्खी के छत्ते जैसा दिखता था, लेकिन इसमें एक मुड़ा हुआ, परतदार आंतरिक पैटर्न था। जब शोधकर्ताओं ने सूक्ष्मदर्शी (microscope) के नीचे प्रिंट की गई वस्तु का परीक्षण किया, तो उन्होंने पुष्टि की कि विभिन्न सामग्रियां समान रूप से मिली हुई थीं और लड़ियाँ मजबूत और एकसमान थीं। कंप्यूटर मॉडलों ने भविष्यवाणी की थी कि यह विशिष्ट डिजाइन प्राकृतिक मानव हड्डी के समान दर से तरल पदार्थ को प्रवाहित होने देगा, और भौतिक संरचना ने इस क्षमता की पुष्टि की। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्रकृति के सर्पिल डिजाइन की नकल करके और विशिष्ट सामग्रियों को सावधानीपूर्वक मिलाकर, एक ऐसा स्कैफोल्ड बनाना संभव है जो मानव शरीर के साथ यांत्रिक रूप से संगत हो और विद्युत संकेतों के माध्यम से हड्डी के विकास को उत्तेजित करने में सक्षम हो। हालांकि शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह पुष्टि करने के लिए कि ये स्कैफोल्ड शरीर के भीतर कितने प्रभावी ढंग से काम करते हैं, जीवित प्रणालियों में आगे के परीक्षण की आवश्यकता है, इस संरचना का सफल डिजाइन और निर्माण गंभीर हड्डी की चोटों के लिए बेहतर, अधिक प्रभावी उपचार बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।