Statistical and Machine Learning Assisted Tribological Characterization of Mg (97.65Wt. %)-Ag (2.03Wt. %) - Mn (0.29Wt. %) - Zr (0.03Wt. %) Alloy for Orthopedic Osteosynthesis Implants

जब कोई हड्डी टूटती है, तो डॉक्टर अक्सर धातु की प्लेटों और पेंचों का उपयोग करके टुकड़ों को एक साथ पकड़ते हैं, जबकि प्रकृति उन्हें वापस एक एकल, ठोस इकाई में जोड़ने का अपना काम करती है। दशकों से, ये उपकरण स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम से बनाए जाते रहे हैं, जो सामग्रियां शरीर का वजन उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत हैं लेकिन इतनी जिद्दी भी हैं कि हमेशा शरीर के अंदर ही रहें। क्योंकि शरीर इन धातुओं को तोड़ नहीं सकता, इसलिए आमतौर पर हार्डवेयर को हटाने के लिए बाद में एक दूसरी सर्जरी की आवश्यकता होती है जब हड्डी पूरी तरह से ठीक हो जाती है। यह अतिरिक्त ऑपरेशन रोगी के स्वास्थ्य लाभ में जोखिम, दर्द और लागत जोड़ देता है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक बेहतर विकल्प की तलाश में रहे हैं: एक ऐसी सामग्री जो टूटने को ठीक करने के लिए पर्याप्त मजबूत हो लेकिन अपना काम पूरा होने के बाद स्वाभाविक रूप से घुलने के लिए पर्याप्त सौम्य हो। मैग्नीशियम, एक हल्का धातु जो मानव शरीर में पाया जाता है और हड्डियों के स्वास्थ्य के लिए आवश्यक है, एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है। यह मजबूत है, यह वास्तविक हड्डी की कठोरता की नकल करता है, और अंततः गायब हो जाता है। हालांकि, मैग्नीशियम में एक दोष है: यह बहुत जल्दी घिस जाता है और हड्डी के पूरी तरह से ठीक होने से पहले दैनिक गतिविधियों के घर्षण के कारण बिखर सकता है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ता मैग्नीशियम को अन्य तत्वों के साथ मिलाकर एक अधिक कठिन, अधिक टिकाऊ संस्करण बना रहे हैं जो उपयोगी होने तक शरीर के भीतर जीवित रह सके।

मनिपाल एकेडमी ऑफ हायर एजुकेशन और भारत के अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने मैग्नीशियम, सिल्वर, मैंगनीज और जिरकोनियम के एक विशिष्ट नए मिश्रण का परीक्षण करने के लिए हाथ बढ़ाया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि यह मिश्र धातु चलने और दैनिक गतिविधि के दौरान एक जोड़ के भीतर या एक हड्डी की प्लेट के साथ होने वाली रगड़ और घिसाई को कितनी अच्छी तरह संभाल सकती है। वे जानते थे कि यदि सामग्री बहुत तेजी से घिस गई, तो यह विफल हो जाएगी। उत्तर खोजने के लिए, उन्होंने केवल परीक्षण और त्रुटि (ट्रायल एंड एरर) पर भरोसा नहीं किया, जिसमें वर्षों और हजारों परीक्षण लग सकते हैं। इसके बजाय, उन्होंने भौतिक प्रयोगों को उन्नत कंप्यूटर लर्निंग के साथ जोड़ा। उन्होंने एक ऐसा मॉडल बनाया जो यह भविष्यवाणी कर सकता था कि विभिन्न स्थितियों के तहत धातु कैसे व्यवहार करेगी, जिससे उन्हें हर एक संभावना का हाथ से परीक्षण किए बिना घिसावट के जटिल नियमों को समझने में मदद मिली।

शोधकर्ताओं ने पहले अपने मैग्नीशियम मिश्र धातु के छोटे नमूने बनाए और उन्हें दो अलग-अलग प्रकार के वियर टेस्ट (घिसावट परीक्षण) से गुजारा। पहले परीक्षण में, उन्होंने एक ऐसी स्थिति का अनुकरण किया जहाँ धातु और एक रबर के पहिये के बीच रेत जैसे कण फंस गए थे, जो एक जोड़ के भीतर के खुरदरे, अपघर्षक वातावरण की नकल करता है। दूसरे परीक्षण में, उन्होंने धातु को सीधे एक स्टील डिस्क के खिलाफ रगड़ा ताकि यह देखा जा सके कि यह चिकने, फिसलने वाले दबाव के तहत कैसा प्रदर्शन करता है। उन्होंने धातु पर पड़ने वाले भार, गति की गति और तय की गई दूरी को बदला। उन्होंने न्यूरल नेटवर्क नामक एक कंप्यूटर प्रोग्राम का भी उपयोग किया, जो एक डिजिटल मस्तिष्क की तरह कार्य करता है, जो परीक्षणों के परिणामों से सीखता है। इस प्रोग्राम ने डेटा में पैटर्न की तलाश की, यह अनुमान लगाने की कोशिश की कि यदि वे स्थितियों को थोड़ा बदलते हैं तो क्या होगा, जिससे उन्हें यह समझने में मदद मिली कि कौन से कारक सबसे महत्वपूर्ण थे।

उन्होंने पाया कि धातु कितनी तेजी से घिसती है, इसे नियंत्रित करने वाला सबसे महत्वपूर्ण कारक बस यह था कि उस पर कितना दबाव डाला जा रहा था। जब उन्होंने भारी भार लगाया, तो धातु ने वास्तव में बेहतर प्रदर्शन किया। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि दबाव ने धातु और रेत के सूक्ष्म कणों को सतह पर कसकर पैक कर दिया, जिससे एक सुरक्षात्मक ढाल बन गई जिसने आगे के नुकसान को रोक दिया। यह एक आश्चर्यजनक परिणाम था, क्योंकि कोई उम्मीद कर सकता है कि अधिक दबाव से अधिक नुकसान होगा, लेकिन इस मामले में, दबाव ने सामग्री को खुद की रक्षा करने में मदद की। दूसरी ओर, धातु को तेजी से चलाने से आमतौर पर घिसावट बढ़ गई, क्योंकि निरंतर गति ने सुरक्षात्मक परत को तोड़ दिया। हालांकि, धातु द्वारा तय की गई दूरी को बढ़ाने से घिसावट की दर कम हो गई, क्योंकि लंबे समय तक फिसलने से सतह पर एक स्थिर सुरक्षात्मक परत बनने में मदद मिली। उनके द्वारा बनाए गए कंप्यूटर मॉडल सामग्री के व्यवहार के सामान्य रुझानों को पकड़ने में प्रभावी थे, हालांकि रेत आधारित घिसावट परीक्षण के लिए भविष्यवाणियाँ मध्यम सटीकता के साथ कुछ ध्यान देने योग्य बिखराव दिखाती थीं, जबकि सीधे स्लाइडिंग परीक्षण के लिए मॉडल अत्यधिक सटीक थे। यह अंतर स्पष्ट करता है कि हालांकि डिजिटल उपकरणों ने प्रमुख कारकों की सफलतापूर्वक पहचान की, लेकिन रेत आधारित घिसावट की जटिल प्रकृति को सटीक भविष्यवाणी के लिए और अधिक परिष्कृत करने की आवश्यकता थी।

टीम ने परीक्षणों के बाद धातु की सतह को भी करीब से देखा कि भौतिक रूप से क्या हुआ था। सूक्ष्मदर्शी के नीचे, उन्होंने देखा कि कम दबाव पर, सतह पर केवल उथले निशान और ऑक्साइड की एक पतली परत थी जो इसकी रक्षा करती थी। लेकिन जैसे-जैसे दबाव बढ़ा, सतह पर गहरे खांचे और कुचले हुए धातु के मलबे के ढेर दिखाई दिए, जो यह संकेत देते थे कि सामग्री को अधिक आक्रामक तरीके से घिसा जा रहा था। इसके बावजूद, मिश्र धातु ने उल्लेखनीय रूप से अच्छा प्रदर्शन किया, विशेष रूप से उन स्थितियों में जब सुरक्षात्मक परत बनने की अनुमति मिली। शोधकर्ताओं ने डेटा का उपयोग करके गति, दूरी और दबाव का सही संतुलन खोजने के लिए किया जो घिसावट को न्यूनतम रखे। उन्होंने पाया कि हल्का भार और धीमी गति का उपयोग करना, और धातु को लंबे समय तक फिसलने देना, सामग्री के जीवित रहने के लिए सबसे अच्छी स्थितियाँ बनाता है।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह विशिष्ट मैग्नीशियम मिश्र धातु, जिसे सिल्वर, मैंगनीज और जिरकोनियम के साथ मजबूत किया गया है, ऑर्थोपेडिक इम्प्लांट्स के लिए एक विश्वसनीय सामग्री बनने की क्षमता रखती है। यह दिखाते हुए कि सामग्री घिसावट का विरोध कर सकती है और इसके व्यवहार की सटीक भविष्यवाणी कंप्यूटर मॉडल द्वारा की जा सकती है, शोधकर्ताओं ने बायोडिग्रेडेबल (प्राकृतिक रूप से घुलने वाले) इम्प्लांट्स को वास्तविकता बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। यह कार्य सुझाव देता है कि सही डिजाइन के साथ, ये इम्प्लांट्स हड्डी के ठीक होने की प्रक्रिया के दौरान सहारा दे सकते हैं और फिर गायब हो सकते हैं, जिससे उन्हें निकालने के लिए दूसरी सर्जरी की आवश्यकता समाप्त हो जाएगी। भौतिक परीक्षण और मशीन लर्निंग का संयोजन इन जीवन बदलने वाले चिकित्सा उपकरणों को विकसित करने का एक शक्तिशाली नया तरीका प्रदान करता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि वे काम करने के लिए पर्याप्त मजबूत और जब उनकी आवश्यकता न रहे तो गायब होने के लिए पर्याप्त सौम्य हों।