Polyhydroxybutyrate-Polybutylene Succinate/Chitosan-Coated Macadamia Nutshell Composite Filaments with Antibacterial Functionality for Material Extrusion 3D Printing

चिकित्सा देखभाल की दुनिया में, टूटी हुई हड्डियों को ठीक करने और घायल अंगों को सहारा देने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों की कीमत अक्सर भारी होती है, वित्तीय और पर्यावरणीय दोनों रूप से। पारंपरिक स्प्लिंट्स (splints) और ब्रेसेस (braces) अक्सर उन धातुओं से बने होते हैं जो भारी और असुविधाजनक होते हैं, या उन सिंथेटिक प्लास्टिक से जो मजबूत तो होते हैं लेकिन कभी नष्ट नहीं होते, जिससे वे अंततः लैंडफिल और महासागरों में स्थायी कचरे के रूप में जमा हो जाते हैं। हालांकि वैज्ञानिकों ने ऐसे बायोडिग्रेडेबल (जैव-अपघटनीय) प्लास्टिक विकसित किए हैं जो इन सामग्रियों का स्थान ले सकते हैं, लेकिन उनमें अक्सर आवश्यक मजबूती या संक्रमण को रोकने की क्षमता की कमी होती है, जो एक महत्वपूर्ण जोखिम है जब कोई उपकरण दिनों या हफ्तों तक त्वचा के संपर्क में रहता है। चुनौती एक ऐसी सामग्री बनाने में है जो शरीर के किसी हिस्से को अपनी जगह पर बनाए रखने के लिए पर्याप्त मजबूत हो, आरामदायक होने के लिए पर्याप्त हल्की हो, उपयोग के बाद हानिरहित रूप से घुलने के लिए पर्याप्त सुरक्षित हो, और इसकी सतह पर बैक्टीरिया को बढ़ने से रोकने में सक्षम हो।

थाईलैंड के चुलालोंगकोर्न विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने कृषि अपशिष्ट को एक उच्च-तकनीकी चिकित्सा सामग्री में बदलकर इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने एक नए प्रकार का फिलामेंट विकसित किया है, जो 3D प्रिंटरों में उपयोग किया जाने वाला एक पतला धागा है, जो दो बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक को मैकाडामिया नट्सhells (मैकाडामिया के छिलकों) से बने पाउडर के साथ जोड़ता है। इस मिश्रण को काम करने योग्य बनाने के लिए, उन्होंने नट्सhells को साफ करने के लिए उनका उपचार किया और फिर उन्हें चिटोसन (chitosan) से कोट किया, जो शेलफिश के छिलकों से प्राप्त एक प्राकृतिक पदार्थ है और जो बैक्टीरिया को मारने के लिए जाना जाता है। परिणाम स्वरूप एक ऐसा प्रिंट करने योग्य पदार्थ प्राप्त हुआ जो न केवल मजबूत और स्थिर है बल्कि सक्रिय रूप से संक्रमण से भी लड़ता है, जो कस्टम-मेड चिकित्सा उपकरणों के लिए एक टिकाऊ मार्ग प्रदान करता है।

यह यात्रा एक सरल अवलोकन के साथ शुरू हुई: मैकाडामिया नट्सhells एक विशाल अपशिष्ट उत्पाद हैं, जिन्हें हर साल वैश्विक स्तर पर लाखों टन के रूप में त्याग दिया जाता है। शोध टीम ने इन छिलकों को एकत्र किया, उन्हें महीन पाउडर में पीसा, और फिर उन्हें एक रासायनिक स्नान से गुजारा ताकि अवांछित पादप रेशों को हटाया जा सके, जिससे पीछे एक स्वच्छ और अधिक प्रतिक्रियाशील सामग्री बची। इसके बाद उन्होंने इस पाउडर को दो बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर, पॉलीहाइड्रॉक्सीब्यूटिरेट (polyhydroxybutyrate) और पॉलीब्यूटिलीन सकसिनेट (polybutylene succinate) के मिश्रण में मिलाया, जिन्हें इसलिए चुना गया था क्योंकि वे एक-दूसरे के पूरक हैं; एक कठोरता प्रदान करता है जबकि दूसरा लचीलापन जोड़ता है। टीम ने नट्सhell पाउडर की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया, जो कुल वजन का शून्य से दस प्रतिशत तक थी, यह देखने के लिए कि प्लास्टिक कितना फिलर (filler) धारण कर सकता है इससे पहले कि वह बहुत भंगुर या प्रिंट करने में कठिन हो जाए।

उन्होंने पाया कि बहुत अधिक पाउडर मिलाने से सामग्री को 3D प्रिंटर के माध्यम से धकेलना कठिन हो जाता है और इसके कारण इसकी संरचनात्मक अखंडता कम हो जाती है। हालांकि, पांच प्रतिशत नट्सhell पाउडर वाला मिश्रण एक आदर्श संतुलन बनाता है, जो प्लास्टिक की मजबूती बनाए रखते हुए प्राकृतिक फिलर के लाभ भी जोड़ता है। लेकिन असली सफलता तब आई जब उन्होंने चिटोसन कोटिंग पेश की। नट्सhell पाउडर को प्लास्टिक के साथ मिलाने से पहले उसे चिटोसन समाधान में डुबोकर, उन्होंने प्राकृतिक फिलर और सिंथेटिक पॉलिमर के बीच एक सेतु बनाया। इस कोटिंग ने केवल सामग्रियों को आपस में चिपकाने में ही मदद नहीं की; इसने पूरे फिलामेंट को एक एंटीबैक्टीरियल (जीवाणुरोधी) ढाल में बदल दिया।

जब शोधकर्ताओं ने परीक्षण पीस प्रिंट किए और उन्हें कठोर परीक्षणों के अधीन किया, तो परिणाम स्पष्ट थे। बिना कोटिंग वाला नट्सhell पाउडर वास्तव में सामग्री को थोड़ा कमजोर कर देता था और संक्रमण के विरुद्ध कोई सुरक्षा प्रदान नहीं करता था। इसके विपरीत, चिटोसन-कोटेड संस्करण ने चिकित्सा उपयोग के लिए आवश्यक यांत्रिक शक्ति को बरकरार रखा और दो सामान्य प्रकार के बैक्टीरिया को मारने की शक्तिशाली क्षमता प्रदर्शित की: एक जो त्वचा के संक्रमण का कारण बनता है और दूसरा जो अक्सर आंतों में पाया जाता है। प्रिंट की गई वस्तुओं ने अपना आकार उल्लेखनीय रूप से बनाए रखा, प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान बहुत कम सिकुड़न या विरूपण के साथ, जो बायोडिग्रेडेबल सामग्रियों के साथ एक आम समस्या है। कोटिंग ने प्रिंटर नोजल के माध्यम से सामग्री के सुचारू प्रवाह में भी मदद की, जिससे अंतिम उत्पाद सुसंगत और विश्वसनीय बना।

अध्ययन सुझाव देता है कि यह दृष्टिकोण कस्टम ऑर्थोपेडिक उपकरणों, जैसे कि टूटे हुए अंगों के लिए स्प्लिंट्स बनाने के लिए एक व्यवहार्य समाधान प्रदान करता है, जो रोगी की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुरूप हों। चूंकि यह सामग्री बायोडिग्रेडेबल है, इसलिए इसे हड्डी के ठीक होने तक पहना जा सकता है और फिर चिकित्सा कचरे के बढ़ते संकट में योगदान दिए बिना सुरक्षित रूप से त्याग दिया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया है कि कृषि उप-उत्पादों और प्राकृतिक एंटीबैक्टीरियल एजेंटों का उपयोग करके, एक ऐसी सामग्री बनाना संभव है जो न केवल कार्यात्मक और सुरक्षित है बल्कि पर्यावरण के प्रति भी जिम्मेदार है। हालांकि इस सामग्री की टूटने से पहले खिंचने की क्षमता के संबंध में अभी भी कुछ सीमाएं हैं, लेकिन मजबूती, प्रिंट करने की क्षमता और संक्रमण नियंत्रण का संयोजन टिकाऊ चिकित्सा निर्माण के क्षेत्र में एक आशाजनक प्रगति का प्रतीक है।