Mechanistic Insights into Pharmaceutical Adsorption by Metal-Organic Frameworks under Multi-Condition Environments

पानी हमारे ग्रह का जीवनरक्त है, फिर भी यह तेजी से एक छिपा हुआ बोझ ढो रहा है: उन दवाओं के रासायनिक अवशेष जो हम लेते हैं। हर दिन, अस्पताल और घरदारियां दर्द निवारक और एंटीबायोटिक्स जैसी भारी मात्रा में दवाओं को सीवेज प्रणालियों में छोड़ देते हैं। हालांकि उपचार संयंत्र इस पानी को साफ करने के लिए काम करते हैं, वे अक्सर इन स्थायी अणुओं को पूरी तरह से हटाने में संघर्ष करते हैं। ये बचे हुए फार्मास्यूटिकल्स नदियों और झीलों में बह जाते हैं, जहाँ वे जलीय जीवन को नुकसान पहुँचा सकते हैं और एंटीबायोटिक प्रतिरोध की बढ़ती समस्या में योगदान दे सकते हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक स्पंज के रूप में कार्य करने के नए तरीके खोज रहे हैं, जो पर्यावरण तक पहुँचने से पहले इन विशिष्ट दवा अणुओं को पकड़ सके। इस काम के लिए सामग्रियों का एक आशाजनक वर्ग है जिसे मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (metal-organic frameworks) के रूप में जाना जाता है। एक सूक्ष्म मचान (scaffold) की कल्पना करें जो धातु के परमाणुओं से बना हो और कार्बनिक स्ट्रट्स (struts) द्वारा जुड़ा हो, जो एक कठोर संरचना बनाता है जिसमें छोटे, समान छेद होते हैं। ये छेद दवा के अणुओं को फँसाने के लिए पर्याप्त बड़े हैं लेकिन पानी को गुजरने देने के लिए पर्याप्त छोटे हैं, जो प्रदूषकों को छानने का एक अत्यधिक कुशल तरीका प्रदान करते हैं।

पुणे, भारत में MIT-ADTU स्कूल ऑफ बायोइंजीनियरिंग साइंसेज एंड रिसर्च के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझने के लिए हाथ बढ़ाया कि ये दो मचान अलग-अलग परिस्थितियों में सामान्य दवाओं के साथ वास्तव में कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने दो विशिष्ट फ्रेमवर्क पर ध्यान केंद्रित किया: एक जो तांबे (copper) से बना था और दूसरा जो लोहे (iron) से बना था, दोनों ही एक ही जोड़ने वाले कार्बनिक टुकड़े का उपयोग करते थे। वैज्ञानिकों ने परीक्षण के लिए तीन बहुत अलग दवाओं को चुना: इबुप्रोफेन (ibuprofen), एक सामान्य सूजन-रोधी; सिप्रोफ्लोक्सासिन (ciprofloxacin), एक शक्तिशाली एंटीबायोटिक; और पैरासेटामिन (paracetamol), एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली दर्द निवारक। उनका लक्ष्य केवल यह देखना नहीं था कि क्या ये सामग्रियां दवाओं को पकड़ सकती हैं, बल्कि यह पता लगाना भी था कि इस कैप्चर के पीछे का सटीक तंत्र क्या है। वे जानना चाहते थे कि क्या दवाएं केवल शेल्फ पर जमी धूल की तरह सतह पर चिपक जाती हैं, या क्या वे फ्रेमवर्क के भीतर धातु के परमाणुओं के साथ एक मजबूत रासायनिक बंधन बनाती हैं। उन्हें यह भी समझने की आवश्यकता थी कि पानी की अम्लता (acidity), जो एक कारखाने से नदी तक चलते समय बदलती है, इस प्रक्रिया में कैसे मदद करती है या इसमें बाधा डालती है।

शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला में इन दो धातु फ्रेमवर्कों को बनाना शुरू किया। उन्होंने धातु के लवणों (salts) को कार्बनिक संयोजकों के साथ एक तरल घोल में मिलाया, जिससे कमरे के तापमान पर क्रिस्टल बनने लगे। एक सामग्री नीले-बैंगनी पाउडर के रूप में विकसित हुई, जबकि दूसरी हल्की नारंगी पाउडर बनी। उन्नत इमेजिंग और रासायनिक विश्लेषण का उपयोग करके, उन्होंने पुष्टि की कि दोनों सामग्रियों में सही क्रिस्टल संरचना थी और वे इच्छित तत्वों से बनी थीं। फिर उन्होंने परीक्षण किया कि ये पाउडर कितनी अच्छी तरह तीन दवाओं को पकड़ सकते हैं। सबसे पहले, उन्होंने एक शुद्ध, गैर-जल विलायक (non-water solvent) में अंतःक्रिया को देखा ताकि बिना किसी हस्तक्षेप के दवा और धातु के बीच के कच्चे आकर्षण को देखा जा सके। इस वातावरण में, दोनों फ्रेमवर्क अविश्वसनीय रूप से प्रभावी सिद्ध हुए, और जब फ्रेमवर्क की मात्रा पर्याप्त थी, तो उन्होंने लगभग सभी दवा अणुओं को पकड़ लिया। डेटा ने दिखाया कि दवाएं केवल सतह के पास नहीं तैर रही थीं; उन्होंने धातु केंद्रों के साथ मजबूत रासायनिक बंधन बनाए, जो एक त्वरित और कुशल प्रक्रिया थी।

जब टीम ने जल-आधारित परीक्षणों की ओर रुख किया, तो कहानी अधिक जटिल हो गई और इसने पानी के pH स्तर के महत्व को प्रकट किया। उन्होंने परीक्षण के लिए हल्के अम्लीय स्तर वाले पानी और तटस्थ (neutral) स्तर वाले पानी का उपयोग किया, जो विभिन्न पर्यावरणीय स्थितियों की नकल करता है। परिणाम दवा के आधार पर काफी भिन्न रहे। इबुप्रोफेन, जो पानी की अम्लता के आधार पर अपना रासायनिक आवेश (charge) बदलता है, ने एक नाटकीय अंतर दिखाया। तटस्थ पानी में, जहाँ दवा एक हाइड्रोजन परमाणु खो देती है और ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाती है, वह धातु फ्रेमवर्क के साथ मजबूती से और तेजी से जुड़ी। अम्लीय पानी में, यह बंधन कमजोर था, और कैप्चर कम कुशल था। इसने पुष्टि की कि दवा की रासायनिक अवस्था यह एक महत्वपूर्ण कारक है कि उसे कितनी अच्छी तरह हटाया जा सकता है।

सिप्रोफ्लोक्सासिन अलग व्यवहार करता है, जो पानी की केमिस्ट्री में बदलाव के बावजूद कैप्चर के उच्च स्तर को बनाए रखता है। यह स्थिरता इसलिए होती है क्योंकि एंटीबायोटिक एक साथ कई तरीकों से धातु फ्रेमवर्क से जुड़ सकता है, जिससे यह पानी की रसायन विज्ञान के प्रति कम संवेदनशील हो जाता है। हालाँकि, पैरासेटामिन ने एक अनूठा पैटर्न दिखाया। इसकी कैप्चर दक्षता वास्तव में फ्रेमवर्क सामग्री को और अधिक जोड़ने पर थोड़ी कम हो गई, जो एक ऐसा व्यवहार है जो बताता है कि दवा एक अलग, कमजोर प्रकार के आकर्षण पर निर्भर करती है जो पानी के अणुओं के साथ प्रतिस्पर्धा करती है। इस विषमता ने शोधकर्ताओं को मजबूत रासायनिक बंधन और कमजोर भौतिक चिपकाव के बीच अंतर करने में मदद की।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये निष्कर्ष केवल सैद्धांतिक नहीं हैं, टीम ने पुणे की मुला-मुठा नदी से एकत्र किए गए वास्तविक नदी के पानी पर अपनी विधि का परीक्षण किया। उन्होंने नदी के पानी में तीनों दवाओं की छोटी, ज्ञात मात्रा डाली और फिर इन दवाओं को हटाने के लिए धातु फ्रेमवर्क का उपयोग किया। उपचार के बाद, उन्होंने पानी का विश्लेषण किया और पाया कि वे 90 से 95 प्रतिशत दवाओं को पुनः प्राप्त कर सके, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह विधि अन्य प्राकृतिक पदार्थों से भरी एक अव्यवस्थित, वास्तविक दुनिया के वातावरण में भी काम करती है। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि ये धातु फ्रेमवर्क पानी को साफ करने के लिए शक्तिशाली उपकरण हैं, लेकिन सबसे अच्छा विकल्प पूरी तरह से विशिष्ट दवा और पानी की स्थितियों पर निर्भर करता है। उन दवाओं के लिए जिनका चार्ज pH के साथ बदलता है, तटस्थ पानी सबसे अच्छे परिणाम देता है, जबकि अन्य के लिए, फ्रेमवर्क की कई बंधनों को बनाने की क्षमता सफलता की कुंजी है। यह कार्य विशिष्ट फार्मास्युटिकल प्रदूषण से निपटने के लिए सही सामग्री चुनने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है, जो इस क्षेत्र को हमारे जल स्रोतों की सुरक्षा के लिए व्यावहारिक समाधानों के करीब ले जाता है।