Ultra-thin electrodes for wound healing monitoring and drug screening on curved interfaces
यह शोध पत्र वक्रित फ्लोरोसिलिकॉन कॉन्टैक्ट लेंसों पर अल्ट्रा-थिन, हस्तांतरणीय स्वर्ण इलेक्ट्रोडों का उपयोग करने वाले एक बहुमुखी मंच को प्रस्तुत करता है ताकि गैर-समतल जैविक सतहों पर उपकला घाव भरने की गतिशीलता और दवा स्क्रीनिंग की वास्तविक समय में विद्युत निगरानी को सक्षम किया जा सके।
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जब त्वचा कट जाती है या कॉर्निया (cornea) पर खरोंच आ जाती है, तो शरीर इस अंतर को भरने के लिए एक जटिल मरम्मत दल (repair crew) तैनात करता है। यह प्रक्रिया कोशिकाओं के घाव के ऊपर से प्रवास करने, आपस में जुड़ने और एक मजबूत अवरोध (barrier) बनाने पर निर्भर करती है जो तरल पदार्थों को अंदर रखता है और कीटाणुओं को बाहर। वैज्ञानिक लंबे समय से यह देखना चाहते थे कि यह उपचार वास्तविक समय (real time) में कैसे होता है, न कि केवल सूक्ष्मदर्शी (microscope) के साथ स्नैपशॉट लेकर, बल्कि उन विद्युत परिवर्तनों को मापकर जो अवरोध के पुनर्गठन के दौरान होते हैं। चुनौती यह है कि जीवित ऊतक (tissue) शायद ही कभी सपाट होते हैं। त्वचा जोड़ों के ऊपर मुड़ती है, और आँख एक गोला होती है। इन कोशिकाओं का अध्ययन करने के लिए अधिकांश प्रयोगशाला उपकरण सपाट कांच या प्लास्टिक पर बनाए जाते हैं, जो उन्हें एक अप्राकृतिक तरीके से व्यवहार करने के लिए मजबूर करते हैं, जिससे वे यह पकड़ने में विफल रहते हैं कि वे शरीर के भीतर पाए जाने वाली घुमावदार सतहों पर वास्तव में कैसे कार्य करती हैं।
शोधकर्ताओं के एक दल ने अब एक घुमावदार सतह पर इन उपचार करने वाली कोशिकाओं का अध्ययन करने का एक तरीका विकसित किया है, जो कॉन्टैक्ट लेंस के आकार की नकल करता है। उन्होंने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया है जो अत्यंत पतले, लचीले इलेक्ट्रॉनिक सेंसर का उपयोग करता है जिन्हें बिना टूटे एक सपाट निर्माण शीट से उतारकर एक घुमावदार लेंस पर चिपकाया जा सकता है। ये सेंसर 'पैरिलीन सी' (Parylene C) नामक एक विशेष, लचीले प्लास्टिक से बने हैं, जो इतना पतला है कि आसानी से मुड़ जाता है, और बिजली का संचालन करने के लिए इस पर सोने (gold) की एक सूक्ष्म परत चढ़ाई गई है। इस घुमावदार, सेंसर-कवर्ड लेंस पर मानव कोशिकाओं की एक परत उगाकर, टीम देख सकी कि कोशिकाएं दो इलेक्ट्रोडों के बीच के अंतराल को कैसे भरती हैं। जैसे ही कोशिकाओं ने घाव को भरने के लिए गति की, सेंसरों के बीच बहने वाली विद्युत धारा बदल गई, जिससे मरम्मत की गति और गुणवत्ता की निरंतर, वास्तविक समय की रिपोर्ट प्राप्त हुई।
शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का परीक्षण एक घुमावदार लेंस पर उगाई गई कोशिकाओं की एक परत में एक छोटा, कृत्रिम घाव बनाकर किया। उन्होंने सेंसरों पर बहुत कम, सौम्य वोल्टेज पल्स लगाए और इसके परिणामस्वरूप होने वाले बिजली के निरंतर प्रवाह को मापा। जब घाव नया था और अंतराल चौड़ा खुला था, तो कोशिकाओं के बीच का तरल पदार्थ बिजली को स्वतंत्र रूप से बहने देता था, जिससे एक मजबूत संकेत (signal) बनता था। जैसे-जैसे कोशिकाएं अंतराल को भरने के लिए प्रवास करती गईं और एक-दूसरे से पुनः जुड़ गईं, उन्होंने एक अवरोध के रूप में कार्य किया, जिससे बिजली का प्रवाह रुक गया और संकेत में गिरावट आई। टीम ने देखा कि एक स्वस्थ, अनुपचारित समूह में, विद्युत संकेत लगभग 24 घंटों में लगातार गिरा, जो यह दर्शाता है कि कोशिकाओं ने सफलतापूर्वक घाव को सील कर दिया था। इस पद्धति ने उन्हें विच्छेदित चित्रों की एक श्रृंखला के बजाय एक निरंतर कहानी के रूप में उपचार प्रक्रिया को देखने की अनुमति दी।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रणाली घाव भरने पर दवाओं के प्रभाव का पता लगा सकती है, वैज्ञानिकों ने अलग-अलग घायल कोशिकाओं के समूहों में तीन अलग-अलग दवाएं पेश कीं। लिडोकेन (lidocaine), जो आमतौर पर दर्द को सुन्न करने के लिए उपयोग की जाती है, ने घाव को भरने की प्रक्रिया को तेज कर दिया, जिसमें विद्युत संकेत अनुपचारित समूह की तुलना में तेजी से गिरा। नियोमाइसिन (neomycin), जो एक एंटीबायोटिक है, ने उपचार प्रक्रिया में मामूली देरी की, जबकि एक तीसरी दवा, ओउआबेन (ouabain), जो कोशिकाओं की गति को प्रभावित करती है, ने कोशिकाओं को अलग कर दिया और उपचार को पूरी तरह से रोक दिया। सेंसरों ने इन अंतरों को स्पष्ट रूप से पकड़ा, जिससे पता चला कि यह प्लेटफॉर्म न केवल प्राकृतिक मरम्मत प्रक्रिया को ट्रैक कर सकता है, बल्कि यह भी पता लगा सकता है कि विशिष्ट रसायन इसे कैसे बदलते हैं।
शोधकर्ताओं ने घुमावदार सेटअप के भौतिकी का अनुकरण करने के लिए एक कंप्यूटर मॉडल भी बनाया। इस सिमुलेशन ने पुष्टि की कि विद्युत संकेत में परिवर्तन वास्तव में कोशिकाओं द्वारा अंतराल भरने के कारण थे, न कि लेंस या सेंसरों के आकार के कारण। मॉडल ने दिखाया कि जैसे-जैसे कोशिकाओं ने घाव को ढका, विद्युत प्रतिरोध बढ़ गया, जो वास्तविक प्रयोगों में देखी गई करंट की गिरावट से मेल खाता है। भौतिक उपकरण और कंप्यूटर मॉडल के बीच यह सहमति इस बात का विश्वास दिलाती है कि माप सटीक हैं। टीम ने सत्यापित किया कि उपयोग की गई सामग्रियां कोशिकाओं के लिए सुरक्षित थीं, जिससे यह पता चला कि कोशिकाएं मानक सपाट कांच की तरह ही इस घुमावदार, सेंसर-कवर्ड सतह पर सामान्य रूप से बढ़ीं और बढ़ीं।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग करके घुमावदार सतहों पर जैविक उपचार की निगरानी करना संभव है। सपाट, कठोर उपकरणों से दूर हटकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई है जो मानव शरीर के वास्तविक आकार को बेहतर ढंग से दर्शाती है। एक घुमावदार इंटरफेस पर उपचार की निगरानी करने और दवाओं का परीक्षण करने की क्षमता, ऊतक मरम्मत के अधिक सटीक अध्ययन के द्वार खोलती है। हालांकि इस विशिष्ट अध्ययन में कॉन्टैक्ट लेंस पर एक मॉडल सेल लाइन का उपयोग किया गया था, लेकिन यह दृष्टिकोण आंख के कॉर्निया जैसे अधिक जटिल ऊतकों के अध्ययन के लिए एक मार्ग सुझाता है, जहाँ वक्रता (curvature) कार्य करने के लिए आवश्यक है। यह प्रणाली जीवन के स्वयं की मरम्मत करने के दौरान होने वाले अदृश्य विद्युत परिवर्तनों को देखने का एक तरीका प्रदान करती है, जिससे यह स्पष्ट दृश्य मिलता है कि घाव कैसे भरते हैं और दवाएं उस प्रक्रिया में कैसे मदद या बाधा डाल सकती हैं।
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