Oxygen plasma-engineered resin–carbon interfaces in 3D-printed hollow microneedle electrodes for IL-6 detection
यह अध्ययन एक ऑक्सीजन प्लाज्मा-इंजीनियर्ड, 3D-प्रिंटेड खोखले माइक्रोनीडल कार्बन इलेक्ट्रोड प्रस्तुत करता है जो जटिल जैविक तरल पदार्थों में IL-6 के संवेदनशील, लेबल-मुक्त और स्थिर इम्पीडिमेट्रिक डिटेक्शन को सक्षम करने के लिए इंटरफेशियल इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है।
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मानव शरीर संकेतों का एक जटिल नेटवर्क है, जो लगातार त्वचा के ठीक नीचे मौजूद तरल पदार्थों के माध्यम से यात्रा करने वाले सूक्ष्म रासायनिक संदेशवाहकों द्वारा संचार करता है। इन संदेशवाहकों में साइटोकिन्स (cytokines) नामक प्रोटीन शामिल हैं, जो सूजन या संक्रमण के दौरान अलार्म बेल की तरह कार्य करते हैं। ऐसा ही एक प्रोटीन, इंटरल्यूकिन-6 (IL-6), विशेष रूप से महत्वपूर्ण है क्योंकि जब शरीर गंभीर तनाव में होता है, जैसे कि सेप्सिस (sepsis) के दौरान, तो इसका स्तर तेजी से बढ़ जाता है। रोगी के भीतर क्या हो रहा है, इसे समझने के लिए डॉक्टरों को अक्सर इन स्तरों को मापने की आवश्यकता होती है, लेकिन पारंपरिक विधि में रक्त निकालना शामिल है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो आक्रामक, दर्दनाक और निरंतर करना कठिन हो सकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन संकेतों तक पहुँचने के लिए एक अधिक सौम्य तरीके की तलाश कर रहे हैं, और हमारे कोशिकाओं के चारों ओर मौजूद इंटरस्टिशियल फ्लूइड (interstitial fluid) की ओर देख रहे हैं। इस तरल पदार्थ में रक्त के समान ही रासायनिक संकेत होते हैं, लेकिन यदि कोई त्वचा की कठोर बाहरी परत को बिना किसी नुकसान के पार कर सके, तो यहाँ पहुँचना आसान है। चुनौती एक ऐसे उपकरण को बनाने की रही है जो इस बाधा को भेद सके, नमूना एकत्र कर सके और उच्च सटीकता के साथ एक विशिष्ट प्रोटीन को माप सके, और साथ ही इतना छोटा रहे कि आरामदायक हो और इतना सरल हो कि जिसे विश्वसनीय रूप से बनाया जा सके।
ब्राजील के फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ ABC के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया उपकरण विकसित किया है जो इन क्षमताओं को एक एकल, एकीकृत संरचना में लाता है। उन्होंने सूक्ष्म, खोखली सुइयों का एक पैच बनाया, जिनमें से प्रत्येक की ऊँचाई केवल 1.5 मिलीमीटर है, जिन्हें स्टेरियोलिथोग्राफी (stereolithography) नामक एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन 3D प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके प्रिंट किया गया है। पिछले डिजाइनों के विपरीत, जहाँ सुई केवल एक ट्यूब थी जो तरल को एक अलग सेंसर तक ले जाती थी, ये सुइयाँ स्वयं सेंसर हैं। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक सुई के भीतर के खोखले चैनलों को एक प्रवाहकीय कार्बन पेस्ट (conductive carbon paste) से भर दिया, जिससे सुइयों का पूरा समूह एक कार्यात्मक विद्युत इंटरफेस बन गया। यह डिज़ाइन उपकरण को त्वचा में प्रवेश करने और प्रवेश बिंदु पर ही रसायनों का पता लगाने की अनुमति देता है, जिससे जटिल ट्यूबिंग या बाहरी पंपों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। हालाँकि, केवल सुई को कार्बन से भरना पर्याप्त नहीं था; वह सीमा जहाँ कार्बन पेस्ट सुई के प्लास्टिक रेजिन से मिलता है, शुरू में विद्युत प्रवाह के प्रति बहुत प्रतिरोधी थी, जिससे स्पष्ट रीडिंग प्राप्त करना कठिन हो गया था।
इसे हल करने के लिए, टीम ने सुइयों की सतह को ऑक्सीजन प्लाज्मा (oxygen plasma) के साथ उपचारित किया, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें आयनित गैस का उपयोग नाजुक संरचना को नुकसान पहुँचाए बिना सतह की रासायनिक प्रकृति को बदलने के लिए किया जाता है। इस उपचार ने एक चाबी की तरह कार्य किया, जिसने कार्बन और रेजिन के बीच के इंटरफेस को खोल दिया। उपचार से पहले, पानी सतह पर बूंदों के रूप में जमा हो जाता है, जो दर्शाता है कि सतह कुछ हद तक जल-विकर्षक (water-repelling) है। प्लाज्मा एक्सपोज़र के बाद, पानी तुरंत फैल जाता है, जो दर्शाता है कि सतह तरल पदार्थों के प्रति अत्यधिक ग्रहणशील हो गई है। यह परिवर्तन महत्वपूर्ण है क्योंकि उपकरण को कार्य करने के लिए शरीर के तरल पदार्थों द्वारा गीला होना आवश्यक है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस सरल कदम ने इंटरफेस पर बिजली के प्रवाह में नाटकीय रूप रूप से सुधार किया, प्रतिरोध को उस स्तर तक कम कर दिया जहाँ उपकरण आसपास के तरल के साथ प्रभावी ढंग से संवाद कर सके। उन्होंने इसकी पुष्टि इलेक्ट्रॉन के सतह के पार कितनी आसानी से चलते हैं, इसे मापकर की, जिससे पता चला कि उपचार के बाद इस गति में दोगुना से अधिक वृद्धि हुई।
विद्युत पथ के अनुकूल होने के बाद, टीम ने IL-6 का पता लगाने की उपकरण की क्षमता का परीक्षण किया। उन्होंने सुइयों की सतह को उन एंटीबॉडीज (antibodies) से ढका जो विशेष रूप से IL-6 प्रोटीन को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए थे। जब उपकरण प्रोटीन का सामना करता है, तो एंटीबॉडी उससे जुड़ जाते हैं, जिससे एक भौतिक अवरोध बनता है जो सुई के विद्युत प्रतिरोध को बदल देता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रतिरोध में यह परिवर्तन सीधे तौर पर मौजूद IL-6 की मात्रा से जुड़ा हुआ था, जिससे वे 0.5 से 7.5 नैनोग्राम प्रति मिलीलीटर की सांद्रता को मापने में सक्षम हुए। उपकरण अत्यधिक विशिष्ट था, जिसने TNF-alpha या इंटरफेरॉन-गामा (interferon-gamma) जैसे अन्य समान प्रोटीनों की तुलना में IL-6 के प्रति लगभग चार गुना मजबूत प्रतिक्रिया दिखाई, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह बैकग्राउंड शोर से अपने लक्ष्य को अलग कर सकता है। IL-6 की न्यूनतम मात्रा जिसे यह विश्वसनीय रूप से पहचान सकता था, वह 0.178 नैनोग्राम प्रति मिलीलीटर थी, जो गंभीर चिकित्सा स्थितियों में देखी जाने वाली सूजन के महत्वपूर्ण उछाल को पकड़ने के लिए पर्याप्त संवेदनशील स्तर है।
उपकरण की व्यावहारिकता का परीक्षण वास्तविक दुनिया की स्थितियों का अनुकरण करके किया गया। शोधकर्ताओं ने सुइयों को एक तरल में रखा जो मानव इंटरस्टिशियल फ्लूइड की संरचना की नकल करता है और बाद में तनु मानव रक्त प्लाज्मा (human blood plasma) में रखा। दोनों ही मामलों में, उपकरण ने प्रोटीन का पता लगाने की अपनी क्षमता बनाए रखी, हालांकि रक्त प्लाज्मा के जटिल वातावरण के कारण उच्च सांद्रता पर सिग्नल की शक्ति में थोड़ी कमी आई। यह सुझाव देता है कि जबकि उपकरण जटिल जैविक मिश्रणों में अच्छी तरह काम करता है, नमूने की विशिष्ट बनावट रीडिंग को प्रभावित कर सकती है। टीम ने यह भी जाँच की कि बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत करने पर उपकरण कितने समय तक चलेगा। सेंसरों को 40 दिनों तक रेफ्रिजरेटर में रखने के बाद, उन्होंने पाया कि उपकरण ने अपनी मूल संवेदनशीलता का लगभग 91 प्रतिशत बरकरार रखा, जो यह दर्शाता है कि एंटीबॉडी और इंटरफेस समय के साथ स्थिर रहे।
यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि एक सरल, एकीकृत डिज़ाइन का उपयोग करके एक परिष्कृत चिकित्सा सेंसर बनाना संभव है जहाँ सुई और इलेक्ट्रोड एक और एक ही होते हैं। 3D प्रिंटिंग के साथ लक्षित सतह उपचार को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा प्लेटफॉर्म बनाया जो त्वचा को भेदने के लिए यांत्रिक रूप से पर्याप्त मजबूत है, प्रोटीन के स्तर में सूक्ष्म परिवर्तनों का पता लगाने के लिए विद्युत रूप से संवेदनशील है, और शरीर के तरल पदार्थों के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए रासायनिक रूप से ट्यून किया गया है। हालाँकि यह उपकरण अभी तक एक व्यावसायिक उत्पाद नहीं है, लेकिन इसके परिणाम एक ऐसे पथ को दर्शाते हैं जो न्यूनतम आक्रामक उपकरणों की ओर ले जाता है जो एक दिन सूजन की निरंतर, दर्द रहित निगरानी की अनुमति दे सकते हैं, जो बार-बार रक्त निकालने की आवश्यकता के बिना शरीर के आंतरिक अलार्म को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है।
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