Extrusion-based 3D printing of 3YSZ–calcium phosphate composite scaffolds

मानव कंकाल इंजीनियरिंग का एक चमत्कार है, जो हमारे वजन को उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत होने और हिलने-डुलने के लिए पर्याप्त हल्का होने की आवश्यकता के बीच संतुलन बनाता है। जब चोट या बीमारी के कारण हड्डी का नुकसान होता है, तो डॉक्टर अक्सर इसे बदलने के लिए इम्प्लांट्स (प्रत्यारोपण) का सहारा लेते हैं। दशकों से, इनके प्रतिस्थापन के लिए सबसे अच्छे सामग्रियां टाइटेनियम जैसी धातुएं या ज़िरकोनिया जैसे सिरेमिक रहे हैं, जिन्हें उनकी अविश्वसनीय मजबूती और शरीर के भीतर बिना संक्षारण (corrosion) के जीवित रहने की क्षमता के लिए चुना गया है। हालाँकि, इन सामग्रियों में एक महत्वपूर्ण कमी है: वे प्राकृतिक हड्डी की तुलना में बहुत अधिक सघन और सख्त होती हैं। यह बेमेल स्थिति आसपास की हड्डी को समय के साथ कमजोर कर सकती है, ठीक वैसे ही जैसे एक भारी बूट नरम जमीन को कुचल देता है। दूसरी ओर, जो सामग्रियां हड्डी की रासायनिक संरचना की नकल करती हैं, जैसे कि कैल्शियम फॉस्फेट, वे नई ऊतक (tissue) उगाने में उत्कृष्ट हैं, लेकिन वे भारी भार उठाने के लिए अक्सर बहुत भंगुर होती हैं। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती एक ऐसी सामग्री बनाने की रही है जो वजन उठाने के लिए पर्याप्त मजबूत और उस हड्डी के मिलान के लिए पर्याप्त हल्की हो जिसे वह बदलती है, और साथ ही रोगी की अद्वितीय शारीरिक संरचना के अनुरूप जटिल संरचनाओं में ढलने में सक्षम हो।

नोवा यूनिवर्सिटी लिस्बन और यूनिवर्सिटी ऑफ लिस्बन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक्सट्रूज़न-आधारित 3D प्रिंटिंग नामक तकनीक का उपयोग करके एक नए प्रकार के सिरेमिक कंपोजिट को विकसित करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक कदम उठाया है। एक एकल सामग्री को प्रिंट करने के बजाय, उन्होंने दो अलग-अलग घटकों को एक गाढ़े, पेस्ट जैसे इंक (स्याही) में मिलाया। पहला घटक 3YSZ था, जो ज़िरकोनिया का एक मजबूत, ताप-स्थिर रूप है जिसे दंत और चिकित्सा अनुप्रयोगों में इसकी स्थायित्व के लिए जाना जाता है। दूसरा कैल्शियम फॉस्फेट था, जो मानव दांतों और हड्डियों में पाए जाने वाले खनिज के समान एक पदार्थ है, जिसे शरीर को इम्प्लांट के साथ जुड़ने में मदद करने के लिए जाना जाता है। इन पेस्टों को परत दर परत प्रिंट करके और फिर उन्हें उच्च तापमान वाली भट्टी में पकाकर, टीम ने बेलनाकार संरचनाएं बनाईं जिन्होंने ज़िरकोनिया की मजबूती और कैल्शियम फॉस्फेट की हड्डी-अनुकूल प्रकृति को एक साथ जोड़ दिया।

शोधकर्ताओं ने पाया कि ज़िरकोनिया पेस्ट में कैल्शियम फॉस्फेट जोड़ने मात्र से अंतिम उत्पाद पर गहरा प्रभाव पड़ा। शुद्ध ज़िरकोनिया सिरेमिक अत्यंत सघन होते हैं, जिनका वजन 3.5 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर से अधिक होता है, जो प्राकृतिक हड्डी की तुलना में काफी भारी है। हालाँकि, मिश्रण में 30 से 45 प्रतिशत कैल्शियम फॉस्फेट शामिल करके, टीम अपने प्रिंट किए गए ऑब्जेक्ट्स के घनत्व को 2.2 से 2.5 ग्राम प्रति घन सेंटीमीटर की सीमा तक कम करने में सफल रही। यह नया घनत्व प्राकृतिक कॉर्टिकल बोन (cortical bone) के घनत्व के बेहद करीब है, जो सामग्री की संरचनात्मक अखंडता से समझौता किए बिना वजन की समस्या को प्रभावी ढंग से हल करता है। सामग्री को सुचारू रूप से प्रिंट करने योग्य बनाने के लिए, टीम ने मिश्रण में ग्रेफाइट जोड़ने का भी परीक्षण किया, जिसने एक अस्थायी प्लेसहोल्डर के रूप में कार्य किया जो गर्म करने की प्रक्रिया के दौरान जलकर निकल गया, जिससे पीछे छोटे छिद्र रह गए जिन्होंने वजन को और कम कर दिया।

केवल वजन बदलने के अलावा, टीम ने सूक्ष्म स्तर पर अध्ययन किया कि गर्म करने पर सामग्रियों के साथ क्या हुआ। उन्होंने पाया कि ज़िरको의 ने 1450 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर भी अपनी सबसे मजबूत, सबसे स्थिर क्रिस्टल संरचना बनाए रखी। साथ ही, कैल्शियम फॉस्फेट हाइड्रोक्सीपैटाइट और बीटा-ट्राइकैल्शियम फॉस्फेट के रूप में विशिष्ट चरणों में परिवर्तित हो गया, जो वे सटीक खनिज हैं जिनका उपयोग शरीर नई हड्डी बनाने के लिए करता है। इस दोहरी-चरण संरचना का अर्थ था कि अंतिम वस्तु केवल दो पाउडर का मिश्रण नहीं थी, बल्कि एक सुसंगत सामग्री थी जहाँ मजबूत ज़िरकोनिया ने बायोएक्टिव कैल्शियम फॉस्फेट के चिपकने के लिए एक कंकाल प्रदान किया। शोधकर्ताओं ने उन्नत इमेजिंग और लाइट-स्कैटरिंग तकनीकों का उपयोग करके इन परिवर्तनों की पुष्टि की, जिससे यह सत्यापित हुआ कि सामग्री स्थिर रही और निर्माण प्रक्रिया के दौरान कमजोर रूपों में नहीं टूटी।

किसी भी हड्डी प्रतिस्थापन सामग्री की असली परीक्षा यह है कि क्या वह शरीर के भौतिक बलों को सहन कर सकती है और क्या जीवित कोशिकाएं इसे स्वीकार करेंगी। जब शोधकर्ताओं ने अपने सबसे अच्छा प्रदर्शन करने वाले नमूनों का परीक्षण किया, जिनमें 35 प्रतिशत कैल्शियम फॉस्फेट था, तो उन्होंने पाया कि वे 180 मेगापास्कल के संपीड़न बल (compressive force) को सहन कर सकते हैं। शक्ति का यह स्तर प्राकृतिक मानव हड्डी की सीमा के भीतर आता है, जो यह सिद्ध करता है कि सामग्री भार वहन करने वाले अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त मजबूत है। इसके अलावा, जब उन्होंने मानव फाइब्रोब्लास्ट कोशिकाओं (एक प्रकार की सॉफ्ट टिश्यू कोशिका) को प्रिंट किए गए डिस्क पर रखा, तो कोशिकाएं नए पदार्थ पर भी उतनी ही अच्छी तरह से विकसित हुईं और फली-फूलीं जितने कि वे मानक प्लास्टिक लैब डिशों पर होती हैं। यह सुझाव देता है कि सामग्री जीवित ऊतकों के लिए विषाक्त नहीं है और कोशिकाओं के जुड़ने के लिए एक अनुकूल सतह प्रदान करती है, जो किसी भी ऐसे इम्प्लांट के लिए एक महत्वपूर्ण पहला कदम है जो शरीर के साथ एकीकृत होने की उम्मीद रखता है।

हालांकि परिणाम उत्साहजनक हैं, शोधकर्ता नोट करते हैं कि यह एक प्रारंभिक चरण है। उनके द्वारा बनाए गए नमूने ठोस सिलेंडर थे, जबकि वास्तविक बोन स्कैफोल्ड्स (bone scaffolds) को अक्सर खोखला होना चाहिए या उनमें छिद्रों का एक नेटवर्क होना चाहिए ताकि रक्त वाहिकाएं उनके माध्यम से बढ़ सकें। उन्होंने यह भी देखा कि बहुत अधिक मात्रा में कैल्शियम फॉस्फेट वाले नमूने संभालने के लिए बहुत नाजुक हो गए, जो यह दर्शाता है कि हड्डी जैसे पदार्थ को कितनी मात्रा में जोड़ा जा सकता है, इसकी एक सीमा है इससे पहले कि संरचना अपनी मजबूती खो दे। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि उनके तरीके ने सफलतापूर्वक एक हल्का, मजबूत और जैविक रूप से अनुकूल सिरेमिक कंपोजिट बनाया, लेकिन भविष्य के काम को इन संरचनाओं की आंतरिक वास्तुकला को परिष्कृत करने और हड्डी बनाने वाली कोशिकाओं के साथ और जीवित जानवरों में परीक्षण करने पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होगी ताकि यह देखा जा सके कि क्या वे वास्तव में नैदानिक सेटिंग में हड्डी को पुनर्जीवित कर सकते हैं।