Tuning Cellulose Nanocrystals from Hemp Agro-Waste: Effect of Reaction Time on Surface Properties, Wettability, and Biocompatibility

प्रकृति सामग्रियों की एक विशाल लाइब्रेरी प्रदान करती है, लेकिन बहुत कम सामग्रियां सेलुलोज जितनी प्रचुर और बहुमुखी हैं। यह पदार्थ पौधों की कठोर कोशिका भित्तियों का निर्माण करता है, जो ऊंचे पेड़ों से लेकर साधारण खरपतवारों तक, सब कुछ के लिए प्राथमिक संरचनात्मक सहायता के रूप में कार्य करता है। जब वैज्ञानिक इस सामग्री के सबसे मजबूत, सबसे व्यवस्थित हिस्सों को अलग करते हैं, तो वे नैनोक्रिस्टल बनाते हैं: छोटे, छड़ जैसे कण जो कठोर, बायोडिग्रेडेबल (जैव-निम्नीकरणीय) होते हैं और पानी के साथ अंतःक्रिया करने में सक्षम होते हैं। क्योंकि ये कण इतने छोटे हैं और इन्हें रासायनिक रूप से बदला जा सकता है, शोधकर्ता इन्हें टिकाऊ पैकेजिंग से लेकर चिकित्सा उपकरणों तक, हर चीज़ के लिए एक आशाजनक उपकरण के रूप में देखते हैं। हालाँकि, कच्चे पौधों के कचरे को इन सटीक नैनोमटेरियल्स में बदलने के लिए एक सावधानीपूर्वक निष्कर्षण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। यदि प्रक्रिया बहुत कठोर है, तो सामग्री अपनी मजबूती खो देती है; यदि यह बहुत कोमल है, तो अंतिम उत्पाद अशुद्ध रहता है। चुनौती शुद्धता, आकार और कार्य के बीच सर्वोत्तम संतुलन प्राप्त करने के लिए प्रतिक्रिया को रोकने के सटीक क्षण को खोजने में निहित है।

कोलोराडो स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह जांचने का निर्णय लिया कि एक रासायनिक प्रतिक्रिया के चलने का समय, भांग (हेम्प) के कचरे से बने सेलुलोज नैनोक्रिस्टल की गुणवत्ता को कैसे प्रभावित करता है। भांग एक तेजी से बढ़ने वाली फसल है जो रेशों की कटाई के बाद एक लकड़ी जैसा कोर छोड़ देती है जिसे 'हर्ड्स' कहा जाता है। इस सामग्री को फेंकने के बजाय, वैज्ञानिकों ने इसे एक कच्चे घटक के रूप में उपयोग किया। उन्होंने भांग के पाउडर को अमोनियम पर्सल्फेट नामक रासायनिक घोल के साथ उपचारित किया, जो एक कोमल इरेज़र (रबड़) की तरह कार्य करता है, जो पौधे के नरम, गैर-संरचनात्मक हिस्सों को हटा देता है जबकि सख्त सेलुलोज क्रिस्टल को पीछे छोड़ देता है। टीम ने इस उपचार की अवधि को बदला, प्रतिक्रिया को आठ घंटे से लेकर चालीस-आठ घंटों तक चलाया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या केवल प्रतिक्रिया की घड़ी बदलकर कणों के आकार, उनकी सतह की स्वच्छता और उनके पानी एवं जीवित कोशिकाओं के साथ होने वाली अंतःक्रिया को नियंत्रित किया जा सकता है।

परिणामों ने दिखाया कि समय वास्तव में इन सामग्रियों को ट्यून करने के लिए एक शक्तिशाली डायल है। जैसे-जैसे प्रतिक्रिया अधिक समय तक चली, कण काफी छोटे और अधिक समान हो गए। केवल आठ घंटे के उपचार वाले नमूने बड़े और गुच्छेदार थे, जिनमें लिग्निन और हेमिसेलुलोज के दृश्य निशान थे, जो वे नरम पादप घटक हैं जिन्हें रासायनिक रूप से हटाया जाना था। जब तक प्रतिक्रिया चालीस-आठ घंटों तक पहुँची, कण अपने औसत लघुतम लंबाई तक सिकुड़ गए थे, और पाउडर चमकीला, साफ सफेद हो गया, जो यह दर्शाता कि अशुद्धियों को पूरी तरह से धो दिया गया था। हालाँकि, इस शुद्धता की एक कीमत थी। टीम ने जितना अधिक इंतजार किया, उतनी ही कम सामग्री प्राप्त हुई। आठ घंटे की प्रक्रिया में उपलब्ध सेलुलोज का लगभग नब्बे प्रतिशत प्राप्त हुआ, जबकि चालीस-आठ घंटे की प्रक्रिया में तीन प्रतिशत से भी कम प्राप्त हुआ। शोधकर्ताओं ने पाया कि समय बढ़ाने से व्यक्तिगत क्रिस्टल की गुणवत्ता में सुधार हुआ लेकिन उत्पादित कुल सामग्री में भारी कमी आई।

आकार और प्राप्ति (यील्ड) से परे, अध्ययन ने खुलासा किया कि समय के साथ कणों की रासायनिक सतह बदल जाती है। लंबे समय तक चलने वाली प्रतिक्रिया ने सफलतापूर्वक अनचाहे पादप अवशेषों को हटा दिया और उन्हें विशिष्ट रासायनिक समूहों से बदल दिया जो कणों को गुच्छे बनाने से रोकते हैं और पानी के साथ अच्छी तरह से मिश्रित होते हैं। यह सतह परिवर्तन प्रयोग के अगले भाग के लिए महत्वपूर्ण था, जहाँ वैज्ञानिकों ने टाइटेनियम धातु की प्लेटों को नैनोक्रिस्टल से लेपित किया। टाइटेनियम चिकित्सा प्रत्यारोपण (इम्प्लांट्स) के लिए एक सामान्य सामग्री है क्योंकि यह शरीर के भीतर मजबूत और सुरक्षित होता है, लेकिन इसकी सतह के गुणों को हड्डियों के विकास में मदद करने के लिए सुधारा जा सकता है। टीम ने पाया कि लेपित धातु की जल-विकर्षक या जल-आकर्षक प्रकृति पूरी तरह से इस बात पर निर्भर थी कि नैनोक्रिस्टल कितनी देर तक बनाए गए थे। सबसे कम प्रतिक्रिया समय ने एक ऐसी सतह बनाई जिस पर पानी लगभग तुरंत फैल गया, जबकि सबसे लंबे समय ने अधिक मध्यम, स्थिर गीलापन (वेटिंग व्यवहार) बनाया। यह सुझाव देता है कि डॉक्टर या इंजीनियर किसी विशिष्ट चिकित्सा अनुप्रयोग के लिए आवश्यक पानी के आकर्षण की सटीक मात्रा के अनुसार एक विशिष्ट प्रतिक्रिया समय चुन सकते हैं।

भविष्य के चिकित्सा उपयोग के लिए शायद सबसे आश्वस्त करने वाला निष्कर्ष यह था कि प्रतिक्रिया की लंबाई ने सामग्री की मौलिक मजबूती को नहीं बदला। व्यक्तिगत कणों पर दबाव डालने के लिए एक सूक्ष्म प्रोब का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने मापा कि नैनोक्रिस्टल कितने सख्त थे। आठ घंटे और चालीस-आठ घंटे के नमूनों के बीच आकार और सतह रसायन में भारी अंतर के बावजूद, कठोरता बिल्कुल समान रही। प्रक्रिया चाहे कितनी भी लंबी रही हो, सामग्री ने अपनी संरचनात्मक अखंडता बनाए रखी। इसके अलावा, जब वैज्ञानिकों ने मानव स्टेम कोशिकाओं पर नैनोक्रिस्टल का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि प्रतिक्रिया के समय के बावजूद, कोई भी नमूना विषाक्त नहीं था। कोशिकाएं सामग्री की उपस्थिति में विकसित हुईं और फली-फूलीं, जिसमें क्षति या मृत्यु के कोई लक्षण नहीं दिखे। यह इंगط करता है कि लंबी प्रतिक्रिया के दौरान होने वाले रासायनिक परिवर्तन हानिकारक उपोत्पाद (बायप्रोडक्ट्स) पैदा नहीं करते हैं।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि प्रतिक्रिया का समय एक सरल, टिकाऊ तरीका है जिससे सुरक्षा या मजबूती से समझौता किए बिना विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए सेलुलोज नैनोक्रिस्टल को अनुकूलित किया जा सकता है। घड़ी को समायोजित करके, वैज्ञानिक उच्च-परिशुद्धता वाले अनुप्रयोगों के लिए छोटे और स्वच्छ कण, या थोक उपयोगों के लिए बड़े और प्रचुर कण बना सकते हैं। इन कणों की सतह को ट्यून करने की क्षमता उन्हें चिकित्सा प्रत्यारोपण को लेपित करने के लिए अनुकूलित करने की अनुमति देती है, जो संभावित रूप से मानव शरीर के साथ उनके बेहतर एकीकरण में मदद कर सकती है। हालांकि प्राप्ति और शुद्धता के बीच का समझौता बना हुआ है, अनुसंधान पुष्टि करता है कि यह विधि कृषि अपशिष्ट से उच्च-प्रदर्शन, जैव-अनुकूल सामग्रियां बनाने के लिए एक विश्वसनीय मार्ग प्रदान करती है, जो कभी फेंके जाने वाले कचरे को सटीक, नियंत्रणीय गुणों वाले संसाधन में बदल देती है।