Development of a Five-Axis in situ Bioprinting System for Multi-Angle Deposition and Curved Surface Defects using Conformal Printing

कल्पना कीजिए कि आप लेगो ब्रिक्स (Lego bricks) से एक घर बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन जिस जमीन पर आप निर्माण कर रहे हैं वह एक सपाट मेज के बजाय एक विशाल, ऊबड़-खाबड़ पहाड़ी है। यदि आप अपने ईंटों को केवल सपाट, क्षैतिज परतों में जमा करते हैं, तो आपके घर का निचला हिस्सा उन जगहों पर बड़े अंतराल (gaps) के साथ होगा जहाँ पहाड़ी नीचे की ओर झुकती है, और ऊपर का हिस्सा एक टेढ़ी-मेढ़ी सीढ़ी जैसा दिखेगा। यह ठीक वही समस्या है जिसका सामना वैज्ञानिक करते हैं जब वे मानव शरीर के भीतर जीवित ऊतक (living tissue) प्रिंट करने की कोशिश करते हैं। हमारे शरीर सपाट नहीं होते; वे वक्रों (curves), उभारों और गड्ढों से भरे होते हैं, जैसे कि खोपड़ी के अंदर का हिस्सा या हृदय की सतह। पारंपरिक 3D प्रिंटर, जो एक सपाट बेड पर केवल ऊपर, नीचे, बाएं और दाएं चलते हुए एक रोबोटिक हाथ की तरह काम करते हैं, इन घुमावदार सतहों पर प्रिंट करने में संघर्ष करते हैं। वे अंतराल छोड़ देते हैं, कमजोर बिंदु बना देते हैं, और अक्सर उन्हें सामग्री को थामे रखने के लिए अतिरिक्त "स्कैफोल्डिंग" (scaffolding) की आवश्यकता होती है, जो कि किसी जीवित व्यक्ति के घाव को ठीक करने की कोशिश करते समय एक बुरा सपना है।

यहीं पर बायोप्रिंटिंग (bioprinting) की रोमांचक दुनिया आती है। बायोप्रिंटिंग को एक उन्नत 3D प्रिंटर के रूप में समझें जो प्लास्टिक के बजाय जीवित कोशिकाओं और जेल जैसे पदार्थों से बनी "स्याही" का उपयोग करता है। इसका लक्ष्य शरीर के ठीक उसी स्थान पर नया ऊतक प्रिंट करना है जहाँ इसकी आवश्यकता है ताकि शरीर को ठीक होने में मदद मिल सके। लेकिन इसे घुमावदार शरीर के हिस्से पर सफलतापूर्वक करने के लिए, प्रिंटर को केवल सीधी रेखाओं में चलने के बजाय झुकने और मुड़ने में सक्षम होना चाहिए। इसे अपनी "स्याही" को बिना उन परेशान करने वाले सीढ़ीनुमा अंतरालों के, हर घुमाव के विरुद्ध बिल्कुल सपाट बिछाने में सक्षम होना चाहिए। यह नया शोध ठीक इसी चुनौती से निपटता है, और पूछता है: क्या हम एक ऐसा रोबलेट प्रिंटर बना सकते हैं जो एक घुमावदार सतह के चारों ओर नृत्य कर सके, अपना सिर झुकाकर बिना किसी अतिरिक्त सहारे के पूरी तरह से चिकना, मजबूत ऊतक प्रिंट कर सके?

वह रोबोट जो वक्रों पर नृत्य करता है

शोधकर्ताओं ने, जिनका नेतृत्व दीपक कुमार, ध्रुव खानज़ोडे और रंजन झा कर रहे थे, एक ऐसा समाधान बनाने का निर्णय लिया जो साधारण, सपाट प्रिंटिंग के तरीके से आगे बढ़ता है। उन्होंने एक पांच-अक्षीय (five-axis) बायोप्रिंटिंग सिस्टम बनाया। यह समझने के लिए कि इसका क्या अर्थ है, एक मानक 3D प्रिंटर को एक रोबोटिक हाथ के रूप में कल्पना करें जो केवल आगे/पीछे, बाएं/दाएं और ऊपर/नीचे (तीन अक्षों) चल सकता है। यह एक ऐसे चित्रकार की तरह है जो केवल एक सपाट कैनवास पर ब्रश चला सकता है। नया सिस्टम दो और "जोड़ों" को जोड़ता है जो प्रिंटिंग प्लेटफॉर्म को घूमने की अनुमति देते हैं। अब, रोबलेट उस वस्तु को झुका और घुमा सकता है जिस पर वह प्रिंट कर रहा है, या नोजल को जटिल कोणों पर ले जा सकता है, जिससे इसे पांच दिशाओं में घूमने के पांच तरीके मिलते हैं। यह एक चित्रकार को एक लचीली कलाई और एक घूमने वाला स्टैंड (easel) देने जैसा है, जिससे वह बिना ब्रश उठाए एक गेंद पर एक आदर्श वृत्त बना सकता है।

इसका असली रहस्य केवल रोबोट की गति नहीं है; बल्कि इसका सॉफ्टवेयर मस्तिष्क है जो इसे बताता है कि कैसे चलना है। टीम ने एक विशेष "कॉन्फॉर्मल स्लाइसिंग" (conformal slicing) एल्गोरिदम विकसित किया है। सामान्य प्रिंटिंग में, सॉफ्टवेयर 3D मॉडल को सपाट, क्षैतिज स्लाइस में काटता है, जैसे ब्रेड का एक लोफ (loaf) काटा जाता है। लेकिन एक घुमावदार सतह पर, यह "सीढ़ी-नुमा" प्रभाव पैदा करता है। हालाँकि, नया सॉफ्टवेयर मॉडल को प्याज की परतों की तरह काटता है जो सतह के वक्र का पूरी तरह से अनुसरण करती है। यह गणना करता है कि सतह के प्रत्येक बिंदु पर नोजल को किस सटीक कोण पर होना चाहिए ताकि वह सतह के लंबवत (perpendicular) रहे, जिससे सामग्री को सुचारू रूप से बिछाया जा सके।

"खोपड़ी" परीक्षण और जिलेटिन प्रयोग

यह पागलपन भरा विचार वास्तव में काम करता है या नहीं, यह देखने के लिए टीम ने वास्तविक मानव रोगी से शुरुआत नहीं की। इसके बजाय, उन्होंने एक हेमिस्फेरिक क्रैनियल डिफेक्ट (hemispherical cranial defect) का मॉडल बनाया—मूलतः एक नकली खोपड़ी जिसमें एक गोल, कटोरे के आकार का छेद है। यह एक सामान्य प्रकार की चोट है जिसे ठीक करने की आवश्यकता होती है। उन्होंने जिलेटिन और एल्जिनेट (gelatin and alginate) से बनी एक विशेष "स्याही" का उपयोग किया। इसे एक सुरक्षित, खाने योग्य दिखने वाले जेल के रूप में समझें जो वास्तविक चीजों (bioink) की तरह काम करता है, लेकिन परीक्षण चरण के दौरान वास्तविक जीवित कोशिकाओं का जोखिम नहीं उठाता है। यह एक शेफ द्वारा मेहमानों को परोसने से पहले एक डमी केक के साथ नई रेसिपी का परीक्षण करने जैसा है।

उन्होंने इस जेल को अपने पांच-अक्षीय रोबोट में लोड किया और इसे घुमावदार छेद के ऊपर प्रिंट करने के लिए सेट किया। परिणाम प्रभावशाली थे। क्योंकि रोबोट अपने नोजल को वक्र के अनुरूप झुका सकता था, इसने सतह को पूरी तरह से गले लगाते हुए एक चिकना, निरंतर स्तर प्रिंट किया। कोई अंतराल नहीं थे, कोई सीढ़ीनुमा प्रभाव नहीं था, और इसे ऊपर थामे रखने के लिए किसी अतिरिक्त सहायता संरचना की आवश्यकता नहीं थी। पहली परत को सतह के समानांतर (tangentially) प्रिंट किया गया था ताकि वह अच्छी तरह चिपक सके, और ऊपर की परतों को सतह से सीधा (normally) प्रिंट किया गया था ताकि ऊंचाई बनाई जा सके। इन दोनों मोडों के बीच का संक्रमण इतना सहज था कि अंतिम वस्तु एक एकल, ठोस ऊतक के टुकड़े जैसी दिख रही थी।

यह कितना अच्छा था? आंकड़े झूठ नहीं बोलते

शोधकर्ताओं ने केवल यह नहीं कहा कि "यह अच्छा दिखता है"; उन्होंने इसे मापा भी। उन्होंने यह देखने के लिए प्रिंटर को पांच बार लगातार चलाया कि क्या यह हर बार एक ही चीज़ कर सकता है (पुनरावृत्ति)। उन्होंने पाया कि रोबोट अविश्वसनीय रूप से सुसंगत था, जिसमें एक मिलीमीटर से भी कम की त्रुटियां थीं। उदाहरण के लिए, बाएं-दाएं दिशा में औसत त्रुटि लगभग -0.089 mm थी, और ऊपर-नीचे 0.022 mm थी। यह एक डार्टबोर्ड पर पांच बार लगातार निशाना लगाने जैसा है, जहाँ डार्ट लगभग एक ही स्थान पर गिरते हैं।

उन्होंने यह भी जांचा कि रेखाएं कितनी सीधी थीं। जब उन्होंने पूरी तरह से लंबवत या क्षैतिज होने वाली रेखाओं को प्रिंट किया, तो रोबोट लंबवत रूप से केवल लगभग 1.64 डिग्री और क्षैतिज रूप से 0.76 डिग्री से विचलित हुआ। सटीक इंजीनियरिंग की दुनिया में, यह एक बहुत ही सीधी रेखा है।

गुणवत्ता को करीब से देखने के लिए, उन्होंने सूक्ष्मदर्शी (SEM) का उपयोग किया। छवियों ने दिखाया कि "फिलामेंट्स" (जेल के छोटे धागे) चिकने और सुसंगत थे, जिनमें कोई अजीब गांठ या टूट नहीं थी। उन्होंने सतह की खुरदरापन को भी मापा। पारंपरिक सपाट प्रिंटिंग घुमावदार सतहों पर 200–400 माइक्रोमीटर (जो काफी ऊबड़-खाबड़ है) जितनी खुरदरी हो सकती है। लेकिन उनकी नई पांच-अक्षीय विधि ने इसे 40–100 माइक्रोमीटर की सीमा तक सुचारू बना दिया। यह एक बड़ा सुधार है, जो सतह को बहुत अधिक चिकना और प्राकृतिक ऊतक के अधिक समान बनाता है।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह पांच-अक्षीय दृष्टिकोण एक बड़ी प्रगति है। यह सिद्ध करता है कि पांच दिशाओं में चलने वाले रोबोट को स्मार्ट सॉफ्टवेयर के साथ जोड़कर, हम पुराने प्रिंटरों की "सीढ़ी-नुमा" समस्याओं के बिना जटिल आकृतियों पर ऊतक प्रिंट कर सकते हैं। प्रिंट की गई संरचनाएं अधिक मजबूत थीं, उनकी परतें बेहतर तरीके से जुड़ी हुई थीं, और वे वास्तविक चीज़ के बहुत करीब दिख रही थीं।

हालाँकि, लेखक सावधान हैं कि वे यह दावा नहीं कर रहे हैं कि यह कल सर्जरी के लिए तैयार एक पूर्ण उत्पाद है। वे उल्लेख करते हैं कि वर्तमान में सिस्टम "ओपन-लूप" दबाव नियंत्रण का उपयोग करता है, जिसके कारण रोबोट के तेजी से मुड़ने पर कभी-कभी छोटे उभार आ जाते हैं। वे यह भी बताते हैं कि सतह का कंप्यूटर मॉडल (mesh) बहुत विस्तृत होना चाहिए ताकि यह पूरी तरह से काम कर सके; यदि डिजिटल मानचित्र बहुत रफ है, तो रोबोट भ्रमित हो सकता है। लेकिन मूल विचार ठोस है: यह तकनीक एक ऐसे भविष्य का संकेत देती है जहाँ डॉक्टर मरीज के घुमावदार, घायल शरीर के अंगों पर सीधे कस्टम पैच प्रिंट कर सकते हैं, जिससे एक सटीक फिट मिलता है जो तेजी से और मजबूती से ठीक होता है। यह अगली पीढ़ी के चिकित्सा चमत्कारों के लिए एक आशाजनक आधार है।