आईआईटी मंडी: समुद्री अर्चिन जैसी कोटिंग से इम्प्लांट सुरक्षा

समाचार में क्यों?

Indian Institute of Technology मंडी के शोधकर्ताओं ने त्रि-आयामी मुद्रित बोन स्कैफोल्ड्स के लिए एक स्पाइकी सिरेमिक कोटिंग विकसित की है। सतह नैनोस्केल पर sea urchin जैसी दिखती है। इसके छोटे अनुमानों ने प्रयोगशाला और पशु परीक्षणों में हड्डी बनाने की गतिविधि का समर्थन करते हुए बैक्टीरिया को शारीरिक रूप से नुकसान पहुंचाया।

कोटिंग polylactic acid स्कैफोल्ड पर hydroxyapatite का उपयोग करती है। टीम ने Escherichia coli और Staphylococcus aureus के खिलाफ प्रभावों की सूचना दी। माउस प्रयोगों ने जीवाणुरोधी और अस्थि-एकीकरण निष्कर्षों का समर्थन किया। यह प्रीक्लिनिकल बायोमटेरियल्स शोध बना हुआ है। यह अभी तक रोगियों के लिए अनुमोदित प्रत्यारोपण उपचार नहीं है। शोध संक्रमण और आसपास की हड्डी के साथ कमजोर एकीकरण को संबोधित करता है। आगे के अध्ययनों को दोनों कार्यों का परीक्षण करना चाहिए।

हड्डी प्रत्यारोपण के साथ समस्या

बड़े हड्डी के दोष आघात, संक्रमण, कैंसर सर्जरी या जन्मजात बीमारी के बाद हो सकते हैं। एक ग्राफ्ट या प्रत्यारोपण को दोष भरना चाहिए और उपयुक्त भार वहन करना चाहिए। यह नई हड्डी को संलग्न करने और बढ़ने में भी मदद करनी चाहिए। रोगी-विशिष्ट 3D प्रिंटिंग जटिल आकारों से मेल खा सकती है। फिर भी मुद्रित सामग्री सतह संशोधन के बिना जैविक रूप से निष्क्रिय रह सकती है।

संक्रमण एक दूसरी कठिनाई पैदा करता है। बैक्टीरिया एक प्रत्यारोपण से जुड़ सकते हैं और बायोफिल्म बना सकते हैं। यह सुरक्षात्मक समुदाय प्रतिरक्षा हमले और कई एंटीबायोटिक दवाओं का विरोध करता है। संक्रमण उपचार में देरी कर सकता है या प्रत्यारोपण हटाने के लिए मजबूर कर सकता है। बार-बार एंटीबायोटिक का उपयोग भी प्रतिरोध का दबाव बढ़ाता है। एक ऐसी सतह जो हड्डी की कोशिकाओं का स्वागत करते हुए बैक्टीरिया को हतोत्साहित करती है, दोनों समस्याओं का समाधान करेगी।

शोधकर्ताओं ने क्या बनाया

बेस स्कैफोल्ड polylactic acid, या PLA का उपयोग करता है, जो एक प्रिंट करने योग्य बायोडिग्रेडेबल पॉलीमर है। PLA आकार और संरचनात्मक समर्थन प्रदान करता है। इसकी सतह आम तौर पर हाइड्रोफोबिक और अपेक्षाकृत बायोइनर्ट होती है। टीम ने पहले इसे क्षार के साथ इलाज किया। इससे नकारात्मक रूप से आवेशित रासायनिक साइटें बनीं। उन साइटों ने सीधे मुद्रित सतह पर खनिज कणों को बनाना शुरू करने में मदद की।

कम तापमान वाली हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया ने hydroxyapatite जमा किया। यह कैल्शियम-फॉस्फेट खनिज हड्डी के एक महत्वपूर्ण खनिज घटक जैसा दिखता है। यह क्लस्टर्ड रेडियल नैनोस्पिक्यूल्स में विकसित हुआ। परिणामी सतह कई सूक्ष्म sea urchins की तरह दिखती थी। यह खुरदरा, छिद्रपूर्ण और अत्यधिक पानी को आकर्षित करने वाला भी बन गया। ये गुण बैक्टीरिया और स्तनधारी कोशिकाओं दोनों को प्रभावित कर सकते हैं।

जीवाणुरोधी क्रिया कैसे भिन्न होती है

कई प्रत्यारोपण कोटिंग्स एंटीबायोटिक्स, चांदी या अन्य रासायनिक एजेंटों को छोड़ती हैं। यह डिजाइन सतह स्थलाकृति से यांत्रिक प्रभाव चाहता है। तेज नैनोस्पिक्यूल्स संपर्क के बाद बैक्टीरिया के झिल्ली को तनाव या पंचर कर सकते हैं। शोधकर्ता इसे मैकेनो-जीवाणुनाशक गतिविधि कहते हैं। यह लगातार जारी होने वाली दवाओं पर निर्भरता कम कर सकता है। कोटिंग को अभी भी स्वस्थ कोशिकाओं के साथ सावधानीपूर्वक संगतता परीक्षण की आवश्यकता है।

अध्ययन ने दो सामान्य जीवाणु मॉडल का परीक्षण किया। E. coli ग्राम-नकारात्मक बैक्टीरिया का प्रतिनिधित्व करता है, जबकि S. aureus ग्राम-सकारात्मक है। दोनों चिकित्सा संक्रमण के लिए प्रासंगिक हो सकते हैं, हालांकि वास्तविक प्रत्यारोपण संक्रमण में कई उपभेद शामिल होते हैं। प्रयोगशाला के परिणामों ने लेपित सतह पर जीवाणु क्षति दिखाई। एक माउस संक्रमण मॉडल ने जीवित ऊतक के अंदर सहायक साक्ष्य प्रदान किया।

कोटिंग हड्डी का समर्थन कैसे कर सकती है

Hydroxyapatite हड्डी के ऊतकों से परिचित रासायनिक संकेत प्रदान करता है। इसकी खुरदरी और गीली सतह सेल लगाव में सुधार कर सकती है। टीम ने MG-63 कोशिकाओं का परीक्षण किया, जो व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली अस्थि-संबंधित सेल लाइन है। लेपित स्कैफोल्ड्स ने कोलेजन और कैल्शियम जमाव का समर्थन किया। चूहों में उपचर्म प्रत्यारोपण ने भी खनिज निर्माण दिखाया। ये निष्कर्ष पूर्ण अस्थि मरम्मत के बजाय ऑस्टियोइंटीग्रेशन क्षमता का सुझाव देते हैं।

ऑस्टियोइंटीग्रेशन का अर्थ है जीवित हड्डी और प्रत्यारोपण के बीच स्थिर सीधा संपर्क। इसके लिए शुरुआती सेल लगाव से अधिक की आवश्यकता होती है। रक्त वाहिकाओं को मरम्मत क्षेत्र में प्रवेश करना चाहिए। यांत्रिक भार के तहत नई हड्डी को फिर से बनाना चाहिए। सूजन नियंत्रित रहनी चाहिए। भविष्य के अध्ययनों को भार वहन करने वाले दोष मॉडल और लंबे समय तक अनुवर्ती की आवश्यकता है। मानव हड्डी का उपचार अस्थानिक माउस प्रत्यारोपण की तुलना में अधिक जटिल है।

प्रकृति ने क्या योगदान दिया

Sea urchins इचिनोडर्मेटा फाइलम (phylum Echinodermata) के भीतर इचिनोइडिया क्लास (class Echinoidea) से संबंधित हैं। वे केवल समुद्री वातावरण में रहते हैं और दुनिया भर के महासागरों में पाए जाते हैं। इंटरलॉकिंग कैल्शियम-कार्बोनेट प्लेटों का एक कठिन परीक्षण शरीर का समर्थन करता है। चल स्पाइन उस परीक्षण को कवर करते हैं। ट्यूब फीट आंदोलन, भोजन और संवेदन के लिए जल संवहनी प्रणाली का उपयोग करते हैं।

कई प्रजातियां अरस्तू के लालटेन (Aristotle’s lantern) नामक जबड़े के उपकरण का उपयोग करके शैवाल चरती हैं। उपकरण में पांच दांत और सहायक संरचनाएं होती हैं। Sea urchins शैवाल को नियंत्रित करके पारिस्थितिक संतुलन बनाए रख सकते हैं। अत्यधिक आबादी केल्प को भी अधिक चर सकती है और बंजर चट्टानें बना सकती है। इसलिए उनकी भूमिका शिकारियों, भोजन और आवास पर निर्भर करती है। प्रत्यारोपण अनुसंधान आकार उधार लेता है, जानवर के पूरे जीव विज्ञान को नहीं।

बायोमिमिक्री को सटीक अनुवाद की आवश्यकता है

बायोमिमिक्री एक उपयोगी प्राकृतिक विशेषता का अध्ययन करती है और इसके सिद्धांत को अपनाती है। यहाँ, उपयोगी विशेषता रेडियल सतह खुरदरापन है। प्रत्यारोपण में sea urchin ऊतक नहीं होता है। यह एक जीवित प्रतिरक्षा प्रणाली की नकल भी नहीं करता है। इंजीनियरों ने एक तुलनीय नैनोस्केल रूप बनाने के लिए hydroxyapatite का उपयोग किया। वह भेद सामग्री विज्ञान को बदलने से एक आकर्षक रूपक को रोकता है।

समान स्थलाकृति विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं को अलग तरह से प्रभावित कर सकती है। बैक्टीरिया छोटे होते हैं और उनमें अलग-अलग झिल्ली होते हैं। स्तनधारी कोशिकाएं सतह की बड़ी विशेषताओं में फैल सकती हैं। हालांकि, एक डिज़ाइन जो बैक्टीरिया को नुकसान पहुंचाता है, वह अभी भी सूजन या कोशिका की चोट को ट्रिगर कर सकता है। शोधकर्ताओं को सुरक्षित आयामों और कोटिंग ताकत को परिभाषित करना चाहिए। अलग हुए कण एक और सुरक्षा चिंता पैदा करेंगे।

क्लिनिकल उपयोग की दिशा में अगले कदम

टीम को नसबंदी, भंडारण और बड़े-बैच विनिर्माण का परीक्षण करना चाहिए। सर्जरी और लोडिंग के दौरान कोटिंग्स जुड़ी रहनी चाहिए। गिरावट उत्पादों को विषाक्तता मूल्यांकन की आवश्यकता होती है। पशु अध्ययन में यथार्थवादी अस्थि दोषों का उपयोग करना चाहिए और मानक प्रत्यारोपण की तुलना करनी चाहिए। शोधकर्ताओं को अधिक जीवाणु उपभेदों और परिपक्व बायोफिल्म्स का भी परीक्षण करना चाहिए। विनियामक साक्ष्य को सामग्री और निर्माण प्रक्रिया दोनों को कवर करना चाहिए।

लागत पहुंच को प्रभावित करेगी। कम तापमान वाला प्रसंस्करण ऊर्जा की जरूरतों को कम कर सकता है, लेकिन गुणवत्ता नियंत्रण की मांग बनी रह सकती है। मुद्रित प्रत्यारोपण के लिए भी अच्छी इमेजिंग और सर्जिकल योजना की आवश्यकता होती है। एक सफल कोटिंग एक उपचार प्रणाली का एक हिस्सा बनेगी। संक्रमण नियंत्रण में अभी भी बाँझ सर्जरी, रोगी देखभाल और उपयुक्त एंटीबायोटिक्स शामिल हैं। कोई भी सतह अकेले उन उपायों को प्रतिस्थापित नहीं कर सकती है।

प्रीक्लिनिकल, रोगी-तैयार नहीं

कोटिंग ने सेल परीक्षणों और चूहों में उपयोगी प्रभाव दिखाए। ये निष्कर्ष आगे के विकास का समर्थन करते हैं। वे मानव हड्डी में सुरक्षित उपयोग साबित नहीं करते हैं। लोड-असर वाले अध्ययन, विनिर्माण सत्यापन और विनियामक समीक्षा आवश्यक हैं।

निष्कर्ष

IIT मंडी अनुसंधान एक सतह के भीतर दो महत्वपूर्ण कार्यों को जोड़ता है। नैनोस्पिक्यूल्स का उद्देश्य एक पारंपरिक एंटीबायोटिक को जारी किए बिना बैक्टीरिया को नुकसान पहुंचाना है। Hydroxyapatite एक साथ अधिक हड्डी के अनुकूल इंटरफ़ेस बनाता है। वह संयोजन वैज्ञानिक रूप से आकर्षक है। इसका मूल्य यथार्थवादी हड्डी-मरम्मत मॉडल में टिकाऊ सुरक्षा और प्रदर्शन पर निर्भर करेगा।

परियोजना प्राकृतिक प्रेरणा के जिम्मेदार उपयोग को भी दर्शाती है। वैज्ञानिकों ने प्रकृति के बारे में अस्पष्ट दावे करने के बजाय एक संरचनात्मक विचार की नकल की। स्पष्ट प्रीक्लिनिकल भाषा भी उतनी ही महत्वपूर्ण है। आगे के साक्ष्य रोगी-विशिष्ट, संक्रमण प्रतिरोधी प्रत्यारोपण का समर्थन कर सकते हैं। तब तक, यह बायोमटेरियल्स अनुसंधान के लिए एक आशाजनक मंच बना हुआ है।