వార్తల్లో ఎందుకు ఉంది?
Indian Institute of Technology Mandi పరిశోధకులు త్రీ-డైమెన్షనల్ ముద్రిత ఎముక స్కాఫోల్డ్ల కోసం (three-dimensional printed bone scaffolds) ఒక స్పైకీ సెరామిక్ కోటింగ్ను అభివృద్ధి చేశారు. ఈ ఉపరితలం నానోస్కేల్ వద్ద సీ-అర్చిన్ను (sea urchin) పోలి ఉంటుంది. దాని చిన్న ప్రొజెక్షన్లు ప్రయోగశాల మరియు జంతు పరీక్షలలో ఎముక-ఏర్పడే కార్యకలాపాలకు మద్దతు ఇస్తూ బాక్టీరియాను భౌతికంగా దెబ్బతీశాయి.
ఈ కోటింగ్ పాలిలాక్టిక్ యాసిడ్ స్కాఫోల్డ్పై (polylactic acid scaffold) హైడ్రాక్సీఅపటైట్ను (hydroxyapatite) ఉపయోగిస్తుంది. బృందం Escherichia coli మరియు Staphylococcus aureus కి వ్యతిరేకంగా ప్రభావాలను నివేదించింది. ఎలుకల ప్రయోగాలు యాంటీబాక్టీరియల్ మరియు ఎముక-అనుసంధాన (bone-integration) ఫలితాలకు మద్దతు ఇచ్చాయి. ఇది ప్రీక్లినికల్ బయోమెటీరియల్స్ పరిశోధనగా మిగిలిపోయింది. ఇది ఇంకా రోగులకు ఆమోదించబడిన ఇంప్లాంట్ చికిత్స కాదు. ఈ పరిశోధన ఇన్ఫెక్షన్ మరియు చుట్టుపక్కల ఎముకలతో బలహీనమైన అనుసంధానాన్ని పరిష్కరిస్తుంది. తదుపరి అధ్యయనాలు రెండు విధులను పరీక్షించాలి.
ఎముక ఇంప్లాంట్లతో సమస్య
గాయం, ఇన్ఫెక్షన్, క్యాన్సర్ శస్త్రచికిత్స లేదా పుట్టుకతో వచ్చే వ్యాధి తర్వాత పెద్ద ఎముక లోపాలు సంభవించవచ్చు. ఒక గ్రాఫ్ట్ లేదా ఇంప్లాంట్ ఆ లోపాన్ని పూరించాలి మరియు తగిన లోడ్లను భరించాలి. ఇది కొత్త ఎముక అతుక్కోవడానికి మరియు పెరగడానికి కూడా సహాయపడాలి. రోగి-నిర్దిష్ట త్రీ-డైమెన్షనల్ ప్రింటింగ్ సంక్లిష్ట ఆకృతులతో సరిపోలుతుంది. అయినప్పటికీ ముద్రించిన పదార్థం ఉపరితల మార్పు లేకుండా జీవశాస్త్రపరంగా క్రియారహితంగా (biologically inactive) ఉండవచ్చు.
ఇన్ఫెక్షన్ రెండవ కష్టాన్ని సృష్టిస్తుంది. బాక్టీరియా ఒక ఇంప్లాంట్కు అతుక్కుని బయోఫిల్మ్ను (biofilm) ఏర్పరుస్తుంది. ఈ రక్షిత సంఘం రోగనిరోధక దాడిని మరియు అనేక యాంటీబయాటిక్లను నిరోధిస్తుంది. ఇన్ఫెక్షన్ నయం చేయడాన్ని ఆలస్యం చేయవచ్చు లేదా ఇంప్లాంట్ తొలగింపును బలవంతం చేయవచ్చు. పదేపదే యాంటీబయాటిక్ వాడకం కూడా నిరోధక ఒత్తిడిని పెంచుతుంది. ఎముక కణాలను స్వాగతిస్తూ బాక్టీరియాను నిరుత్సాహపరిచే ఉపరితలం రెండు సమస్యలను పరిష్కరిస్తుంది.
పరిశోధకులు ఏమి నిర్మించారు
బేస్ స్కాఫోల్డ్ ముద్రించదగిన బయోడిగ్రేడబుల్ పాలిమర్ అయిన పాలిలాక్టిక్ యాసిడ్ లేదా PLA ని ఉపయోగిస్తుంది. PLA ఆకారం మరియు నిర్మాణ మద్దతును అందిస్తుంది. దీని ఉపరితలం సాధారణంగా హైడ్రోఫోబిక్ మరియు సాపేక్షంగా బయోఇనెర్ట్గా (bioinert) ఉంటుంది. బృందం మొదట దీనిని ఆల్కలీతో (alkali) చికిత్స చేసింది. ఇది ప్రతికూల ఛార్జ్ కలిగిన రసాయన ప్రదేశాలను (negatively charged chemical sites) సృష్టించింది. ఆ ప్రదేశాలు ఖనిజ కణాలు నేరుగా ముద్రించిన ఉపరితలంపై ఏర్పడటానికి సహాయపడ్డాయి.
అల్ప-ఉష్ణోగ్రత హైడ్రోథర్మల్ ప్రక్రియ తరువాత హైడ్రాక్సీఅపటైట్ను జమ చేసింది. ఈ కాల్షియం-ఫాస్ఫేట్ ఖనిజం ఎముకలోని ఒక ముఖ్యమైన ఖనిజ భాగాన్ని పోలి ఉంటుంది. ఇది క్లస్టర్డ్ రేడియల్ నానోస్పికుల్స్గా (clustered radial nanospicules) పెరిగింది. ఫలితంగా వచ్చిన ఉపరితలం అనేక సూక్ష్మదర్శిని సీ-అర్చిన్ల వలె కనిపించింది. ఇది కఠినమైన, పోరస్ మరియు అధికంగా నీటిని ఆకర్షించేదిగా కూడా మారింది. ఈ లక్షణాలు బాక్టీరియా మరియు క్షీరద కణాల రెండింటినీ ప్రభావితం చేస్తాయి.
యాంటీబాక్టీరియల్ చర్య ఎలా భిన్నంగా ఉంటుంది
అనేక ఇంప్లాంట్ కోటింగ్లు యాంటీబయాటిక్స్, వెండి లేదా ఇతర రసాయన ఏజెంట్లను విడుదల చేస్తాయి. ఈ డిజైన్ ఉపరితల టోపోగ్రఫీ నుండి యాంత్రిక ప్రభావాన్ని కోరుకుంటుంది. పదునైన నానోస్పికుల్స్ సంబంధం తర్వాత బాక్టీరియల్ పొరలను (bacterial membranes) నొక్కి చెప్పగలవు లేదా పంక్చర్ చేయగలవు. పరిశోధకులు దీనిని మెకానో-బాక్టీరిసైడల్ యాక్టివిటీ (mechano-bactericidal activity) అని పిలుస్తారు. ఇది నిరంతరం విడుదలయ్యే ఔషధాలపై ఆధారపడటాన్ని తగ్గించవచ్చు. ఈ కోటింగ్కు ఇప్పటికీ ఆరోగ్యకరమైన కణాలతో జాగ్రత్తగా అనుకూలత పరీక్ష అవసరం.
ఈ అధ్యయనం రెండు సాధారణ బాక్టీరియల్ నమూనాలను పరీక్షించింది. E. coli గ్రామ్-నెగటివ్ బాక్టీరియాను సూచిస్తుంది, అయితే S. aureus గ్రామ్-పాజిటివ్. నిజమైన ఇంప్లాంట్ ఇన్ఫెక్షన్లలో అనేక జాతులు ఉన్నప్పటికీ, రెండూ వైద్యపరమైన ఇన్ఫెక్షన్కు సంబంధించినవి కావచ్చు. ప్రయోగశాల ఫలితాలు పూత పూసిన ఉపరితలంపై బాక్టీరియల్ నష్టాన్ని చూపించాయి. మౌస్ ఇన్ఫెక్షన్ మోడల్ సజీవ కణజాలం లోపల సహాయక ఆధారాలను అందించింది.
ఈ కోటింగ్ ఎముకకు ఎలా మద్దతు ఇస్తుంది
హైడ్రాక్సీఅపటైట్ ఎముక కణజాలానికి సుపరిచితమైన రసాయన సంకేతాలను అందిస్తుంది. దీని కఠినమైన మరియు తడిగా ఉండే ఉపరితలం కణాల అటాచ్మెంట్ను మెరుగుపరుస్తుంది. బృందం విస్తృతంగా ఉపయోగించే ఎముక సంబంధిత సెల్ లైన్ అయిన MG-63 కణాలను పరీక్షించింది. పూత పూసిన స్కాఫోల్డ్లు కొల్లాజెన్ మరియు కాల్షియం నిక్షేపణకు మద్దతు ఇచ్చాయి. ఎలుకలలో సబ్కటానియస్ ఇంప్లాంటేషన్ కూడా ఖనిజ నిర్మాణాన్ని చూపించింది. ఈ అన్వేషణలు పూర్తయిన ఎముక మరమ్మత్తు కంటే ఆస్టియోఇంటిగ్రేషన్ సామర్థ్యాన్ని సూచిస్తాయి.
ఆస్టియోఇంటిగ్రేషన్ అంటే సజీవ ఎముక మరియు ఇంప్లాంట్ మధ్య స్థిరమైన ప్రత్యక్ష సంబంధం. దీనికి ప్రారంభ కణాల అటాచ్మెంట్ కంటే ఎక్కువ అవసరం. రక్త నాళాలు మరమ్మత్తు ప్రదేశంలోకి ప్రవేశించాలి. యాంత్రిక లోడ్ కింద కొత్త ఎముక పునర్నిర్మించబడాలి. వాపు (Inflammation) నియంత్రణలో ఉండాలి. భవిష్యత్ అధ్యయనాలకు లోడ్-బేరింగ్ డిఫెక్ట్ మోడల్స్ మరియు సుదీర్ఘ ఫాలో-అప్ అవసరం. మానవ ఎముకల వైద్యం ఎక్టోపిక్ మౌస్ ఇంప్లాంట్ కంటే క్లిష్టంగా ఉంటుంది.
ప్రకృతి ఏమి దోహదపడింది
సీ-అర్చిన్లు ఎచినోడెర్మాటా వర్గంలోని ఎచినోయిడియా తరగతికి చెందినవి. ఇవి సముద్ర వాతావరణంలో మాత్రమే నివసిస్తాయి మరియు ప్రపంచ మహాసముద్రాలలో కనిపిస్తాయి. ఇంటర్లాకింగ్ కాల్షియం-కార్బోనేట్ పలకల కఠినమైన పరీక్ష శరీరానికి మద్దతు ఇస్తుంది. కదిలే వెన్నుముకలు ఆ పరీక్షను కవర్ చేస్తాయి. ట్యూబ్ ఫీట్ కదలిక, దాణా మరియు సెన్సింగ్ కోసం నీటి వాస్కులర్ వ్యవస్థను ఉపయోగిస్తుంది.
అరిస్టాటిల్స్ లాంతరు అని పిలువబడే దవడ ఉపకరణాన్ని ఉపయోగించి అనేక జాతులు ఆల్గేను మేపుతాయి. ఉపకరణంలో ఐదు దంతాలు మరియు సహాయక నిర్మాణాలు ఉన్నాయి. ఆల్గేను నియంత్రించడం ద్వారా సీ-అర్చిన్లు పర్యావరణ సమతుల్యతను కాపాడుకోగలవు. అధిక జనాభా కెల్ప్ను అధికంగా మేపుతుంది మరియు బంజరు దిబ్బలను సృష్టిస్తుంది. అందువల్ల వాటి పాత్ర మాంసాహారులు, ఆహారం మరియు ఆవాసాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఇంప్లాంట్ పరిశోధన ఆకారాన్ని తీసుకుంటుంది, జంతువు యొక్క మొత్తం జీవశాస్త్రాన్ని కాదు.
బయోమిమిక్రీకి ఖచ్చితమైన అనువాదం అవసరం
బయోమిమిక్రీ ఉపయోగకరమైన సహజ లక్షణాన్ని అధ్యయనం చేస్తుంది మరియు దాని సూత్రాన్ని స్వీకరిస్తుంది. ఇక్కడ, ఉపయోగకరమైన లక్షణం రేడియల్ ఉపరితల కరుకుదనం. ఇంప్లాంట్లో సీ-అర్చిన్ కణజాలం ఉండదు. ఇది సజీవ రోగనిరోధక వ్యవస్థను కూడా కాపీ చేయదు. ఇంజనీర్లు పోల్చదగిన నానోస్కేల్ రూపాన్ని సృష్టించడానికి హైడ్రాక్సీఅపటైట్ను ఉపయోగించారు. ఆ వ్యత్యాసం మెటీరియల్ సైన్స్ను ఆకర్షణీయమైన రూపకం భర్తీ చేయకుండా నిరోధిస్తుంది.
అదే టోపోగ్రఫీ వేర్వేరు కణ రకాలను భిన్నంగా ప్రభావితం చేస్తుంది. బాక్టీరియా చిన్నవిగా ఉంటాయి మరియు విభిన్న పొరలను కలిగి ఉంటాయి. క్షీరద కణాలు పెద్ద ఉపరితల లక్షణాల మీదుగా వ్యాపించగలవు. అయితే, బాక్టీరియాను దెబ్బతీసే డిజైన్ ఇప్పటికీ మంట (inflammation) లేదా కణాల గాయాన్ని ప్రేరేపించగలదు. పరిశోధకులు సురక్షితమైన కొలతలు మరియు పూత బలాన్ని నిర్వచించాలి. వేరు చేయబడిన కణాలు మరో భద్రతా ఆందోళనను సృష్టిస్తాయి.
క్లినికల్ ఉపయోగం వైపు తదుపరి దశలు
బృందం స్టెరిలైజేషన్, నిల్వ మరియు లార్జ్-బ్యాచ్ తయారీని పరీక్షించాలి. శస్త్రచికిత్స మరియు లోడింగ్ సమయంలో పూతలు అతుక్కొని ఉండాలి. క్షీణత ఉత్పత్తులకు (Degradation products) విషపూరిత అంచనా అవసరం. జంతు అధ్యయనాలు వాస్తవిక ఎముక లోపాలను ఉపయోగించాలి మరియు ప్రామాణిక ఇంప్లాంట్లను సరిపోల్చాలి. పరిశోధకులు మరిన్ని బాక్టీరియల్ జాతులను మరియు పరిపక్వ బయోఫిల్మ్లను కూడా పరీక్షించాలి. నియంత్రణ ఆధారాలు మెటీరియల్ మరియు తయారీ ప్రక్రియ రెండింటినీ కవర్ చేయాలి.
ఖర్చు యాక్సెస్ను ప్రభావితం చేస్తుంది. అల్ప-ఉష్ణోగ్రత ప్రాసెసింగ్ శక్తి అవసరాలను తగ్గించవచ్చు, కానీ నాణ్యత నియంత్రణ డిమాండ్గా మిగిలిపోవచ్చు. ముద్రిత ఇంప్లాంట్లకు మంచి ఇమేజింగ్ మరియు శస్త్రచికిత్స ప్రణాళిక కూడా అవసరం. విజయవంతమైన కోటింగ్ చికిత్సా విధానంలో ఒక భాగాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఇన్ఫెక్షన్ నియంత్రణలో ఇప్పటికీ స్టెరైల్ సర్జరీ, రోగి సంరక్షణ మరియు తగిన యాంటీబయాటిక్స్ ఉన్నాయి. ఏ ఉపరితలం కూడా ఆ చర్యలను మాత్రమే భర్తీ చేయదు.
ప్రీక్లినికల్, రోగులకు ఇంకా సిద్ధంగా లేదు
ఈ కోటింగ్ సెల్ పరీక్షలు మరియు ఎలుకలలో ఉపయోగకరమైన ప్రభావాలను చూపించింది. ఈ అన్వేషణలు తదుపరి అభివృద్ధికి మద్దతు ఇస్తాయి. మానవ ఎముకలలో సురక్షితమైన ఉపయోగాన్ని అవి నిరూపించవు. లోడ్-బేరింగ్ అధ్యయనాలు, ఉత్పాదక ధ్రువీకరణ మరియు నియంత్రణ సమీక్ష అవసరం.
ముగింపు
IIT Mandi పరిశోధన ఒక ఉపరితలంలో రెండు ముఖ్యమైన విధులను కలుపుతుంది. నానోస్పికుల్స్ సంప్రదాయ యాంటీబయాటిక్ను విడుదల చేయకుండా బాక్టీరియాను దెబ్బతీయాలని లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నాయి. హైడ్రాక్సీఅపటైట్ ఏకకాలంలో ఎముక-స్నేహపూర్వక ఇంటర్ఫేస్ను సృష్టిస్తుంది. ఆ కలయిక శాస్త్రీయంగా ఆకర్షణీయంగా ఉంది. దీని విలువ వాస్తవిక ఎముక-మరమ్మత్తు నమూనాలలో మన్నికైన భద్రత మరియు పనితీరుపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
ప్రాజెక్ట్ సహజ ప్రేరణ యొక్క బాధ్యతాయుతమైన ఉపయోగాన్ని కూడా చూపుతుంది. శాస్త్రవేత్తలు ప్రకృతి గురించి అస్పష్టమైన వాదనలు చేయడానికి బదులుగా నిర్మాణ ఆలోచనను కాపీ చేశారు. స్పష్టమైన ప్రీక్లినికల్ భాష కూడా అంతే ముఖ్యం. తదుపరి ఆధారాలు రోగి-నిర్దిష్ట, ఇన్ఫెక్షన్-నిరోధక ఇంప్లాంట్లకు మద్దతు ఇవ్వవచ్చు. అప్పటి వరకు, ఇది బయోమెటీరియల్స్ పరిశోధనకు ఆశాజనక వేదికగా మిగిలిపోయింది.