योगात्मक विनिर्माण
3D प्रिंटिंग मानव अंग – यह कितना वास्तविक है?
3D प्रिंटिंग की दुनिया तेज़ गति से विस्तार कर रही है। अनुमान बताते हैं कि the global market size of 3D printing —उत्पाद और सेवाएँ— 2020 से 2026 के बीच तीन गुना बढ़ेंगी। 2020 में US$12.6 बिलियन मूल्यांकित इस बाजार का आकार 2026 तक US$37 बिलियन से अधिक हो सकता है।
आवेदन बाजार में उछाल नवाचार के स्थान—संस्थाओं और कंपनियों दोनों के स्तर—से समर्थित है। उदाहरण के तौर पर, बड़ी अमेरिकी तकनीकी कंपनियां 3D प्रिंटिंग में अत्यधिक सक्रिय रही हैं—जैसा कि 2010 से उन्होंने प्रकाशित पेटेंटों की संख्या से स्पष्ट है। उदाहरण के लिए, जनरल इलेक्ट्रिक ने 2010 से 2019 के बीच 342 patents प्रकाशित किए हैं।
हालांकि, 3D प्रिंटिंग का क्षेत्र हमेशा वास्तविक अनुप्रयोग के महत्वपूर्ण प्रश्न का सामना करता रहा है। जबकि यह हमेशा वैज्ञानिक रूप से रोमांचक और आकर्षक क्षेत्र रहा है, कई लोग पूछते रहे हैं, ‘यह कितना वास्तविक है?’
हाल ही में, एक सफल प्रयोग ने दिखाया कि यह कितना वास्तविक हो सकता है जब यूनिवर्सिटी ऑफ वर्जीनिया स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग एंड एप्लाइड साइंस की शोध टीम ने “template for the first building blocks for human-compatible organs” विकसित किया, जिसे मांग पर प्रिंट किया गया। आगे के भाग में, हम इस प्रयोग और इसके द्वारा हासिल किए गए परिणामों को अधिक विस्तार से देखेंगे।
विभिन्न मानव ऊतकों के समान नियंत्रित यांत्रिक गुणों वाले बायोमैटेरियल्स
इस प्रयोग का नेतृत्व लिहेंग काई और जिनचैंग झू ने किया। लिहेंग काई सामग्री विज्ञान और अभियांत्रिकी तथा रासायनिक अभियांत्रिकी के सहायक प्रोफेसर हैं, और जिनचैंग झू उनके पीएच.डी. छात्र हैं।
उनके द्वारा अपनाई गई बायोप्रिंटिंग विधि को डिजिटल असेंबली ऑफ़ स्फेरिकल पार्टिकल्स (DASP) कहा जाता है। यह तकनीक बायोमैटेरियल कणों को जल-आधारित समर्थन मैट्रिक्स में जमा करती है ताकि 3D संरचनाएँ बन सकें जो कोशिकाओं के विकास के लिए अनुकूल वातावरण प्रदान करती हैं।
उनके निष्कर्षों को जर्नल Nature Communications में प्रकाशित करते हुए, वैज्ञानिकों ने रिपोर्ट का नाम ‘Voxelated bioprinting of modular double-network bio-ink droplets’ रखा। शब्द Voxel इस तथ्य से उत्पन्न होता है कि प्रिंटिंग प्रक्रिया ‘वोक्सेल’—पिक्सेल का 3D संस्करण—के द्वारा 3D वस्तुओं के निर्माण के समान है।
“हमारे नए हाइड्रोजेल कण हमारे द्वारा बनाए गए पहले कार्यात्मक वोक्सेल का प्रतिनिधित्व करते हैं। यांत्रिक गुणों पर सटीक नियंत्रण के साथ, यह वोक्सेल हमारे भविष्य के प्रिंटिंग संरचनाओं के बुनियादी निर्माण ब्लॉकों में से एक हो सकता है।”
“Our new hydrogel particles represent the first functional voxel we have ever made. With precise control over mechanical properties, this voxel may serve as one of the basic building blocks for our future printing constructs.”
सामान्य उपयोगकर्ता के लिए अधिक विशिष्ट होने के प्रयास में, झू ने अन्य बायोप्रिंटिंग विधियों की तुलना में उनकी तकनीक की प्रमुख विशेषताओं को उजागर किया। उन्होंने अपनी तकनीक में ‘नियंत्रण’ तत्व पर ज़ोर दिया, जिससे ऑर्गेनॉइड्स को प्रिंट करना संभव हुआ।
ये ऑर्गेनॉइड्स केवल 3D सेल-आधारित मॉडल थे जो मानव ऊतकों के रूप में कार्य कर सकते थे। इसे रोग प्रगति का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, हमारे निरंतर उपचार खोज में।
मौजूदा बायोप्रिंटिंग तकनीकों की तुलना में एक बड़ा छलांग
झू ने उनकी नवाचार को मौजूदा बायोप्रिंटिंग तकनीकों की तुलना में ‘बड़ी छलांग’ कहा क्योंकि यह ‘मजबूत और कोशिका-मैत्रीपूर्ण’ थी। प्रयोग में उपयोग किए गए पॉलीमर हाइड्रोजेल कण मानव ऊतकों की नकल कर सकते थे, एकल-अणु मोनोमर की व्यवस्था और रासायनिक बंधों को समायोजित करके, जो श्रृंखलाओं में जुड़कर नेटवर्क बनाते हैं।
अन्य समान समाधानों की तुलना में, काई और झू द्वारा प्रस्तुत समाधान कम विषाक्त और अधिक बायोकम्पैटिबल पाया गया।
टीम ने बायोप्रिंटर के उपयोग में भी महत्वपूर्ण सुधार हासिल किए। उन्होंने जो मल्टीचैनल नोज़ल डिजाइन किया वह हाइड्रोजेल घटकों को मांग पर मिलाने में सक्षम था। इसने अत्यंत तेज़ क्रॉस-लिंकिंग से उत्पन्न चुनौती को हल करने में मदद की, जो तरल बूंदों को 60 सेकंड के भीतर लोचदार जल-स्वेल्ड जेल में बदल देता था।
DASP तकनीक इस बाधा को दूर करती है बड़े बूंदों को संकरी और तेज़ गति वाले नोज़ल से मैट्रिक्स में जमा करके, तुरंत उन्हें निलंबित करती है। इस प्रकार, यह सॉफ्ट मैटर विज्ञान और 3D बायोप्रिंटिंग के क्षेत्र में एक मूलभूत समस्या—विस्कोएलास्टिक वोक्सेल्स की सटीक हेरफेर—को हल करती है। उपलब्धि का सारांश देते हुए, काई ने कहा:
“We’ve now laid the foundation for voxelated bioprinting. When fully realized, DASP’s applications will include artificial organ transplant, disease and tissue modeling, and screening candidates for new drugs. And it probably won’t stop there.”
जैसा कि हमने पहले देखा है, 3D बायोप्रिंटिंग के आसपास नवाचार लंबे समय से जारी हैं। इसलिए, यह स्पष्ट है कि कई प्रतिष्ठित कंपनियों ने इस तकनीक को अपनाया है। अगले भागों में, हम दो कंपनियों को देखेंगे जिन्होंने मेडिकल विज्ञान और स्वास्थ्य प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में इस स्थान को सुविधाजनक बनाया है।
#1. Northwell Health
कंपनी का दावा है कि वह ‘3D प्रिंट करने वाले पहले स्वास्थ्य प्रणाली बनने के लिए 100% समर्पित आपके इलाज को 3D प्रिंट करने के लिए समर्पित है’। इस क्षेत्र में Northwell Health की सबसे महत्वपूर्ण हस्तक्षेपों में से एक प्रोस्थेटिक्स में रहा है।
कंपनी ने एक जल-स्थलीय प्रोस्थेटिक अंग 3D-प्रिंट किया। यह समाधान एक फ़िन है जो अपहृत व्यक्ति को बिना प्रोस्थेटिक बदले पानी में प्रवेश और निकास करने की अनुमति देता है।
फ़िन के लाभों में अत्याधुनिक कार्बन फाइबर सामग्री का उपयोग और एक एर्गोनोमिक आकार का लाभ शामिल है, जो टिकाऊ और कुशल गति सुनिश्चित करता है। Northwell ने फ़िन को प्रिंट करने के लिए कार्बन फाइबर-एन्हांस्ड नायलॉन का उपयोग किया, जो शक्ति और लचीलापन पर केंद्रित था। इसके अलावा, इसकी टिकाऊपन ने इसे जमीन और पानी दोनों में उपयोग के लिए उपयुक्त बना दिया।
फ़िन में अनूठी सामग्री गतिशीलता थी। इसमें शंकु आकार के छेद थे जो पानी के प्रवाह को नियंत्रित कर सकते थे। छेदों की डिजाइन और व्यवस्था ने पानी में प्राकृतिक ड्रैग और प्रोपल्शन की अनुमति दी। छेदों की संख्या अपहृत व्यक्ति की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार समायोज्य थी।
Northwell Health लंबे समय से शरीर के भागों के 3D-प्रिंटेड विस्तृत मॉडल विकसित करने में अग्रणी रहा है, जिससे सर्जनों को ऑपरेशन की बेहतर योजना बनाने में मदद मिलती है। कंपनी ने 3D प्रिंटिंग की संभावनाओं को तब ही पहचाना जब यह इतना लोकप्रिय रुझान नहीं बन चुका था।
2018 की एक उद्धरण में, Todd Goldstein, Northwell Health के 3D डिज़ाइन और इनोवेशन सेंटर के निदेशक, ने कहा: following to say:
“दवा में 3D प्रिंटिंग के उपयोग से हम रोगी की शारीरिक संरचना को कंप्यूटर स्क्रीन से निकालकर चिकित्सक के हाथों में रख सकते हैं। यह प्रकार की तकनीक सभी संबंधित पक्षों के लिए एक गेम-चेंजर है, क्योंकि यह चिकित्सकों को रोग विज्ञान को बेहतर ढंग से देखने की अनुमति देती है, रोगियों को वास्तव में दिखाती है कि कौन सा उपचार आवश्यक है, और लगभग सभी विशेषज्ञताओं में अधिक सटीक, रोगी-विशिष्ट उपचार प्रदान करती है।”
2023 में, Northwell Health ने US$16.9 बिलियन की आय और 6.3% की EBITDA मार्जिन दर्ज की।
#2. Psyonic
इस क्षेत्र में उल्लेखनीय कार्य करने वाली एक और कंपनी Psyonic है। Ability Hand, Psyonic का प्रमुख उत्पाद, दुनिया का सबसे तेज़ और पहला टच-सेंसिंग बायोनिक हाथ है। जीवन और गतिशीलता को पुनर्स्थापित करने का वादा करते हुए, PSYONIC 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके प्रोटोटाइप को कुशलता से बनाता है, किफायती और पहुंच बढ़ाता है, और टिकाऊपन तथा इम्पैक्ट प्रतिरोध को बढ़ाता है।
Psyonic ने बायोनिक हाथ की उंगलियों में सेंसर जोड़कर अपने समाधान में महत्वपूर्ण मूल्य जोड़ा है, जो वस्तु को पकड़ते समय दबाव का पता लगाते हैं और उस अनुभूति को संचारित करने के लिए हाथ में कंपन भेजते हैं।
परिणामस्वरूप, हाथ उपयोगकर्ता क्रिया को महसूस कर सकता है और सबसे नाज़ुक वस्तुओं को आसानी, आराम और सहजता से संभाल सकता है। इसकी मजबूती इसे बिना टूटे ब्लंट फोर्स इम्पैक्ट को संभालने में सक्षम बनाती है। यह जल-प्रतिरोधी भी है और पूरे दिन उपयोग के लिए विभिन्न ग्रिप पैटर्न के साथ आता है।
Ability Hand कुल 32 ग्रिप पैटर्न प्रदान करता है, जिनमें से 19 पूर्वनिर्धारित हैं और उपयोग के लिए उपलब्ध हैं। यह हल्का है, वजन 490 ग्राम। यह बहु-आर्टिकुलेटेड है, सभी पाँच उंगलियाँ मोड़ने और फैलाने के लिए तैयार हैं, और अंगूठा विद्युत और मैन्युअल रूप से घुमाने में सक्षम है।
इसे एक घंटे में USB-C से चार्ज किया जा सकता है। यह क्रॉस-समर्थनीय है और अधिकांश थर्ड-पार्टी EMG पैटर्न पहचान प्रणाली, EMG डायरेक्ट कंट्रोल सिस्टम, लीनियर ट्रांसड्यूसर, और फोर्स-सेंसिटिव रेसिस्टर के साथ काम करता है।
उपलब्ध नवीनतम फंडिंग जानकारी के अनुसार, Psyonic की क्राउडफ़ंडेड इक्विटी अभियान ने अब तक $1 मिलियन से अधिक जुटाए हैं।
इन 3D-प्रिंटेड मानव शरीर भागों के उदाहरणों से स्पष्ट है कि वास्तविकता में, 3D प्रिंटिंग मानव अंग एक दूरस्थ सपना नहीं है। जबकि हमने हाल ही में इस क्षेत्र में सबसे महत्वपूर्ण प्रगति में से एक पर चर्चा की है, हम भविष्य की विशाल संभावनाओं को समझने के लिए अधिक प्रासंगिक शोध का अन्वेषण करेंगे।
3D प्रिंटिंग का भविष्य: जितना वास्तविक हो सके उतना निकट
3D-प्रिंटेड अंगों के उत्पादन में हाइड्रोजेल का अक्षम उपयोग का कुछ इतिहास है। एक 2022 research report ने यूनिवर्सिटी ऑफ बायरेउथ में प्रोफेसर थॉमस शाइबेल द्वारा नेतृत्व किए गए अध्ययन टीम के उदाहरण का उल्लेख किया, जिसने 3D प्रिंटिंग का उपयोग करके स्पाइडर सिल्क को माउस फाइब्रोब्लास्ट कोशिकाओं के साथ मिलाकर “बायो-इंक” या हाइड्रोजेल सफलतापूर्वक उत्पन्न किया।
जब ये जेल प्रिंटर हेड से एक्सट्रूज़न सतह पर प्रवाहित होते हैं, तो वे तरल से ठोस अवस्था में तेज़ी से बदल सकते हैं। यह ज्ञान स्पाइडर सिल्क स्कैफ़ोल्ड और कार्डियोमायोसाइट्स का उपयोग करके हृदय मांसपेशी ऊतक को दोहराने में उपयोग किया गया।
एक 2023 की रिपोर्ट जिसने मानव अंगों को दोहराने के लिए 3D प्रिंटिंग के उपयोग की वास्तविकता की व्यापक जांच की, ने इसे ‘जल्द ही वास्तविकता’ कहा। इसने कई उदाहरणों का उल्लेख किया जो सभी संभावित प्रभावों में आशाजनक भविष्य दर्शाते हैं।
उदाहरण के लिए, 2022 में, सैन एंटोनियो, टेक्सास में, डॉ. आर्टुरो बोनिला ने 20 वर्षीय महिला—जिसका बाहरी कान नहीं था—पर एक बाहरी कान प्रत्यारोपित किया, जो उसकी बाएँ कान के समान आकार और आकार में दाएँ कान को बनाकर किया गया। यह मामला अत्यंत महत्वपूर्ण था क्योंकि यह पहली बार था जब प्रत्यारोपित कान 3D बायोप्रिंटर के उत्पाद के रूप में महिला की कार्टिलेज कोशिकाओं का उपयोग करके बनाया गया।
पोलैंड स्थित शोधकर्ताओं ने स्थिर रक्त प्रवाह के साथ एक कार्यात्मक अग्न्याशय का प्रोटोटाइप भी प्रिंट करने में सफल रहे। यह प्रयोग सूअरों पर किया गया और दो हफ्तों तक देखा गया। इस बीच, मानव फेफड़ों के लिए तकनीकों को अनुकूलित करने के प्रयास भी चल रहे थे। बायोनिक अग्न्याशय के निर्माता मिचाल व्सोला और United Therapeutics Corporation ने 4,000 किलोमीटर के कैपिलरी और 200 मिलियन अल्वियोली (छोटे वायु थैले) वाले मानव फेफड़े का स्कैफ़ोल्ड 3D प्रिंट किया, जो पशु मॉडलों में ऑक्सीजन का आदान-प्रदान कर सकते थे।
Wake Forest Institute for Regenerative Medicine के वैज्ञानिकों ने एक मोबाइल स्किन बायोप्रिंटिंग सिस्टम विकसित किया। उनका मानना है कि जल्द ही, यह संभव होगा कि प्रिंटर को सीधे ऐसे रोगी के बिस्तर तक ले जाया जाए जो न ठीक होने वाले घाव, जैसे जलन, से पीड़ित है, घाव के क्षेत्र को स्कैन और मापे, और 3D में त्वचा को परत दर परत सीधे घाव की सतह पर प्रिंट किया जाए।
प्रोफेसर टाल द्विर इज़राइल के टेल अवीव विश्वविद्यालय में टिश्यू इंजीनियरिंग और पुनर्जनन चिकित्सा के निदेशक हैं। उनका स्तर 3D-प्रिंटेड “खरगोश-आकार” हृदय परियोजना का नेतृत्व कर रहा है, जिसमें कोशिकाएँ, कक्ष, प्रमुख रक्त वाहिकाएँ और धड़कन शामिल हैं। आविष्कार और भविष्य की संभावनाओं के बारे में बात करते हुए, द्विर ने कहा:
“हम अब पेसमेकर कोशिकाओं, एट्रियल कोशिकाओं, वेंट्रिकुलर कोशिकाओं पर काम कर रहे हैं। यह अच्छा दिख रहा है। मेरा मानना है कि यह भविष्य है।”
स्वास्थ्य विशेषज्ञ मानते हैं कि मानव सभ्यता की 3D प्रिंटिंग अंगों की क्षमता 106,000 लोगों की अंग दान प्रतीक्षा सूची में मदद करेगी। हर दिन, 17 रोगी इंतजार में मरते हैं। मानव अंगों को 3D प्रिंट करने में सक्षम होना कई जीवन बचा सकता है।
स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय के बायोइंजीनियरिंग विभाग के सहायक प्रोफेसर मार्क स्काइलर-स्कॉट के अनुसार:
“यह क्षेत्र पिछले दो दशकों में बहुत तेज़ी से विकसित हुआ है, प्रिंटेड ब्लैडर से अब अत्यधिक कोशिकीय ऊतकों तक, जिनमें ऐसे रक्त वाहिकाएँ हैं जिन्हें पंप से जोड़ा जा सकता है—और जटिल 3D मॉडल जो हृदय घटकों के समान हैं और एकीकृत हृदय कोशिकाएँ शामिल हैं।”
अब यह लगभग निश्चित है कि 3D-प्रिंटिंग मानव अंग हमारे उपचार प्रक्रियाओं और देखभाल प्रणालियों में क्रांति लाएगी। हालांकि, इसे कुछ चुनौतियों को पार करना होगा।
उदाहरण के लिए, इसे अधिक तनाव-प्रतिरोधी होना पड़ेगा। उत्पादन और निर्माण को कच्चे माल की संगतता के संदर्भ में अधिक समावेशी होना पड़ेगा। इसे ऊर्जा-कुशल बनना होगा ताकि इसे तेज़ी से स्केल किया जा सके।
यह 3D प्रिंटरों द्वारा उत्सर्जित अस्थिर कार्बनिक यौगिकों को समाप्त करना पड़ेगा, जो अक्सर कार्सिनोजेनिक और विषाक्त होते हैं और अंग क्षति, गले में जलन, और मतली जैसी गंभीर स्वास्थ्य समस्याएँ पैदा कर सकते हैं। अंत में, इसे लागत-प्रभावी और किफायती होना पड़ेगा ताकि विश्वभर में हमारे अंडर-ट्रीटमेंट जनसंख्या के बड़े हिस्से को लाभ मिल सके।
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